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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE (M]J\9.9~ \-\1\DADOU, R · LABORATOIRE DE MECANIQUE DES TERRAINS ECOLE DES MINES DE NANCY -I.N.E.R.I.S. THESE BIUNANCY Service Commun de Documentation INPL 2, avenue de la Forêt de Haye - B.P. 3 54501 VANDOEUVRE Cédex FRANCE présentée devant l'Institut National Polytechnique de Lorraine en vue de l'obtention du grade de Docteur de I'I.N.P.L. Génie Civil et Minier par Rafik HADADOU Ingénieur des Mines Université d'Annaba, Algérie CONTRffiUTION A LA MISE AU POINT D'UNE METHODOLOGIE DE CONTROLE DE STABILITE DES TALUS D'UNE GRANDE MINE A CIEL OUVERT Application à la mine de Carmaux (Tarn). soutenue publiquement le 9 Septembre 1993 Président' : M. J.P. PIGUET Rapporteurs : M. J.P. GOURC M. P. GAVIGLIO Examinateurs : M. C. CHAMBON M. D. DRIANCOURT M.D.HANTZ MME.V.SOUK.ATCHOFF AVANT PROPOS Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Mécanique des Terrains, à l'École des Mines de Nancy. En premier lieu mes remerciements s'adressent à Monsieur Claude CHAMBON professeur à l' l.N.P.L, responsable des études doctorales, qui a dirigé cette recherche. Ces conseils judicieux rn' ont été très enrichissants. Madame Véronique SOUKATCHOFF Maître de Conférence à l'École des Mines de Nancy, s'est associée à mon directeur de thèse pour suivre ce travail, en faisant preuve d'une disponibilité peu commune. Je tiens à l'en remercier très sincèrement. J'exprime ma reconnaissance à Monsieur Jack Pierre PI GUET, Directeur du Laboratoire de Mécanique des Terrains & Professeur à l'l.N.P.L, pour son aide, ses conseils et qui me fait l'honneur d'accepter la présidence du jury de cette thèse. Je remercie Monsieur Jean Pierre GOURC, Professeur à l'Université Joseph Fourrier de Grenoble, pour l'intérêt qu'il témoigne à mon travail en acceptant de le juger. Je remercie également Monsieur Patrick GA V/GUO, Docteur d'État, Maître de Conférence à l'Université Provence Saint Charles de Marseille d'avoir bien voulu honorer de sa présence le jury de cette thèse. Mes remerciements s'adressent aussi à Monsieur Didier HANTZ, Maître de Conférence à l'Université Joseph Fourrier de Grenoble avec qui j'ai fait mes débuts dans la recherche notamment dans le cadre du D.E.A, pour l'honneur qu'il me fait de participer au jury de cette thèse. Que Monsieur Didier DR/ANCOURT, Chargé de la Coordination des Mines à Ciel Ouvert des H.B.C.M (ex Ingénieur Responsable du Secteur Découverte à l'Unité d'exploitation du Tarn), soit remercié pour l'aide qu'il m'a prodiguée pendant mon séjour à Carmaux, et d'avoir bien voulu participer au jury. Mes remerciements vont également à Messieurs Alain THORA VAL et Yves PAQUETTE Ingénieurs, Chefs de Projet, au Département S.S.E à L'I.N.E.R.I.S pour leurs conseils et leur disponibilité. J'adresse mes remerciements à l'ensemble de mes collègues du Laboratoire, Chercheurs, Thésards et Administratifs qui m'ont prêté leurs concours, en particulier Mesdames SCHENCK, MILONET, KLING, et Messieurs BEN SLIMAN Ingénieur Chef de Projet à l'I.N.E.R.I.S et EL HEIB Thésard. Je ne saurai oublier dans mes remerciements, le personnel de l'U.E Tarn, particulièrement Monsieur Michel TERRANCLE Chef du Service Géométrie, Monsieur Patrick GRENIER, Ingénieur Responsable du Service Informatique et Monsieur Jean PierreTAYAC Ingénieur Responsable de la Découverte Sainte-Marie. A travers eux je remercie également la direction des H.B. C.M. Je suis très reconnaissant à mes parents, qui ont supporté mes préoccupations et mes longues absences. Enfin, à tout mon entourage, Merci. RÉSUMÉ Les talus des exploitations minières à ciel ouvert, doivent après leur dimensionnement et leur réalisation, être surveillés. Ce travail contribue à la mise au point de ces opérations de contrôle et définit ce que devrait être un suivi géotechnique d'une mine à ciel ouvert au cours de son creusement. Une base de données d'informations géologiques sur le terrain a été constituée. Ces informations ont été analysées en vue de détecter d'éventuelles risques d'instabilités