M, DEGAS

/NERIS Direction desrisques du so| et du sous-so/

P arc technolo gique AlataBPn'2

60 5 5 0 V erneuil- en- H alattern ari e . d e g a s @ineris. fr

F. WOJT:KOWIAKIÀIERIS, Laboratoire

EnvironnementGéomécanique

et OuvragesEcole des mrnes de .ô{ancy

Parc de Sa urupt54042lfancy Cedex

fr an c i s . w oj tko wi ak@in eri s . fr

M. METZ

M. BRANCHET

Houillères du bassrnd,e Lorraine

Unité de gestionde L'enuironnement

et du patrimoine industriel2, nte de Metz

5 7 S0 2 F reymin g-M erl eb achCedex

michel.metz@hbl.tr

Exemple d'impacts de l'arrêt

L'ensemble du volume des terrains affectés par uneexploitation minière souterraine peut être considérécomme un réservoir aquifère qui, contrairement à unaquifère classique, n'est pas matérialisé par des limitesphysiques bien définies. Il correspond en effet au volumedes vides dus à la fracturation naturelle et celle induitepar l'exploitation, à la porosité matricielle du massif,ainsi qu'au volume des vides miniers résiduels. Cettecommunication présente en premier lieu les résultats dedeux méthodes d'évaluation des vides miniers résiduelsappliquées à l'étude du bassin de Faulquemont et lescompare au volume d'eau nécessaire à l'ennoyage de cebassin . La deuxième partie de cette communications'intéresse aux éventuels effets sur la stabilité desterrains de surface de la remontée des eaux dans cemême bassin. En effet, des études menées concernantrespectivement aux Pays-Bas, en Allemagne et, plusrécemment, en France ont mis clairement en évidenceque la remontée des eaux après l'arrêt de l'exhaurerninière peut générer un soulèvement des terrains. Lesobservations faites en Lorraine dans le secteur deFaulquemont, où la remontée des eaux est stabilisée,donnent des résultats similaires. Aucune conséquencesur le bâti et les infrastructures n'a été constatée jusqu'àprésent dans les bassins miniers soumis à ce phénomène.

Mots-clés : affaissement, exploitation souterraine,charbon, après-mine, ennoyage, réservoir minier.

A rock-mass mined by underground exploitation can beassimilate as an aquifer reservoir which is not delimited byphysical boundaries unlike a geological reservoir. In fact, thisground-water reservoir includes the residual mining voids andmining works (drlfts, shafts, galleries), natural porosity(interstitial porosity and of the natural discontinuities) of thefractured rock-mass, including the fracturation induced bymining. Firstly, this communication present the results obtainedwith two different methods used to evaluate the total volume ofthe residual mining voids and compare these results with thevolume of water flooding calculated from the curve of theunderground water level rise measured in the Fauiquemont coalbasin (Lorraine). The second part of this communication explainsthe effects of water ievel rise on the stability of the surface.Indeed, the water level recovery, when pumping is stopped, caninduce a rise of ground ievel. The studies concerning miningrespectively in The Netherlands and in Germany highlighted thisphenomenon. The observations made also in the district ofFaulquemont, where the works flooding has been stabilised, givesimilar resuits. No consequence on buildings and surfaceinfrastructures due to this phenomenon has yet been noticed.

Key words: subsidence, underground mining , coal, post-mining,flooding, mining ground-water reservoir.

de l'exploitation minièreet de l'exhaure dans le bassinhouiller de Faulquemont(l,orraine)

l'SlIEl=Iull.SllÉ,

End of mining extraction and itsinduced underground water level rise:example of impacts in Faulquemontcoal basin (t orraine, France)

l+,I(JtfoILl+,Itll-ot<

121REVUE FRANçAIsE oe cÉorccHNreuE

N'106-1071",e|* trimestres 2004

Elntroduction

L'exploitation souteraine du charbon en France aété le plus souvent pratiquée par des méthodes d'extra-ction dites totales. Ces méthodes consistent à extraire lecharbon dans sa totalité et à combler les vides souter-rains soit par le remblayage intégral, avec des maté-riaux provenant de la surface ou issus des terrains sté-rile s du fond, sort par le foudroyage du toitimmédiatement en arrière du chantier d'extraction. Cesméthodes d'exploitation totale et certaines méthodesd'exploitation partielle telles que les exploitations parchambres et piliers remblayées ou foudroyées, assurentdonc un traitement intégral des vides créés par l'extra-ction et minimisent le risque d'instabilité des terrainsde surface durant la phase post-exploitation.

