inf2002 mines et gestion post-extractive _eaux d'exhaure _brgm

8/3/2019 INF2002 Mines et Gestion Post-extractive _eaux d'Exhaure _brgm

1/6

leau

desmines exploitation dune mine souterraine perturbe lquilibre hydrogologique e

crant des drains artificiels qui modifient les coulements naturels et qncessitent d'vacuer leau (lexhaure) scoulant par gravit vers les points l

plus bas des travaux. Pendant la priode dexploitation,une mine de grande dimensioproduit, en climat tempr, plus deau que de minerai. Cest le cas des mines de fer eLorraine o,en fin dexploitation, 20 m3 deau devaient tre pomps pour chaque tonde minerai extraite. la fin de l'exploitation, larrt de lexhaure entrane une montdu niveau de leau dans les rseaux de galeries et dans les aquifres autour de la min

Un nouvel quilibre hydrogologique,diffrent de lquilibre naturel avant exploitatiova alors progressivement se mettre en place.

La gestion de leau pendant la priode dexploitation : lexhaur

Les galeries constituent des drains o l'eau s'coule plus rapidement que dans les aqufres environnants alors que les techniques dexploitation utilisant le foudroya(effondrement provoqu par torpillage des piliers),dstructurent les terrains au toit dgaleries et crent des courts-circuits hydrauliques entre la surface et les travaminiers (fig. 1). Leau de pluie est alors rapidement draine par gravit depuis la surfavers les points les plus bas de la mine avec pour consquence la diminution du dbdes sources (qui peuvent, dans certains cas, disparatre) et des rivires.

L

La fin de lextraction minire peut entraner des dsordres

multiples dont la modification du fonctionnement

hydrogologique du bassin minier. Lennoyage des galeries

cre des rservoirs potentiellement utilisables comme

ressource en eau. Cependant cette eau est souvent trop

minralise pour tre directement utilisable pour

lalimentation en eau potable, et dans certains cas extrme

elle est une source de contamination importante de

lenvironnement. Tout cela impose une vritable gestion de

leau des mines abandonnes.

Robert FabriolGochimiste

Service EAU - BRGM

Prsident du GISOS

[email protected]

6

La gestion de

leau des mineen phase post-extractive

la gestion de leau des mines

BRGMi

[email protected]


2/6

Carte simplifiedu bassin ferrifre lorrain.Simplified map ofthe Lorraine iron basin.

BRGM

Quand le point bas de la mine se situe au-dessus duniveau de base des rivires du secteur et que la pentedes galeries est bien oriente, l'eau peut s'couler pargravit vers l'extrieur. Dans le cas contraire, leau doittre pompe pour garder la mine sec et assurerlexploitation. Dans le bassin nord des mines de fer deLorraine, lexhaure repose sur un systme complexe

de drains convergeant vers des albraques (rservoirssouterrains) qui servent de rserve deau pour lespompes dexhaure regroupes dans des salles sou-terraines diffrents niveaux jusqu 200 m deprofondeur (fig. 2). La puissance totale des pompespermet dextraire un dbit quivalent aux pics decrues cinquantennales (environ 7m3/s). Cette eaudexhaure est utilise pour lalimentation en eaupotable et industrielle, ainsi que pour le soutiendtiage des rivires dont le dbit a t fortementmodifi par lexploitation de la mine.

La gestion de leau labandon

de la mine : lennoyageLarrt de lexploitation est suivi dune phase de miseen scurit avant labandon de la mine.Gnralementil est dcid darrter lexhaure, ce qui conduit len-noyage progressif de la mine (fig. 3), le niveau deaudans les galeries remontant en mme temps que leniveau dans les aquifres autour. Pour le bassin suddes mines de fer de Lorraine, quatre annes ont tncessaires pour atteindre le point de dbordementdu rservoir de 230 millions de m 3. La remonte du

Dispositif dexhaure dansun puits dune mine de fer

(Lorraine, France).Dewatering device in an ironmine shaft (Lorraine, France).

