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Development of a Seismic Design Procedure of Tailings Impoundments Reinforced With Waste Rock Inclusions

Ali Reza Zafarani

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

The seismic stability of tailings storage facilities is a major concern for the mining industry, as tailings impoundments have been prone to failure in seismically active areas. The seismic stability of tailings impoundments is largely influenced by the properties of tailings, which usually consist of low plasticity silty material in a loose and saturated state. The development of excess pore water pressures during an earthquake may reduce the effective stresses and induce a loss in shear strength and stiffness (i.e., liquefaction), which might cause an impoundment to fail. Improved methodologies for analyzing the stability of existing tailings impoundments, as well as proper design strategies, are essential to minimize failures and the ensuing damage. Waste rock inclusions (WRI) is one of the techniques that can be used to improve the static and dynamic stability of tailings impoundments due to their higher stiffness, strength, and hydraulic conductivity compared to tailings. Previous studies using physical models and numerical simulations have shown that the use of WRI in a tailings facility can accelerate the dissipation of excess pore pressures and improve the geotechnical stability of tailings impoundments. However, a few gaps still remain regarding the seismic behavior of tailings impoundments and the effect of WRI on their seismic response. Design guidelines and optimization methodologies are needed to better integrate this co-disposal method in the design of tailings impoundments. To develop such guidelines, it is necessary to better quantify the effect of various parameters, such as WRI configuration (i.e., width and spacing) and impoundment geometry, such as downstream slope and height, on different performance indicators of the seismic stability of tailings impoundments. Design guidelines should also consider the seismic response of impoundments under a variety of ground motions representative of the anticipated earthquake characteristics, which is another aspect that has not been adequately evaluated previously. The primary objective of the current research project was therefore to develop a method to optimize the design of waste rock inclusions in a tailings impoundment to ensure its seismic stability. To attain this primary objective a numerical modeling approach for simulating the seismic behavior of tailings impoundments with and without WRI was developed using the code FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) Version 8.00. Various simulations were then conducted to investigate how selected characteristics, such as the downstream slope inclination of the impoundment, height of the model, and configuration of WRI affect the seismic behavior of the model. The downstream slope was varied between 7H:1V and 12H:1V, the height of the impoundment was between 20 m and 50 m, the width of the inclusions was between 12 and 25 m, and the spacing was between 55 and 155 m. Results indicated that the seismic response of the model is more influenced by the thickness of the tailings deposit than by the downstream slope for the conditions considered in the simulations. Moreover, the effect of the WRI configuration on seismic response is less noticeable in impoundments with smaller tailings thickness due to lower horizontal displacements than in impoundments with a thicker tailings deposit. In addition to the geometry effects (i.e., downstream slope, height, and WRIs' configuration), the effects of intensity measures (IMs) of the ground motion on the seismic stability of tailings impoundments were also investigated as part of the numerical parametric study in order to develop design guidelines for WRI. Ten different ground motion records from the NGA-West2 and NGA- East databases were used to assess the seismic response and stability of tailings impoundments with and without waste rock inclusions. Significant differences between the responses of the system at the end of ground motions with similar PGA and Arias Intensity highlighted the necessity of identifying the most sensitive, or optimum IM (or IMs) that correlate best with the performance metrics. The regression analysis results showed the vector-valued IMs composed of Velocity Spectrum Intensity, VSI (IM1) and Peak Ground Acceleration, PGA (IM2) had the highest overall efficiency for the cases evaluated. In the final step of this research, using the results of the numerical parametric investigation, a systematic procedure was proposed for assessing liquefaction-induced displacement of tailings impoundments reinforced with waste rock inclusions. A performance model (multi-parameter relationship) was employed to link the level of displacement to tailings impoundment characteristics including the slope inclination, height, tailings density index, optimum intensity measurements of earthquake shaking, and WRI configuration. The results show that in general, the simulation results and the estimations provided by the performance model (equation) matched. Practitioners can use the proposed simplified approach to evaluate the seismic performance of tailings impoundments. The procedure should, however, be used in conjunction with the results of project-specific nonlinear dynamic analyses. The suggested method should also help develop deterministic and probabilistic prediction models for assessing the seismic stability of tailings impoundments.