Si, durant la phase d'exploitation, ces travaux indui-sent des affaissements en surface ou, plus rarement,des effondrements maîtrisés du recouvrement, le com-blement rapide des vides par les terrains foudroyésdans l'arrière-taille conduit à une stabilisation assezrapide également des terrains de surface. L'expérienceacquise en France et dans les charbonnages d'Europeoccidentale depuis plus de 50 ans montre, en effet, quel'essentiel de l'affaissement prévu (90 'A de l'amplitudeglobale) se produit pendant l'exploitation totale dupanneau. Le reliquat de l'affaissement est générale-ment réalisé dans les deux années qui suivent l'arrêtdéfinitif de l'exploitation. Au-delà de cette période, lesmouvements de la surface ne sont plus très significa-tifs car ils sont pratiquement de même amplitude quedes mouvements naturels du sol, et restent de plusdans la limite des tolérances d'un nivellement de hauterésolution (Piguet et Wojtkowiak, 2001). Dans tous lescas, les éventuels mouvements différés pendant cettephase, dite d'affaissement résiduel, S€ caractérisenttoujours par des mouvements verticaux (affaissements)de faible amplitude du fait du volume très réduit desvides miniers résiduels. En général, peu après la ces-sation de l'exploitation, les pompages d'exhaureminière sont également arrêtés, provoquantl'ennoyage des anciens travaux miniers et la formationd'un aquifère profond contenu dans les terrainshouillers décomprimés et les vides miniers résiduelslaissés par l'exploitation.

La remontée des eaux après l'arrêt de l'exhaureminière peut générer un soulèvement des terrains quiest fonction de la profondeur de l'exploitation, de lapuissance des couches exploitées, de l'extension destravaux et de la hauteur de remontée du niveau ptézo-métrique de ia nappe d'eau souterraine. Les études deJ.J.E. Pôttgens et al. (1995, 2001) et de J. Fenk (1997),concernant respectivement des sites miniers aux Pays-Bas et en Allemagne, ont mis en évidence ce phéno-mène. Les observations et mesures topométriquesfaites plus récemment en France dans le bassin houillerde Blanzy et en Lorraine, notamment dans le secteurde Faulquemont où la remontée des eaux est mainte-nant stabilisée, donnent des résultats similaires. Eneffet, les études menées dans ces deux bassins ont per-mis de suiwe la remontée des eaux et d'enregistrer unsoulèvement d'amplitude pluricentimétrique de la sur-face du sol au droit des secteurs exploités et ennoyés.Aucune conséquence sur le bâti et les infrastructuresdes régions soumises à ce phénomène yt'a été constatée

l}}rusqu'à présent

Les conséquences de l'ennoyage du siège de Faul-quemont, bien individualisé du reste du bassin houillerlorrain, comportent, entre autres, une < resaturation >

des terrains de recouvrement dénoyés lors de l'exploi-tation ainsi que le remplissage du réservoir constituépar les vides miniers résiduels. Le premier objectif decette communication est de présenter les résultats del'estimation du volume total des vides miniers résiduelset de leur répartition en fonction de la profondeur,étude effectuée pour mieux comprendre et interpréterla courbe de remontée des eaux en fonction du tempsqui avait été enregistrée lors de l'ennoyage de ce sec-teur. Pour ce faire, deux méthodes d'évaluation desvides miniers résiduels différentes ont été appliquéesdans le cadre de cette étude (V Degas, 2001). Afin depouvoir conclure sur les résultats obtenus par ces deuxméthodes, ceux-ci ont été comparés au volume d'eaunécessaire à l'ennoyage de ce petit bassin minier. Ledeuxième volet traité dans cette communicationconcerne le suivi des mouvements de la surface du soleffectué dans ce secteur depuis l'arrêt des pompagesd'exhaure minière. Ce suivi a mis également en æuwedeux méthodes de mesure différentes : une méthodeclassique de nivellement de haute précision dont lesrésultats sont confrontés à ceux issus du traitementinterférométrique différentiel d'une série temporelleconstituée de scènes radar (Carnec, 2001). Ces deuxméthodes ont été respectivement mises en æuvre parle service ( géologie, topographre et sondages > desHouillères du bassin de Lorraine (HBL) et par le BRGM(Carnec et Raucoules, 2000).

EEstimation du volumedes vides miniers résiduels

Deux méthodes d'évaluation peuvent être utilisées:la première établit,, de manière empirique, une propor-tionnalité entre le volume résiduel et le volume de char-bon extrait; la seconde méthode,, qualifiée de volumé-trique,, nécessite une parfaite connaissance desvolumes extraits, remblavés et affaissés.

WÉvaluation du volume des videspar la méthode du coefficient de capacitéà l'eau

Cette méthode empirique (Rogoz, 1978; Bukowski,2000), mise au point pour le bassin de Haute-Silésie(Pologne), présente l'avantage de s'affranchir du calculdu volume affaissé, celui-ci étant fortement dépendantdu nombre de points de mesure topographiques ou del'évaluation de l'affaissement à partir d'approches éga-lement empiriques (Proust, 1964).

