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Optimisation de la conception des pentes à la mine de Mont-Wright

Joseph Kabuya Mukendi

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Mine slope instability is a significant issue for operating an open mining pit as it has numerous potential social, safety, economic, environmental, and regulatory impacts. Therefore, optimizing the design of these mining slopes must consider this issue and ensure the profitability of the mining projects. The main goal for this thesis was to improve risk management for mine slope instability at the Mont-Wright mine in northeastern Quebec. A process for quantifying the rock mass damage due to blasting was define using historic slope stability radar (SSR) data collected at Paul's Peak mine. The data was reprocessed, analyzed, and interpreted to identify rock mass damage caused by production on a regional or local scale. The post-blast damage rating chart, which assumes a degree of damage based on the time it takes for the local deformation trend to return to background rates, was applied for this analysis. As a result, the post-blast damage rating matrix of the Offload mining project was established. The novel approach for post-blast damage and slope stability assessments using SSR effectively provided the information required to justify a more aggressive and profitable mine design. It has also been shown that the post-blast slope stability monitoring with SSR can both improve productivity by decreasing delays overly to production and at the same time effectively manage the risk associated with re-entry in areas where transient creep is observed. At Irene pit, the risk of multiple bench failures was detected by SSR following blasting at the foot of a highwall. The risk management plan was initiated to mitigate this significant risk by optimizing blasting parameters and assessing the response of the rock mass to each blast. A signature hole operation was conducted to determine the wave propagation velocities associated with the different lithologies studied. The geomechanical properties of the rock masses determined the maximum peak particle velocities to be respected. Subsequently, the targeted area of operation was modeled with the I-Blast software to optimize the firing sequences to be used. The damage to the highwall from blasting was quantified using the post-blast damage approach developed previously. The analysis of post-blast highwall deformations did not reveal significant highwall damage due to the production blasting conducted at the mine site. The blasting mitigation measures implemented and assessing the rock mass response to each blast allowed mining to continue without causing the highwall to fail. A numerical modeling study to back analyze a highwall instability event in an open pit has been completed. Numerical models were developed and calibrated to simulate the event using SLIDE3 as the primary tool. The first model simulated isotropic rock mass strengths without incorporating directional weakness along the predominant orientations of discontinuities. Directionally-dependent strength of the jointed rock mass and elevation-dependent foliation dip were introduced successively to confirm the failure surface. Once the failure surface was established, the structure's strength was reduced, and groundwater pressures were considered to reach a Factor of Safety approaching the critical target of 1.0. To effectively simulate the highwall's failure, the sub-horizontal joint set was weakened to initiate toe breakout. Subsequently, a section through the failure mass was analyzed using RS2 finite element modeling software to explore the possibility of failure mechanisms not simulated in SLIDE3's limit equilibrium calculation. Similar Factors of Safety (or shear strength reduction factors) were produced in the calibrated SLIDE3 and RS2 models using similar inputs assumptions. The results were judged to reproduce the observed failure mechanism satisfactorily. They may be referenced for future geotechnical design analyses where similar geotechnical conditions or features exist. The back-analysis highlights that an excellent understanding of the geological variability associated with complex structural environments is required to optimize mining slope design. At Z pit, due to the significant highwall failure risk observed in the Irene pit walls and the similar convex shape included in the current Z pit design, the slope stability review was initiated as a part of the risk management plan. First, the geotechnical and structural database was prepared and validated. After that, the structural domains were defined based on joints orientations. Finally, a slope stability assessment was conducted. A classic kinematic evaluation was conducted for bench scale stability assessment, and the bench face angle was estimated based on the probability of failure. Stability results indicate that the Z pit required redesigning to meet the geotechnical acceptance criteria developed for this project. The wall shape in the eastern portion of the Z pit was changed in the proposed design. Otherwise, it was a huge challenge to build the final southeastern wall of the Z pit by mitigating the risk of slope failure caused by the spatial variability of the foliation orientation. The methodology was mainly based on the bench cleanup, the design compliance analysis, the televiewer surveys, the modification of blasting techniques, and the radar monitoring to achieve optimal slope and to continue mining safely. The slabs remaining on the bench face created a potential safety hazard that should be removed. Secondary scaling of bench faces was performed, and other slabs that remained were blasted along the foliation. The comparison of the as-built benches and the designed benches was conducted from a photogrammetric survey on the exposed wall to assess the performance of the benches. The significant difference observed was due to the local orientations of the discontinuity set, which had not been detected at the time of the slope design. The structural geology surveys were then required. The results of the optical and the acoustic televiewer surveys suggested that the plane on which the rupture occurred is a plan of foliation associated with the bedding, which changes direction. Also, the results indicated that the bedding is rather oriented towards the pit and that the wall should be developed as a footwall following the foliation dip. With an increased understanding of foliation variability, improved blast designs were required. Trim blasting parallel to the foliation with a free face was therefore recommended. This provided an opportunity to adjust the bench face angles based on measured foliation orientation along a free face at the same level as that to be mined. Finally, a project-specific trigger action response plan was developed. Alarm thresholds were set, and an intervention plan following radar alarms was implemented to control the slope instability risk. The final wall built presented good blast performance compared to the bench above by reducing rockfall hazard through a cleaner bench face. In summary, this thesis has provided a framework where decision-making tools, approaches, and concepts were developed to optimize mine slope design. In the case of the Mont-Wright mine, this framework has allowed continuing mining safely and secure significant profits from various projects. In addition, slope instability risk management at Mont-Wright now has a proactive approach rather than a reactive one.

