Risques sols et sous-sols
Liste des rapports de la Direction des risques sols et sous-sols
De très nombreuses exploitations minières souterraines en France concernent des gisements à forte pente ou de type filonien. Il s'agit par exemple de la quasi-totalité des mines d'uranium, de nombreuses exploitations hydrothermales polymétalliques ou de fer, ou encore d'une part non négligeable des exploitations de charbon (dressants). Une partie de ces travaux souterrains font aujourd'hui ou feront très prochainement l'objet d'études diverses pour la « déclaration d'arrêt de travaux » ou la mise en place de Plan de Prévention des Risques Miniers (PPRM). Compte tenu de la spécificité de ces gisements, le Ministère de l'Economie, des Finances et de l'Industrie a demandé à l'INERIS de développer un outil méthodologique d'évaluation de l'aléa « instabilité des terrains » adapté aux particularités des exploitations pentées et filoniennes. Il a pour but de définir des configurations « types » d'exploitations pentées et filoniennes en vue d'analyser l'évolution à long terme de ces sites.
Cette première partie dresse un « bilan des connaissances », dont l'inventaire constitue la première phase. Il vise à rassembler les données caractéristiques principales pour chacun des sites.
De très nombreuses exploitations minières souterraines en France concernent des gisements à forte pente ou de type filonien. Il s'agit par exemple de la quasi-totalité des mines d'uranium, de nombreuses exploitations hydrothermales polymétalliques ou de fer, ou encore d'une part non négligeable des exploitations de charbon (dressants). Une partie de ces travaux souterrains font aujourd'hui ou feront très prochainement l'objet d'études diverses pour la « déclaration d'arrêt de travaux » ou la mise en place de Plan de Prévention des Risques Miniers (PPRM). Compte tenu de la spécificité de ces gisements, le Ministère de l'Economie, des Finances et de l'Industrie a demandé à l'INERIS de développer un outil méthodologique d'évaluation de l'aléa « instabilité des terrains » adapté aux particularités des exploitations pentées et filoniennes. Il a pour but de définir des configurations « types » d'exploitations pentées et filoniennes en vue d'analyser l'évolution à long terme de ces sites.
Cette seconde partie a pour but de définir une typologie d'événements redoutés en fonction des contextes des gisements et des méthodes d'exploitation.
La filière CSC (captage et stockage du CO2) figure parmi les solutions envisagées pour réduire la teneur de l’atmosphère en dioxyde de carbone (CO2), principal gaz contribuant à l’effet de serre. L’objectif est de le piéger dans le sous-sol de manière sûre et permanente comme l’exigent les réglementations française et européenne. Ce document présente une première analyse des risques liés au site de stockage, dont l’objectif est d’identifier les principaux scénarios de risque, depuis leurs causes initiales jusqu’aux cibles finales. Il propose une estimation des impacts potentiels pour la santé humaine,en considérant les principaux scénarios de migration du fluide en milieu souterrain, soit vers la surface soit vers un aquifère. Il met l'accent sur les impacts des impuretés potentiellement injectées avec le CO2, à partir de nécessaires hypothèses simplificatrices et majorantes, étant donné le manque de données disponibles sur ces impuretés. Il identifie par ailleurs l’ensemble des scénarios de risques théoriquement possibles, et pose les bases d'une méthode structurée pour l'analyse des risques. Ce travail se situe dans le cadre d’un programme de recherche de l’INERIS dédié aux stockages souterrains, et en particulier à la filière CSC.
Rapport n°1 : les risques en phase d’injection
Il l'est d'autant plus lorsqu'il se manifeste fréquemment en contexte urbanisé. La gestion des risques liés à la manifestation de phénomènes de type « fontis » passe par 2 étapes :
- l'évaluation de l'aléa « fontis » (prédisposition du site à la manifestation du phénomène en surface, caractéristiques prévisibles du cratère d'effondrement en surface…).
Il existe plusieurs outils et méthodes qui permettent de mener cette analyse ;
- le choix de la technique de mitigation du risque adaptée au contexte local qui repose sur une alternative à caractère technique et économique : traiter, surveiller ou déplacer les enjeux.
Le présent document a pour objectif : · d'établir un état de l'art et des recommandations sur les méthodes et outils d'évaluation du risque de remontée de fontis en surface (identification des règles, outils et méthodes, mise en évidence de différences d'approches selon les contextes ou de difficultés dans le processus d'évaluation) ; · d'identifier et de proposer des éléments comparatifs, dans le cadre d'une approche technico-économique, des méthodes de mise en sécurité des sites soumis au risque de « fontis ».
