Affaissement et effondrement miniers


Affaissement et effondrement miniers

Les affaissements et les effondrements miniers sont les phénomènes mécaniques résultant des comblements spontanés ou non de vides souterrains laissés par l'exploitation minière.

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Ces comblements conduisent à deux types de désordres en surface :

  • des affaissements, sans ouverture de cavité en surface ;
  • des effondrements dans le cas contraire.

Le phénomène d'affaissement est relativement lent et progressif (pouvant durer des décennies). Il se produit lorsque les terrains sont plutôt plastiques et que la profondeur d'exploitation est importante par rapport à l'épaisseur de la taille.
Il résulte le plus souvent d'un choix délibéré d'exploitation (méthode dite « du foudroyage » (exploitation totale du minerai à l’aide d’un coffrage marchant).
Ce phénomène est par exemple observé à grande échelle dans le bassin minier du Nord-Pas-de-Calais.

Le phénomène d'effondrement est au contraire plus rapide, voire brutal. Il peut intervenir par rupture brusque du toit de l'exploitation. Il se traduit en surface par une variation instantanée de la topographie locale (cuvette d’affaissement), voire - lorsque la profondeur de l’excavation est faible relativement à son épaisseur - à un trou béant en surface qualifié de « fontis » (à ne pas confondre avec les dolines qui sont dues à un phénomène naturel de dissolution karstique).
L’effondrement peut être délibéré mais il est généralement la conséquence accidentelle de l’évolution des chambres à piliers après l’abandon de l’exploitation (cas de certaines mines lorraines ou des carrières souterraines de craie en Normandie par exemple). La capacité de résistance des piliers se dégrade en effet sensiblement à long terme : leur aire de soutènement peut diminuer par écaillement et leurs propriétés mécaniques peuvent changer en présence d'eau. Selon l'Ineris [1], en France, les piliers et cavités souterraines situés au niveau de la battance du plafond de la nappe pourraient être rendus plus vulnérables dans un futur proche, suite aux dérèglements climatiques qui selon les météorologues induiront des pluies plus fortes et fréquentes en hiver, et des sécheresses plus fréquentes en été.

Pour le public, sur le moment, un effondrement peut être confondu avec un tremblement de terre. Les sismographes et l'identification de l'épicentre permettent de les différencier des vrais séismes. le BRGM a listé les "faux séismes" survenus en France, ils sont souvent dû à des affaissements miniers[2].


Sommaire

Influence de l’eau sur la stabilité mécanique des sites miniers à l'abandon

L’exploitation minière exige souvent un pompage d’assèchement (exhaure) pour rabattre la nappe phréatique et éviter l'inondation des galeries et autres excavations. Au terme de l’exploitation, si l'on ne poursuit pas l’exhaure, le niveau de la nappe remonte jusqu'à trouver un nouvel état d’équilibre hydrogéologique (le temps nécessaire au rééquilibrage du niveau phréatique pouvant varier de quelques mois à quelques décennies, voire plus d'un siècle dans les mines profondes (celles du Nord-Pas-de-Calais par exemple).

L'effet de l'eau sur la stabilité mécanique des exploitations minières abandonnées est complexe, car pouvant se traduire positivement et négativement.

  • Une roche saturée en eau perd de sa résistance, dans des proportions variable selon le type de roche (les matériaux siliceux sont généralement plus sensibles à l'eau que les matériaux calcaires). Mais la pression hydrostatique peut aussi jouer un rôle de support du toit (déjaugeage), qui soulage les piliers, à condition que cet effet ne soit pas contrebalancé par la perte de confinement horizontal à l'intérieur des piliers. Le risque est accru lors de la phase transitoire d’ennoyage, durant laquelle de fortes pressions hydrauliques peuvent augmenter sensiblement la fracturation du milieu.
  • quand la nappe remonte dans les réseaux miniers souterrains et le proche sous-sol, elle peut avoir deux effets antagonistes[3] :
  1. une aggravation des affaissements observables en surface ;
  2. un gonflement de certains terrains superficiels (ou de certains substrats plus profonds qui ont été désaturés de leur eau, durant plusieurs décennies en général, voire durant plus d'un siècle). Ce gonflement est toutefois de moindre importance que l'effet d'affaissement (10 % environ de l'effet d'affaissement)[3].
    Dans un bassin minier comme celui du Nord-Pas-de-Calais, les affaissements de l'après-minier devraient toutefois être bien moins importants (5O cm à environ 1 m en 30 à 50 ans) qu'ils ne l'ont été durant les 150 ans (jusqu'à 20 m) d'activité.

