Influence des mines sur les aquifères fracturés

Plusieurs modèles analytiques ayant été développés pour prévoir les entrées d’eau dans des excavations en conditions de drainage similaires à celles observées dans les mines peuvent être utilisés pour estimer les propriétés hydrauliques des aquifères. Ces modèles analytiques qui sont élaborés soit pour les mines, les tunnels ou les puits à drains rayonnants peuvent être utilisés avec les données recueillies dans les mines souterraines afin d’obtenir des estimations de la conductivité hydraulique d’un aquifère régional dans la roche fracturée.

Mine souterraine 

Les méthodes analytiques utilisées pour estimer les propriétés hydrauliques dans des mines souterraines sont basées sur des formules simples décrivant l’écoulement vers un puits (Fawcett et al., 1984; Singh et Atkins, 1984; Singh et Atkins, 1985; Bouw et Morton, 1987; Lloyd et Edwards, 1988). Les conditions d’applications des problèmes sont idéalisées, les aquifères sont considérées comme ayant une perméabilité homogène et des frontières régulières. La modélisation numérique de l’écoulement permet quant à elle la prise en compte de conditions plus précises et l’obtention de solutions plus détaillées et exactes (Lloyd et Edwards, 1988). Les modèles numériques sont plus flexibles, mais ils requièrent davantage de données pour être exécutés ou pour vérifier les résultats lors de tests. Les solutions analytiques, qui requièrent des hypothèses restrictives pour des cas complexes, sont moins précises que des modèles numériques. Cependant les modèles analytiques sont souvent compatibles avec la quantité et la qualité des données hydrogéologiques disponibles (Singh et Reed, 1988). Ce type de technique est plus simple et plus rapide que les techniques numériques, cependant les modèles analytiques ont tendance à surestimer les prévisions de quantité d’eau entrant dans la mine (Singh et Atkins, 1985). De plus, il est difficile de bien évaluer les propriétés hydrauliques en trois dimensions et ces données sont difficiles à obtenir, c’est pourquoi les solutions basées sur les hypothèses d’une conductivité hydraulique homogène et isotrope sont utiles pour une première approximation et pour valider un modèle numérique.

Discussion des hypothèses des modèles 

Pour les aquifères finis (p. ex : limités par des failles sans frontière de recharge), au fur et à mesure que l’eau est pompée, le rayon d’influence du cône de dépression augmente avec le temps jusqu’à ce que les frontières soient atteintes. Ensuite, le niveau de la nappe phréatique diminue plus rapidement (Singh et Atkins, 1985). Les équations analytiques de base supposent que l’écoulement est laminaire au sein d’un milieu poreux. Cependant, dans les mines, l’eau s’écoule dans les fractures, impliquant des vitesses d’écoulement plus élevées, ce qui occasionne des conditions d’écoulement turbulent. Dans ces circonstances, les équations d’écoulement non-linéaires devraient être utilisées (Singh et Atkins, 1985). Les modèles des puits sont utilisés en dehors de leurs limites de validité. Les solutions ont été déterminées en supposant que la surface piézométrique reste au-dessus de l’aquifère principal, mais dans les applications minières cette surface est à l’intérieur de l’aquifère. Sous de telles conditions, les solutions ne sont plus valides (Singh et Atkins, 1985). Les équations analytiques appliquées aux mines considèrent des géométries très simples et elles ne permettent pas de tenir compte de l’hétérogénéité, ni de l’anisotropie régionale, comme les failles, les variations latérales dans la même unité lithologique ou le changement des propriétés hydrauliques avec la profondeur. Dans les mines, les galeries ne sont pas distribuées de façon homogène, un niveau peut contenir un nombre variable de galeries dont la longueur varie dans différentes directions. Supposer que la mine est un disque d’un rayon contenant toutes les galeries pose une grande incertitude sur l’estimation des propriétés hydrauliques car ceci surestime la taille de l’excavation. Une mine n’est pas une grande excavation en forme de disque mais plutôt un ensemble de plusieurs galeries avec parfois un ou plusieurs puits de chevalement. En utilisant cette méthode analytique, il est donc préférable de considérer des cas extrêmes pour chaque paramètre variant dans le temps ou pour ceux contenant une incertitude, ceci permettrait notamment d’évaluer l’effet de chaque paramètre sur les résultats recherchés. Souvent le matériel granulaire sur le roc au-dessus de la mine a une perméabilité supérieure à celle du roc; l’aquifère rocheux est alors considéré à nappe libre. Selon cette hypothèse, tout le massif rocheux au-dessus de la mine devrait être dénoyé, mais ce n’est pas ce qui est observé dans plusieurs cas. Souvent les piézomètres au-dessus de la mine contiennent de l’eau. Ceci indique la présence d’une certaine épaisseur de roc qui reste ennoyée, même si le massif rocheux est dénoyé à une certaine distance autour des excavations. De plus, on observe généralement dans les excavations minières de l’eau qui percole le long des fractures, notamment dans les zones de faille, ainsi que de l’eau provenant du toit de la galerie qui s’écoule sur le plancher. Ces modèles présentent toutefois l’avantage de ne pas considérer de charge hydraulique constante autour des galeries. Ils sont développés spécifiquement pour les mines en utilisant une géométrie et une équation simple. Ils permettent une première estimation des propriétés hydrauliques tout en ne considérant que quelques paramètres qui peuvent être facilement estimés dans les mines en exploitation.

