LA SURPRESSION AÉRIENNE : UN IMPACT A MAITRISER

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L’ingénierie du minage
Formation - Conception - Audit - Mesures - Matériel & Logiciel
LA SURPRESSION AÉRIENNE :
UN IMPACT A MAITRISER
Alain BLANCHIER & Anne Charline SAUVAGE
Lors des tirs de mine, seule une partie de l’énergie des explosifs est utilisée à la réalisation des
objectifs de production initiaux. Le reste de cette énergie est consommé sous forme :
• d'échange thermique avec le milieu environnant,
• d’énergie cinétique excessive d’éléments rocheux (ce qu’on appelle communément les
projections),
• et d’énergie vibratoire dans le milieu connexe.
Cette énergie vibratoire se propage dans les milieux solides : il s’agit du phénomène de
vibrations bien connu accompagnant les tirs de mine. Mais elle se propage également dans
l’atmosphère et il s’agit alors de surpression aérienne. Signalons qu’elle peut également se
propager dans les milieux liquides. Des capteurs spécifiques doivent être utilisés pour chaque
milieu de propagation, géophone, microphone et hydrophone.
SURPRESSION
(onde de compression)
atmosphère
récepteur
Source
ONDES DE SURFACE
(ondes de Love et Rayleigh)
massif rocheux
VIBRATIONS SOLIDIENNES
ONDES DE VOLUME
(ondes P et S)
Graphe 1 : Différents modes de transmission et de dissipation de l’énergie dans le cas d’un tir de mine.
DÉFINITION DE LA SURPRESSION
La surpression est une variation de la pression de l’air autour de la pression atmosphérique
moyenne. Elle s’exprime en Pa (1 Pascal vaut 1 N/m²).
NOBEL EXPLOSIFS France – Département EXPLO-TECH– Siège social : 12 quai Henri IV
75004 PARIS – S.A. capital de 5.299.470€ - 552 096 125 RCS PARIS
La surpression aérienne : un impact à maîtriser
GBEE 03/02/06
Comme l’étendue de la variation de la surpression est très importante, on utilise généralement
une échelle logarithmique pour la représenter, le décibel linéaire (dBL), où Lp est le niveau de
pression exprimé en dBL, P la surpression exprimée en Pa et P0 la pression de référence
20 µPa :
P
Lp = 20 ⋅ Log10  
 P0 
La surpression liée aux tirs de mines est un phénomène à caractère impulsionnel.
Comme dans le cas des vibrations dans le sol, la détermination de l’amplitude maximale de la
surpression ne suffit pas à déterminer complètement le signal. Une analyse des fréquences en
utilisant les transformées de Fourier s’avère souvent nécessaire.
Dans le cas des tirs de mine, on constate généralement que la plus grande part de l’énergie de
la surpression est située dans la gamme des infrasons (fréquence inférieure à 20 Hz) qui sont
inaudibles. Voir graphe 2.
1-10 Hz
Graphe 2 : Gamme de fréquence dominante des tirs de mine.
La surpression doit donc être distinguée du bruit, partie audible de la surpression aérienne, et
les mesures en dBL doivent être différenciées nettement de celles réalisées en dBA.
Rappelons que les mesures en décibel acoustique tiennent compte de la correction de la
surpression réalisée par l’oreille humaine, représentée ci-dessous sur le graphe 3.
Graphe 3 : Sensibilité de l’oreille humaine en dBA.
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La surpression aérienne : un impact à maîtriser
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ORIGINE DE LA SURPRESSION
Une des origines de la surpression aérienne est constituée par le mouvement du front de taille
qui se comporte, au cours du tir, comme la surface d’une immense enceinte acoustique. Cette
source de la surpression, qui représente généralement la plus grande part de l’énergie du
signal, conduit à un signal de très basse fréquence comprise en général entre 1 Hz et 10 Hz,
inaudible.