BRGM im@g - R.Fabriol

niveau de leau peut conduire lapparition de zoneshumides dans les secteurs affaisss laplomb delexploitation. Cest notamment le cas dans certainssecteurs des anciennes mines de charbon de la rgionNord - Pas-de-Calais et dans certains fonds de vallespour les mines de charbon en Lorraine mais avecmoins d'ampleur.

Lennoyage du bassin sud des mines de fer en Lorraine(fig.4) a provoqu la remonte du niveau de la nappealluviale de la plaine de l'Orne Moyeuvre Grande ol'arrt de l'exhaure a eu pour consquences lappari-tion de fontis, la fissuration de maisons et linondationde caves. Des mesures correctives ont t prises etnotamment le creusement d'une galerie de dbor-dement plus basse qui a permis d'abaisser le niveaugnral du rservoir minier de trois mtres ainsi quecelui de la nappe alluviale (Wojtkowiak et al., 2002 ;Vaute et al., 2004).

Pendant l'exploitation,l'eau d'exhaure est rejete en

plusieurs points du rseau hydrographique, rpartis-sant ainsi les dbits dans diffrentes rivires. larrtde l'exhaure, le point de dbordement de la mineennoye devient le point de convergence de l'en-semble des coulements du bassin aliment par lapluie. Le dbit de crue converge en un seul point, cequi peut ncessiter de recalibrer la rivire partir dupoint de confluence.

Lorraine


3/6

La qualit de leau de la minependant lexploitation

Avant louverture de la mine, la roche est en quilibrechimique dans son environnement gologique.Aprslouverture des galeries, cette roche est brutalementmise en contact avec loxygne de lair qui circule dansles travaux miniers. Des ractions doxydation dessulfures contenus dans la roche (comme la pyrite) seproduisent alors avec production dacide sulfurique.Ce type de ractions trs rpandu produit les

effluents acides des mines, connus sous le nom dedrainage minier acide (DMA). Les tas de striles ensurface soumis au lessivage par la pluie sont le sigedes mmes ractions doxydation. Laugmentationde lacidit de leau,dont le pH peut atteindre dans lescas extrmes des valeurs infrieures 2, va favoriserlattaque des minraux de la roche avec mise en solu-tion de contaminants comme le plomb, larsenic, lezinc, le cuivre qui seront alors transports vers lesrivires et les aquifres. Le drainage minier acide estun des problmes majeurs de l'industrie extractive(Banks et al., 1997) et peut atteindre une ampleurcatastrophique comme, par exemple,dans les mines

mtalliques de la ceinture pyriteuse sud ibrique.

Dans certains contextes gologiques particuliers, laprsence de minraux carbonats ou silicats dans laroche permet une neutralisation naturelle in situ de

la gestion de leau des mines

lacidit de leau. La raction de neutralisation pardissolution de ces minraux est observe, dans lesmines de charbons en Ecosse, dans la mine mtal-lique de Largentire, ainsi que dans les mines de ferde Lorraine o le pH est proche de 7 (Collon et al.,2004). Ce type de mcanisme est appel drainageminier neutre (DMN). Mais le pH neutre ne rend paspour autant l'eau potable : cette eau est en effet

gnralement fortement sulfate et peut contenirdes lments chimiques qui la rendent impropre laconsommation.

Le drainage minieracide est un des problmesmajeurs de l'industrieextractive et peut atteindreune ampleur catastrophique.

8

Fig. 2 : Schma de fonctionnement hydrogologique pendant lexploitation du bassin suddes mines de fer de Lorraine.Fig. 2: Schematic of hydrogeological functioning during mining of the South Basinof the Lorraine Iron Mines.

Source :BRGM

Fig.1 : Schma de principde fonctionnementhydrogologique dun sitminier pendant lexploitFig. 1: Schematic of thehydrogeological functionof a working mine.

Source : BRGM

>

>


4/6

Fig. 4 : Schma de fonctionnement hydrogologique aprs abandon et ennoyage du bassin suddes mines de fer de Lorraine.Fig. 4: Schematic of hydrogeological functioning after closure and flooding in the South Basin of theLorraine Iron Mines.