La détermination du volume des vides résiduelsproposée par M. Ro goz repose sur la formule suivante :

V.., = C* V.*o (1)

où V.", est le volume total des vides résiduels;V"*o est le volume total exploité;C est le coefficient de capacité à l'eau, défini par

M. Rogoz (1978) et déterminé à partir de l'abaque qu'il aétabti et représenté sur la figure 1.

REVUE FRANçAIsE or cÉorucrNteuEN" 106-107let eT 2 trimestres 2004

}YATtrR CA FÂCI' r\" r.OEI:TTICI H'\iI' O r M I N H TVORK I NGSAS TttU tsUNÇT'ttlf,i OF I)fiP^I'tt Ai\t) VOtllS trlLLI|({;

| - wtk-filling2* eawng3 *hydr*rsl)cfrtltrrg

p,|fi71",''ft':',"'',t"':t', D étef min ati On dU C O effi C i ent d e C ap a C ité àl'eau en fonction de la profondeur H(mètres) et du mode de traitement del'arrière-taille (M. Rogoz, 1978)Water capacity coefficient of mine workings asthe fonction of depth and voids fillincr[M. Rog oz, 1978).1 - rembiayage (rock-filling) ; 2 - foudroyage(caving) ; 3 - remblayage hydraulique (hydrattlicfillit'tg).

Les méthodes de traitement de l'arrière-tailie parremblayage hydraulique ou par foudroyage, décritesdans i'article de Rogoz (1978), semblent relativementsimrlaires à celles utilisées en France, ce qui justifiel'emploi des coefficients déduits de cet abaque. Enrevanche, l'autre méthode de remblayage, correspon-dant à la courbe 1 de l'abaque (Fig.1), n'étant pas pré-cisée (remblayage manuel ou par voie pneumatique ?),une forte incertitude persiste sur l'application des coef-ficients présentés dans le cas du remblayage pneurra-tique. Cette incertitude est loin d'être négligeable. Eneffet, le facteur d'affaissement issu de la méthode volu-métrique décrite ci-après varie respectivement entre0,8 et 0,45 pour le remblayage manuel et le remblayagepneumatique en plateure, ce qui représente une plagede variation importante (Proust, 1964).

De plus, il faut noter dès maintenant que ces coeffi-cients ne prennent pas en compte les vides liés à la pré-sence des galeries d'infrastructure.

WÉvaluation du volume des videspar la méthode volumétrique

Le volume des vides résiduels induit par les travauxminiers (V,"",) est déduit du volume des vides créés parl'exploitation et est également fonction, entre autres, dumode de traitement de l'arrière-taille. Indépendam-ment de la répartition dans le massif de cette ( porositéinduite >, la valeur globale du volume résiduel est égaleà:

V.", = V""t - ( - ko).V..,, - Vur Q)ou

V des vides miniers résiduelsfesinduits par l'exploitation;

V.*, - volume total de matériau extrait, comprenantle volume total de charbon extrait dans chacune destailles ainsi que le volume des stériles provenant desgaleries et des puits;

V.",.,., - volume des remblais mis en place dans lestailles. Pour ies tailles foudroyées, V.",' - 0. Le tasse-ment des remblais dû à la convergence des épontes estintroduit par le coefficient de remblayage défini par A.Proust (1964). Ce coefficient est celui utilisé lors de laprévision des affaissements et dépend du mode de trai-tement de l'arrière-taille. Pour un remblai hydraulique,il est compris entre 0,2 et 0,3 ; pour un remblai pneu-matique, il est égal à 0,45;

k., : porosité du remblai après tassement. On estimeqrr. Ï.mêmecents.

remblai garde toujours une certaine porosité,après tassement sous le poids des terrains susja-La valeur moyenne de cette porosité est estimée

à 0,15 ou 15'Â ;

Vur - volume affaissé correspondant au volume dela cuvette d'affaissement qui s'est formée en surface.

Le volume affalssé est la valeur la plus difficile àdéterminer dans ce calcul car, contrairement auxvolumes exploités et remblayés, il ne peut être déter-miné à partir des plans d'exploitation.

Pour localiser et quantifier les affaissements de lasurface provoqués par des exploitations souterraines,plusieurs méthodes sont utilisées. La première consisteà établir une carte des variations topographiques entrele début et l'arrêt de l'exploitation, à partir des bases dedonnées de l'lGN (Institut géographique national) etdes affaissements calculés par la méthode de Proust(1,964). Les bases de données de l'lGN sont deux ievéstopographiques, nommés BDAlti pour le levé ancien(datant de 1935, en général) et BDTopo pour le levérécent (datant des années 1990).

La carte des variations topographiques entre ledébut et la fin de l'exploitation minière permet d'éva-luer les affaissements engendrés par les travauxminiers. Elle est établie de la manière suivante :

- pour les affaissements ayant eu lieu entre la date delevé de la BDAlti et la date de levé de la BDTopo, pardifférence des levés topographiques disponibles ;

- pour les affaissements antérieurs à la date de levé dela BDAlti, par calcul de la valeur théorique de l'affais-sement engendré par les panneaux exploités antérieu-rement à la date du levé. suivant la méthode de Proust.

Les variations topographiques reportées sur la cartesont évidemment la somme des affaissements détermi-nés à f issue de ces deux calculs

193REVUE FRANçAIsE nr cÉorrclNteuE

N'106-1071e, et 2u trimestres 2004

Il faut noter que, sur cette carte :

- on ne peut pas distinguer les réductions d'altitudeliées à l'exploitation minière de celles liées à d'autrescauses d'origine humaine (carrière à ciel ouvert, terras-sement...) ou naturelle ;

- il peut exister localement des variations liées aumanque de précision des courbes de niveau du levéancien.