Outre les retours d'expérience de traitement des mines et des cavités souterraines, le présent document s'est inspiré des nombreux travaux et expériences de mise en sécurité réalisés dans les carrières souterraines françaises. En effet, ces cavités d'origine anthropique sont la plupart du temps à proximité ou sous des zones urbanisées et à des profondeurs telles que le phénomène de fontis est un aléa prépondérant.
L’existence d’un réchauffement du système climatique global est désormais admise par la communauté scientifique. Les hausses des températures moyennes de l’air et des océans, mesurées à l’échelle du Globe, ainsi que l’observation de la fonte des calottes glaciaires et de la montée du niveau moyen de la mer constituent, à ce titre, des indicateurs forts.
Le présent guide interactif d'élaboration des PPR Miniers a été élaboré sous la coordination et la direction scientifique de Christophe DIDIER, directeur adjoint et délégué scientifique de la Direction des Risques du Sol et du Sous-sol de l'INERIS.
Il s'agit d'un ouvrage collectif, établi sous l'égide du Ministère de l'Economie, des Finances et de l'Industrie et résultant du travail de différents organismes impliqués dans l'évaluation des risques liés à l'après-mine : INERIS, GEODERIS, Ecole des Mines De Paris, BRGM, CSTB. Plusieurs représentants des DRIRE ont également participé activement à son élaboration.
Le présent guide décline la méthodologie d'élaboration des PPRT aux sites de stockage souterrain en intégrant leurs spécificités :
* cadre législatif et réglementaire propres (Code Minier, directive européenne « Seveso », loi n°2003-699 du 30 juillet 2003 relative à la prévention des risques technologiques et naturels et à la réparation des dommages, code de l'environnement) ;
* phénomènes dangereux (effets thermiques, effets de surpression, effets toxiques, mouvements de terrains brutaux (présence de cavités souterraines susceptibles, dans des conditions très particulières, d'engendrer un effondrement brutal de la surface, caractérisé par l'apparition soudaine en surface d'un cratère dont l'extension horizontale pourrait atteindre quelques dizaines de mètres) ;
* zonage réglementaire (correspondance entre les niveaux d'aléa et les principes de réglementation).
La création de vides souterrains et la déconsolidation des terrains de recouvrement peuvent faciliter le transport jusqu’à la surface du gaz de mine et du radon présents dans les formations géologiques. Les mesures récentes réalisées par l'INERIS dans différents contextes miniers (bassin ferrifère lorrain, mine de fer de May-sur-Orne, bassin houiller du Centre-Midi…) montrent l’existence de radon dans l’atmosphère des vides miniers dans des proportions parfois très importantes, avec des teneurs pouvant dépasser 10 000 Bq.m-3 en mesure ponctuelle. La migration de ce gaz depuis les vides miniers vers les bâtiments est susceptible d’exposer les personnes à un risque sanitaire.
Après une présentation des propriétés du radon et des effets sanitaires qu’il peut induire, le document aborde les différentes techniques disponibles pour la mesure du radon. Les aspects dosimétriques et réglementaires sont ensuite présentés.
Le document traite alors plus particulièrement du radon en environnement minier, notamment en présentant les différentes sources d’exposition possibles. La partie correspondante est illustrée par quelques cas concrets issus de la bibliographie et des études menées par l’INERIS dans certains grands bassins miniers français. Enfin, la dernière partie présente les mécanismes d’entrée du radon dans les bâtiments et les techniques de remédiation associées.
Le rapport a été établi dans le cadre de l’accord de partenariat scientifique entre l’IRSN et l’INERIS. Ce travail fait partie du programme d’appui technique de l’INERIS au MEEDDAT (Bureau du Sol et du Sous-Sol, B3S) relatif à la gestion de l’après-mine (programme EAT-DRS 03).
Les cavités creusées par dissolution dans le sel à des fins de stockage sont pour leur grande majorité encore en phase d’exploitation. Néanmoins, la problématique de l’abandon de ces cavités, ainsi que celles creusées à des fins de production de sel, a fait l’objet de nombreuses recherches depuis une vingtaine d’années, notamment au sein du SMRI. Le sujet intéresse également les pouvoirs publics, qui voient arriver les premières demandes d’arrêt définitif et qui doivent s’assurer que les méthodes d’abandon proposées par les exploitants sont garantes de la sécurité à long terme des personnes et des biens, ainsi que la protection de l’environnement autour des sites concernés.