Résumé

La stabilité sismique des installations de stockage de résidus est une préoccupation majeure pour le secteur minier, car ces installations ont été sujettes à des défaillances dans les zones sismiquement actives. La stabilité sismique des parcs à résidus est largement influencée par les propriétés des résidus, qui sont généralement constitués d'un matériau silteux de faible plasticité dans un état lâche et saturé. La génération de pressions interstitielles excessives pendant un tremblement de terre peut entraîner une réduction des contraintes effectives, ce qui provoque une perte de résistance des résidus et la rigidité associées (c'est-à-dire la liquéfaction), ce qui peut provoquer la défaillance d'un parc à résidus. De meilleures méthodes d'analyse des parcs à résidus existants, ainsi que des stratégies de conception appropriées, sont essentielles pour minimiser les défaillances et les dommages qui en découlent. Les inclusions de roches stériles (IRS/WRI) sont l'une des techniques qui peuvent être utilisées pour améliorer la stabilité statique et dynamique des parcs à résidus en raison de leur plus grande rigidité, résistance et conductivité hydraulique par rapport aux résidus. Des études antérieures utilisant des modèles physiques et des simulations numériques ont montré que l'utilisation des IRS dans un parc à résidus peut accélérer la dissipation des pressions interstitielles excessives et améliorer la stabilité géotechnique des parcs à résidus. Cependant, certaines lacunes subsistent en ce qui concerne l'étude du comportement sismique des parcs à résidus et l'effet des IRS sur leur réponse sismique. Des directives de conception et des méthodologies d'optimisation sont nécessaires pour mieux intégrer cette méthode de co-disposition dans la conception des parcs à résidus. Ainsi, il est nécessaire de mieux quantifier l'effet de divers paramètres, tels que la configuration des IRS (c'est-à-dire la largeur et l'espacement) et la géométrie du parc à résidus, comme la pente et la hauteur en aval, sur différents indicateurs de performance de la stabilité sismique d'un parc à résidus. Les directives de conception devraient également prendre en compte la réponse sismique des parcs à résidus soumis à une variété de mouvements du sol représentatifs des caractéristiques des aléas sismiques anticipés, ce qui est un autre aspect qui n'a pas été évalué de manière adéquate auparavant. L'objectif principal du présent projet de recherche était donc de développer une méthode pour optimiser la conception des inclusions de roches stériles dans un parc à résidus afin d'assurer sa stabilité sismique. Pour atteindre cet objectif principal, une approche de modélisation numérique pour simuler le comportement sismique des parcs à résidus avec et sans IRS a été développée en utilisant le code FLAC Version 8.00. Diverses simulations ont ensuite été effectuées pour étudier comment certaines caractéristiques, telles que l'inclinaison de la pente aval du parc, la hauteur du modèle et la configuration des IRS, affectent le comportement sismique du modèle. La pente aval variait entre 7H:1V et 12H:1V, la hauteur du parc à résidus était comprise entre 20 m et 50 m, la largeur des inclusions était comprise entre 12 et 25 m, et l'espacement entre 55 et 155 m. Les résultats ont indiqué que la réponse sismique du modèle est plus influencée par l'épaisseur du parc à résidus que par la pente aval pour les conditions considérées dans les simulations. De plus, l'effet de la configuration des IRS sur la réponse sismique est moins perceptible dans les parcs à résidus de faible épaisseur en raison de déplacements horizontaux plus faibles que dans les parcs à résidus plus épais. En plus des effets géométriques (c.-à-d. la pente en aval, la hauteur et la configuration des IRS), les effets des mesures d'intensité (MI) du mouvement du sol sur la stabilité sismique des parcs à résidus ont également été étudiés dans le cadre de l'étude paramétrique numérique afin d'élaborer des directives de conception pour l'utilisation des IRS. Dix enregistrements différents de mouvements du sol provenant des bases de données NGA-West2 et NGA-East ont été utilisés pour évaluer la réponse sismique et la stabilité des parcs à résidus avec et sans inclusion de stériles. Des différences significatives entre les réponses du système à la fin de mouvements du sol avec certains MI comparables, ont mis en évidence la nécessité d'identifier le MI (ou les MI) optimal qui présente la meilleure corrélation avec les indicateurs de performance. Les résultats de l'analyse de régression ont montré qu'une combinaison de l'intensité du spectre de la vitesse, VSI (MI1) et de l'accélération maximale du sol, PGA (MI2) avait la plus grande efficacité globale pour les cas évalués. Dans la dernière étape de cette recherche, en utilisant les résultats de l'étude paramétrique numérique, une procédure systématique a été proposée pour évaluer le déplacement induit par la liquéfaction des parcs à résidus renforcés par des inclusions de roches stériles. Un modèle de performance (relation multi-paramètres) a été utilisé pour relier le niveau de déplacement aux caractéristiques du parc à résidus, y compris l'inclinaison de la pente, la hauteur, l'indice de densité des résidus, aux mesures d'intensité optimale des secousses sismiques et la configuration des IRS Les résultats montrent qu'en général, les résultats des simulations et les estimations fournies par le modèle de performance (équation) concordent. Les praticiens peuvent utiliser l'approche simplifiée proposée pour évaluer la performance sismique des parcs à résidus. La procédure doit cependant être utilisée en conjonction avec les résultats des analyses dynamiques non linéaires spécifiques au projet. La méthode proposée devrait également aider à développer des modèles de prédiction déterministes et probabilistes pour évaluer la stabilité sismique des parcs à résidus.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Samuel Yniesta and Michel Aubertin
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10452/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 01 Feb 2023 14:59
Last Modified: 05 Feb 2024 14:21
Cite in APA 7: Zafarani, A. R. (2022). Development of a Seismic Design Procedure of Tailings Impoundments Reinforced With Waste Rock Inclusions [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10452/

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