Source : BRGM

Fig. 3 : Schma de principe defonctionnementhydrogologique dun siteminier aprs abandonet ennoyage.Fig. 3: Schematic of thehydrogeological functioning ofa mine after closure and flooding.

Source :BRGM

Surveillance de la qualit deleau dans les mines de fer

ennoyes (Lorraine) .Monitoring water quality in

flooded iron mines (Lorraine,France).


>

>


5/6

0

La qualit de leau de la mine larrt de lexploitation

Lennoyage des mines nest pas sans consquence surla qualit de leau. Pendant la phase de remplissage,leau va lessiver les parois des galeries et la rochefragmente des zones foudroyes. Ces zones, o lafragmentation de la roche augmente la ractivit,sont lorigine de l'lvation rapide des concentra-tions en lments chimiques dans leau. Par ailleurs,leau va dissoudre et entraner les restes de produitschimiques qui ont t utiliss durant lexploitation etqui nauront pas pu tre vacus en surface. Encontrepartie, lennoyage des travaux miniers freineloxydation des minraux sulfurs, car loxygne nediffuse que trs lentement dans leau.

Il existe plusieurs techniques de remdiation du drai-nage minier acide en surface (Brunet, 2000). Le trai-tementdes effluents par ajout de roche calcaire ou dechaux est classique,mais il conduit la prcipitationde boues riches en sulfate et enmtaux lourds. L'utilisation dezones humides artificielles, parl'action conjugue du systmeracinaire des vgtaux, des bact-ries et de la matire organique,permet un traitement efficacedes effluents miniers.Cependant,un nouveau problme apparatconcernant la stabilit longterme des composs organiquesou minraux qui ont pig lescontaminants au cours de cestraitements. Une modification ultrieure du milieupar asschement ou apport d'eau, peut entraner unrelargage des contaminants dans l'environnement.Trouver des solutions concrtes de prvention et detraitement des drainages miniers est un objectif derecherche pluriannuel du BRGM.

Bassin de dcantationdeffluents miniers(Limousin,France)Settling pond for mineeffluents (Limousin, Fr


Trouver des solutionsconcrtes de prventionet de traitement des

drainages miniers est unobjectif de recherchepluriannuel du BRGM.


6/6

Underground or opencamine workings modifynatural flow paths andwater to drain rapidly tbottom of the mine. Dumining, water must bepumped out in order to

workings above the walevel. Air flowing in preof moisture through wocauses the oxidation ofsulphides very commonpresent in the surroundrock. This oxidation pro

acidic water known as amine drainage. In somegeological environmentmine drainage is neutrato the neutralisation ofacidity by dissolution ofcarbonates. In this casewater flowing rapidly in

mine workings will be oquality and can be usedthe drinking water suppWhen mining ceases anpumping stops, the minfloods until the water lerises to the discharge p

The water in this reservpotential resource for twater supply. However,often of poor quality wflooding begins and is uunusable for several yeauntil the reservoir rock

been naturally leachedefficient managementresource requires anunderstanding and preof the hydraulic and chbehaviour of mine reser

2000

1000

0

C

oncentrationenmg/l

Temps (annes)

