Le phénomène de coup de terrain est une explosion violente de roche qui peut se produire dans les mines souterraines. Dans la présente recherche, nous avons essayé de démontrer les causes qui peuvent influer sur la prédisposition aux coups de terrain en utilisant la modélisation numérique. Cependant, avant tout, l'état de contrainte avant l'exploitation minière et les contraintes induites par les excavations environnantes doivent être étudiés avec précision. La mine de charbon de Provence, qui a subi un phénomène de coup de terrain au niveau de son puits vertical entouré de nombreux panneaux de longue taille, a été choisie comme cas d’étude. Un modèle numérique 3D à grande échelle a été construit pour inclure la zone du puits vertical avec ses piliers et galeries à petite échelle et les panneaux de longue taille à grande échelle avec leurs zones de foudroyage associées. Plusieurs problèmes ont été rencontrés lors du développement de ce modèle numérique à grande échelle. Le premier porte sur l'initialisation de l'état de contrainte à grande échelle, où les contraintes verticales mesurées divergent avec le poids des déblais et les contraintes in situ sont très anisotropes. Le deuxième porte sur la simulation de la zone de foudroyage associée aux panneaux de longue taille. Le troisième concerne l'évaluation de l’instabilité du pilier en fonction de son ratio résistance/contrainte moyenne et de son volume. Le quatrième concerne l'évaluation de la prédisposition aux coups de terrain au niveau du puits vertical en fonction de différents critères. Cinq méthodes ont été développées pour initialiser l’état de contrainte hétérogène dans le modèle numérique à grande échelle avant l’exploitation minière. Elles sont basées sur la méthode de corrélation Simplex, qui consiste à optimiser la différence entre les valeurs de contrainte mesurées in-situ et les valeurs numériques. Le but est de développer des gradients qui soient capables d'exprimer l'hétérogénéité de la contrainte et qui soient compatibles avec les mesures in-situ. La méthode basée sur l’initialisation de l'état de contrainte avec des gradients 3D s’est avérée plus efficace que celle traditionnelle basée sur les ratios de contrainte horizontale à verticale. Concernant la simulation du foudroyage, trois modèles ont été développés et intégrés dans le modèle numérique pour exprimer le comportement mécanique dans la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille. Deux d’entre eux sont basés sur un comportement élastique alors que le troisième est basé sur un comportement elasto-plastique avec écrouissage un phénomène de consolidation. Il a été constaté que la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille peut atteindre 32 fois l'épaisseur de la couche exploitée et que le module d'élasticité de la partie la plus endommagée de la zone foudroyée ne doit pas excéder 220 MPa pour satisfaire la convergence toit-mur. Mais, avec l'avancée de l'exploitation, ce matériau souple se compacte sous la pression des couches supérieures. Dans le cas d'une largeur critique et super-critique, la contrainte verticale dans la zone de foudroyage pourrait dépasser le poids des déblais et pourrait augmenter jusqu'à 4 fois ce poids sur les bords. La contrainte verticale a augmenté dans les piliers au niveau du puit vertical suite à l'exploitation des panneaux de longue taille à proximité. Il a été constaté que le volume du pilier joue un rôle important dans sa stabilité. Le rapport contrainte/résistance a été jugé insuffisant pour expliquer un coup de terrain. Plusieurs critères ont été intégrés au modèle numérique pour évaluer la prédisposition aux coups de terrain. Il a été constaté que les critères basés sur les contraintes et les déformations sont capables d'évaluer la prédisposition aux coups de terrain / Rockburst is a violent explosion of rock that can occur in underground mines. In the current research, the main objective is to demonstrate the causes that may influence the rockburst proneness by using the numerical modeling tool. However, firstly, the pre-mining stress state and the induced stresses due to surrounding excavations have to be studied precisely. The Provence coal mine, where a rockburst took place in its shaft station that is surrounded by many longwall caving panels, has been chosen as a case study. A large-scale 3D numerical model has been constructed to include the shaft station area with its small-scale pillars and galleries, and the large-scale longwall panels with their accompanying goaf area. Many problems appeared while developing such large-scale numerical model, the first problem was the initialization of stress state at a large-scale, where the measured vertical stresses are in disagreement with the overburden weight, and the in-situ stresses are highly anisotropic. The second problem was the simulation of the goaf area accompanying longwall panels. The third problem was the assessment of pillars instability in terms of its strength/average stress ratio, and its volume. The Fourth