Bassin houiller du Nord-Pas-de-Calais

L'exploitation houillère a duré plus de 270 ans ; du premier puits ouvert en 1620 (dans le Boulonnais) à la production industrielle massive des années 1720 à 1990. Elle a concerné des veines épaisses de quelques mètres au maximum, et souvent à grande profondeur (plusieurs centaines de mètres). On estime qu'environ 2,3 milliards de tonnes de charbon ont été ainsi extraites de ce bassin, laissant des cavités plus ou moins importantes sous environ 280 communes (122 dans le Nord et 158 dans le Pas-de-Calais) [4].

Sauf très localement quelques exploitation en galeries soutenues par des piliers épargnés, la méthode d’exploitation consistait à enlever tout le charbon facilement disponible. Les galeries étaient initialement remblayés (jusqu’en 1930), période à partir de laquelle les galeries ont été traités selon la technique du foudroyage, plus rapide et bien moins coûteuse que le remblayage. On laissait simplement s'affaisser le plafond des galeries après enlèvement de leur soutènement[4]. Selon la DRIRE, l'essentiel des mouvements de sol (retrait - gonflement des sols) étaient stabilisés cinq ans après l’arrêt des travaux, ce que semblent confirmer les relevés topographiques faits dans les années 1990[4].

Au dessus des grandes zones d'effondrement, de vastes cuvettes se sont constituées, atteignant jusqu'à 17 mètres de profondeur (en règle générale, on estime que l'affaissement total atteint 80 % des épaisseurs cumulées des différentes veines exploitées) se sont alors formées au dessus des veines exploitées.
Ces déformations sont si larges qu'elles n'ont pas eu conséquences majeures sur les constructions (habitations, ouvrages d'art, etc.) situées au cœur des zones affaissements. Mais en périphérie, au contraire, des mouvements de bascule et de traction et l'étirement des sols ont entraîné de graves dommages et souvent la ruine des structures bâties. Les canalisations ont été touchées aussi (certains réseaux d'assainissement ont même vu une inversion de leur sens d'écoulement, et se sont rompus, aggravant la pollution du sous-sol et de la nappe phréatique de l'ancien bassin minier du Nord et du Pas-de-Calais, notamment par les nitrates. Cela d'autant plus que, conscientes de la vulnérabilité des réseaux et de leur manque d'efficacité en de pareilles circonstances, les compagnies minières s'étaient souvent dispensées d'en construire (hors centres urbains).

Les puits ont théoriquement tous été remblayés. Mais des "bouchons" de remblais s'effondrent parfois, dont suite à la remontée de la nappe. Ils sont alors stabilisé par injection de béton à la base du cône d'effondrement. 14 des 600 puits répertoriés dans ce bassin se sont ainsi effondrés, sans victimes à ce jour[5]. 10 à 15 % des puits sont situés sous des zones aujourd'hui habitées[5] et 200 environ ne sont pas géoréférencés avec exactitude, suite à des pertes d'archives (« Certains sont remblayés depuis le XVIIIe siècle, les plans dont nous disposons pour les situer sont très approximatifs.[5].

D'une façon générale, les affaissements miniers sont à l'origine de modifications irréversibles des écoulements de surface qui ont nécessité la construction de stations de relevage des eaux usées et pluviales. Cette situation a compliqué le développement urbain puisque les populations sont exposées aux inondations en cas de défaillance des équipements.

Au tout début du XXIe siècle, Charbonnages de France gérait encore 54 stations de dénoiement par relevage des eaux. Les problèmes hydrauliques dans l'ancien Bassin minier du Nord-Pas-de-Calais sont encore suffisamment présents pour que le schéma directeur d'aménagement et de gestion des eaux (SDAGE) lui consacre un volet spécifique. eau-artois-picardie.fr Il s'agit à la fois de préoccupations liées aux affaissements miniers, eaux de surface (postes de relèvements) et « remontée » de nappe phréatique mais également de préoccupations liées à la mise en communication de la nappe du carbonifère avec la nappe phréatique de la craie[6].