La seconde méthode, la plus appropriée lorsqu'ondispose des données pour ce faire, consiste à établir lesauréoles d'iso-affaissement dans le secteur exploité, àpartir des mesures de nivellement en surface réaliséesdepuis le début des travaux.

En gén éral, la détermination du volume affaissé sefait par la modélisation géométrique, en trois dimen-sions,, des affaissements engendrés par les travauxminiers à l'aide de logiciels de DAO.

EApplication au bassinde Faulquemont

WContexte hyd rog,ëologiq ue et minier

Le bassin houiller de Faulquemont fait partie dubassin charbonnier lorrain, situé à 50 kilomètres à l'Estde Metz (département de la Moselle). I1 constitue unréservoir souterrain isolé des autres exploitations dubassin houiller lorrain. Une trentaine de veines ont étéexploitées par la méthode des longues tailles, rem-blayées ou foudroyées, entre 1936 et 1974 (arrêt défini-tif de la mine) et à des profondeurs comprises entre 560et 1 000 mètres (cote NGF entre - 160 et - 600 m). Lecontexte stratigraphique de ce bassin est tel que le Car-bonifère (houiller productif très peu aquifère à l'étatvierge) est recouvert d'environ 400 mètres de grès vos-giens du Trias inférieur.

Malgré l'arrêt de l'exploitation souterraine en 197 4,l'exhaure de la mine de Faulquemont a été maintenue àpartir de l'étage 680 (cote - 400 m NGF) pour alimenteren eau industrielle le complexe de Carling jusqu'à mi-octobre 1989. Le bilan des eaux effectué en 1976 faitapparaître un volume d'exhaure atteignant 24,5 m3/min.La fracturation naturelle des terrains de recouvrementet celle induite par l'exploitation, ont provoqué unrabattement important de la nappe du Trias qui anécessité la mise en place d'un système efficaced'exhaure de ces eaux pour l'exploitation minière. Cerabattement atteint son maximum en 1977 avec unniveau hydrostatique à la cote + 175 m au puits 1deFaulquemont (rabattement de plus de 75 mètresd'amplitude). En effet, le niveau piézométrique d'ori-gine, avant travaux, devait se situer aux environs de+ 250 m (nappe en charge car ce niveau correspond autoit des grès à Voltzia). Après l'arrêt de l'exhaure,d'après les simulations réalisées par le BRGM puisANTEA (BaboT, 1997),le niveau piézométrique remon-terait vers les cotes + 220 à + 230.

Le suivi de la remontée de la nappe semble mettreen évidence que le niveau de l'eau de la mine ennoy ée aatteint, à ce jour, son régime d'équilibre piézométriqueavec la nappe des grès du Trias inférieur. Ce niveau est

l}4actuellemèÀt à la côte + 1eB environ dans le puits 1 De

plus, il apparaît que l'ensemble des vides miniers rési-duels (cavités résiduelles, zones foudroyées, zonesremblayées...) et des terrains situés dans le côned'influence des travaux miniers,, affectés par la fractu-ration naturelle et induite par l'exploitation, est ennoyédès le début du mois de mai 1990, soit un peu plus desix mois après l'arrêt de l'exhaure, soit depuis plus dedix ans maintenant. De même, le niveau piézométriquede la nappe est également stabilisé depuis plusieursannées.

ENNCIYAGE DE LA MINE DE F^AULQUEMONTEvolutian ûu niveau d'eau dans le puits 1

çlg7'::::E:,.;r:,:;',:,:: COufbe piézOmétrique de la remontée de lanappe souterraine au puits l deFaulquemont (HBL, 1999).Water level rising curve versus time within theFaulquemont ground-water reservoir (HBL,1999).

ffiSuivi des mouvements de la surface du sol

':. .:,,,,,,,..,:.,,,,,,.,.,,.,,,,.,,,,,,

A partv de mesures de nivellementpendant l'exploitation

En phase d'exploitation, le suivi des affaissementsn'a été systématisé qu'à partir de 1961 mais, locaie-ment, ce suivi a été mis en æuvre dès 1955" L'analysedes documents (plan d'ensemble des affaissements deFaulquemont-Folschviller et des cahiers d'affaisse-ments) permet d'avoir des données couwant la période1955-1975. L'évolution des affaissements a été suivie surtrès grand nombre de points de nivellement répartisdans l'ensemble de Ia zone étudlée. On notera que, lorsde l'arrêt des mesures de nivellement (entre 1972et 1975 selon les points), la stabilisation des terrainsn'était pas toujours acquise puisque les dernièresexploitations n'ont été arrêtées qu'en 197 4. C'est plusparticulièrement le cas des points de nivellement situésdans la forêt de Steinbesch, au sud de Bambiderstroff.Ces éléments ont été reportés sur une carte des affais-sements cumulés qui fait apparaître les points suivants:

entre 1955 et 1961, on note la présence de deuxcuvettes d'affaissement centrées sur les travaux dedeux champs d'exploitatior, les champs B,, (Bambi-

REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'106-1071e, el 2" trimestres 9004

derstroff) et B, (Haute-Vigneulles), avec des valeurscomprises entre 0,30 et 1,0 m au maximulx;

- entre 1961 et l'arrêt des mesures de nivellement en1975, trois cuvettes d'affaissement sont individuali-sées :

. une à l'aplomb des travaux du champ R,, versl'ouest, atteignant 2,7 m d'amplitude,

r urle nouvelle cuvette à ]'aplomb des travaux duchamp D, située au Nord-Ouest de Bambiderstroff,atteignant 1,66 m,

. une à l'aplomb des travaux du champ Bz située auSud-Est de Bambiderstroff, atteignant une valeur de1,37 m.

