Thème : Doctorat
Soutenance de thèse de Maelle VERGNAUD
Mécanismes de colmatage dans une exploitation d'uranium par récupération in situ
Résumé de la thèse en français
La récupération in situ est depuis quelques années la principale méthode d'extraction minière pour l'Uranium. Elle consiste en l'injection de fluides recirculés à laquelle des réactifs sont ajoutés selon qu'elle soit alcaline, acide modérée, ou encore acide. Dans cette étude une lixiviation acide est considérée. Cette méthode de production fait face à des pertes de charge récurrentes au niveau des puits producteurs. Cette perte de charge est due à des phénomènes de colmatage. Le colmatage peut avoir différentes origines ; chimiques, physico-chimiques, physique, dégazage, … Cette étude porte essentiellement sur le colmatage chimique avec quelques éléments sur le colmatage physique. Au vu de l'hétérogénéité des puits producteur (géologie, acidification, complétion, …), un premier axe de cette étude porte sur l'analyse des données du site. Avant une quelconque simulation numérique, il est nécessaire d'identifier les espèces colmatantes, pour cela deux campagnes d'échantillonnage ont été réalisées aux abords des puits producteurs : dans les jus de production et au niveau de la crépine. De plus des expérimentations pour comprendre les processus géochimiques simplifiés à une ligne de courant (essai colonne), permettent de mieux appréhender les simulations de transport réactif. Pour finir, les simulations de transport ont été réalisées pour quantifier les processus de colmatage et identifier les paramètres qui le contrôlent sur des modèles simplifiés. Cette étude a permis d'identifier les espèces responsables du colmatage (gypse, jarosite, alunite, particules argileuses), les mécanismes amenant au colmatage, le plus important étant le mélange de lignes de courant de compositions différentes dans la zone convergente proche du puits de production, phénomène renforcé par les déséquilibres hydriques. La compréhension des mécanismes de colmatage permet de proposer des outils au site minier pour prédire et limiter le colmatage. Enfin cette étude est une méthode d'analyse pour d'autres sites présentant également des problèmes de colmatage.
Résumé de la thèse en anglais
In situ recovery is now the main Uranium mining technique. Based on the injection of recirculation of pregnant solutions with adjustment of reagents depending on the production strategy; alkaline, moderate acid, acidic… This study focuses on an acidic process. The operations are hindered by recurring head losses on producer wells. Head loss, due to well clogging, has a major impact on the mine productivity. Several origins are pointed for clogging: chemical, physico-chemical, physical, gas release… This study focuses on chemical clogging with insights into physical clogging. The heterogeneity of producer wells (geology, acidification, completion) leads us to production data analysis. Before proceeding to reactive transport simulations, it is necessary to identify clogging species: to this end, two sampling campaign were realized on producer wells – sampling of produced flow and recovery of solids on screens. Furthermore, experimentations have been set up to understand geochemical processes on a simplified streamline (column test), to better constrain reactive transport simulations. Lastly reactive transport simulations on simplified models are used to quantify clogging processes and identify key parameters. This study identifies clogging species (gypsum, jarosite, alunite, clay particles), clogging mechanisms, the most important being mixing of streamlines of different composition in the converging zone around producer wells, a phenomenon strengthened by hydrodynamic imbalance. It is then possible to propose tools to the operators in order to manage and limit clogging. Finally, this study provides a methodology to study other mining sites faced with clogging issues.
Titre anglais : Clogging mecanisms in an uranium leaching exploitation
Date de soutenance : mercredi 4 novembre 2020 à 13h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech – Université PSL 60 Boulevard Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Vincent LAGNEAU
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Soutenance de thèse de Léa PANNECOUCKE
Combinaison de la géostatistique et des simulations à base physique – application à la caractérisation de panaches de contaminants
Résumé de la thèse en français
La caractérisation de la contamination dans les sols et les nappes autour d'installations industrielles est un enjeu majeur de l'assainissement de ces sites. Ce travail porte sur la combinaison de deux approches utilisées classiquement pour caractériser les contaminations : la géostatistique et les simulations numériques d'écoulement et de transport. L'objectif de cette combinaison est d'améliorer les estimations d'activités en radionucléides, par l'introduction d'informations de nature physico-chimique dans un modèle probabiliste. Deux méthodes sont comparées. Elles sont basées sur la génération d'un grand nombre de simulations de panaches de contaminants, prenant en compte les incertitudes sur les paramètres d'entrée. La première méthode est un krigeage avec dérive externe, où la dérive est la moyenne de la population de simulations de panaches. La seconde méthode est un krigeage avec un variogramme empirique non stationnaire, calculé à partir de la population de simulations, qui reflète la structure spatiale du phénomène étudié. Ces méthodes sont d'abord comparées sur un cas synthétique, constitué par la simulation de la migration d'un panache de tritium dans la zone non saturée d'une formation sableuse. Deux jeux de données acquis au voisinage de la centrale de Tchernobyl sont ensuite étudiés. Les résultats montrent l'intérêt de la combinaison des simulations numériques et de la géostatistique : les estimations spatiales ou spatio-temporelles sont plus réalistes, en particulier lorsque peu de données sont disponibles.
