Brevet FR2435730A1 — publié le 19800404

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de surveillance sismique d'un massif de terrain. I1 existe, a la surface du sol ou en souterrain, de nombreux ouvrages dont ltéquilibre et la conservation dépendent de la stabilité du sol au voisinage,de l'ouvrage (par exemple tunnels, galeries de mine, constructions établies sur un sol présentant des cavités comme des anciennes carrières ou autres, barrages, etc.). La complexité des phénomènes qui interviennent en mécanique des roches est telle qu'il n'est pas possible de prévoir le comportement global et complet de ces, grands ouvrages d partir de la seule connaissance de quelques caractéristiques des roches. Les études effectuées récemment ont conduit à conclure qu'une rupture ne survient pratiquement jamais brutalement. Elle est précédée par des ébranlements prémonitoires de différentes natures, susceptibles d'entre détectés par des appareils appropriés. Ainsi, les catastrophes meurtrières dûes à des ruptures de grands ouvrages (barrages, mines, tunnels, etc.) peuvent, de moins en moins, être ressenties comme résultant de la seule fatalité. Tous les mineurs sont familiers des "craquements" du massif qui peuvent être perçus sur les zones instables d'une mine. Ces émissions sismiques sont dûes aux légers déplacements de la roche qui se produisent sous l'effet d'un déséquilibre de contraintes (remaniement). Des études conduites en laboratoire sur echantillon de roches et in-situ dans des galeries ont montré qu'avant rupture le rythme des émissions sismiques dûes aux libérations de contraintes s'accélère très rapidement. Dans le cas d'ouvrages souterrains, les réajustements du massif sont parfois, de plus, accompagnés par des désordres tels que des chutes de blocs, ou des expulsions de matériau à l'intérieur des excavations souterraines, sous l'effet des fortes contraintes qui s'exercent. Actuellement, des techniques se développent, qui permettent de mieux cerner et de prévoir dans le temps le risque de rupture. On a notamment proposé des techniques de surveillance sismique dérivées de la sismologie, et ces techniques trouvent différentes applications pour les problèmes de surveillance d'ouvrages. L'écoute des bruits provoqués par les remaniements d'un massif et le recensement, ainsi que l'analyse des faibles désordres qui se produisent, permettent de mettre en évidence les zones instables et dangereuses et constituent donc un moyen d'investigation pour ce qui concerne la stabilité d'un ouvrage souterrain. Un tel dispositif doit permettre de localiser les différentes zones instables et d'en prévoir l'effondrement éventuel. Des mesures appropriées pourront alors-être prises pour la protection de l'environnement. L'écoute se fait au moyen de capteurs appropriés, appelés géophones, qui peuvent être du type électromagnétique ou piézoélectrique, ces derniers étant utilisés de préférence en milieu liquide (hydrophones). Ces capteurs sont bien connus. On en dispose un certain nombre sur le site à surveiller, à la surface du sol, ou à une certaine profondeur. Les signaux émis par ces capteurs sont reçus sur un matériel approprié et étudiés par un personnel spécialisé. Si, à l'occasion d'une étude particulière de terrain, il est admissible d'y consacrer des moyens importants, par contre il ne peut être envisagé de surveiller un barrage avec des équipes de topographes et de sismologues en permanence, d'autant plus que, dans la plupart des cas, ils n'auront heureusement aucune activité. On a pensé à recueillir 1 1enregistrement des signaux émis par les capteurs, pour n' avoir qu'à contrôler périodiquement ces enregistrements : par exemple, avec un enregistreur à bande dont la vitesse de déroulement est de 2,5 cm/s, cela fait plus de 2 km de bande par jour; il n'est pas question de vérifier une telle quantité de bande. Une idée intéressante consiste à faire déclencher l'enregistrement par l'apparition d'un signal émis par un capteur , en réglant le seuil convenablement, en fonction des conditions particulières locales. Mais, le début du signal est mal enregistré; or, c'est la partie la plus importante.On a imaginé un dispositif de retard dans lequel les capteurs sont branchés en permanence sur une tête magnétique qui enregistre les signaux sur un tambour ou une boucle magnétique en rotation permanente, une tête de lecture étant placée avec un décalage en arrière de façon à lire les signaux avec un retard de temps après leur enregistrement, c'est-à-dire après leur émission, pour les faire enregistrer à nouveau sur un support, dont la mise en route est commandée par l'émission non retardée du signal. L'appareil enregistreur fonctionne donc déjà quand commence l'enregistrement du signal retardé, lequel est alors obtenu dans sa totalité. On obtient donc des enregistrements complets, avec des longueurs de bande limitées aux périodes utiles, c'està-dire des enregistrements exploitables. L'inconvénient de ce système est son prix élevé, sa fragilité