Le concept d’abandon qui emporte aujourd’hui l’adhésion d’une majorité d’experts et vers lequel s’orientent la plupart des exploitants, en France et à l’étranger, consiste à remplir la cavité de saumure et, après une période éventuelle d’observation et d’attente de la mise à l’équilibre thermique de la saumure avec le massif de sel environnant, à obturer définitivement le puits par remplissage de ciment.
Ce concept repose sur le principe de stabilité à long terme de la cavité, c’est-à-dire qu’il prévoit que la cavité, une fois fermée, va atteindre une pression d’équilibre favorable au maintien de la stabilité mécanique de l’ouvrage. La cavité va alors se refermer lentement par fluage du sel sans provoquer de désordres majeurs dans son environnement. De même, ce concept prévoit une migration très lente de la saumure vers l’extérieur de la cavité mais qui s’opérera avec des débits tellement faibles qu’il n’est pas attendu d’impact sur la qualité des eaux environnantes. Ce rapport, qui se destine en premier lieu à l’Administration, vise à décrire précisément ce concept, à fournir des éléments quantitatifs sur l’évolution de la cavité (valeur de la pression d’équilibre, temps d’atteinte de l’équilibre thermique, débits de saumure expulsés de la cavité, temps de fermeture de la cavité), à faire ressortir les aléas qui peuvent en résulter et à fournir des recommandations destinées à favoriser la maîtrise de ces aléas.
Depuis 2005, la Société Internationale de Mécanique des Roches (ISRM) a créée une Commission sur la problématique de la fermeture des mines. Le rapport final de cette Commission internationale, présidée par Christophe Didier de l'INERIS, est désormais disponible. La commission a été instaurée pour étudier le problème des mines abandonnées qui peuvent, dans certaines circonstances, s’avérer dangereuses pour les personnes et/ou les biens.
Le travail s’est concentré sur les aspects de mécanique des roches liés à la fermeture des mines. Les principaux problèmes d'instabilité résultent dans les anciennes mines, de la rupture, dans le temps, d’anciens piliers ou des terrains de recouvrement situés à l’aplomb des anciens travaux. Certaines de ces instabilités peuvent s’avérer potentiellement dangereuses (apparition soudaine de fontis, effondrements en masse). D’autres sont plus simples à gérer (affaissements lents et continus).
Le rapport (uniquement en version anglaise) propose un descriptif de la problématique de fermeture des mines, y compris les aspects législatifs, dans plusieurs pays (Afrique du Sud, Japon, Canada, Pologne, Allemagne, France, Corée…).
Les principaux types de phénomènes susceptibles de se développer à l’aplomb d'une mine abandonnée sont discutés. Ceci concerne les conséquences potentielles sur des personnes et les structures de surface mais également la description des mécanismes physiques qui peuvent initier les instabilités.
Les principales méthodes d'évaluation des risques sont ensuite présentées, identifiant les facteurs les plus sensibles, capables d’influer sur le niveau de risque résiduel. Finalement, plusieurs techniques de surveillance directes et indirectes sont décrites ainsi que quelques méthodes destinées à conforter ou combler les anciens travaux afin de protéger les populations concernées.
Ceci constitue un travail de référence que nous souhaitons utile et intéressant pour les personnes impliquées dans les domaines de la mine et de l’après-mine.
- Le document est aussi disponible sur le site de l'ISRM www.isrm.net
Mots clés : fermeture de mines, évaluation des aléas, affaissements, effondrements, fontis, instabilités de la surface, Commission ISRM, mines abandonnées
Les vides du sous-sol constituent donc une source de danger potentiel pour les personnes et pour les biens. Ils peuvent induire des contraintes fortes en termes d'aménagement et de développement urbain. Il appartient à l'Etat et aux maires des communes, de porter à la connaissance des citoyens l'information sur les risques existants auxquels ils sont soumis dans certaines zones du territoire et sur les mesures de sauvegarde qui les concernent, conformément à l'article L125-2 du Code de l'Environnement.
Dans les communes disposant d'un plan de prévention des risques naturels prévisibles (PPRN), le maire informe la population régulièrement sur la nature des risques, les mesures de prévention possibles et les dispositions prises par la commune pour gérer le risque. Cette information est délivrée avec l'aide des services de l'Etat compétents, dans le cadre des mesures prises en application de la loi n° 87-565 du 22 juillet 1987.