Résumé de la thèse en anglais
A major issue concerning the remediation of industrial plants is the characterization of contamination within soils and groundwater. Two classical approaches are combined in this work: geostatistics and numerical simulations of flow and transport. It aims at improving the estimates of radionuclide activities by taking into account physically-based information into a mathematical model. Two methods are introduced in this work. They are both based on a large number of simulations of contaminant plumes, taking into account the uncertainties on input parameters. The first method is kriging with an external drift, in which the drift is the average of the simulations. The second method is kriging with a non-stationary empirical variogram computed from the set of simulations, which models the spatial structure of the phenomenon under study. The performances of the methods are first assessed on a synthetic test case, which deals with the migration of a tritium plume in the unsaturated zone of a sandy aquifer. Then, they are assessed on two datasets collected around Chernobyl nuclear plant. The results underline the benefit of combining geostatistics and numerical simulations, especially when only few observations are available.
Titre anglais : Combining geostatistics and physically-based simulations – application to the characterization of contaminant plumes
Date de soutenance : jeudi 8 octobre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech 60 boulevard Saint-Michel 75006 Paris – salle L109
Directeurs de thèse : Chantal DE FOUQUET, Xavier FREULON
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Soutenance de thèse de Marine DEMANGEOT
L'analyse spatiale des extrêmes à partir d'une unique réalisation : un point de vue géostatistique
Résumé de la thèse en français
La théorie spatiale des valeurs extrêmes permet de modéliser et prédire la fréquence d'évènements extrêmes ayant une étendue spatiale comme, par exemple, des pluies ou des températures extrêmes, ou encore de fortes concentrations de pollution atmosphérique. Elle s'adapte bien aux données temporelles, lorsque le phénomène spatial étudié est observé plusieurs fois dans le temps. Cependant, nous n'avons parfois pas accès à de telles données: seulement un ou quelques enregistrements sont disponibles. C'est le cas, par exemple, des études sur l'estimation des ressources minières ou sur l'évaluation de la pollution des sols et plus généralement de toute recherche dont l'objet d'étude varie très peu au cours du temps ou pour lequel le coût d'échantillonnage est trop élevé. Ce cas de figure est très peu abordé par la communauté des extrêmes. Au contraire, c'est un cadre d'analyse auquel la Géostatistique s'intéresse particulièrement. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour objectif d'établir des connexions mathématiques entre ces deux disciplines afin de mieux appréhender les évènements extrêmes, lorsque le phénomène spatial sous-jacent n'est observé qu'une seule fois. Nous nous intéressons, dans un premier temps, au concept de portée intégrale. Intrinsèquement lié aux propriétés d'ergodicité et de mélange, ce paramètre issu de la théorie géostatistique caractérise les fluctuations statistiques, à large échelle, d'un champ aléatoire stationnaire. Lorsque ce dernier est un champ max-stable, nous montrons que sa fonction coefficient extrémal (ECF) est fortement liée à la portée intégrale du champ des excès, au dessus d'un certain seuil, correspondant. Cette approche permet de retrouver et de compléter des résultats précédemment établis dans un contexte de risque spatialisé. Elle met également en évidence une nouvelle expression de la fonction coefficient extrémal qui dépend du variogramme du champ des excès. À partir de cette formule, nous proposons un nouvel estimateur non-paramétrique de l'ECF. Ses propriétés asymptotiques sont établies lorsqu'il est évalué à partir d'une unique réalisation, partiellement observée, d'un champ stationnaire max-stable. En particulier, lorsque le nombre d'observations se densifie en même temps que le champ d'observation grandit, et sous certaines hypothèses concernant la portée intégrale susmentionnée, nous montrons qu'il est consistent et asymptotiquement normal. Il est donc pertinent d'utiliser les outils géostatistiques pour enrichir l'analyse des valeurs extrêmes. Finalement, nous développons un nouvel algorithme permettant de simuler, en continu, des processus aléatoires tempête pour lesquels la fonction de forme est déterministe. Il se distingue donc de la plupart des algorithmes existants qui s'utilisent exclusivement lorsque le domaine de simulation est composé d'un nombre fini de points. À cet égard, il permet d'étudier plus facilement la géométrie des réalisations de tels processus. Cela est particulièrement intéressant quand la caractéristique géométrique étudiée mêle différentes échelles d'observation.