Le cumul des affaissements induits par les exploita-tions entre 1955 et 1974 serait donc de l'ordre de 3,0 mpour la cuvette située à l'Ouest du champ 8.,, et d'envi-ron 2,0 m pour la cuvette du champ Br.

La surveillance des nivellements dans ce secteur aété interuompue en 1975.

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A parttr de mesures de nivellementaprès l'arrët des pompages d'exhaure

Nous avons vu que les nivellements de surveillancedes effets des travaux miniers sur la surface ont été réa-lisés jusqu'en 1975 dans le meilleur des cas. Afin d'ana-lyser les éventuels effets de l'ennoyage sur la stabilitédes terrains de surface, deux nivellements complémen-taires ont été effectués : le premier au cours de l'été1998, et le second, réalisé au vu des résultats du pre-mier et à titre de contrôle, au cours du mois demars 2001 (Wojtkowiak, 2001).

Le problème essentiel du premier nivellement com-plémentaire a été la recherche et la caractérisation despoints de nivellement surveillés au cours de l'exploitation.Trente-six points de nivellement, répartis sur l'ensemblede la zone, ont pu être ainsi retrouvés et nivelés.

L'analyse des mesures de nivellement effectuéesindique une constante variation positive par rapportaux derniers levés, variation comprise entre 1et 14 cmet répartie de façon inégale sur l'ensemble de la zone.Sur les 36 points nivelés, 13 indiquent une amplitudede mouvement supérieure à 5 cm (Fig. 3). Ils sontsitués le long de la route départementale D74 joignantHaute-Vigneulles à Bambiderstroff, et à proximité oudans la forêt de Steinbesch. L'amplitude maximale dumouvement (près de 1,4 cm) est mesurée en un pointsitué en bordure d'un chemin champêtre. Si l'on tientcompte des compensations sur les écarts de fermeture(de l'ordre de 2 cm), écarts s'inscrivant à l'intérieurdes tolérances des nivellements de haute précision,, ondoit admettre l'existence de mouvements de soulève-ment de la surface de l'ordre de la dizaine de centi-mètres au maximum par endroits.

Le nombre et la réparfition des points par rapport auxcuvettes d'affaissement initiales ne sont cependant passuffisants pour rechercher une relation empirique entrel'amplitude de ce mouvement de soulèvement de la sur-face du sol et la hauteur de remontée du niveau d'eaudans le réservoir minier. De telles relations ont déjà étéproposées par différents auteurs à partir des retoursd'expérience de l'ennoyage d'exploitations houillèressouterraines en Hollande, Allemagne et Belgique notam-ment (Pôttgens ef al., 1995 et 2001 ; Fenck, 1,997).

FAULQUË MONT , AFFAISSEMENT$ CUMULES (Forêt de $teinbesch)

0,050

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-0,û50

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,:.,, :,,.,.,., ' :,,,,,,,,',,,:..,,flË+,,3 Mesures topographiques dans le secteurde Faulquemont (forêt de Steinbesch)après l'ennoyage des travaux.Levelling measurements in the sector ofFaulquemont (Steinbesch Forest) after the minefloodino.

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Suivi des mouvements de la surfacepôr intertërometrie rada r diffërentielle

L'auscultation satellitaire est susceptible de fournirune information synoptique complémentaire desobservations et des mesures de nivellement parexemple effectuées in situ, avec une fréquence régu-lière d'observation (35 jours pour les satellites radarseuropéens ERS). La technique d'interférométrie radardifférentielle (Carnec, 2001) a don c été expérimentéesur le secteur de Faulquemont, afin de confirmer oud'infirmer l'existence de mouvements de la surface misen évidence par les mesures de nivellement précé-dentes (Carnec et Raucoules,, 2000).

Les résultats obtenus sur le secteur de Faulquemontreposent sur f interprétation d'une série temporelle de18 scènes radar ERS-1/ERS -2 acquises entre juin 1993et juin 1999. I1 ressort de l'analyse des différentes com-binaisons radar effectuée par le BRGM, les remarquessuivantes :

1) le faible rapport signal/bruit réduit considérable-ment la surface observabl e, y compris pour les combi-naisons interférométriques réalisées avec de faiblesécarts temporels;

2) à l'exception des interférogrammes couvrant deschamps encore en exploitation dans le bassin houillerlorrain, I'analyse de la série temporelle n'a révéléaucune signature caractéristique de mouvements surles zones où le niveau de cohérence est significatif ;

3) à f issue de l'analyse complète de Ia série tempo-relle, seules les combinaisons interférométriques pré-citées présentent une signature de phase susceptiblede représenter une déformation de surface, de typeaffaissement, localisée à proximité de l'intersection desroutes départementales no 20 et 24 au Sud de Faulque-mont. Les caractéristiques de la signature peuvent serésumer comme suit: maximum d'amplitude : environ2,5 cm entre le 14-06-1993 et le 23-08-1993; position ducentre de la surface (km, Lambert II étendu) : Xcentre :

912,5 et Ycentre : 2 457,7 ; aire estimée de la surface :

1 300 ha.