et le prix élevé de la maintenance. Le système mécanique en mouvement permanent nécessite du personnel de surveillance et d'entretien. Par ailleurs, de nombreux bruits parasites peuvent le mettre en route, par exemple le pas d'un homme, ou même d'un animal au voisinage du capteur, le passage d'un véhicule, ou encore le système peut être inutilisable du fait d'un voisinage émettant régulièrement des perturbations, comme un atelier de mécanique lourde, une route, etc. L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de surveillance sismique des sols qui permettent une exploitation pratique dans des conditions industrielles. L'invention a donc pour objet un dispositif viable, c'est-à-dire suffisamment sûr, pour un prix raisonnable, fonctionnant sans personnel spécialisé après sa mise en place. Le matériel, objet de l'invention, doit être simple et doit pouvoir être mis entre les mains d'exploitants dans une salle de contrôle. L'exploitation industrielle n'est pas possible si la présence permanente d'un sismologue est nécessaire. Le procédé selon l'invention est remarquable notamment en ce que les signaux émis par les capteurs sont amplifiés, puis traités dans une ligne à retard avant d'être envoyés à un enregistreur, la mise en route de l'enregistreur étant déclenchée par un relais, réglé à un seuil déterminé, et actionné par un signal provenant d'un capteur, avant passage de ce signal dans la ligne de retard. Selon l'invention, le dispositif comporte des géophones connectés à des amplificateurs, un registre à décalage connecté à la sortie des amplificateurs et agissant sur un enregistreur multiple, un relais commandant la mise en route de l'enregistreur, le relais étantdéclenché par les signaux sortant de l'amplificateur. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, en regard des dessins ci-joints,donnée à titre d'exemple non limitatif et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'une installation de surveillance d'un ouvrage souterrain; la figure 2 est un schéma de principe du dispositif selon l'invention; et, la figure 3 est un exemple d'enregistrement obtenu par le dispositif selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement un ouvrage tel qu'un stockage souterrain de produit liquide avec un puits il et des cavités 12 communiquant par des galeries 13. Un certain nombre de géophones 14a, 14b...etc., sont disposés dans le sol au voisinage de la surface. Les géophones sont extrêmement sensibles et il en suffit d'un nombre limité, par exemple dans un sol normal: une douzaine sur un carré de 2 km de côté environ. Les géophones sont reliés par câbles électriques, éventuellement par liaisons radio, à un ensemble électronique d'enregistrement placé dans une salle de contrôle 15. L'ensemble électronique (fig. 2) comporte un amplificateur 21, comprenant autant de voies qu'il y a de capteurs. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, il est toutefois possible de limiter le nombre des voies, dans certaines circonstances, si le nombre des capteurs doit être grand. Si les remaniements de terrain sont rares, il est très peu probable d'avoir simultanément des mouvements en plusieurs points du terrain, et il suffit dans tous les cas d'obtenir les enregistrements des capteurs les plus proches du point d'origine, c'est-à-dire les premiers capteurs qui émettent un signal. On pourra alors prévoir avantageusement un sélecteur et utiliser un amplificateur a nombre de voies limité, par exemple six ou huit. Un repérage de ces voies sera alors inscrit sur l'enregistrement. Le premier capteur émettant un signal se branchera sur la première voie d'enregistrement, le second ensuite, etc... Les signaux amplifiés par l'ampli 21 sont transmis a un circuit de déclenchement 22 dont le rôle est la mise en route de l'enregistreur 24 par fermeture d'un relais 28, dès qu'un signal dépasse un certain seuil, ou plusieurs signaux, comme on l'expliquera ci-après. Le relais agit sur l'enregis- treur par la ligne 23. A la sortie du circuit 22, les signaux traversent un registre à décalage 25, communiquant aux signaux un retard de, par exemple, une seconde, permettant à l'enregistreur de se mettre en route et à la bande enregistreuse 26 d'être en mouvement d'avance normale (2,5 cm/sec. par exemple) quand commence le trac d'un premier signal. Une horloge 27 délivre en permanence des impulsions, et quand la bande 26 avance, ces impulsions repèrent la date le long de la bande (jour, heure, etc...). On peut également utiliser des appareils (existant) qui inscrivent, en clair, directement, l'heure sur le- papier de la bande. La mise en route de l'enregistreur constitue dévia en soi une alarme. On peut en prévoir d'autres, à déclencher par le circuit 22. La durée de fonctionnement de l'enregistreur peut être déterminée simplement par le circuit 22, l'enregistreur restant en fonctionnement tant que l'amplitude des oscillations dépasse le seuil de démarrage qui peut être réglable. La figure 3 est un exemple des tracés