Étude expérimentale des propriétés géotechniques d'un remblai hydraulique en lien avec la ségrégation des particules

Par ses activités, l'industrie minière génère des quantités considérables de rejets solides sous formes des résidus miniers et des roches stériles qui, une fois entreposés en surface, peuvent engendrer des problèmes géotechniques, environnementaux et de paysage. L'adoption du remblayage dans les méthodes de minage en souterrain demeure l'une des mesures permettant d'annihiler en partie ces problèmes. Par cette pratique, l'industrie minière retourne dans les chantiers souterrains une grande partie de ces rejets solides. Plusieurs types de remblais sont ainsi utilisés: le remblai en pâte, le remblai rocheux et le remblai hydraulique. Le remblai hydraulique a été le premier type de remblai utilisé dans les mines souterraines. En raison de son faible coût et de sa simplicité de préparation, il reste encore un des plus utilisés de nos jours dans les mines en souterrain au Canada, en Australie, en Chine et ailleurs dans le monde.Composé de sable et/ou de résidus miniers classifiés, le remblai hydraulique possède généralement une conductivité hydraulique élevée. Il peut se consolider rapidement une fois déposé dans le chantier. Cependant, cette propriété hydraulique positive peut mener à des conséquences négatives sur les propriétés mécaniques. L'écoulement d'eau rapide associé avec le drainage et la consolidation rapides du remblai peut entrainer le mouvement et la migration des particules fines. Ce phénomène est connu et appelé la ségrégation. La ségrégation des particules du remblai dans le chantier entraine une hétérogénéité des propriétés géotechniques. Cette imprévue peut mener à une augmentation des risques d'instabilité de remblai et de dilution du minerai lors de l'extraction des chantiers secondaires. Beaucoup d'études ont été apportées en considérant l'intégration d'adjuvants dans le mélange de remblai hydraulique pour diminuer le degré de ségrégation. Peu d'études portent sur la description de la ségrégation ainsi que sur la variation spatiale des propriétés géotechniques associée à la ségrégation des remblais déposés dans les chantiers. L'objectif de ce projet de recherche consiste donc à mieux comprendre les mécanismes de ségrégation et évaluer quantitativement la variation spatiale des propriétés géotechniques d'un remblai hydraulique en lien avec la ségrégation du remblai. Pour atteindre cet objectif, un remblai hydraulique a été fabriqué par le mélange entre un résidu minier et un sable classifié. Plusieurs essais ont été menés sur des échantillons préparés dans des colonnes de hauteurs variables. Le drainage à la base n'est pas permis. La résistance en compression uniaxiale, la granulométrie, la porosité et la masse volumique ont été mesurées le long de la hauteur des différentes colonnes. Des expressions ont été proposées pour décrire quantitativement le degré de ségrégation d'un matériau. Cette étude a permis de mettre en évidence deux mécanismes de ségrégation qui interviennent lors de la déposition et durant la consolidation du remblai hydraulique. La sédimentation rapide des grains grossiers (classification) engendre un drainage ascendant, qui entraine la migration des particules fines vers le haut à travers les pores des strates lâches (diffusion) du remblai hydraulique et facilite la ségrégation par fluidisation des particules. Ces mécanismes engendrent une stratification du remblai hydraulique. Les matériaux fins riches en liant, soit du ciment Portland, occupent les couches supérieures tandis que les matériaux grossiers dépourvus de particules fines remplissent les couches inférieures. Cette hétérogénéité des matériaux entraine une variation de la porosité, de la densité et de la résistance mécanique du remblai dans les colonnes. Quoique de matériaux plus fins, de porosité plus grande et de densité plus faible, les couches au sommet présentent des résistances mécaniques plus élevées en raison de leur teneur plus élevée en ciment par rapport aux couches inférieures dans les colonnes. Les comparaisons entre les résistances mécaniques obtenues avec des échantillons préparés en dimension standard et celles obtenues avec des échantillons préparés dans des colonnes de différentes hauteurs démontrent que la résistance mécanique d'un remblai hydraulique déposé dans un chantier avec une barricade étanche peut être sous-estimée au sommet et surestimé à la base par les résultats obtenus avec des échantillons standard. Plus de travaux sont nécessaires en considérant différentes conditions de drainage à la base et en utilisant des recettes différentes en variant la granulométrie, le pourcentage de solides, le teneur en ciment et en considérant différentes périodes de repos.

Abstract

The mining industry generates considerable amounts of solid wastes in terms of tailings and waste rocks, which are usually stored on ground surface and can generate environmental, geotechnical and landscape problems. The use of mining wastes as backfilling material in the underground mining can partly reduce these problems. In fact, this practice can allow the mining industry to return a large part of these solid wastes to underground stopes. Several types of backfills are used in the mining industry, including paste backfill, rock fill and hydraulic backfill. Hydraulic backfill was the first type of backfill used in underground mines. It still remains one of the most used backfill today in Canada, Australia, China and elsewhere in the world. Composed of sand or/and classified tailings, the hydraulic backfill usually has a high hydraulic conductivity. Upon deposition in a mine stope, its drainage and consolidation can take place quickly. However, this positive aspect in hydraulic behavior can lead to negative consequence on the mechanical properties. The fast flow of water associated with the quick drainage and consolidation can lead to the movement and migration of fine particles. This is a phenomenon well-know as segregation. The segregation of the backfill particles in stopes leads to a heterogeneity of the geotechnical properties. These unexpected properties may increase the risks of instability of the backfill and ore dilution during the extraction of the secondary stopes. Numerous studies have been reported by integrating admixtures into the hydraulic backfill mixture to reduce the degree of segregation. Few studies have been done on the quantification of the degree of segregation and on the quantification of the spatial variation of the geotechnical properties associated with the segregation when the backfill is deposited in stopes.The objective of this project of research is to better understand the mechanism of the segregation and to quantitatively evaluate the spatial variation of the geotechnical properties associated with the segregation of a hydraulic backfill. To achieve this objective, a hydraulic backfill was made by mixing a portion of tailings and another portion of classified sand. Several tests have been conducted on samples prepared with various columns of different heights. Base drainage was not allowed. The unconfined compressive strength, particle size distribution, porosity and density were measured along the height of the columns of different heights. Expressions were proposed to quantitatively describe the degree of segregation of granular materials.This study has allowed to highlight two mechanisms of segregation that were involved during the deposition and consolidation of the hydraulic backfill. The quick sedimentation of the coarse particle (classification) generates an upward drainage, which leads to the upward migration of fine particles through the pores of the loose strata (diffusion) of the hydraulic backfill and facilitates the fluidization segregation of the particles. These mechanisms result in stratification of the hydraulic backfill. Binder-rich fine materials occupy the upper layers, while coarse materials free of fine particles fill the lower layers. This heterogeneity of the materials results in a variation in the porosity, density and mechanical strength of the backfill in the columns. Even though the top layers are higher in porosity and lower in density, their mechanical strengths are higher than the underlying layers because of their high content in cement. The comparisons between the mechanical strengths obtained with samples prepared in standard dimension and those obtained with samples prepared in columns of different heights demonstrate that the mechanical strength of a hydraulic backfill placed in the stopes with a waterproof barricade can be underestimated near the top part and overestimated near the base part of the backfill by using the mechanical strength obtained with samples prepared in standard dimension. More works are necessary by considering different base draining condition and different recipes with different particle size distributions, solid contents, binder contents and curing time.