Numerical, Analytical and Experimental Studies of the Hydrogeotechnical Behaviors of Slurried Materials

Les mines produisent des minéraux précieux, mais aussi une grande quantité de rejets miniers solides, y compris des résidus miniers et des stériles. Dans la plupart des cas, les résidus sont transportés par des canalisations et confinés dans des parcs à résidus, tandis que les stériles sont entreposés sous forme de haldes à stérile. Ces méthodes traditionnelles de gestion des rejets miniers peuvent poser des problèmes environnementaux et géotechniques. Une autre méthode consiste à utiliser les rejets miniers pour remblayer les chantiers miniers sous terre, ce qui peut améliorer la stabilité du terrain, augmenter la récupération du minerai et réduire le stockage en surface des rejets miniers. Cependant, les digues des parcs à résidus et les barricades dans les chantiers miniers peuvent se rompre. Dans la plupart des cas, les conséquences d'une rupture d'une digue de retenue ou d'une barricade sont très graves et même catastrophiques. Il est donc très important d'évaluer correctement la pression interstitielle lors du remplissage afin de garantir la stabilité des digues de retenue des résidus et des barricades de chantiers remblayés. C'est l'objectif principal de la thèse. Pour le dépôt de matières en suspension (résidus miniers ou boues de dragage), Gibson a proposé un modèle en 1958 pour évaluer la pression interstitielle en excès. Sa solution contient une intégrale qui ne peut être évaluée que numériquement. Des solutions analytiques sont donc proposées dans le cadre de cette thèse basées sur le modèle de Gibson (1958). Les solutions analytiques proposées peuvent être résolues à l'aide d'outils de calcul couramment disponibles (e.g. Excel de Microsoft). Les solutions proposées ont été validées par les résultats numériques obtenus par SIGMA/W. Le bon accord entre les résultats analytiques et numériques indique que les solutions proposées peuvent être un outil utile pour évaluer la pression interstitielle pendant le dépôt de matière en suspension, en particulier au stade préliminaire du projet. Dans le cas d'une opération après la fin du dépôt, Gibson n'a proposé qu'une équation différentielle en 1958. Cette équation différentielle ne peut pas être appliquée directement pour évaluer la pression interstitielle ou l'excès de celle-ci. De nouveaux développements ont été réalisés, menant à une nouvelle solution qui peut être utilisée pour évaluer la pression interstitielle avec des outils de calcul tels que MATLAB. Les solutions proposées ont également été validées par les résultats numériques obtenus par SIGMA/W. Elles peuvent être utilisées pour évaluer la pression interstitielle après le dépôt de matières en suspension (résidus miniers ou boues de dragage) au stade préliminaire d'un projet. Pour la conception de barricade dans les chantiers remblayés, le facteur le plus important à considérer est la contrainte totale exercée sur celle-ci pendant et peu de temps après le dépôt du remblai. Au cours de ce processus, une consolidation du dépôt sous son poids propre peut avoir lieu, accompagnée de la génération d'une contrainte effective et d'un effet d'arche le long des interfaces de contact. Jusqu'à présent, la consolidation sous le poids propre et l'effet d'arche n'avaient jamais été pris en compte simultanément dans l'évaluation des contraintes dans les chantiers remblayés. Dans cette thèse, de nouvelles solutions sont proposées pour évaluer les contraintes totales et effectives des chantiers remblayés en prenant en compte la consolidation sous le poids propre et l'effet d'arche. Pour les remblais à très haute perméabilité, la solution proposée pour le cas de base imperméable peut être réduite à la solution proposée par Li et Aubertin en 2009 pour les chantiers remblayés à pression hydrostatique. Les solutions proposées sont également validées par une modélisation numérique réalisée avec Plaxis2D. Un exemple d'application des solutions proposées montre qu'un coefficient de consolidation élevé et un faible taux de remblayage sont favorables au drainage, ce qui se traduit par une contrainte effective élevée et une contrainte totale faible dans le chantier remblayé. Malgré les nombreuses études sur la pression et les contraintes exercées sur les chantiers remblayés, un dilemme existe. Dans les quelques manuels disponibles sur les remblais miniers, les pressions dans les chantiers remblayés avec du remblai en pâte ont été jugées très faibles. Une légère construction de barricade a été recommandée pour conserver le remblai en pâte dans les chantiers miniers. Cela ne correspond pas aux mesures in situ, qui ont montré que les pressions interstitielles et les contraintes totales au cours de l'opération de remblayage peuvent être aussi élevées que la pression iso-géostatique due au poids des terres. Une révision de la définition du remblai en pâte donnée dans les manuels révèle qu'un remblai en pâte répondant au critère en termes de saignement d'eau peut être très visqueux et probablement non saturé. Lorsque ce remblai est placé dans un chantier, il se produit un effet d'arche associé à la cohésion apparente, ce qui entraîne de faibles contraintes dans les chantiers remblayés. En pratique, l'application d'un tel remblai en pâte peut être très difficile. Il faut ajouter plus d'eau dans le remblai pour réduire la consommation d'énergie nécessaire au pompage et au transport, pour obtenir une surface de remblayage horizontale ou pour assurer des contacts étroits entre le remblai et le plafond du chantier. Lorsque le remblai en pâte est placé dans le chantier sous forme de boue, le remblai n'a aucune résistance effective au cisaillement. Les pressions interstitielles et les contraintes totales peuvent être aussi élevées que la pression iso-géostatique due au poids des terres. Ces deux cas extrêmes indiquent que les pressions et les contraintes dans les chantiers remblayés dépendent de la teneur en eau ou en solides du remblai. Pour étayer cette hypothèse, une série d'essais sur colonne a été réalisée avec un remblai en pâte de différents pourcentages de solides. Les contraintes totales verticales ont été mesurées au centre et près du mur. Les résultats montrent que les contraintes totales verticales dans un chantier diminuent à mesure que le pourcentage de solides augmente. Lorsque le pourcentage de solide du remblai est très élevé, une contrainte totale verticale faible au centre et près du mur a été obtenue. Une légère construction de barricade suffit. Lorsque le pourcentage de solides est faible, les contraintes totales verticales aussi élevées que la pression iso-géostatique ont été obtenues. Une légère construction de barricade peut ne pas suffire. Les principaux résultats de ce projet sont présentés dans sept articles de revue, dont deux publiés et cinq soumis. Les résultats des travaux connexes ont été présentés dans les annexes, incluant notamment les résultats des essais de laboratoire effectués pour mesurer le coefficient de pression des terres dans les chantiers remblayés et ceux sur l'efficacité de la réduction du frottement en utilisant différents matériaux lubrifiants.