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DATES

125REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N'106-1071e,el2 trimestres 2004

Toutefois, compte tenu de la faible amplitude de lasignature par rapport aux fluctuations atmosphériqueset au bruit environnant, nous sommes amenés àémettre des réserves quant à la signification de ceterme de frange. De plus,, le fait que les combinaisonsinterférométriques ne soient pas indépendantes (uneimage commune), l'origine de la signature ne peut pasêtre établie avec certitude au vu de ces seuls interféro-grammes.

En d'autres termes, pour le secteur de Faulque-mont, le conterte environnemental peu favorable de lazone (forte activité agricole, variation de l'humidité desurface, faible urbanisation...) au regard des contrainteset limitations liées à la mise en æuvre de la technique,,n'a pas permis de circcnscrire d'éventuels mouvementsde surface significatifs pour la période d'observation(1ee3-1eee).

Cela dit, les premières images radar disponiblespour cette analyse datent de juin 1993, c'est-à-direqu'elles ont été prises un peu plus de 3 ans aprèsl'ennoyage des travaux miniers. Or, il est vraisem-blable, par analogie avec la durée de la phase d'affais-sement résiduel, que l'essentiel des mouvements desoulèvement de la surface s'est produit pendant laphase de remontée des eaux au sein des travauxminiers et s'est poursuivi quelques mois voirequelques années (2 à 3 ans) après l'obtention durégime d'équilibre pié zométrique de l'aquifèreminier. Les images radar les plus anciennes n'ontdonc pu saisir au mieux que la phase terminale, audemeurant de faible amplitude, de ce mouvement desoulèvement.

WEstimation du volumedes vides miniers residuels

L'exploitation minière souterraine dans le bassin deFaulquemont a créé des vides miniers qui ont été, enpartie,, comblés soit par les remblais soit par le fou-droyage des terrains. La connaissance des veinesexploitées et le suivi de l'ennoyage du bassin, qui a eulieu en 1989-1990, ont permis l'estimation du volumedes vides miniers résiduels, selon les deux méthodesprésentées précitées (Degas, 2001).

Méthode des coefficients de capacité à l'eau

Cette méthode, appliquée au cas du bassin deFaulquemont, est définie par la formule (Rogoz,1e7B) :

215

V..,n=1

(3)

où

V,.", - Volume des vides résiduels induit par l'exploi-tation;

V"*o - volume de chacun des 215 panneaux exploitésdans le bassin de Faulquemont.

On obtient ainsi, pour le bassin de Faulquemont, urvolume de vides miniers résrduels de l'ordre de2,4 .106 m3.

Méthode volumétrique

A partir des plans d'exploitation fournis par l'exploi-tant et d'éléments techniques tels que les longueurs degaleries, leur section,, la profondeur et le diamètre despuits, le volume total extrait est estimé à :

V -V +V +Vext pur gar l)an

soit V""t = 0,064.106 + 3,000.106 + 23,500.106 -- 26,564.106 m3

On note que le volume des puits est négligeable parrapport au volume exploité"

Connaissant le mode de traitement de l'arrière-taillede chacune des tailles, il est possible d'estimer levolume des remblais, en considérant que le volume desgaleries remblayées est proportionnel au volume destailles remblayées, et en intégrant le tassement du rem-blai dû à la convergence des épontes et le foudroyagedu toit. Dans le bassin de Faulquemont, 71% duvolume total exploité est rembl ayé (56 % par voiepneumatique et 15 % par voie hydraulique) d'où :

Vr.- = Vr"- panneaux * Vr"- galeries= 9 '7

0 '106 +0'81 ' 106

=10,51.106 m3

Le volume de la cuvette d'affaissement calculéd'après les nivellements de surface est de 9,4.106m3.

Le volume total des vides miniers résiduels calculépar la méthode volumétrique est donc égal à:

V-^^ = V^'. - (t - k,. ).V"^* - V^., (5)' l) ' rem aïï

v.",(total) - 26,56.106- (1 - 0,15)*10,51.106 - 9,41.106

= 8,2.106 m3

Estimation du volume d'eau nécess aireà l'ennoyage du houiller

A partir des mesures piézométriques réalisées lorsde l'ennoyage du bassin mlnier de Faulquemont(Fig .2) et sachant qu'après l'arrêt de l'exploitation, ledébit d'exhaure minière est constant et égal à

24,5 m3/min, il est possible d'estimer le volume d'eaunécessaire à l'ennoyage du réservoir en fonction descotes NGF (Fig. 4). Cette figure présente la courbedéduite du volume d'eau nécessaire à l'ennoyage duréservoir et la courbe du volume des vides miniersrésiduels obtenu par la méthode des coefficients decapacrté à l'eau et par la méthode volumétrique. Eilemontre que l'évolution, en fonction de la profondeur,est similaire pour les deux courbes obtenues. En effet,entre la cote - 400 m NGF et la cote - 160 m NGF, lespentes des courbes sont semblables. On remarquecependant que le volume résiduel est calculé depuisla base des travaux (environ - 600 m NGF) alors que levolume total d'eau n'est calculé qu'à partir de la cote- 400 m NGF.

