Introduction à l'Essai de traçage en profil
Dans les mines en exploitation, l'infiltration d'eau provenant du plancher de la fosse et/ou des parois peut entraîner des problèmes de stabilité, des retards dans la récupération du minerai et une augmentation des coûts d'exploitation. Pour ces raisons, les études hydrogéologiques sont essentielles pour concevoir un système d'assèchement efficace et contrôler l'infiltration d'eau.
Les études hydrogéologiques classiques impliquent des travaux sur le terrain et des analyses utilisant des modèles numériques. La modélisation aide à optimiser le dénoyage des fosses et à mieux comprendre divers phénomènes. Après la collecte des premières données, les travaux de terrain sont la base de toute étude hydrogéologique. Si la qualité et la précision des informations recueillies ne sont pas optimales, l'analyse effectuée avec le modèle numérique pourrait conduire à des interprétations erronées.
Dans une approche standard, les travaux sur le terrain incluent généralement des forages au diamant pour la récupération des carottes de forage, des essais de slug test, des tests avec obturateurs, des mesures de débit, et parfois l'utilisation de caméras. Ces méthodes standards nous permettent d'estimer la conductivité hydraulique et d'évaluer l'hétérogénéité du milieu. Cependant, aucune de ces techniques ne permet d'identifier clairement les fractures, failles ou autres structures qui apportent de l'eau. En réalité, il est bien connu qu'une zone de forte conductivité hydraulique n'est pas nécessairement une zone aquifère significative, capable de fournir de l'eau de façon durable. Cela peut se produire lorsque la zone fracturée est locale et non reliée à une fracture avec un écoulement préférentiel, souvent appelée eau piégée. La figure 1 illustre un exemple d'eau piégée. En utilisant des méthodes d'interprétation traditionnelles, cela pourrait être mal interprété comme une zone à haut débit.
Exemple d’une zone à forte conductivité, mais sans écoulement naturel
La figure 1 illustre deux zones de fractures traversées par un trou de forage vertical. La zone fracturée supérieure semble très perméable, selon la description de la carotte (par exemple, RQD), bien que la faille inférieure puisse tout aussi bien contenir de l’eau. Les tests traditionnels (packer, débitmètre, etc.) donneraient des valeurs élevées de conductivité pour ces deux zones de fractures.
Dans ce cas, seule la fracture inférieure serait porteuse d’un écoulement préférentiel, car sa grande étendue est connectée à un autre système de failles régional. La zone de fracture supérieure, bien qu’apparaissant également comme porteuse d’un écoulement préférentiel d’eau, est constituée de fractures isolées, et l’eau y est piégée (c’est-à-dire non connectée à un système régional). En raison de la portée limitée des essais avec obturateurs et/ou des essais de débit (généralement entre 5 et 10 m), il est probable que cette zone de fracture supérieure affiche une conductivité élevée. C’est l’une des raisons principales pour lesquelles l’essai de traçage en profil (PTT) a été développé et adapté par notre firme.
Pour qu’un programme de dénoyage et de dépressurisation soit efficace, il est crucial de cibler les zones d’écoulement contrasté, afin d’optimiser les interventions et de réduire les coûts.
Méthodologie
L'essai de traçage en profil est une méthode récemment adoptée par notre firme. Son principe est simple : il consiste à mélanger un traceur de manière aussi homogène que possible dans un trou ouvert unique (par exemple, un trou de forage au diamant utilisé pour l'exploration).
Une fois le traceur introduit, la concentration est mesurée à différents intervalles de temps dans le même trou de forage vertical. Ces mesures permettent de créer des profils de concentration, dont les variations révèlent l'emplacement de la zone active d'écoulement naturel. En effet, une diminution de la concentration indique la présence d'un débit. La figure 2 illustre un exemple de cette technique.
Résultat d’un essai de traçage en profil
Dans cette figure, l’axe des Y représente la profondeur du trou, qui est identique pour tous les profils. L’axe des X correspond à la concentration du traceur, sur une échelle prédéfinie (0-15 mg/L), également la même pour tous les profils.
Les lignes noires représentent le profil initial, immédiatement après l’injection. Les deux autres profils correspondent aux mesures de concentration prises toutes les 30 minutes après l’injection : la ligne bleue pour 30 minutes et la ligne rouge pour 60 minutes. Le profil initial est superposé aux autres profils afin de montrer l’évolution des concentrations.
Les résultats montrent clairement une variation des concentrations dans la partie supérieure de la formation (profondeur d’environ 10 m), ce qui indique que le débit le plus élevé se situe dans cette zone. Ils révèlent également qu’il n’y a pas d’écoulement dans la partie inférieure de la formation. En effet, l’intégration numérique de la moitié inférieure des trois profils donne des valeurs similaires, ce qui suggère qu’aucun traceur n’a été évacué de la moitié inférieure du trou.
La variation de la concentration à partir du moment initial
La figure 3 montre la variation de la concentration à partir du moment initial. Il est évident dans cette figure que l’emplacement de l’écoulement préférentiel se situe dans la partie supérieure de la formation rocheuse. Pour l’analyse, certains aspects théoriques doivent être pris en compte. L’un d’entre eux est la diffusion.
La variation de la concentration dans la partie inférieure (figure 2) est clairement causée par la diffusion, car les tendances ne sont pas régulières (diminution de la concentration avec le temps), ce qui serait impossible lors de l’évaluation de l’écoulement naturel le long d’un puits de forage. L’écoulement vertical pourrait également affecter les résultats, mais cet exemple ne présente pas ce type d’écoulement.
Les PTTs ne permettent pas seulement d’identifier les zones d’écoulement, mais aussi de les quantifier. Avec plusieurs profils dans un seul trou et une carte piézométrique régionale, il est possible de calculer le flux de Darcy, le débit apparent et la conductivité hydraulique à chaque endroit voulu le long du profil. Cette technique est bien plus précise qu’un profil issu d’un essai avec obturateur et plus utile qu’un profil de débitmètre, car elle prend en compte uniquement l’écoulement naturel (eau non piégée).
La figure 4 illustre le flux de Darcy, le débit (Q) et les profils de conductivité à partir des résultats dérivés de la figure 2. Notez que seule la partie supérieure de l’écoulement a été caractérisée, car aucun écoulement n’a eu lieu dans la zone inférieure.
Débit, flux de Darcy and conductivité hydraulique dans la partie supérieure du trou.
Le principal avantage de l’utilisation d’un PTT réside dans le fait que les résultats fournissent des informations détaillées à la fois sur l’écoulement local et régional. Par exemple, si un écoulement se produit à un emplacement spécifique dans un seul trou, il est évident que cette zone d’écoulement est régionale, car aucune contrainte n’a été appliquée pour la détecter. Si cette zone d’écoulement correspond à une lithologie particulière, il est probable que la même signature d’écoulement sera mesurée dans les différents trous qui traversent la même formation.
Cependant, les PTT ne permettent pas d’évaluer la conductivité hydraulique des zones d’eau piégée. En effet, en l’absence de mesures de débit, la valeur de la conductivité hydraulique (K) approche de zéro. Cela peut différer de la valeur de K mesurée dans la zone locale autour du trou, lorsque cette zone n’est pas connectée au système de faille principal. Cela ne pose cependant pas de véritable problème, car en réalité, ce que nous recherchons généralement, c’est d’identifier une zone d’écoulement active lorsqu’il est temps de planifier une solution de dénoyage.
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