problem was the assessment of rockburst proneness in the shaft station based on different rockburst criteria. Five methods were developed to initialize the heterogeneous pre-mining stress in the large-scale numerical model. These methods are based on the Simplex Method, which is mainly based on optimizing the difference between the in-situ measured stress values and the numerical stress values to develop stress gradients able to express the stress heterogeneity and compatible with the in-situ measurements. The method that is based on initiating the stress state with 3D stress gradients was found to be more efficient than the traditional method that is based on the horizontal-to-vertical stress ratios. Regarding the goaf simulation, three models were developed and implemented in the numerical model to express the mechanical behavior within the goaf area above longwall panels. Two of these models are based on an elastic behavior, and the third one is based on the strain-hardening elasto-plastic behavior that takes the consolidation phenomenon into consideration. It was found that the goaf area above longwall panels could reach up to 32 times the seam thickness, and the elastic modulus of caved area (the first few meters in the goaf area) did not exceed 220 MPa to fulfill the roof-floor convergence. But, with advance of the exploitation, this soft material consolidated under the pressure of the overlying strata. In case of critical and super-critical width, the vertical stress in the goaf area exceeded the overburden weight, and it increased up to 4 times the overburden weight on the rib-sides. The vertical stress increased in the shaft station pillars as a result of exploiting the nearby longwall panels. It was found that the pillar volume plays an important role in its stability. And, the strength/stress ratio was found to be insufficient to quantify the rockburst proneness in underground mines. Many rockburst criteria were implemented in the numerical model to assess the rockburst proneness. It was found that the criteria that are based on stress and strain changes were able to assess the rockburst proneness

A différents endroits du monde, on observe que la méthode d’exploitation minière par chambres et piliers est associée à deux aléas de grande ampleur se manifestant en surface : les affaissements progressifs et les effondrements brutaux. Le bassin ferrifère lorrain est sujet à ces deux types d’aléas notamment depuis la fermeture massive des mines à partir des années 1960. Les effondrements étant plus dangereux que les affaissements, des chercheurs ont développé des méthodes statistiques pour distinguer les zones à risque d’effondrement de celles à risque d’affaissement. L’objectif de cette thèse est de développer des indicateurs mécaniques capables de faire la même distinction, afin d’améliorer la compréhension physique des phénomènes mis en jeux et de valider les indicateurs statistiques. Nous faisons l’hypothèse que les effondrements et affaissements sont tous deux causés par un endommagement des piliers en profondeur. Le Chapitre 1 est consacré à une étude bibliographique qui synthétise les connaissances relatives au comportement mécanique des piliers. Nous constatons que les piliers sont caractérisés par deux critères : le facteur de sécurité (résistance en compression/contrainte verticale moyenne) qui détermine s’ils sont susceptibles de se rompre, et un critère de stabilité des piliers en cas de rupture qui s’exprime comme la raideur relative des piliers par rapport à celle de la roche encaissante. Deux limites des approches actuelles sont identifiées : 1) la question de la contrainte verticale moyenne des piliers (dénominateur du facteur de sécurité) a été relativement peu étudiée pour les piliers aux dimensions irrégulières, caractéristiques des anciennes mines ; 2) l’instabilité de la rupture des piliers est évaluée par un modèle 1D proposé dans les années 1960-1970, se basant sur des considérations énergétiques. Ce modèle très courant n’a toutefois fait l’objet que de peu de développements dans des configurations géomécaniques plus réalistes que celle du modèle de départ. Le Chapitre 2 développe une nouvelle méthode permettant de prendre en compte l’irrégularité géométrique des piliers pour estimer leur contrainte verticale et donc d’avoir une meilleure précision sur l’estimation du facteur de sécurité. Nous introduisons le concept du taux de défruitement relatif et montrons sur la base de résultats de modélisation numérique, qu’une fonction quadratique de ce terme procure une meilleure estimation de la contrainte verticale moyenne que la méthode traditionnelle de l’aire tributaire. Le Chapitre 3 porte sur l’application d’une méthode originale de modélisation explicite de l’instabilité des piliers, basée l’énergie cinétique. Nous montrons que nos résultats de modélisation en 2D sont compatibles avec le modèle 1D traditionnel. La procédure de modélisation employée permet également de localiser et de quantifier les excès d’énergie cinétique