que l'on obtient sur la bande enregistreuse. La flèche indique le point de démarrage de l'enregistreur. On voit que les oscillations des différents capteurs commencent avec des retards différents, le retard étant fonction de la distance entre le capteur sur le terrain et le point du remaniement sismique. En outre, on voit que les oscillations des capteurs ont des amplitudes d'autant plus faibles que les oscillations commencent plus tard. Pour la même raison, les oscillations enregistrées sont d'autant moins fortes que le capteur est plus éloigné du remaniement. Sur la figure, les traces des différents capteurs ont été disposées par retard croissant au démarrage.On obtiendra cette disposition directement si on utilise un sélecteur attribuant les pistes d'enregistrement aux capteurs dans l'ordre où ils commencent à émettre, comme indiqué plus haut. Selon une caractéristique de l'invention, le système ne se met en route, c'est-à-dire le circuit 22 ne commande le démarrage de ltenregistreur,que pour des évènements présentant un intérêt pour la surveillance. Ceci peut être réalisé soit avec un dispositif de démarrage favorisant tel ou tel type d'évènement, soit avec des dispositifs particuliers de suppression des bruits de surface. En effet, si les capteurs sont placés a un niveau peu profond, il est possible qu'un homme ou un animal passant au dessus d'un capteur provoque une onde suffisante sur ce capteur pour déclencher le système. Mais, dans un tel cas, il n'y aura qu'un seul capteur intéressé.Tandis qu'un choc en profondeur, comme une chute de pierres dans une cavité 12, ou un craquement de terrain au voisinage de la cavité, intéressera nécessairement plusieurs capteurs, comme cela ressort de l'examen de la figure 1. On évite donc le déclenchement intempestif pour des causes inintéressantes. Une telle caractéristique a une grande importance car cela concourt de façon importante à rendre le système utilisable. En effet, si on a vingt démarrages inutiles par jour, il sera vite impossible de déceler un enregistrement intéressant pouvant se produire par exemple au bout de quelques semaines. On effectue une première sélection par le choix du made de déclenchement : si les désordres de stabilité sont faibles et touchent en général une seule voie, on choisit un dispositif de déclenchement indépendant voie par voie, et on associe à ce déclenchement des dispositifs de coupure des bruits parasites. Si les désordres touchent plusieurs voies, ou favorisent ce type d'évènement avec un déclenchement dont le principe est le suivant : les signaux sont redressés puis sommés avant d'être envoyés sur un comparateur qui bascule à partir d'un seuil déterminé et déclenche un monostable qui commande le relais; préalablement à la sommation, un potentiomètre permet de régler l'incidence de chaque voie sur le déclenchement. Une cause de démarrage parasite peut être la présence d'une perturbation régulière au voisinage du champs d'écoute, comme une route, ou un atelier de mécanique avec un poingon ou un marteau pilon. Si ce cas se présente, il deviendrait alors impossible d'appliquer un procédé quelconque de surveillance sismique auprès d'un tel voisinage. Dans un mode de réalisation de l'invention, ceci est rendu possible en plaçant auprès du parasite permanent un capteur auxiliaire dont l'excitation inhibe le dispositif. Ce capteur, étant auprès du parasite, sera le premier excité quand le bruit parasite sera déclenché, le dispositif sera alors inhibé quand les ondes de la source parasite parviendront aux autres capteurs. Le temps d'inhibition peut être déterminé par le circuit 22, comme le temps de fonctionnement de l'enregistreur, tant que l'amplitude des oscillations dépasse la valeur d'un seuil qui peut être réglable. En pratique, le signal parasite est comparé à une amplitude déterminée. Si le comparateur délivre un signal (bascule) il déclenche un monostable (1,5 v pendant un temps déter miné) qui commande l'inhibition. Si un démarrage se produisait par les autres voies, une fonction logique supprime l'inhibition Un autre dispositif de suppression des bruits inutiles consiste à ne laisser l'enregistreur démarrer qu'à la condition que deux ou plusieurs voies soient touchées. En pratique, pour chaque voie, chaque dépassement de seuil à l'intérieur d'un temps déterminé déclenche un monostable (1,5 v pendant un temps réglable). On choisit alors la tension de fermeture du relais de déclenchement de l'enregistreur.En fixant par exemple cette tension à 3 v, le relais se fermera, si on a simultanément deux monostables déclenchés, c'est-à-dire pendant la période de superposition commune de déclenchement des deux monostables. Avec 4,5 v, il faudra trois monostables déclenchés, c'est-d-dire une période de temps commune aux périodes d'excitation de trois capteurs. Un autre disposisitif de suppression des bruits de surface est le suivant. Par exemple, des géophones étant au fond d'une mine (voir fig. 1), on veut discriminer des évènements sans intérêt