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Surveillance microsismique de mines avec le filtre de Kalman d’ensemble.

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Dip, Cecilia (2021). Surveillance microsismique de mines avec le filtre de Kalman d’ensemble. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 169 p.

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Résumé

L’augmentation de la demande en métaux causée par la croissance économique mondiale et la diminution de découvertes de gisements minéraux peu profonds oblige l’extraction minière à aller exploiter dans des nouvelles zones plus profondes, en marge des camps miniers connus (Wagner, 2019). Au Canada, l’industrie minière se tourne vers l’exploration et l’exploitation de mines très pro fondes et une conséquence directe de cette évolution est l’augmentation du risque dû aux éboule ments, qui sont des libérations soudaines et violentes d’énergie stockée dans la masse rocheuse. Ces coups de terrain catastrophiques entraînent non seulement l’arrêt des opérations minières, ou des dommages à l’équipement, mais ils menacent la sécurité des travailleurs souterrains (Ge, 2005). Il a toujours été difficile d’étudier et de prévoir les coups de terrain (rockbursts), car ils ré sultent d’une interaction complexe entre les activités minières et la géologie. Cependant, ces évé nements catastrophiques sont généralement précédés d’événements sismiques plus faibles. Ces micro séismes, induits par la libération de contraintes autour des tunnels, provoquent la propaga tion d’ondes sismiques dans la masse rocheuse. La surveillance microsismique est une technique largement utilisée pour étudier ce type d’événements dans la roche. Bien que principalement utili sés pour la localisation de l’événement, les temps d’arrivée provenant de la microsismique passive peuvent être utilisés comme un outil pour cartographier la distribution des vitesses des ondes sis miques dans la masse rocheuse. Les vitesses sismiques sont une propriété fondamentale des matériaux, et elles varient avec les changements de conditions tant externes (contrainte, tempé rature) qu’interne (saturation du fluide, densité de fissure) (Daley et al., 2010). Il suffit alors de déterminer les vitesses sismiques facilement mesurables au lieu des contraintes beaucoup moins accessibles dans les roches (Körmendi et al., 1986). Mon projet de doctorat propose de détecter les changements de vitesses sismiques de la masse rocheuse comme variable pour les prédictions de rockbursts, dans le but de fournir une variable quantitative aux ingénieurs miniers afin de protéger leur sécurité et l’exploitation de leur mine. Je propose une méthodologie d’assimilation des temps d’arrivée au fur et à mesure que de nouveaux événements sismiques surviennent et sont enregistrés, ce qui permet des mises à jour du modèle de vitesse en temps réel d’une manière rapide et efficace. Pour évaluer l’assimi lation de données microsismiques en temps réel à des fins de surveillance minière, nous avons proposé d’utiliser le filtre de Kalman d’Ensemble (EnKF)(Evensen, 2009) pour calculer les mises à jour de la zone affectée en temps réel. L’EnKF permet d’incorporer les observations des variables à travers un processus de conditionnement dans lequel les paramètres et la réponse dynamique sont mis à jour chaque fois que de nouvelles observations sont disponibles. Dans ce travail, les variables d’état sont la vitesse de l’onde P, les observations sont les temps de parcours des ondes sismiques enregistrées au niveau des geophones situés dans la mine et ses environs et la fonction dynamique consiste en l’inversion des données pour la localisation de l’hypocentre. À partir d’un ensemble stochastique initial de modèles de vitesse, nous procédons à la prévision de son évolu tion au prochain pas de temps. Pour cette étape, nous effectuons la localisation de l’hypocentre et le lancer de rais. Ensuite, nous assimilons de nouveaux temps de parcours pour corriger les prévi sions. L’ensemble de modèles initiaux sont générés par simulation séquentielle gaussienne (SGS), en intégrant des données géologiques et géophysiques. La SGS permet de générer plusieurs mo dèles de vitesse équiprobables honorant les données de vitesse dure mesurées en forage, et le variogramme théorique (Journel, 1994). Pour tester la procédure proposée, divers tests ont été réalisés, à la fois sur des données synthétiques et réelles. Les exemples synthétiques ont exposé le potentiel de la méthodologie pour surveiller les changements de vitesse dans le sous-sol. Les résultats préliminaires obtenus avec des données synthétiques nous ont poussé à tester les limites et le potentiel de la méthode sur des données réelles. Les données d’une mine de nickel au Canada présentant des variations importantes de leurs propriétés sismiques ont été utilisées à cette fin. Avec les exemples présentés, nous avons montré le potentiel de la méthodologie proposée pour la surveillance des processus souterrains en temps réel. La technique permet d’observer les changements de vitesse dans la masse rocheuse suffisamment à l’avance, en mettant en évidence les zones où la masse rocheuse est sous contrainte, et donc les zones susceptibles de se rompre. Cela aidera les ingénieurs miniers à mieux prévenir les rockbursts en temps réel.