lors de l’instabilité. Les quantités d’énergie cinétique modélisées sont du même ordre de grandeur que les magnitudes de Richter d’énergie sismique typiques des ruptures brutales de piliers réels. Nous traitons dans le Chapitre 4 la problématique des effondrements du bassin ferrifère lorrain. Nous montrons sur la base de modélisations 3D que les critères de rupture et d’instabilité des piliers permettent de bien y distinguer les zones affaissées et les zones effondrées. Les secteurs affaissés et effondrés sont caractérisés par un facteur de sécurité moyen des piliers inférieur à 1 du point de vue de leur limite d’élasticité. Cependant, les secteurs effondrés se distinguent des secteurs affaissés par un facteur de sécurité moyen des piliers également inférieur à 1 du point de vue de leur pic de résistance. Ceci est confirmé par des modèles numériques simples en 2D, suggérant par ailleurs que les caractéristiques du recouvrement ont peu d’effet sur l’occurrence des effondrements. Certaines études fournissant des conclusions contraires, nous avançons des arguments pour en discuter / At different locations around the world, the room-and-pillar mining method truns out to be associated with two major types of hazards affecting the surface: the continuous subsidence and the sudden collapse. The Lorraine iron basin (France) have known on many occasions both continuous subsidences and sudden collapses, notably since the decline of the French mining activity in the 1960’s. The collapses are more dangerous than the continuous subsidences. This is why researchers and engineers developed statistical methods capable of distinguishing between the sectors subjected to a collapse hazard and those subjected to a continuous subsidence hazard. The objective of that study if to develop indicators capable of making the same distinction but on the basis of mechanical criteria, for the purpose of improving the understanding of the collapse mechanism and for validating the statistical indicators. The main assumption of this work is that both the continuous subsidences and the collapses are caused by damage of the pillars within the mines. Chapter 1 presents a literature review concerning the actual knowledge about the pillars mechanical behaviour. We notice that pillars are traditionally characterized by two criteria: the factor of safety (pic compressive resistance/average vertical stress), which determines whether or not pillars are susceptible to fail, and a criterion of stability in case of a failure, which consists of comparing the flexural stiffness of the surrounding rock to the pillars axial stiffness in the post-pic domain of their behaviour. We identify two limits regarding the traditional approaches: i) The question of the average vertical stress has only been little studied in the case of pillars with irregular geometry, which is often the case in old mines; ii) The model allowing to estimate whether or not an instability is susceptible to occur comes from a 1D model proposed in the 1960’s and that has never been developed furthermore for being applied to real configurations in various geomechanical conditions. In Chapter 2, we develop a new method for taking the irregularity of the pillars dimensions into account in estimating their average vertical stress, for the purpose of having a better precision in the factor of safety calculation. We introduce the concept of relative extraction ratio and show, on the basis on numerical modelling, that a quadratic function of this ratio is more precise in estimating the average pillar stress than the classical tributary area method.Chapter 3 is devoted to the development and the application of an original explicit method for modelling pillar instability based on the kinetic energy. We show that the numerical results obtained in 2D configurations are compatible with the traditional 1D model of pillar instability. Moreover, we show how the modelling method we are using helps to locate and to quantify the kinetic energy in excess induced by the instability. The magnitudes of modelled kinetic energies are similar to Richter magnitudes of typical seismic energies recorded during real pillar bursts. The problem of the Lorraine iron basin collapses is treated in Chapter 4. Based on 3D modelling results, we show that pillar failure and instability criteria are capable of well distinguishing between the sectors affected by collapses and those affected by continuous subsidences in the iron basin. Both the sectors subjected to collapses and continuous subsidences are characterized by a factor of safety lower than one regarding the limit of elasticity. But the collapsed sectors are distinguished by a factor of safety also lower than one regarding the pic compressive resistance. This observation is confirmed by simplified 2D modelling, which suggests, furthermore, that the properties of the overburden have no effect on the occurrence of the collapses. Some studies provide contrary conclusions. So, we propose some points to be discussed