Noyelles-sous-Lens, la station de relèvement en bordure du canal de Lens

À titre d'exemple, à Noyelles-sous-Lens, il a fallu rehausser plusieurs fois les berges du canal de Lens (la Deûle) pour maintenir son écoulement en dépit des affaissements miniers. Les terrains voisins sont désormais six mètres en dessous du niveau du canal. Une station de relèvement a dû être construite ; elle pompe non seulement les eaux pluviales qui n'ont plus d'exutoire gravitaire, mais aussi la nappe phréatique aujourd'hui résurgente dans ce secteur et donc source potentielle d'inondation elle aussi.

La situation est identique sur l'autre rive, à Loison-sous-Lens où existe un autre poste de relèvement.

Bassin ferrifère de Lorraine

L'exploitation minière désormais terminée a laissé, du fait de la méthode employée "par chambres et piliers" de grands volumes de galeries abandonnées. Ces galeries se trouvent à des profondeurs variant, selon les zones de quelques mètres à près de deux cents mètres de profondeur.

La méthode d'exploitation était basée sur le principe que, en laissant des piliers de dimensions suffisantes, ces piliers seraient capables de résister dans le temps, sans s'effondrer. Les experts de l'époque avaient cependant sous-estimé la perte de résistance de ces piliers dans le temps.

Des sinistres récents, à partir de 1996 notamment, ont amené à reconsidérer complètement le problème et à étudier le risque de mouvement de terrain. Des études menées depuis 1997 ont permis de caractériser plusieurs types de risques :

Le fontis

Article détaillé : Fontis.

Le fontis est l'apparition soudaine en surface d'un entonnoir de quelques mètres de rayon et quelques mètres de profondeur. Les dimensions du fontis dépendent de l'importance du vide et de la nature des terrains qui le séparent de la surface. Le fontis fait suite à une dégradation progressive de la voûte d'une galerie qui remonte peu à peu dans le recouvrement, jusqu'à percer au jour. Le fontis ne se produira pas si la galerie est suffisamment profonde, car le foisonnement des blocs du toit vient combler le vide avant qu'il n'atteigne la surface. Le risque de fontis peut également être écarté si un banc épais et résistant arrête la dégradation progressive.

L'affaissement progressif

L'affaissement progressif peut survenir au-dessus d'une exploitation par chambres et piliers. Il se traduit par la formation en surface d'une cuvette de quelques dizaines à quelques centaines de mètres de diamètre. Au centre de la cuvette les terrains descendent verticalement. Sur les bords, les terrains se mettent en pente avec un étirement sur les bords extérieurs (ouverture de fractures) et un raccourcissement sur les bords intérieurs (apparition de bourrelets). L'affaissement de la surface se produit généralement progressivement en quelques jours ou en quelques mois selon une dynamique propre au contexte minier et géologique.

Les bâtiments en surface sont sensibles à la mise en pente des terrains ainsi qu'aux effets d'extension dans la zone d'étirement et de compression dans la zone de raccourcissement. Les effets sont d'autant plus élevés que l'amplitude de l'affaissement au centre de la cuvette est grande et que la profondeur des travaux miniers est faible.

Les bâtiments sont d'autant plus vulnérables qu'ils sont longs et élancés.

L'effondrement brutal

Dans certains cas, la ruine de l'édifice minier ne se fait pas progressivement mais on observe l'effondrement en bloc de l'ensemble des terrains compris entre le fond et la surface. L'effondrement de la surface se produit alors de manière dynamique, en quelques secondes. Une forte secousse tellurique est ressentie. Les bords de la zone affectée sont plus abrupts que dans le cas de la cuvette d'affaissement, des crevasses ouvertes y apparaissent.

Pour qu'un effondrement brutal se produise, deux conditions au moins doivent être remplies :

  • Les travaux du fond doivent être très fragiles (fort taux de défruitement, piliers élancés) : Ceci constitue le critère géométrique.
  • Un banc épais et résistant doit exister dans le recouvrement. La rupture de ce banc qui protégeait les piliers du poids des terrains déclenche le processus d'effondrement. Ceci constitue le critère géologique.

Affaissement et zones humides

De nombreux affaissement deviennent des points bas topographiques qui - sauf pompage et relevage des eaux - peuventt devenir des zones humides d'intérêt écologique.