Abstract

Mines produce not only valuable minerals, but also a large amount of solid wastes including tailings and waste rocks. For most cases, the tailings are transported by pipes and confined in tailings impoundments while the waste rocks are disposed as waste rock piles. These traditional mine waste management methods can pose some environmental and geotechnical problems. Thus, more and more mines use the mine wastes to fill underground mine stopes. This practice allows improved ground stability, increased ore recovery and reduced surface disposal of mine wastes. However, tailings dams and barricades can fail. In most cases, the consequences associated with a tailing dam or barricade failure are very serious and catastrophic. It is thus very important to correctly evaluate the pore water pressure (PWP) in the tailings impoundments and in mine backfilled stopes during and after the deposition operation to ensure stable tailings dams and barricades of backfilled stopes. This is the main objective of the thesis. For the case of ongoing deposition of a slurry, Gibson proposed a model in 1958 to evaluate the excess PWP. His solution contains an integral part, which can only be evaluated numerically. Analytical solutions are thus proposed in the context of this thesis based on the Gibson (1958) model. The proposed analytical solutions can be solved by commonly available tools of calculation (e.g. Excel of Microsoft). The proposed solutions have been validated by numerical results obtained by SIGMA/W. The good agreement between the analytical and numerical results indicates that the proposed solutions can be a useful tool to evaluate the PWP during the slurry deposition, especially in the preliminary stage of a project. For the case of after the end of deposition operation, Gibson only proposed a governing equation in 1958. The differential equations cannot directly be applied to evaluate the PWP or excess PWP. New development has been done, resulting in a new solution that can be used to evaluate the PWP with some commercial calculation tools like MATLAB. The proposed solutions have also been validated by numerical results obtained by SIGMA/W. They can be used to evaluate the PWP after the slurry deposition, in the preliminary stage of a project. For the case of barricade design in backfilled stopes, the most critical factor is the total stresses during and shortly after the slurry deposition. During theses processes, self-weight consolidation can take place, accompanied with the generation of effective stress and arching effect along the fill-wall contact interfaces. Until now, the self-weight consolidation and the arching effect have never been considered simultaneously in the evaluation of stresses in backfilled stopes. In this thesis, new solutions are proposed to evaluate the total and effective stresses in backfilled stopes by considering the self-weight consolidation and arching effect. For backfill with very high permeability, the proposed solution for the case of impervious base can reduce to the solution proposed by Li and Aubertin in 2009 for backfilled stopes with hydrostatic pressure. The proposed solutions are also validated by numerical modeling conducted with Plaxis2D. Sample application of the proposed solutions shows that high consolidation coefficient and low filling rate are favorable to the drainage, resulting in high effective stress and low total stress in the backfilled stope. Despite the numerous studies on the pressure and stresses in backfilled stopes, a dilemma exists. In the few available handbooks on mine backfills, light barricades are recommended to retain paste backfill in mine stopes because the pressures in stopes backfilled with paste backfill were evaluated as very small. This does not correspond to the in situ measurements, which showed that the PWP and total stresses during the backfilling operation can be as high as the iso-geostatic pressure based on the overburden of the backfill. A revision on the definition of paste backfill given in the handbooks reveals that a paste backfill meeting the criterion in terms of water bleeding can be very viscous and probably unsaturated. When such backfill is placed in a stope, arching associated with the apparent cohesion takes place, resulting in small stresses in the backfilled stopes. In practice, the application of such paste backfill can be very difficult. More water has to be added in the backfill to minimize the energy consumption for the pumping and transportation, to obtain horizontal backfill surface or to ensure tight contacts between the backfill and stope roofs. When the paste backfill is placed in the stope in form of slurry, the backfill has no effective shear strength. The PWP and total stresses can be as high as the iso-geostatic pressure based on the overburden of the backfill. These two extreme cases indicate that the pressures and stresses in the backfilled stope depend on the water or solid content of the backfill. To verify this hypothesis, a series of column tests were conducted with a paste backfill of different solid contents. The vertical total stresses were measured at the center and near the wall. The results show that the vertical total stresses in a backfilled stope decrease as the solid content increases. When the solid content of backfill is very high, low vertical total stress at the center and near the wall were obtained. A light barricade may be enough. When the solid content is low, the vertical total stresses as high as the iso-geostatic pressure were obtained. A light barricade may not be enough. The main results of this project are presented in seven journal articles with two published and five submitted. The laboratory test results conducted to measure the earth pressure coefficient in backfilled stopes and those performed to investigate the efficiency of friction reduction by using different lubricant materials have been presented in Appendices.