futures. Une grande partie de ces dernières sont liées à la présence d'anciens travaux exploités en souterrain. TI s'agit alors de gérer au mieux l'interaction entre les vieux travaux et l'exploitation actuelle. Compte tenu de la complexité de cette tâche, un système d'auscultation en profondeur et de surveillance en surface a été mis en oeuvre. Les résultats ont permis de comprendre les mécanismes des instabilités observées. Des modélisations a posteriori de quelques glissements ont permis d'affiner la caractérisation des matériaux. Différentes approches numériques ont été testées (méthode à l'équilibre limite, méthode aux éléments finis, méthodes aux éléments distincts). Leur complémentarité a été démontrée, l'utilisation de méthodes simples permet l'évaluation de la stabilité, l'approche par éléments finis ou éléments distincts nous a aidé à comprendre les mécanismes. Les modélisations ont été réalisées à 2 échelles : au niveau du gradin et au niveau du talus. A l'échelle du gradin, nous avons déterminé, a posteriori, par une modélisation tridimensionnelle, les valeurs caractéristiques de la cohésion et de l'angle de frottement. Ces valeurs ont été utilisées a priori, dans un cas réel d'un bloc qui semblait menaçant. L'analyse a confirmé la stabilité du bloc. ABSTRACT Slopes of open pit mines after being designed and extracted must be monitored. This work contributed to the fine tuning of control operations and to the defmition of what must be a geotechnical follow up while exploiting an open pit mine. We created an in situ geological data bank. These informations were analysed to discover possible unstable states. We saw that the instabilites were, sometimes, linked to the presence of old underground workings. Mterwards, we had to manage as best as we can, the interaction between the old workings and the surface excavation. Taking into account the complexity of this task, two monitoring systems : one at depth and one at the surface were installed. The results enable us to understand the instability mechanisms observed. On the other hand, modelisations of sorne known ground slider allowed to precise the material characteristics. Several numerical approach were tested (limit equilibrium, finite elements, distinct elements). It was proven that those methods complete each other. The utilisation of a simple method allows to evaluate the instabilities and the approach by finite elements or distincts elements help us to understand the mecanisms. The modelisations were made at two scales : at the hench level and at the slope level. At the hench scale, a posteriori, with a 3D model, the characteristic values of friction angle and cohesion were found. These values were used a priori in a true case of one block potentially dangerous. The analysis confirmed the block stability. SOMMAIRE INTRODUCTION GÉNÉRALE ....•••••.•....•. 1 CHAPITRE 1: DESCRIPTION DU SITE, GÉOLOGIE GÉNÉRALE I.1 HISTORIQUE DE L'EXPLOITATION •••.••••.•.•.•••••••••••••••.•••.•.•••••.•.•••.•••.•..• 3 I.2 DESCRIPTION DE LA FOSSE •••••••••••••••••••••••••••••••••••.••.•....•.•••.••••.••••••• 3 1.2.1 Description générale ......................................................... 3 1.2.2 Méthode d•exploitation ...................................................... 6 a) Décapage des morts-terrains tertiaires .................................... 6 b) Exploitation du houiller .................................................... 8 c) I...a mise à terril .............................................................. 8 I.3 CADRE GÉOLOGIQUE ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••..•••••.•••••••... 8 1.3.1 Bassin houiller de Carmaux ................................................ 8 1.3.2 Caractéristiques géologiques locales .................................. 10 a) Stratigraphie ................................................................ 10 b) Tectonique .................................................................. 10 c) Analyse structurale ........................................................ 