Increasing demand for metals caused by global economic growth and exploitation of shallow mineral deposits forces mineral extraction to go deeper (Wagner, 2019). A direct consequence of this development is the increase of risk due to rockbursts, which are sudden and violent releases of energy stored in the rock mass. The occurrence of catastrophic failures causes not only the obstruction of mining operations, or damages of the equipment but it threatens the safety of un derground workers (Ge, 2005). It has always been a challenge to study and predict rockbursts as they result from complex interaction between mining activities and geology. However, these large events are usually preceded by weaker seismic events. These micro earthquakes, induced by the release of stress around tunnels, cause seismic waves to propagate in the rock mass. A technique widely used for studying rockbursts is microseismic monitoring. Though mainly used for event’s location, arrival time data from passive microseismic can be used as a tool to map the distribution of seismic wave velocities in the rock mass. Seismic velocities are a fundamental property of ma terials, and they vary with changes in conditions both external (stress, temperature) and internal (fluid saturation, crack density) (Daley et al., 2010). It is then reasonable to determine the easily measurable seismic velocities instead of the much less accessible stresses in the rocks (Körmendi et al., 1986), and use these as proxy for stress increase. This PhD project proposes to use the changes in rock mass seismic velocities as a comple mentary variable for rockburst predictions, aiming to provide additional value to microseismic data. This is done by assimilating traveltimes on the run, yielding real time velocity model updates in a fast and efficient way. To assess real time microseismic data assimilation for mining monitoring purposes, we proposed to use the Ensemble Kalman Filter (ENKF) (Evensen, 2009) to compute updates of the area in real time. The EnKF allows incorporating observations of a variables through a conditioning process in which the parameters and the dynamic response are updated whenever new observations are available in two steps : forecast and analysis. In this work, the state variables are P-wave velocity, the observations are traveltimes of seismic waves registered at geophones located in the mine and its surroundings and the dynamic function consists on data inversion for hypocenter location. Starting from an initial ensemble of velocity models we proceed to forecast its evolution at the next time step. This forecast is performed through hypocenter location and raytra cing. Next, we assimilate new travel times to correct the predictions. To build the initial ensemble for the EnKF assimilation, we proposed implementing Sequential Gaussian Simulation (SGS), integra ting well, geological and geophysical data. SGS permits to generate multiple equiprobable velocity models honouring the hard velocity data measured at drill-holes, while preserving the theoretical variogram (Journel, 1994). To test the methodology, various tests were performed, both on synthetic and real data. Several synthetic examples exposed the potential of the methodology to monitor velocity changes in the underground. The preliminary results achieved with synthetic data led us to test the limits and po tential of the method on real data. Data from a hard rock mine in Canada, with significant variation in their seismic properties, was used for this purpose. With the examples presented, we showed the potential that the proposed methodology has for monitoring underground processes in real time. The technique allows to observe velocity changes in the rock-mass before a rockbursts takes place, highlighting areas where the rock-mass is under stress, and therefore the areas likely to break. This will assist mine operators to better prevent rockburst in real time.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Giroux, Bernard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Claprood, Maxime
Mots-clés libres: surveillance microsismique; coup de terrain; modèle de vitesse 3D; filtre de Kalman d’ensemble; microseismic monitoring; rockbursts; 3D velocity model; Ensemble Kalman Filter
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 10 juin 2021 15:40
Dernière modification: 15 avr. 2022 04:00
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/11785

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