venant de la surface (véhicule) et des évènements du fond : en pratique, on place un géophone 16 en haut de la galerie, un autre 17 en bas Le géophone en haut de la galerie reçoit le bruit du véhicule avant celui du bas et inhibe le dispositif. Un des avantages importants du procédé et du dispositif selon l'invention réside dans la visualisation directe et immédiate des évènements. t'alerte est donnée par le démarrage de l'enregistreur, et le tracé, visible immédiatement, en faisant connaÎtre les capteurs intéressés, permet de suivre les remaniements du terrain et l'évolution d'un glissement, d'un affaissement, etc., et de prévoir les évènements a venir. Les différents montages électroniques utilisés dans le dispositif sont simples et classiques, à la portée de l'homme de l'art et il n'est pas utile de les décrire ici en détails. On voit que l'invention se caractérise par des moyens simples et efficaces, mettant le dispositif à la portée des- installations industrielles, tant du point de vue prix d'achat et d'entretien, que du point de vue du niveau du personnel nécessaire. REVENDICATIONS 1.- Procédé de surveillance sismique d'un massif de terrain, dans lequel on recueille les signaux de capteurs répartis sur le massif, pour les enregistrer, caractérisé en ce que l'apparition d'un premier signal déclenche la mise en route de l'enregistrement, puis les signaux sont traités dans un ensemble électronique comprenant des lignes à retard avant d'être en voyés à l'enregistreur, de de façon que celui-ci soit mis en route avant de recevoir le début du premier signal. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux des capteurs sont redressés puis sommés avant d'être envoyés sur un comparateur qui bascule à partir d'un seuil déterminé pour commander la mise en route de l'enre- gistreur. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on règle l'incidence de chaque capteur en plaçant un potentiomètre sur chaque voie avant la sommation. 4.- Procédé selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le basculement du comparateur déclenche un mono stable qui commande un relais commandant la mise en route de l'enregistreur. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'apparition d'un signal dépassant un certain seuil sur un capteur déclenche un monostable délivrant une tension déterminée, les tensions des monostables des capteurs étant additionnées et envoyées à un relais de déclenchement de l'enre- gistreur, la tension de fermeture du relais étant supérieure à la tension d'un monostable. 6.- Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on place un capteur auxiliaire près d'une source de bruit parasite, de façon à inhiber la mise en route de l'enregistrement quand les signaux de ce capteur auxiliaire dépassent une certaine valeur. 7.- Procédé selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on place un capteur auxiliaire dont le signal a pour effet d'inhiber la mise en route de l'enregistreur, lorsque le signal de ce capteur parvient avant le signal d'un autre capteur choisi. 8.- Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enregistrement est directement visible. 9.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de capteurs reliés chacun par une voie (câbles ou liaisons radio) à un ensemble électronique comportant des amplificateurs pour chaque voie, un circuit de déclenchement, un relais, un registre à décalage, un enregistreur et une horloge, le relais étant déclenché au moyen du circuit de déclenchement, par au moins un signal sortant des amplificateurs pour commander la mise en route de l'enregistreur, les sorties des amplificateurs étant envoyées à travers le circuit de déclenchement dans le registre à décalage dont les sorties sont envoyées à l'enregistreur, l'horloge étant branchée sur l'enregistreur pour faire apparaÎtre sur l'enregistrement des signaux indiquant la date. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque voie comporte un redresseur, les voies redressées sont envoyées dans un sommateur dont la sortie est connectée à un comparateur réglé-pour commander le déclenchement du relais au dessus d'un seuil déterminé. 11.- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque voie comporte un potentiomètre pour régler l'incidence de chaque capteur. 12.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque voie est reliée à un monostable délivrant une tension fixe quand la tension sur la voie dépasse un seuil déterminé, les monostables étant connectés à un sommateur qui déclenche le relais pour une tension totale supérieure à la tension d'un monostable. 13.- Dispositif selon une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur auxiliaire qui a pour effet d'inhiber le dispositif s'il délivre un signal supé- rieur à une valeur préréglée. 14.- Dispositif selon une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur auxiliaire qui a pour effet d'inhiber le dispositif en fonction de la comparaison du signal de ce capteur avec le signal d'un autre capteur.