Ces zones, si elles sont pérennes, sont alimentées passivement (ou activement, dans le cas d'un pompage d'exhaure) par au moins l'une des trois voies suivantes[3] :

  • remontée de la nappe, éventuellement suite à l'arrêt de pompages ;
  • affaissement topographique descendu sous le niveau piezométrique zéro (plafond naturel de la nappe sous-jacente la plus superficielle) ;
  • tassement de sols relativement imperméable formant une cuvette conservant l'eau de ruissellement de ce néo-bassin versant.

Ces eaux et zones sont souvent plus vulnérables à diverses pollutions, étant donné leur origine et contexte de fonctionnement écologique, mais elles peuvent aussi jouer un rôle épurateur important pour les nitrates, phosphates et matières organiques (fonction de lagunage naturel).
Par contre les métaux lourds ou polluants organiques persistants peuvent s'accumuler dans les sédiments et contaminer le réseau trophique(bioaccumulation, bioconcentration...)

La prévention et gestion des risques

Station de surveillance du gaz résiduel (méthane) émanant du bassin minier du Nord Pas de Calais. En raison des affaissements et de la remontée progressive de la nappes, ce gaz est surveillé.

Le risque d'effondrement brutal est jugé relativement stabilisé dans les bassins houillers en France, sans certitude absolue, mais les mouvements de terrain dans le bassin ferrifère peuvent encore se produire. Ils constituent donc des risques que l'État doit gérer : cela se traduit en particulier par des mesures préventives de surveillance et de maîtrise de l'urbanisme. L'INERIS a instrumenté de nombreux capteurs 2005 à 2008 en France une carrière souterraine de sel exploitée par dissolution du sel par l'eau destinée à un effondrement volontaire, près de Nancy. Il s'agit de repérer les signes précurseurs de l'effondrement d'une grande cavité (ici située à moins de 200 m de profondeur et mesurant 150 à 160 m de diamètre et une hauteur d'environ 50 m), pour ailleurs mieux les détecter[7].

Il ne semble pas y avoir de problème d'acidification minière en France, mais ce phénomène peut avoir de graves conséquences là où il existe (sur un site aux USA, un lac extrêmement acide (pH 1) s'est ainsi formé, l'acidité du milieu favorisant la circulation des métaux lourds toxiques).

Restent des problèmes liés à la pollution des sols et donc des nappes, et au fait que les affaissements ont souvent fracturé les réseaux de distribution d'eau potable et les réseaux d'égouts qui fuient abondamment.

Enfin dans les bassins houillers dont celui du Nord-Pas-de-Calais, une production continue de méthane (CH4, dit grisou en zone minière) perdurera longtemps. Dans le Nord de la France (plus grand bassin minier souterrain exploité du monde), une partie est récupérée par Méthamine et injectée dans le réseau de gaz, mais aux extrémités est et ouest du bassin, le gaz s'enfuit dans l'air, or le méthane est 21 fois plus actif pour l'effet de serre que le CO2.

Notes et références

  1. rapport INERIS intitulé Impact du changement climatique sur la stabilité des cavités souterraines ; mardi 30 mars 2010), 12 pages, PDF, publié le mardi 30 mars 2010
  2. SisFrance : catalogue des faux séismes et séismes douteux
  3. a, b et c PNRZH ; Programme National de Recherche sur les Zones Humides, PDF, 64 pages. (voir notamment les pages 41 et suivantes)
  4. a, b et c Profil environnemental/Enjeux régionaux ; Prévention des risques naturels et technologiques [Présentation par la DRIRE des enjeux en termes de risques naturels et technologiques] (Voir le chapitre Les risques miniers : une surveillance qui doit être poursuivie, des mesures à intégrer dans les documents d’urbanisme), consulté 2010/04/30
  5. a, b et c Rémy Gobillot, responsable du service des sites arrêtés du Nord-Pas-de-Calais aux Charbonnages de France, interrogé dans un article de l'ESJ
  6. Art 244 du SDAGE
  7. Lettre d'information INERIS, Avril 2008

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

  • D. Petit, 1998, Rapport définitif de l'ingénieur général D. PETIT relatif à la maîtrise des séquelles techniques à long terme des exploitations minières lesrapports.ladocumentationfrancaise.fr
  • E. Tincelin, 1982, La stabilité de la surface à l'aplomb des exploitations souterraines en mines métalliques ou assimilées - piliers abandonnés ou îlots

Liens externes


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