Résumé de la thèse en anglais
Spatial extreme value theory helps model and predict the frequency of extreme events in a spatial context like, for instance, extreme precipitations, extreme temperatures or high concentrations of pollution in the air. It is well adapted to time series, when the spatial object under study is observed through time. However, in some cases, such types of data cannot be accessed: only one or just a few records are made available. This is the case, for instance, in mining resources estimation, soil contamination evaluation or any other applications where the phenomenon of interest either varies too slowly across time to hope for a decent time series, or is too expensive to sample from. This situation is rarely addressed in the spatial extremes community, contrary to Geostatistics, which typically deals with such issues. The aim of this thesis is to make some connections between both disciplines, in order to better handle the study of spatial extreme events when having only one set of spatial observations. We first focus on the concept of integral range. Intimately related to the ergodic and mixing properties, it is a geostatistical parameter that characterizes the statistical fluctuations of a stationary random field at large scale. When the latter is max-stable, we show that its extremal coefficient function (ECF) is closely related to the integral range of the corresponding exceedance field above a threshold. This approach allows to retrieve and complete previous results established in a spatial risk context. It also has the advantage of revealing a new expression for the extremal coefficient function that depends on the variogram of the exceedance field. From this, we move to proposing a new nonparametric estimator of the ECF. Its asymptotic properties are derived when it is computed from a single and partially observed realization of a stationary max-stable random field. Specifically, considering both infill and increasing domain asymptotics, and under some assumptions on the aforementioned integral range, we prove that it is consistent and asymptotically normal. This illustrates the relevance of geostatistical tools for enriching extreme value analysis. Finally, we develop a novel algorithm to perform exact simulations in a continuous domain of storm processes with deterministic shape function. It distinguishes itself from most existing algorithms, which apply to simulation domains made of a finite number of points. In this regard, it allows for easier investigation about the geometry of realizations of such processes. This is of particular interest when the geometric feature under study involves different scales of observation.
Titre anglais : Spatial extremes with a single realization: a geostatistical point of view
Date de soutenance : lundi 5 octobre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech 60 Boulevard Saint-Michel 75006 Paris – L109
Directeurs de thèse : Hans WACKERNAGEL, Emilie CHAUTRU
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Prix Pierre Londe 2020
Le Centre de géosciences MINES ParisTech à l'honneur
Le prix « Pierre Londe » 2020 de la meilleure thèse en mécanique des roches en France a été décerné à Hafssa Tounsi, par le Comité français de mécanique des roches (CFMR), pour ses recherches sur la modélisation des processus couplés thermo-hydro-mécaniques en milieu poreux, appliquée à la congélation des massifs rocheux, effectuées au Centre de géosciences de MINES ParisTech.
Ce travail de thèse, financé par Orano en vue d'optimiser l'exploitation de la mine de Cigar Lake au Canada, a été conduit au sein de l’équipe Géomécanique et géologie de l’ingénieur, sous la direction d’Ahmed Rouabhi et de Michel Tijani. Les ingénieurs et techniciens de la halle d’essais du Centre de géosciences ont mis en œuvre le protocole expérimental et les essais aux cotés de la doctorante.
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Modélisation THMC de la congélation artificielle des terrains : Application à la mine de Cigar Lake Résumé du mémoire : La congélation artificielle des terrains est utilisée depuis des décennies comme technique de stabilisation et d’imperméabilisation temporaires des terrains pour résoudre des problèmes de génie civil ou minier à moindres coûts. Réussir sa mise en œuvre nécessite l’utilisation d’outils numériques permettant de prédire l’évolution des parties congelées et la stabilité des terrains. Cette thèse propose une approche de modélisation, élaborée suivant une démarche thermodynamiquement cohérente couplant la thermique, l’hydraulique, la mécanique et la salinité, permettant de simuler la congélation des terrains. Elle inclue un modèle de comportement élastoviscoplastique, basé sur des essais de laboratoire, capable de prédire la réponse d’un sol congelé. Un nouveau dispositif pour la réalisation d’essais triaxiaux à température et à vitesse de déformation contrôlées a été mis en place à cet effet. Le modèle thermo-hydro-mécanique et chimique a été validé par des essais de gel sur des éprouvettes initialement saturées avec de l’eau pure ou avec une solution de chlorure de sodium à diverses concentrations. A l’échelle de la structure, il a été appliqué au cas de la mine de Cigar Lake (Canada), à travers des simulations thermo-hydro-mécaniques couplées, qui ont permis de prédire l’évolution de la congélation dans le terrain et d’évaluer son impact sur les déplacements autour des tunnels de production excavés en dessous du massif congelé. |
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