Effet de la granulométrie sur le comportement géotechnique de roches stériles concassées utilisées comme surface de roulement sur des routes minières

Les opérations minières produisent de grandes quantités de roches stériles qui sont généralement entreposées dans des haldes à stériles. La gestion et la restauration de ces empilements sont complexes en raison de leur taille (h > 100 m, A > 100 ha) et de leur stabilité géotechnique et géochimique. La valorisation (i.e. réutilisation) des roches stériles permet de réduire l'empreinte des haldes tout en répondant aux besoins de matériaux de construction pour les infrastructures minières. Les stériles sont couramment utilisés pour la construction des routes sur les sites miniers, mais avec peu ou pas de préparation ou de tri particulier. Il en résulte des routes avec une faible durabilité qui contribuent à l'augmentation des crevaisons et à la génération de poussières. L'utilisation dans la surface de roulement de roches stériles concassées dont les propriétés sont optimisées pourrait permettre de réduire l'apparition de défectuosités sur la route et permettre une conduite plus confortable et sécuritaire pour les usagers.L'objectif principal de ce projet de maîtrise était de déterminer les propriétés géotechniques optimales pour l'utilisation des roches stériles concassées comme surface de roulement dans les routes minières. Dans un premier temps, une caractérisation (analyses granulométriques, densité relative des grains solides, compaction Proctor standard et modifié, perméabilité) a été réalisée sur des stériles concassés provenant d'une mine partenaire de l'IRME (Mine Canadian Malartic). La rigidité est un indice important de la performance du matériau utilisé dans la surface de roulement. L'essai de l'indice de portance californien (California bearing ratio test ou CBR) a été utilisé comme indicateur de la rigidité du matériau en fonction de différentes distributions granulométriques, énergies de compaction et teneurs en eau. Des mesures de densités ont été réalisées sur le terrain afin de confirmer si la compaction étudiée au laboratoire correspond à celle observée en place. Les résultats issus du programme de laboratoire ont ensuite été utilisés dans le logiciel SIGMA/W (Geo-Slope Intl. 2018) afin d'évaluer les déformations induites par le passage des véhicules extra-lourds selon les différentes caractéristiques de la surface de roulement. Les résultats des simulations numériques ont permis d'estimer la résistance au roulement correspondant aux différents matériaux modélisés. Les résultats obtenus au laboratoire ont permis de proposer quelques recommandations pour maximiser la rigidité et la densité du matériau destiné à la construction de la surface de roulement de route minière, notamment en modifiant sa distribution granulométrique et l'énergie de compaction employée. Pour le matériau testé, 10% de particules fines (d<0,08 mm) et une énergie de compaction élevée ont permis d'obtenir des CBR supérieurs à 250%. Les résultats ont également montré que les particules les plus grossières du matériau contribuaient significativement à sa rigidité. Les travaux de terrain ont en outre permis de vérifier que l'intervalle des densités mesurées au laboratoire correspondait bien à ce qui est observé sur le terrain. Une certaine hétérogénéité de la distribution des densités et de la distribution granulométrique des roches stériles concassées utilisées dans la surface de roulement a été observée. Finalement, les simulations numériques ont montré que la résistance au roulement pouvait être réduite d'au plus 0,26% grâce à l'augmentation de la rigidité du matériau étudié pour des valeurs de résistance au roulement initiale d'environ 3%.Les résultats de cette étude ont montré que l'optimisation du choix et de la préparation des roches stériles concassées utilisées dans la construction de la surface de roulement des routes minières pouvait améliorer les performances du matériau et ainsi favoriser sa valorisation.

Abstract

Mining operations generate large volume of waste rocks, which are usually disposed of in piles. Management and reclamation of waste rock piles can be a challenge because of their size (h > 100 m and A > 100 ha) and their geochemical and geotechnical stability. The valorization (i.e. reuse) of these materials reduces their footprint while meeting the needs of construction materials for mine infrastructures. Waste rock is commonly used for road construction at mine sites. However, current practice usually consists of using waste rock directly, without any particular preparation or selection, thus resulting frequently in punctures, dust generation and low durability. Optimizing properties of crushed waste rocks used in the surface course of mine haul roads could reduce the occurrence of road defects and provide a more comfortable and safer ride for users. The main objective of this research project was to determine the optimal geotechnical properties for the use of crushed rock as a running surface in mining roads. First, a characterization (particle size distribution analysis, specific density, standard and modified Proctor compaction, permeability) was performed on crushed waste rock from a partner mine of RIME (Canadian Malartic Mine). Stiffness is an important index of the performance of the material used in the surface course. The California bearing ratio test (CBR) was used as an indicator of the stiffness of the material for different particle size distributions, compaction energies and water contents. Densities were measured in the field to confirm whether the compaction studied in the laboratory corresponded to what is observed in situ. The results from the laboratory program were then used in the SIGMA/W (Geo-Slope Intl. 2018) numerical code to evaluate the deformations induced by the traffic of extra-heavy vehicles according to the different characteristics of the running surface. The rolling resistance corresponding to the different rolling surface materials modelled was evaluated using numerical simulations. Laboratory results showed that it was possible to maximize the stiffness and density the mining road surface by modifying the particle size distribution and the compaction energy used for its construction. For the tested material, 10% fine particle content (d <0.08 mm) and a high compaction energy yielded CBR results greater than 250%. The results also showed that the coarser particles of the material contributed significantly to increase its rigidity. Fieldwork has shown that the range of density measured in the laboratory corresponded well to field conditions. Heterogeneity of density distribution and particle size distribution of the crushed sterile rocks used in the surface course was observed in the field. Finally, the numerical simulations have shown that the increase of the stiffness of the studied material could contribute to decreasing the rolling resistance by a maximum of 0.26% for initial rolling resistance of around 3%. The results of this study showed that the optimization of the crushed waste rocks used in the construction of the surface course of mining roads could improve the performance of the material and thus promote its valorization.