Une deuxième origine de surpression est constituée par une détente brutale des gaz dans
l’atmosphère, que ce soit le fait de charges explosives non confinées, comme par exemple du
cordeau détonant en surface, ou du dégazage à travers des discontinuités du massif rocheux.
Cette deuxième source, généralement moins énergétique voire dans certains cas négligeable,
conduit à des signaux de fréquences plus élevées comprises généralement entre 50 Hz et
200 Hz, c'est-à-dire dans le domaine audible. Cette cause de surpression est dominante dans le
cas de démolition utilisant des cordeaux de découpage en surface comme dans le cas
d’opérations sur des structures métalliques.
Une dernière origine enfin est constituée par la chute des matériaux, blocs rocheux en carrière
et travaux publics ou panneaux en démolition. Cette dernière cause est généralement la moins
énergétique. Elle conduit à des signaux dans le domaine audible.
PROPAGATION
La propagation de la surpression aérienne est entravée par tous les obstacles massiques
(collines, montagnes). La composante en très basse fréquence de la surpression n’est par
contre que faiblement modifiée par les obstacles « minces » comme des murs ou des rideaux
de végétation.
L’onde de surpression se propage dans l’atmosphère : elle est donc fortement influencée par
les conditions météorologiques :
• les surpressions sont plus élevées sous le vent ;
• la pluie, la neige voire même le brouillard atténuent les niveaux de surpression ;
• les inversions thermiques avec l’altitude (par exemple par temps d’orage) constituent
des réflecteurs pour les ondes de surpression et modifient donc leur propagation. On
peut assister dans des cas exceptionnels à des « mirages de surpression » équivalents
aux fameux « mirages optiques ».
On estime généralement que la variation de la surpression due aux conditions climatiques
peut atteindre 15 à 20 dBL.
Malgré tous ces facteurs d’environnement, il est possible de définir des lois de propagation
pour prévoir le niveau de surpression, à l’instar des vibrations dans le sol. L’équation
générique des lois de propagation de la surpression est donnée ci dessous, avec P la
surpression exprimée en Pa, D la distance du tir au récepteur en m et Q la charge unitaire du
tir en kg :
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 D 
P = K ⋅

 3 Q 
−n
Le coefficient n est généralement pris par défaut égal à -1,2.
Le graphe 4 montre les lois de propagation (moyenne et majorante) définies pour des tirs de
mine réalisés entre 1981 et 2005, sur différentes carrières en France.
Loi de propagation générale de la surpression
10 000.00
Kmax =8387
1 000.00
Kmoy =2457
Pa max
100.00
10.00
1.00
0.10
0.01
1.00
10.00
100.00
1 000.00
D red
Graphe 4 : Exemple de lois de propagation en carrière.
Ces 765 valeurs ont été obtenues à l’aide du capteur de surpression de différents modèles de
sismographes : elles correspondent à des tirs réalisés sur 105 sites, en un amorçage fond de
trou, mais initié avec tous les types d’amorçage (détonateurs électriques, non électriques,
électroniques, avec ou sans cordeau détonant). Ces données, utilisées pour des contrôles ou
des études, correspondent à des pics de surpression hérités de tirs de mines, mesurés hors des
structures.
IMPACT DE LA SURPRESSION
La surpression influe sur l’environnement de différentes manières :
• la partie audible de la surpression est perçue directement par les personnes et les
animaux ;
• la partie inaudible, en impactant les murs extérieurs d’une construction, génère des
vibrations dans cette dernière. Elle met en mouvement des objets ou éléments mobiles
(portes, fenêtres, lustres, tableaux, bibelots, etc.) et est éventuellement à l’origine de
dégâts (bris de vitre, chute de tuiles, chute de bibelots ou de cadres, fissuration).
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La surpression est donc très souvent confondue, par les riverains, avec des vibrations
transmises par le sol. La reconnaissance de la cause réelle de la gêne des riverains ou des
dégâts est essentielle : les techniques d’atténuation des surpressions sont souvent très
différentes de celles utilisables pour les vibrations.