Tunnel 

Les modèles d’écoulement des eaux souterraines vers des tunnels sont considérés car, à priori, une mine souterraine peut être considérée comme étant constituée de plusieurs tunnels ou galeries.

Hypothèses et méthodologie 

Plusieurs solutions analytiques ont été développées pour des cas simples afin d’estimer les entrées d’eau dans les tunnels. Ces modèles mathématiques supposent généralement une conductivité hydraulique homogène, un écoulement suivant la loi de Darcy en deux dimensions dans un plan perpendiculaire à l’axe du tunnel, ainsi que des conditions de limites à charge constante à la paroi du tunnel qui est souvent considéré circulaire. Pour représenter les entrées d’eau dans les tunnels pour des situations simples , la théorie du puits en présence d’une frontière à charge constante est reprise. Ces solutions sont difficilement comparables entre elles puisqu’elles utilisent différentes notations, hypothèses, conditions limites, élévation de référence et méthodes de résolution (Park et al., 2008). Plusieurs chercheurs ont élaboré des solutions analytiques pour prédire le débit d’entrée d’eau Q par unité de longueur d’un tunnel horizontal drainé en régime permanent, dans une matrice semi infinie ou infinie, homogène et complètement saturée (Polubarinova-Kochina et Ya, 1962; Goodman et al., 1965; Meiri, 1985; Zhang et Franklin, 1993; El Tani, 1999; Lei, 1999; Perrochet, 2005; El Tani, 2010; Masset et Loew, 2010). El Tani (2003) a également compilé les équations proposées par plusieurs auteurs, puis il a montré les différences importantes d’estimation de venues d’eau obtenues par ces solutions.

Kolymbas et Wagner (2007) ont dérivé une expression analytique pour estimer les entrées d’eau dans un tunnel drainé en régime permanent .Contrairement à l’approximation de Goodman et al. (1965), cette équation est valide pour les tunnels profonds et peu profonds, et elle est plus générale que la solution de Rat (1973) et de Lei (1999), car elle permet une variation de charge au pourtour du tunnel et à la surface du terrain.

Avantages et inconvénients 

Les modèles développés pour les tunnels ont comme avantages d’utiliser des formules simples qui requièrent peu de données. Ces modèles considèrent des conditions idéalisées, ils ne tiennent pas compte notamment de l’anisotropie ni de l’hétérogénéité du milieu qui varient notamment en fonction de la densité de la fracturation et avec la variation de la profondeur. Par exemple, la présence de faille ayant un cœur imperméable, fait en sorte que l’aquifère n’est pas infini.