Il apparaît, dès lors essentiel de proposer aux collectivités, aux entreprises et aux habitants des méthodes adaptées et économiquement viables, permettant de garantir la sauvegarde des populations menacées par les phénomènes d'instabilité du sol induits par la présence d'anciennes carrières souterraines abandonnées. Elles reposent sur la meilleure connaissance possible des phénomènes physiques et des techniques disponibles permettant de mettre le site en sécurité, provisoirement ou définitivement. Afin de préciser les conditions et les limites d'utilisation de ces méthodes, il a paru opportun à la Direction de la prévention des pollutions et des risques (DPPR) du Ministère de l'Ecologie de l'Energie, et de Développement et L'Aménagement Durable (MEEDDAT) de confier à l'INERIS la réalisation d'un guide relatif aux méthodes de mise en sécurité des populations face au risque d'effondrement de cavités souterraines.
Ceci constitue l'objet du présent guide, réalisé notamment à l'attention des bureaux d'études, des experts, des maîtres d'œuvre ou des gestionnaires d'ouvrages concernés. Il traite plus particulièrement des anciennes carrières souterraines aujourd'hui abandonnées.
En principe limité à la mise en sécurité des personnes et du bâti existant, ce guide fournit également quelques informations utiles visant les constructions nouvelles. En revanche, il ne traite pas des dispositions préventives réglementaires, comme l'interdiction d'accès ou l'évacuation, assorties ou non de mesures d'indemnisation, prises en cas de péril imminent.
Qu'il s'agisse d'inspection, de surveillance, de comblement, d'injection de coulis, ou d'abattage avec suppression des vides, l'analyse comparée des méthodes de traitement présentée dans ce guide repose sur des critères à la fois techniques, pratiques et économiques. La méthodologie développée dans ce document de synthèse procède d'une démarche qui n'est qu'indicative et qui vise à sensibiliser les personnes, responsables locaux ou membres d'associations, confrontés à ces risques, en leur apportant des connaissances de base relatives aux principes généraux de choix. Elle ne se substitue donc pas aux obligations réglementaires s'appliquant aux pratiques techniques, aux objectifs de sécurité visés, ou à la destination des ouvrages.
Le guide est un ouvrage de 120 pages abondamment illustré et complété par 2 annexes. Il rappelle les différents aléas de mouvements des terrains associés aux cavités souterraines. Il aborde ensuite la maîtrise de risques : reconnaissances et prévention. Une place est réservée aux différentes techniques d'auscultation et de surveillance. La partie principale du guide est consacrée aux techniques de consolidation et des comblements (total et partiel) des cavités souterraines. Le guide présente pour chaque méthode de traitement : techniques, principe et rôle, mise en œuvre, performances, domaine d'utilisation, avantages et inconvénients et en fin aspects économiques. 11 fiches synthétiques des principales méthodes de traitement sont également disponibles ainsi qu'un glossaire qui donne les définitions de principaux termes techniques utilisés dans ce guide.
Une partie importante des travaux réalisés par l’INERIS dans le cadre du programme « ANR CO2 Géocarbone - Monitoring » a porté sur le développement des méthodes de suivi géochimique en phase gazeuse à la surface et dans la couverture intermédiaire des sites de stockage géologique du CO2. La mise au point et la formalisation des approches pour le suivi géochimique des gaz est essentielle pour l’évaluation du fonctionnement et de l’intégrité des futurs sites de stockage. Ces méthodes doivent en effet permettre une caractérisation fiable de l’état initial du site et ensuite une détection efficace des fuites éventuelles du CO2 vers la surface.
Deux approches ont été étudiées en particulier :
- prélèvement et analyse de gaz au fond de sondages profonds, pour détecter et suivre la migration éventuelle de gaz par les roches constituant la couverture intermédiaire des stockages ;
- mesure du flux gazeux émanant du sol, pour identifier et quantifier les fuites de CO2 dans le cas où celles-ci se présenteraient en surface.
Les travaux ont été effectués en collaboration avec d’autres partenaires du programme, notamment le BRGM, l’IFP et l’INPL.
La complexité des problèmes nécessite donc une approche pluridisciplinaire à laquelle souscrit la méthode proposée dans le cadre du présent rapport. S'appuyant sur son expérience en matière de méthodes d'évaluation des risques liés aux cavités souterraines, l'INERIS a établi une méthode d'analyse et de hiérarchisation des risques résiduels liés à l'exploitation d'un ancien bassin minier. Cette méthode a été développée et appliquée dans le cadre de la hiérarchisation des risques géotechniques liés au bassin ferrifère lorrain. L'étude des risques d'un bassin minier soulève deux problématiques principales qui ont nécessité d'élaborer une méthode d'analyse nouvelle :
- la première problématique tient à ce que l'évaluation, la hiérarchisation et la cartographie portent sur un site très étendu (pour l'exemple, la superficie du bassin ferrifère lorrain est de l'ordre de 1500 km2) tout en conservant un niveau de précision adapté à sa lecture et à son utilisation en terme de gestion de risque ;
- la seconde problématique tient à la quantité importante d'informations qu'un tel projet oblige à traiter.