Une limite de 139 dBL a été fixée par l’OMS (Organisation Mondiale de la Santé) pour éviter
les risques d’endommagements irréversibles de l’appareil auditif des personnes soumises.
Le niveau de surpression aérienne mesuré à l’occasion de tirs de mine en carrière n’est
soumis, actuellement en France, à aucune limite réglementaire. Toutefois, un niveau
maximum de 125 dBL est recommandé pour la surpression aérienne par la Circulaire
d’application du 02/07/96. Cette recommandation est identique à celle proposée par la
Fédération des fabricants d’explosifs (FEEM).
Ces recommandations ne doivent pas être négligées car un fort pourcentage de plaintes
provient actuellement de niveaux de surpression trop importants, associés à de faibles niveaux
de vibrations.
Dans la pratique, il apparaît que la probabilité de plainte liée à la surpression devient très
faible en dessous de 115 dBL, quelquefois appelé seuil de confort.
Le respect d’une recommandation (ou de tout autre seuil) nécessite le branchement des
microphones qui équipent les sismographes modernes : cela est encore trop rarement fait !
TRAITEMENT DE LA GÊNE
Compte tenu des différences de durée de propagation entre la source et le point de réception,
les phénomènes liés à la surpression sont généralement décalés par rapport à ceux dus aux
vibrations transmises par le sol, ce qui conduit à une augmentation de la durée de sollicitation.
L’inconfort des riverains et la probabilité de plainte sont donc liés à la combinaison des
vibrations transmises dans l’air et dans le sol. M. BOXHO a proposé en 1977 des courbes
limites de niveau de perception de la part des riverains et donc de probabilité de plainte. (Voir
graphe 5).
Statistiquement les plaintes apparaissent souvent pour des niveaux de vibrations inférieurs à
ceux susceptibles de provoquer des dommages aux habitations :
• imperceptible : aucune plainte
• perceptible : plainte improbable
• supportable : plainte probable
• désagréable : niveau élevé de plaintes
• insupportable : niveau sévère de plaintes
Ces mêmes limites ont été placées sur le graphe 6 présentant l’association de chaque valeur
du pic de surpression du graphe 4 et de la valeur de la vitesse particulaire brute maximale
mesurée simultanément avec le capteur sismique.
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28
26
24
INSUPPORTABLE
22
Vitesse particulaire (mm/s)
20
DESAGREABLE
18
16
14
12
SUPPORTABLE
10
8
6
4
PERCEPTIBLE
2
0
100
IMPERCEPTIBLE
102
104
106
108
110
112
114
116
118
120
122
124
126
Surpression aérienne (dBL)
Graphe 5 : Effets cumulés des vibrations sismiques et de la surpression sur les personnes (d’après Boxho)
Graphe de type BOXHO
25.00
INSUPPORTABLE
DESAGREABLE
V max (mm/s)
20.00
15.00
SUPPORTABLE
10.00
5.00
PERCEPTIBLE
0.00
90
100
IMPERCEPTIBLE
110
120
130
140
150
160
Surpression (dB)
Graphe 6 : Représentation de mesures en carrière entre 1981 et 2005 dans un graphe de type Boxho
L’essentiel des niveaux de vitesse particulaire se situe en dessous de 5 mm/s. En revanches, la
gamme de variation de la surpression est beaucoup plus vaste, entre 100 et 120 dBL (c'est-àdire entre 2 à 20 Pa). Cette constatation laisse espérer la possibilité d’améliorer encore,
suivants les sites, l’impact des extractions par minage.
Toutefois attention aux modifications des paramètres de tir (surface de front, confinement des
charges, orientation du tir,…) qui peuvent ramener les vibrations dans les domaines de
plaintes.
Il est également utile d’associer à ces démarches d’autres paramètres importants, comme la
durée totale de sollicitation, les fréquences solidiennes et aériennes, ainsi qu’une estimation
du niveau de ressenti.
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