Investigation of Waste Rock Segregation and Heterogeneity During Disposal Using Field Observation, Experimental Tests and Discrete Element Simulations

Les opérations minières génèrent de grandes quantités de roches stériles, qui sont généralement déposées en surface à proximité des sites de production. La disposition des roches stériles à l'aide de la méthode de déversement avec épandage au butoir (push dumping) et la méthode de déversement à la benne (end dumping) entraîne généralement une ségrégation importante, créant des structures hétérogènes complexes dans les haldes à stériles et augmentant les risques d'instabilité géotechnique et géochimique. La caractérisation et l'évaluation de la ségrégation des stériles selon différentes méthodes de construction et hauteurs des gradins sont cependant extrêmement difficiles en raison des grandes dimensions des haldes, de l'instabilité des pentes abruptes et de la difficulté à déterminer la masse et la taille des particules grossiéres et irrégulières. L'objectif principal de ce projet était donc d'évaluer l'impact de disposition des roches stériles sur leur ségrégation et leur l'hétérogénéité dans les haldes et de proposer des recommandations pour réduire la ségrégation et améliorer la stratégie de d’entreposage. Cette recherche inclut aussi des objectifs secondaires qui visaient à caractériser la ségrégation et l'hétérogénéité des roches stériles dans les haldes et à évaluer la ségrégation dans différentes conditions opératoires lors du stockage. Des observations sur le terrain faisant l’objet d’une caractérisation des roches stériles ont été réalisées en analysant la distribution granulométrique le long de la pente de la halde à l'aide d'une analyse d'images obtenues par drones. Des simulations à la base de la méthode des éléments discrets à l'aide de PFC3D ont ensuite été menées à l'aide du code PFC3D pour simuler le comportement de l'écoulement des roches stériles lors du stockage. Une nouvelle méthode de calibration du modèle a été proposée pour simuler de manière fiable la ségrégation des roches stériles à l'échelle du laboratoire et du terrain. Cette méthode comprenait la calibration du modèle à l'aide de essais d'angle de repos et la validation à l'aide des essais de ségrégation pour les modèles à l'échelle du laboratoire, puis a été mise à l'échelle pour les modèles de terrain. Des modèles numériques ont finalement été utilisés pour évaluer la ségrégation et l'hétérogénéité des roches stériles sous divers facteurs d'influence tels que les méthodes de construction et la hauteur des gradins. Les roches stériles caractérisées par des observations sur le terrain ont indiqué une ségrégation et une hétérogénéité importantes le long de la pente des haldes à stériles. Les résultats ont montré que la ségrégation et l'hétérogénéité latérale pouvaient entraîner une forte variabilité (différence d'un à deux ordres de grandeur) de la conductivité hydraulique saturée et plus généralement des propriétés géotechniques des stériles sur le terrain. Le contrôle de la ségrégation est donc apparu plus bénéfique pour améliorer la stabilité des haldes. L'approche de calibration proposée dans cette recherche s'est avérée facile à utiliser et efficace pour simuler la ségrégation des roches stériles à différentes échelles, comme le prouve la validation en laboratoire et sur le terrain. Ces résultats encourageants ont confirmé que les modèles numériques PFC3D pourraient être utilisés pour extrapoler ces observations préliminaires à des échelles plus larges et pour évaluer et comparer différentes méthodes de construction en fonction de diverses contraintes opérationnelles. Des recommandations pour contrôler la ségrégation et améliorer la stratégie de disposition ont été proposées sur la base de ces résultats. Les hauteurs des gradins simulées (10 m à 25 m) et les charges utiles des camions miniers (300 t et 600 t) ont un effet limité sur la ségrégation des stériles. Dans cette étude, la méthode de déversement avec épandage au butoir tend à créer plus de ségrégation que la méthode de déversement à la benne, car cette dernière a généré des vitesses initiales plus élevées, ce qui, à son tour, a contribué à réduire la ségrégation des roches stériles. La raison en était la hauteur relativement limitée des gradins qui devait être inférieure à 25 m pour réduire les instabilités géotechniques et le temps de simulation. Dans ces conditions, l'accumulation d'énergie pendant le flux de particules a moins d'effet sur la ségrégation que l'énergie initiale. L'optimisation de la distribution granulométrique des particules des roches stériles (avant déposition) et le contrôle de la vitesse de poussée semblent efficaces pour limiter la ségrégation des stériles. L'utilisation d'un facteur de poudre plus important ou le concassage des plus grosses particules est donc recommandé pour homogénéiser et contribuer à limiter la ségrégation des stériles. L'augmentation de la vitesse de poussée peut également réduire la ségrégation au sommet de la pente, mais l'effet sur la distribution des stériles au bas de la pente est plus limité. La disposition latérale avec déversements séquentiels a été recommandée pour réduire la ségrégation des roches stériles sur le terrain. L'espacement des déversements a eu un effet limité sur la ségrégation des stériles, tant qu'il est resté suffisamment petit pour assurer des interactions entre chaque déversement. Cette étude a été menée pour des hauteurs de gradins limitées et des sites miniers spécifiques, et d'autres recherches sont recommandées pour valider ces résultats sur d'autres sites miniers avec des stériles et des conditions d'exploitation différents. Cependant, l'approche utilisée dans cette recherche pourrait être directement extrapolée à d'autres sites pour l'étude de la ségrégation des stériles. Les résultats de ces recherches devraient contribuer à améliorer le plan de dépôt des stériles sur les sites miniers en exploitation et futurs. Les recommandations proposées pourraient permettre de contrôler la ségrégation et d'homogénéiser les stériles lors de leur stockage, et ainsi d'améliorer la stabilité géotechnique et géochimique des haldes.

