Modélisation numérique des phénomènes de ségrégation et de stratification dans les haldes à stériles

Les activités minières nécessitent l'excavation de quantités de roches stériles pour accéder au minerai. De tels rejets miniers sans valeur économique sont généralement stockés en surface pour permettre la poursuite des opérations. Les stériles miniers sont ainsi entreposés par la répétition de déchargements d'importants volumes de matériaux sur des sites choisis de l'exploitation pour construire des haldes. Le déversement des roches stériles constitue une sollicitation propice au développement de phénomènes de ségrégation parmi le matériau qui favorise l'accumulation des particules de fractions grossières, ou blocs, dans les régions inférieures des empilements. Les observations des haldes à stériles rapportent régulièrement l'exposition de motifs granulaires particuliers, ségrégués ou stratifiés, qui sont principalement attribués à l'existence de différences de propriétés physiques entre les éléments des échantillons de roches stériles déposés. Le développement de phénomènes de ségrégation et de stratification au sein des haldes à stériles représente en effet un risque, car la distribution hétérogène des roches stériles dans la structure interne de la construction pourrait se traduire par des altérations des propriétés géotechniques et hydrogéologiques, en différentes régions de l'empilement, capables d'initier des dangers d'instabilité mécanique et hydrogéologique. Le travail présenté vise à développer des modélisations numériques capables de reproduire des mécanismes de ségrégation et de stratification en simulant la construction d'empilements granulaires. L'étude a débuté avec la reproduction d'essais expérimentaux capables de mettre en évidence le développement de phénomènes de granoclassement au travers de la déposition de matériaux granulaires dans des cellules étroites. La comparaison qualitative des configurations d'empilements obtenues avec de précédents travaux semblables de la littérature a démontré la cohérence des tests réalisés. Les résultats des dépositions ont été quantifiés avec les mesures d'angles de repos et de longueurs d'onde de schémas de stratification observés. L'élaboration de modèles numériques a ensuite été décidée pour poursuivre et approfondir les essais physiques présentés. Les modèles numériques de l'étude ont été réalisés grâce au logiciel open-source LMGC90, développé à l'université de Montpellier en France. LMGC90 est une alternative à la modélisation de systèmes dynamiques de complexités variables qui a prouvé s'adapter à l'étude de systèmes granulaires semblables aux échantillons de particules considérés pour ce travail. La résolution des simulations imaginées pour répondre à la question de recherche s'est faite avec l'emploi de la méthode des éléments discrets (MED) implémentant la dynamique des contacts (DC). L'interprétation et la mise en forme des résultats obtenus ont nécessité le recours à divers langages informatiques tels que Python et Fortran. L'étude numérique a considéré deux géométries de modélisations : à savoir, respectivement, une géométrie 2D et une géométrie 3D. LMGC90 a permis de créer trois mélanges granulaires dont les propriétés physiques ont été déterminées pour générer des échantillons de grains pré- sentant des disparités de tailles et de formes. Le modèle numérique mis au point simule un scénario de déposition des échantillons pour des paramètres variables : régime d'écoulement, hauteur d'injection, dimensions des cellules d'essai (environnement de déposition). Les schémas des empilements ainsi reproduits ont été étudiés qualitativement et quantitativement au travers du calcul de plusieurs indicateurs. Des maillages ont permis de dresser une re- présentation de la distribution des aspects de tailles ou de formes des grains au travers des dépositions. La cinématique des mouvements granulaires au cours de la construction des empilements a enfin été examinée. L'influence des propriétés des mélanges granulaires et des paramètres de déposition pour le développement de mécanismes de granoclassement a été interprétée sur la base des résultats de simulations. Des travaux complémentaires ont aussi visé à étendre l'étude du phénomène de ségrégation dans les milieux granulaires grâce au développement d'un second modèle numérique à part entière. Le nouveau modèle simule le cisaillement d'un volume granulaire élémentaire constitué à partir des échantillons déjà construits pour la précédente partie du travail. Les conditions de cisaillement de chaque simulation ont été définies par un calcul du nombre inertiel associé à chaque essai. L'évolution du phénomène de ségrégation avec les valeurs prises par le nombre inertiel et les pressions de surcharge appliquées au cours du cisaillement a été consécutivement étudiée. L'étude numérique par MED des phénomènes de ségrégation et de stratification souligne la pertinence des modèles en trois dimensions (3D) pour reproduire les mécanismes de granoclassement des mélanges granulaires au cours de dépositions. Les simulations achevées présentent des schémas de ségrégation. Le résultat est observé avec consistance malgré les variations des paramètres des dépositiond dans le cadre des scénarios étudiés. Le contrôle rigoureux des conditions de déposition semble exigé pour reproduire les mécanismes à l'origine de schémas stratifiés dans les haldes. La disparité de formes dans les échantillons bidisperses s'avère un facteur catalytique pour l'observation de phénomènes de stratification. Les simulations de cisaillement témoignent de l'évolution de la cinématique de ségrégation dans les mélanges bidisperses en fonction du nombre d'inertie imposé. La localisation du cisaillement et des mécanismes de ségrégation est montrée pour des conditions de pression particulières. Les résultats de l'étude entendent servir de base à la résolution de défis entourant les incertitudes de prédiction du développement de phénomènes de granoclassement lors des dépositions de roches stériles en surface. Les exemples de modélisations et les outils d'interprétation présentés au terme de ce travail composent un ensemble de solutions capables de caractériser les schémas de granoclassement des haldes à stériles et leur intensité. Les travaux qui décideraient de s'inscrire dans la suite d'un tel projet pourraient envisager la création d'outils logiciels pour prédire, et décrire, avec fiabilité le développement des phénomènes de ségrégation et de stratification dans les haldes à stériles, dont la mise à disposition représenterait une avancée dans la résolution des défis actuels de l'industrie minière.