Résumé

L'instabilité des pentes minières constitue un enjeu majeur pour l'exploitation d'une mine à ciel ouvert, car les conséquences potentielles sont nombreuses et touchent des aspects sociaux, sécuritaires, économiques, environnementaux et règlementaires. Par conséquent, la conception de ces pentes minières doit être optimale en tenant compte de cet enjeu et en garantissant la rentabilité de tout projet minier. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer la gestion du risque d'instabilité des pentes minières à la mine de Mont-Wright. Une méthode de quantification des dommages induits au massif rocheux par un dynamitage a été établie à l'aide des données historiques d'analyse de la stabilité des pentes recueillies avec un radar à la fosse Paul's Peak. Ces données ont été analysées et interprétées pour déceler les dommages induits aux massifs rocheux par la production minière à l'échelle régionale ou locale. Une charte d'évaluation des dommages post-dynamitage a été utilisée aux fins de cette analyse. Celle-ci prévoit un certain niveau de dommage en fonction du temps nécessaire pour que le taux de déformation redevienne constant. C'est ainsi que la matrice des dommages post-dynamitages du projet minier Offload a été établie. La nouvelle approche axée sur l'évaluation des dommages post-dynamitage et de la stabilité des pentes à l'aide du radar a fourni les données nécessaires pour justifier une conception plus agressive et rentable du projet minier. Il a également été démontré que la surveillance à l'aide du radar après dynamitage peut à la fois améliorer la productivité en réduisant les retards de production et permettre une gestion efficace du risque associé au retour des activités minières dans des zones où un fluage transitoire est observé. À la fosse Irène, le risque de rupture de multiples bancs a été détecté par un radar après le dynamitage au pied d'une haute pente. Le plan de gestion des risques a été instauré pour atténuer ce risque important en optimisant les paramètres de dynamitage et en évaluant l'impact sur le massif rocheux de chaque dynamitage. Une campagne de trous signature a été réalisée pour déterminer les vitesses de propagation des ondes associées aux différentes lithologies étudiées. Les propriétés géomécaniques des massifs rocheux ont permis de déterminer la limite de vibration maximale à respecter. Ensuite, la zone d'exploitation ciblée a été modélisée à l'aide du logiciel I-Blast afin d'optimiser les séquences de tir à utiliser. L'analyse des déformations de la haute pente n'a pas révélé de dommages importants à celle-ci qui aurait été causée par les dynamitages de production effectués sur le site. Les mesures d'atténuation des dynamitages qui ont été implantées et l'évaluation de l'impact sur le massif rocheux de chaque dynamitage ont permis de poursuivre l'exploitation minière sans provoquer la rupture de la haute pente. Une rétro-analyse de la rupture d'une haute pente dans une mine à ciel ouvert a été réalisée au moyen de la modélisation numérique. Des modèles numériques ont été élaborés et calibrés pour simuler la rupture à l'aide du logiciel SLIDE3, utilisé comme outil principal. Le premier modèle a permis de simuler des massifs rocheux isotropes. L'anisotropie des massifs rocheux et le pendage de la foliation, qui dépendait de l'altitude, ont été introduits successivement pour confirmer l'emplacement de la surface de rupture. Une fois la surface de rupture établie, la résistance des structures a été réduite et les pressions des eaux souterraines ont été considérées pour qu'un facteur de sécurité proche du seuil critique de 1,0 soit atteint. Pour simuler efficacement la rupture de la pente, la résistance de la famille de joints subhorizontaux a été affaiblie afin de déclencher la rupture du pied. Par la suite, une section traversant la masse susceptible à la rupture a été analysée à l'aide du logiciel de modélisation par éléments finis RS2 afin d'explorer la possibilité de mécanismes de rupture non simulés dans le calcul à l'équilibre limite de SLIDE3. Des facteurs de sécurité (ou facteurs de réduction de la résistance au cisaillement) similaires ont été calculés dans les modèles calibrés de SLIDE3 et de RS2 à l'aide d'hypothèses de base similaires. Il a été conclu que les résultats reproduisaient de manière satisfaisante le mécanisme de rupture observé. Ceux-ci pourront servir de référence dans le cadre d'analyses de conception géotechnique