Abstract

Mining operations generate large amounts of waste rock which are generally disposed of on the surface. Waste rock disposal using push-dumping and end-dumping methods usually leads to significant segregation, creating complicated heterogeneous structures in waste rock piles and increasing risks for both geotechnical and geochemical instability. Characterization and evaluation of waste rock segregation under different construction methods and bench heights are, however, extremely challenging because of the large dimensions of the piles, the instability of the steep slopes and the difficulty to determine the mass and size of large and irregular particles. The main objective of this project is therefore to assess the effect of waste rock disposal on waste rock segregation and heterogeneity in waste rock piles and to propose recommendations to reduce segregation and improve disposal strategy. This research also included main specific objectives which aim to characterize waste rock segregation and heterogeneity in piles, and to evaluate segregation under various operational conditions during disposal. Field observations for waste rock characterization were conducted by analyzing particle size distribution (PSD) along the slope of a waste rock pile using image analysis on drone pictures. Discrete element simulations using PFC3D were then conducted to simulate waste rock flow behaviour during disposal. A new model calibration method was proposed to reliably simulate waste rock segregation at both laboratory and field scales. This method included model calibration using repose angle tests and validation using segregation tests for laboratory scale models, and was then upscaled for field models. Numerical models were finally used to evaluate waste rock segregation and heterogeneity under various influence factors such as construction methods and bench heights. Waste rock characterized by field observations indicated significant segregation and heterogeneity along the slope of waste rock piles. Results showed that segregation and lateral heterogeneity could result in high variability (one to two orders of magnitude difference) of the saturated hydraulic conductivity and more generally of the geotechnical properties of waste rock in the field. Controlling segregation appeared therefore beneficial to improve pile stability. The calibration approach proposed in this research proved easy to use and efficient to simulate waste rock segregation at various scales, as proven by laboratory and field validation. These encouraging results confirmed PFC3D models could be used to extrapolate these preliminary observations to larger scales and to evaluate and compare different construction methods depending on various operational constraints. Recommendations to control segregation and improve disposal strategy were proposed based on these results. Simulation results showed that bench heights (10 m to 25 m) and mine truck payloads (300 t and 600 t) had limited effect on waste rock segregation in this study. In this study, push-dumping method tended to create more segregation than end-dumping method because end-dumping method generated greater initial velocities, which, in turn, contributed to reduce segregation. The reason was the limited bench heights which usually be smaller than 25 m to reduce geotechnical instabilities and simulation time. In these conditions, the energy accumulation during particle flow had less effect on segregation than the initial energy. Optimizing waste rock PSD (before deposition) and controlling push velocity seemed efficient to limit waste rock segregation. Using a greater powder factor or crushing the largest waste rock particles was therefore recommended to homogenize waste rock and contribute to limit waste rock segregation. Increasing push velocity could also reduce segregation at the top of the slope but the effect on waste rock distribution at the bottom of the slope was more limited. Lateral disposal with sequential dumps was recommended to decrease waste rock segregation in the field. Dump spacing had limited effect on waste rock segregation, as long as it remained small enough to ensure interactions between each dump. This study was conducted for limited bench heights and specific mine sites, and more research is recommended to validate these results on other mine sites with different waste rock and operational conditions. However, the approach used in this research could be directly extrapolated to other sites for waste rock segregation investigation. The results of this research should contribute to improve the deposition plan of waste rock on operating and future mine sites. The proposed recommendations could help to control segregation and homogenize waste rock during disposal, and therefore improve geotechnical and geochemical stability of piles.