12 1.3.3 Synthèse ....................................................................... 24 CHAPITRE Il: DESCRIPTION DE LA FRACTURATION DANS LES TERRAINS DU HOUILLER (FOSSE SAINTE-MARIE) 11.1 MÉTHODOLOGIE DES RELEVÉS DE TERRAINS .•••....•.....•.••••••.••••••••••••• 2 6 II.2 TRAITEMENT STATISTIQUE DE LA FRACTURA TION •••••.••••••.••••••••••••••• .3 3 11.2.1 Orientation de la fracturation ............................................. 33 11.2.2 Discussions ................................................................... 50 11.3 CON CL USI ON ................................................................................. 5! CHAPITRE Ill: MOUVEMENTS OBSERVES (TYPOLOGIE DES RUPTURES) ET RENFORCEMENT Ill.1 MOUVEMENTS A L'ÉCHELLE DU GRADIN ••••••••••••••••••••••••••.•••.•••••••••• .5 3 III.1.1 Rupture d•un bloc en forme de dièdre ................................ 53 111.1.2 Éboulement régressif ..................................................... 55 1 a) Description ................................................................. 55 b) Interprétation ............................................................... 55 III.1.3 Glissement sur joint de stratification .................................. 55 a) Description ................................................................. 55 b) Interprétation ............................................................... 55 c) Renforcement .............................................................. 57 III.l.4 Écroulement par chute de blocs ....................................... 57 a) Description ................................................................. 57 b) Interprétation .............................................................. 58 c) Renforcement .............................................................. 58 111.2 INSTABILITÉ AFFECTANT L'ENSEMBLE DU TALUS ...•••..••••.••.•••..••••.•.. 62 III.2.1 Description ................................................................... 62 III.2.2 Interprétation ................................................................ 64 III.2.3 Renforcement ............................................................... 65 Ill 3 CONCLUSION ................................................................................ 65 CHAPITRE IV: SURVEILLANCE ET AUSCULTATION IV.l PRÉSENTATION DU PROBLEME : OBJECTIF .•••••••••.•••••••...••.••..•••..••.... 66 IV.2 TYPE D'INSTRUMENTATION MIS EN PLACE ....••.••.•.••••••••...•.•.•••...•.••. 67 IV.2.1 Topographie .................................................................... 67 IV.2.2 Tubes cassants ................................................................. 67 IV.2.3 Jauges de déformations ..................................................... 67 IV.2.4 lnclinomètres .................................................................... 70 IV.2.5 Extensomètres multipoints de forage à tiges"WR-FLEX" ........... 71 IV. 3 PRESENTATION DES ZONES AUSCULTEES •....................•••..•.....•...•.. 71 IV. 4 AUSCULTATION DU PANNEAU E1 .....•....•....•.....•...•....•.•.•.•.•.•....•...•. 72 IV.4.1 Mesures effectuées ........................................................... 72 IV.4.2 Interprétation .................................................................... 78 IV.S AUSCULTATION DU PANNEAU G1 ................................................... 79 IV.5.1 Mesures effectuées ........................................................... 79 IV.5.2 Interprétation .................................................................... 80 IV.6 AUSCULTATION DU PANNEAU E2 ................................................... .88 IV.6.1 Mesures effectuées ........................................................... 88 IV.6.2 Interprétation .................................................................... 88 IV.7 AUSCULTATION DU FLANC NORD ••.•••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••.••• 94 IV.7.1 Mesures effectuées ........................................................... 94 IV.7.2 Interpretation .................................................................... 95 uploads/s1/ inpl-t-1993-hadadou-r.pdf