(4)

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REVUE FRANçAIsE or cÉotrcHNleuEN" 106-107\e, el9 trimestres 9004

capacité à l'eau pour chacun des

EssÈt

-1000,

-160

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-300

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-É00

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--Ô*-volume dâdult & lseourhe dcrêmontêa dgs aaux

--u -vtotsl raElduelvolumÉtrlque

Volumo de* vldr* on m I

ffiffi$ Comparaison entre la répartition selon la profondeur des volumes des videsrésiduels cumulés par la méthode empirique de M. Rogoz (1978), par laméthode volumétrique et par le volume mesuré d'après la remontée del'eau.Compared repartition of the residual mining voids versus depth evaluated fromempirical and volumetric methods and from the volume of the water flooding.

Le volume d'eau nécessaire à l'ennoyage des tra-vaux miniers du bassin de Faulquemont de la cote- 400 m à la cote - 160 m (sommet des travaux) est égalà 8,23.106 m3.

Le volume total des vides miniers résiduels liés àl'exploitation souterraine est égal à 8,2.106 m3. Entre lescotes - 400 et - 160 m NGF, ce volume vaut 7,5.106 m3.

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Inte rprétation

. Répartition du volume des vides résiduels d'aprèsla méthode volumétrique et la méthode empirique deM. Rogoz (1978)

Ces deux méthodes consistent à appliquer auxvolumes des travaux exploités à la profondeur considé-rée un coefficient réducteur lié au mode de traitementde l'arrière-taille.

Les courbes de répartition du volume des vides,,obtenues par les deux méthodes décrites plus haut ontdes allures semblables. Par contre, quelle que soit laprofondeur, les valeurs obtenues par la méthode volu-métrique sont quatre fois supérieures à celles donnéespar la méthode de M. Rogoz.

,:',,r,,,i.,,,,1,1:,,1,':,',:,i,1,',1,;,',,',,r,,"',1fiffiffiir':,:t::,i::,:,::t,i:, COmpafaiSOn deS féSUltatS de la méthOdgvolumétrique et de la méthodede M. Rogoz.Comparison of the results obtainedrespectively with volumetric and empiricalmethods.

I1 ressort du tableau ci-dessus que le volume desvides résiduels obtenu par la méthode de Rogoz estlargement sous-estimé par rapport au volume des videsrésiduels déduit de la méthode volumétrique. En effet,cette méthode a été utilisée par I'INERIS pour estimerIa capacité du réservoir minier du bassin de Blanzy (LeGac et al., 1992). Le calcul avait permis d'évaluer levolume résiduel (ou volume du réservoir minier) à envi-ron V.., - 2.106 m3, soit 30% du volume des vides initial(V.*, - V..-), ou encore 44 % du volume de la cuvetted'affaissement (V,rr).

Une approche pratiquement identique a égalementété mise en æuvre par l'école des Mines de Paris pourévaluer la capacité du réservoir correspondant à lafosse d'Arenberg dans le bassin houiller du Nord et duPas-de-Calais (Dolltazal et aL.,1994). Le volume résiduela éTé estimé à V,., : 1L 106 m3, soit 29 % du volume totalextrait (V.*,), 34 % du volume des vides miniers initial(V.*, - V."n.,), ou encore 53 % du volume de la cuvetted'affaissement (V,rr).

Enfin, pour ce même bassin, cette méthode a été uti-lisée dans le cadre de l'estimation des vides résiduelsinduits par l'exploitation des concessions de Crespin etd'Auchy-Fléchinelle (Thoraval, 1998). Un volume desvides miniers résiduels égal à 26 % du volume extrait aété calculé.

Les estimations similaires faites dans d'autresbassins miniers conduisent à considérer que laméthode de M. Rogoz sous-estime largement levolume des vides miniers résiduels. De plus, les rap-ports obtenus avec la méthode volumétrique sontcomparables à ceux obtenus pour les autres bassins.On en déduit que les résultats issus de la méthodevolumétrique sont plus satisfaisants. Par consé-quent, le volume des vides résiduels retenu à partirde cette analyse pour l'ensemble du bassin de Faul-quemont à la fin de l'exploitation est estimé à8,2.106m3

1

v/vrCS EXÏv /v""res aïïV /N -V )res r exl remD'

30%86%50%

21REVUE FRANçAIsE oe cÉorcclNleuE

N'106-1071e, el2, trimestres 2004

. Volume des vides résiduels calculé par la remontéede l'eau

Le volume d'eau nécessaire à l'ennoyage des tra-vaux miniers du bassin de Faulquemont de la cote - 400à la cote - 160 m NGF (sommet des travaux) est égal à8,23.106 m3.