futures, là où se trouvent des conditions in situ similaires. La rétro-analyse a démontré qu'une excellente compréhension de la variabilité géologique associée à des environnements structuraux complexes est nécessaire pour optimiser la conception des pentes minières. À la fosse Z, en raison du risque important de rupture des pentes de la fosse Irène et de la forme convexe similaire observée dans la conception actuelle de cette fosse, l'analyse de la stabilité des pentes a été initiée dans le cadre du plan de gestion des risques. Tout d'abord, la base de données géotechniques a été préparée et validée. Ensuite, les domaines structuraux ont été définis en fonction des orientations des discontinuités. Enfin, une évaluation de la stabilité des pentes a été réalisée. Une analyse cinématique a été effectuée pour évaluer la stabilité à l'échelle d'un banc, et l'angle de la face de la pente a été déterminé en fonction de la probabilité de rupture. Les résultats de cette évaluation indiquent que la conception de la fosse Z devrait être modifiée pour répondre aux critères d'acceptabilité géotechniques établis pour ce projet. La forme de la pente dans la partie est de la fosse Z a été également modifiée dans la conception proposée. Par ailleurs, la construction du mur final sud-est de la fosse Z a posé un énorme défi, puisqu'il a fallu atténuer le risque de rupture de pente causé par la variabilité spatiale de l'orientation de la foliation. La méthodologie basée sur le nettoyage de la face de la pente, l'analyse de conformité de la conception, les relevés géophysiques, la modification des techniques de dynamitage ainsi que la surveillance radar avait été mise en place afin de construire une pente optimale et de poursuivre l'exploitation en toute sécurité. Les blocs rocheux suspendus sur la face de la pente présentaient un risque pour la sécurité. Pour éliminer ce risque, l'écaillage secondaire de la pente a été réalisé et les blocs rocheux ont été dynamités le long de la foliation. La comparaison des bancs construits avec les bancs conçus a été réalisée à partir de la photogrammétrie de la face de la pente afin d'évaluer la performance de la pente. La différence significative observée était due aux orientations locales des familles de discontinuités qui n'avaient pas été détectées au moment de la conception de la pente. Les relevés structuraux ont alors été nécessaires. Les résultats des relevés optiques et acoustiques ont indiqué que le plan sur lequel la rupture s'était produite était un plan de foliation associé au litage qui changeait de direction. Les résultats ont aussi indiqué que le litage était plutôt orienté vers la fosse et que la pente devrait être développée comme une pente dont le pendage est celui de la foliation. Avec une meilleure compréhension de la variabilité de l'orientation de la foliation, des conceptions améliorées de dynamitage étaient requises. Le dynamitage des panneaux à face libre parallèle à la foliation a été recommandé. Ceci a permis d'ajuster le pendage de la pente en fonction de l'orientation de la foliation mesurée le long d'une face libre au même niveau que celui à miner. Enfin, des seuils d'alarmes ont été fixés dans le SSR, et un plan d'intervention à la suite des alarmes a été mis en place pour surveiller le risque d'instabilité de la pente. La pente finale construite a présenté de bonnes performances par rapport aux bancs supérieurs en réduisant le risque de chute de blocs rocheux. Somme toute, cette thèse a permis de définir un cadre pour mettre au point des outils décisionnels, des approches et des concepts, le tout dans l'optique de contribuer à l'optimisation de la conception des pentes minières. Dans le cas de la mine de Mont-Wright, ce cadre a permis de poursuivre l'activité minière en toute sécurité et de garantir d'importants bénéfices liés à différents projets. De plus, la gestion du risque d'instabilité des pentes minières à la mine de Mont-Wright se fait maintenant suivant une approche proactive plutôt que réactive.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Richard Simon
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10316/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:45
Last Modified: 12 Oct 2023 20:24
Cite in APA 7: Kabuya Mukendi, J. (2022). Optimisation de la conception des pentes à la mine de Mont-Wright [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10316/

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