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.