Le volume total des vides résiduels provoqués parl'exploitation souterraine vaut 8,2.106 m3. Entre les cotes- 400 et - 160 m NGF, ce volume est égal à 7,5.106 m3.

Le volume d'eau injecté est donc légèrement supé-rieur à celui des vides résiduels, d'une différence de0,73.106 m3, ce qui représente un peu moins de 10 % duvolume des vides résiduels estimé. Cette différence devolume peut aussi être éventuellement attribuée à lapart des terrains constituant l'ensemble du réservoirminier qui s'est trouvée désaturée pendant l'exploita-tion, avant de se resaturer lors de l'ennoyage des tra-vaux consécutif à la remontée des eaux (Wojtkowiak efa1.,2000). Partant de cette hypothèse, si on calcule levolume des terrains susceptibles d'avoir été influencéspar les travaux miniers, on obtient:

1) avec un angle d'influence de 23' (mesuré par rap-port à la verticale) pris de la base des travaux miniers(entre les cotes 400 et - 200 m) jusqu'au toit duHouiller, puis de 45" du toit du Houiller jusqu'à la sur-face du sol (morts-terrains), le volume total estimé estde B 260.196tn4;

2) avec un angle d'influence moyen de 35" mesuréde la base des travaux jusqu'à la surface, le volume totalestimé est de 7 600.106m3.

Ainsi, si on rapporte la différence de volume d'eaude 0,73.106 m3 à chacune de ces estimations du volumedes terrains susceptibles d'avoir été influencés parl'exploitation souterraine, on peut calculer Ia porositésupplémentaire induite dans ces terrains par cetteexploitation. On obtient dans les deux cas une porositéinduite inférieure à 10-4soit moins de 0,,01 o/o, ce qui eston ne peut plus négligeable surtout lorsqu'on la com-pare à la porosité moyenne des grès vosgiens parexemple qui est de l'ordre de 0,15 ou 15%. Il sembleraitdonc que la contribution de la porosité supplémentaireinduite dans les terrains environnants etlou du volumed'eau provenant d'une éventuelle désaturation des ter-rains influencés par l'exploitation reste négligeablecomp arée au volume des vides miniers résiduelsengendrés par l'exploitation.

EConclusion

Les calculs d'estimation du volume des videsminiers résiduels présentés dans cette communication,

pour le bassin de Faulquemont, permettent deconclure que la méthode empirique des coefficients decapacité à l'eau, proposée par M. Rogoz (1978) pour lesbassins miniers polonais, n'est pas adaptée aux bas-sins miniers français du fait vraisemblablement desdifférences notables des contextes géologique etminier entre les exploitations françaises et polonaises.En revanche, les calculs réalisés par la méthode volu-métrique donnent des résultats jugés satisfaisantslorsqu'ils sont confrontés au volume d'eau nécessaire àl'ennoyage du réservoir minier déterminé à partir dela courbe de remontée de son niveau piézométrique.D'autre part,l'évaluation de ce volume conduit à unevaleur légèrement supérieure à celle du volume desvides miniers résiduels estimé. Cette différence sembleindiquer que la porosité supplémentaire liée à la frac-turation des terrains induite par l'exploitation etlouleur degré de désaturation restent négligeables com-parés aux volumes des vides miniers résiduels et à laporosité initiale de ces terrains.

Par ailleurs,, suite à l'ennoyage du bassin houiller deFaulquemont, uh léger soulèvement des temains desurface, d'ordre pluri-centimétrique a été mesuré.L'amplitude maximale de ce soulèvement du sol (14 cm)ne représente que quelques pour-cent (S à 7 %) del'amplitude globale de l'affaissement mesuré pendantl'exploitation (2 à 3 m). Ce phénomène n'a pas eu deconséquences dommageables pour le bâti et les infra-structures de surface car ces mouvements de soulève-ment restent de faible amplitude et sont lents, progres-sifs et relativement homogènes sur l'ensemble dusecteur affaissé.

Enfin, les résultats obtenus sur le secteur de Faul-quemont ne doivent donc pas pour autant conduire àune condamnation définitive de la technique d'inter-férométrie radar différentielle pour la surveillancedes mouvements de terrain dans les régions minièresen voie de cessation d'activité. En effet, la techniquedes réflecteurs permanents, en cours de développe-ment, semble une alternative dans un contexte com-parable à celui de Faulquemont. Cette technique viseà cumuler les interférogrammes d'une série tempo-relle sur des pixels contenant des cibles restées cohé-rentes (bâti, structures métalliques...). Ainsi,, on peutainsi s'affranchir de la limitation introduite par laperte de cohérence tout en améliorant la précisionaccessible. Ces réflecteurs permanents sont identifiésà partir des caractéristiques de rétro-diffusion issuesdes images d'intensité. La densité du réseau deréflecteurs permanents doit par ailleurs être compa-tible avec le gradient de déformation maximummesurable entre les dates extrêmes de la série. Cecirend la méthode plus adaptée aux mouvements conti-nus de faible vitesse.

128REVUE FRANçAIsE DE cÉorrcHNtourN'i06-107\e, et2 trimestres 2004

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legREVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

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