La géométrie d’un seul tunnel est différente de la géométrie d’une mine qui est composée d’un puits vertical et de plusieurs tunnels (galeries) subhorizontaux. Les formules développées pour un tunnel ne sont pas conçus pour quelques tunnels situés à proximité les uns des autres, mais pour un tunnel unique. Pour mieux respecter la géométrie de la mine, il faudrait considérer chaque galerie comme un tunnel distinct et superposer l’influence du drainage des autres tunnels à proximité.

Les méthodes des tunnels sont normalement utilisées pour estimer le débit que fournit une unité de longueur de tunnel lorsque la conductivité hydraulique est connue. Dans les mines, souvent la conductivité hydraulique est inconnue, mais les débits d’eau d’exhaure de la mine sont connus. Généralement les débits fournis par les différents niveaux de la mine sont inconnus. Cette méthode pourrait être utilisée pour estimer la conductivité hydraulique moyenne du massif fracturé en supposant que la longueur totale du tunnel soit égale à la somme des longueurs de toutes les galeries de la mine. Ainsi pour avoir un débit unitaire, le total du débit pompé serait divisé par la longueur du tunnel obtenu.

Une meilleure estimation de la conductivité hydraulique pourrait être obtenue si le débit que fourni chaque galerie de la mine était mesuré ou du moins si le débit était mesuré à différents niveaux de la mine et dans différents secteurs des niveaux. Ainsi la conductivité hydraulique pourrait être estimée dans différentes sections de la mine, ce qui serait plus réaliste.

Ces équations supposent une charge constante au pourtour du tunnel et un aquifère saturé, alors que dans les mines dénoyées, la charge n’est pas constante au pourtour des tunnels. Il n’y a que les modèles de Kolymbas et Wagner (2007) et El Tani (2010) qui permettent une charge variable puis Park et al. (2008) qui permet une charge nulle. Ces derniers modèles sont donc à privilégier car dans les mines, la charge au pourtour des galeries est faible ou nulle.

Table des matières

1. INTRODUCTION 
2. ÉTAT DES CONNAISSANCES 
2.1 Aquifère fracturé
2.1.1 Discontinuités structurales majeures
2.1.2 Discontinuités structurales mineures
2.1.3 Influence des contraintes géo-mécaniques et de l’hydrogéochimie sur les réseaux de fractures
2.1.4 Caractéristiques hydrogéochimiques des eaux du Bouclier canadien
2.1.5 Influence des mines sur les aquifères fracturés
2.2 Modèles analytiques de l’écoulement des eaux souterraines vers des excavations
2.2.1 Mine souterraine
2.2.2 Tunnel
2.2.3 Puits à drains rayonnants
2.2.4 Autres modèles
3. GÉOLOGIE DU TERRITOIRE CONSIDÉRÉ 
3.1 Géologie régionale
3.1.1 Socle rocheux
3.1.2 Les dépôts meubles
3.2 Mines à l’étude
3.2.1 Mine Beaufor
3.2.2 Mine CANMET
3.2.3 Mine Lac Herbin
4. ACQUISITION DES DONNÉES
4.1 Cueillette des données existantes
4.2 Acquisition de données structurales
4.2.1 Ligne de levé
4.2.2 Croquis
4.3 Acquisition de nouvelles mesures de pression et de débits d’eau
4.4 Échantillonnage hydrogéochimique
4.4.1 Procédures d’échantillonnage
4.4.2 Paramètres mesurés en laboratoire
5. ANALYSE DES RÉSULTATS 
5.1 Caractérisation des discontinuités structurales
5.1.1 Orientation et densité des fractures
5.1.2 Longueur de trace des fractures
5.2 Caractérisation hydrogéologique
5.2.1 Modèles et méthodes utilisées
5.2.2 Analyse de sensibilité des paramètres
5.3 Caractérisation hydrogéochimique
5.3.1 Validité des résultats
5.3.2 Caractérisation des anions et cations majeurs
5.3.3 Corrélation entre les éléments (diagrammes binaires)
5.3.4 Indices de saturations
5.3.5 Isotopes de l’eau
6. INTERPRÉTATION ET DISCUSSION DES RÉSULTATS 
6.1 Relations hydrogéomécaniques
6.2 Relations hydrogéochimiques
6.3 Recommandations
7. CONCLUSION

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