La méthode mise au point doit tirer parti de cette quantité d'informations tout en garantissant la multiplicité des disciplines concernées. L'exigence de clarté implique une méthode explicite et une formalisation des expertises. Elle correspond à une demande de la société moderne et s'impose compte tenu de l'importance des enjeux (présents et futurs) et de l'étendue des études. L'exigence d'adaptabilité en découle : les études concernées sont susceptibles de durer plusieurs années pendant lesquelles la connaissance augmente. La méthode doit pouvoir intégrer de nouveaux critères d'adaptabilité du risque et s'adapter aux acteurs de sa réalisation (ajout de compétences, transmission de compétences…).
Le présent document traite des solutions techniques disponibles pour gérer les bâtiments d’habitation existants et futurs (logements individuels et collectifs) soumis à des risques d’affaissement ou de fontis résultant de la présence de cavités souterraines. Il s’appuie sur l’extrapolation de la longue expérience de l’INERIS dans le domaine des ouvrages miniers.
Pour les bâtiments neufs, le guide s’attache, entre autres, à évaluer les contextes géologiques et anthropiques de cavités, à analyser les risques d’affaissement ou d’effondrement et à définir les dispositions constructives nécessaires.
Pour les bâtiments anciens, le guide propose des modes de confortement et/ou de réhabilitation.
Avant d’aborder la méthodologie de sélection des techniques les mieux adaptées qui constitue le coeur de l’ouvrage, sont définies, dans une première phase, les notions et les notations permettant de qualifier ou quantifier les phénomènes. Dans une seconde partie, sont également abordés les effets des affaissements du sol sur les structures, ainsi que l’influence de ces mouvements sur l’interaction sol-structure.
L’abandon, à moyen ou long terme, des stockages souterrains de gaz naturel, d'hydrocarbures liquides ou liquéfiés ou de produits chimiques à destination industrielle, va devenir un sujet de préoccupation croissante dans les années à venir.
La plupart des stockages souterrains sont encore en phase d’exploitation en France mais des cas concrets de « déclaration d’arrêt des travaux » sont désormais présentés aux services instructeurs de l’Etat et il convient, pour les pouvoirs publics, de mettre en place des règles de bonnes pratiques permettant de garantir que la sécurité des personnes et des biens, ainsi que la protection de l’environnement, seront assurés sur le long terme autour des sites abandonnés.
Afin d’aider l’Administration dans cette démarche, ce rapport présente une synthèse des connaissances et des pratiques en matière d'abandon des stockages souterrains. Le document se veut avant tout un recueil d’informations et de références assez général, à partir desquelles le lecteur pourra éventuellement approfondir certains points plus en détails. Le document s’attache à aborder l'ensemble des problématiques liées à l'abandon, notamment : aspects réglementaires (aussi bien en France qu’à l'étranger) ; description des opérations techniques réalisées lors de l’abandon d’un stockage ; récapitulatif des cas d'accidents constituant un retour d’expérience intéressant pour la problématique de l'abandon ; identification des principaux aléas ou impacts dans le contexte de l'abandon d'un stockage souterrain ; présentation de méthodes et d’éléments bibliographiques pouvant aider à l'évaluation de ces aléas ; recensement des techniques de surveillance qui pourraient être employées pendant et après l'abandon d’un stockage souterrain. Le document couvre les différents types de stockages, à savoir les stockages en milieux poreux (dits en aquifères), en cavités salines (réalisées par dissolution du sel) ou en cavités minées. Il s’adresse à l’ensemble des parties prenantes des stockages souterrains, que ce soit l’Administration centrale, les services instructeurs de l’Etat, les exploitants, les experts, les bureaux d’étude ou bien encore les collectivités locales.
- Quels sont les types de mouvements de terrains susceptibles d'affecter la surface, au droit des anciens travaux miniers, et quelles sont leurs conditions d'apparition respectives ?
- Quel est l'impact de l'ennoyage sur la stabilité des ouvrages miniers et sur le risque d'émission de gaz ?
- Quelle méthode doit être mise en place pour évaluer et gérer le risque « mouvements de terrain », dans le bassin ferrifère lorrain ?
- Quels outils de surveillance des risques d'effondrement sont adaptés au contexte du bassin ferrifère lorrain ?
- Quels sont la nature, l'origine et les mécanismes du risque d'émission de gaz de mine ?