Abstract

Astract Mining activities typically need excavation works to access the ore. Those operations produce large quantities of waste rock which does not have any major economic value. Such material is generally stored at the surface with repeated granular dumps building waste rock piles. Waste rock dumping is an operation known to cause the development of segregation phenomena among the material which favors the concentration of coarser fraction particles, or blocks, at slopes toe. Eventually, waste rock pilesexpose particular granular patterns, segregated or stratified, attributed to waste rock physical properties disparities between each particle. The development of segregation and stratification phenomena in waste rock piles represents indeed a risk, since grains heterogeneous distributions within the dumped structure might alter its geotechnical and hydrogeological properties, depending on piles areas, therefore leading to mechanical and hydrogeological sources of instabilities. This work aims to develop numerical models able to reproduce segregation and stratification mechanisms by simulating granular heaps disposal. The study has begun by reproducing experimental trials able to demonstrate grading phenomena development through granular material pouring in quasi-2D cells. Qualitative comparison of obtained particles heaps configurations with similar former published works has demonstrated tests consistency. Results has been quantified by measuring repose angles and stratification patterns wavelengths. Developing numerical models to further investigate granular material disposal has been decided. Numerical models have been created thanks to the open-source software LMGC90, developed at the university of Montpellier in France. LMGC90 is an alternative for simple or complex dynamic systems modelling which has proven itself capable of solving problems involving granular mixtures similar to those considered within the scope of this study. Simulations have been performed by means of a discrete-element method (DEM) known as contact dynamics (CD). Results interpretation and formatting requested the use of various programming languages such as Python and Fortran. The numerical study considered 2D and 3D modelling geometries.LMGC90 allowed to create granular mixtures whose physical properties have been determined to generate samples with grain size and shape dispersities. The main numerical model simulates a dumping scenario and varying pouring parameters: flow regimes, injection height, cell's dimensions (disposal environment). Waste rock piles thus reproduced expose patterns which have been investigated qualitatively and quantitatively through multiple indices. Grains aspect distribution in terms of sizes or shapes have been drawn within each deposit. Granular flows kinematics during piles construction were also examined. Granular mixtures properties and dumping parameters influence on the development of grading phenomena have been discussed according to simulations results. Complementary works have also widened the scope of the study on segregation phenomena in granular media thanks to the development of a second numerical model. This new set of simulations models an elementary granular volume under simples hearing using the same samples previously built. Shearing parameters have been defined with the computation of an associated inertial number for each simulation. The evolution of segregation with various inertial number values and pressures applied during shearing was studied. Segregation and stratification phenomena numerical DEM study notes three dimensional (3D) models to be relevant designs to reproduce granular mixtures grading mechanisms in discharge operations. Completed simulations present segregation patterns. Such result is observed with consistency despite deposition parameters variations in each scenario. The close control on pouring settings seems necessary in order to reproduce mechanisms leading to stratified patterns in rock piles. Shape dispersity in bidisperse samples appears to be a catalyst for stratification. Shearing simulations show segregation kinematics evolution in bidisperse samples as a function of the imposed inertial number. Shearing and segregation localizations are shown for specific pressure conditions. Study's results plan to serve as a basis for the resolution of challenges addressing grading phenomena prediction in waste rock disposal operations. Various model examples and interpretation methods presented constitute a range of solutions able to characterize grains ordering patterns in waste rock piles and their intensity. Future works may consider to create reliable numerical warning tools for the prediction, and description, of segregation and stratification phenomena in waste rock dumps.