0 5 10 15 20 25

SO4 simul

SO4 mesur

dbordement

Bibliographie : Adams R.,Younger P.L., (2001). A strategy for modelling ground water rebound in abandoned deep mine systems, Groundwater, Vol.39, No 2, p. 249-261 Brunet J.-F., (2000). DrainagAcides Contraintes et Remdes Etat des connaissances. Rapport BRGM/RP-50504-FR, 299 p. Collon P., (2003). Evolution de la qualit de leau dans les mines abandonnes du bassin ferrifre lexprimentation en laboratoire la modlisation in situ. Thse de lInstitut National Polytechnique de Lorraine, Nancy,France, 246 p. Collon P., Fabriol R., Bues M.(2004). Ennoyage des mines de ferimpact sur la qualit de l'eau. C. R. Geoscience Vol 336,Issue 10, p 889-899 Schmitt J.M., Combes P., Ledoux E., (2003). Qualit des eaux aprs fermeture des mines : remplissage initial,volution tstabilisation long terme et gestion environnementale.Colloque Aprs-mines 2003, Nancy.ISBN 2-85555-057-2, 10 p Vaute L., Nguyen The D., Fabriol R., Pinault J.-L.,Baubron J.-C.(2004). Une mthodelisation hydrogologique inverse applique un problme d'ingnierie : l'abaissement du niveau d'un rservoir minier ennoy dans le bassin ferrifre lorrain.Revue franaise de Gotechnique.N 106- 10 Younger P.L. (1997). The longevity of minewater pollution:a basis for decision-making.The Science of the Total Environment194 /195, pp. 457-466 Wojtkowiak F., Baubron J.C., Cattaert P., VassiliadiMatrise de l'impact hydraulique, sur le bti de surface, de l'ennoyage de mines souterraines arrtes du bassin ferrifre lorrain (France) 9me congrs Soc. Internat.de Gol. de l'Ing. et de l'Env. (IAEG),Durban

La gestion de leau des rservoirs :prvoir lvolution de la qualit de leau

L'ennoyage des travaux provoque une modificationde la qualit de l'eau dans la mine par rapport lapriode d'exhaure. Pendant l'exploitation des minesde fer en Lorraine,leau dexhaure tait de qualit suf-fisante pour lalimentation en eau potable d'unepopulation de 300 000 personnes.Lcoulement rapidedans les travaux miniers et un temps de sjour limitdans les albraques font que les ractions chimiquesn'ont pas le temps de modifier notablement la com-position de l'eau pendant son trajet dans la mine.Lesconcentrations, notamment en sulfate, ont augment lennoyage et ont atteint des valeurs suprieuresaux normes de potabilit,rendant leau des rservoirsimpropre la consommation. Pour les pouvoirspublics,la consquence directe a t la restructurationdu rseau de distribution deau potable. La questionqui se posait alors tait de savoir si l'eau de ces rser-voirs redeviendrait potable et dans quel dlai.

Cette question se pose chaque ennoyage de mine(Younger, 1997), mme sil n'existe pas de rponsegnrale, valable pour tous les sites.En effet, chaque

mine sinscrit dans un contexte hydrogologique etgochimique qui lui est propre et qui contrlera l'vo-lution de la qualit de l'eau du rservoir. La dmarchede prvision de l'volution reposera, d'une part, surune reconnaissance des coulements dans le rservoirde la mine ennoye,et d'autre part, sur une caract-risation des ractions chimiques contrlant lacomposition de l'eau.Les modles actuels permettentde prdire l'volution de la qualit de l'eau au pointde dbordement des mines dans diffrents contextes :mines de charbon en Angleterre et en Ecosse (Adamset Youger, 2001), mine mtallique de l'Argentire(Schmitt et al., 2003), mines de fer de Lorraine(Collon,2003).

Mais dans le cas de rservoirs de grandes ampli-tudes,la seule prvision de la qualit de l'eau au pointde dbordement ne suffit plus, car la ressource estexploite partir de puits de pompage situs dansdiffrentes zones de la mine. Il est alors ncessaire deprendre en compte la rpartition spatiale des carac-tristiques hydraulique et gochimique dans la mine(fig. 5), afin d'tablir un modle prdictif de la qualitde l'eau. Le dveloppement de ces outils d'aide lagestion de ces grands rservoirs fait partie destravaux en cours au BRGM dans le cadre du GISOS

(Groupement dIntrt scientifique sur lImpact et laScurit des Ouvrages Souterrains).

Fig. 5 : Simulation de lvolution dela concentration en sulfate dans leaudune mine de fer ennoye (modlede racteurs en rseau).Fig. 5. Modelling the evolution of thesulphate concentration in the water ofa flooded iron mine (reactor network

model).Source :BRGM

>

inf2002 mines et gestion post-extractive _eaux d'exhaure _brgm

Documents