Études analytiques, numériques et expérimentales pour évaluer les contraintes et les pressions dans les chantiers remblayés et sur les barricades

L'industrie minière génère de grandes quantités de rejets miniers. Leur entreposage en surface peut engendrer des problèmes environnementaux et de sécurité. À cet égard, le remblayage des chantiers souterrains est une opération courante dans les mines en souterrain en raison de plusieurs avantages : réduire la quantité des rejets entreposés en surface, améliorer la stabilité du terrain, augmenter la quantité des minerais extraits et réduire la dilution. Afin de maintenir en place les remblais miniers dans les chantiers remblayés, des structures de retenue (barricades) sont construites au point de soutirage en bas du chantier. Il est très important de bien évaluer les pressions et les contraintes sur ces barricades, afin de les dimensionner adéquatement et d'assurer leur stabilité. Toutefois, peu d'études ont été menées sur l'évaluation des pressions et des contraintes sur les barricades. En particulier, l'effet du nombre de trous de drainage, communément installés à travers les barricades, n'a jamais été étudié. Dans cette optique, des simulations numériques à l'aide du code numérique SIGMA/W ont été réalisées dans le cadre de cette thèse, afin d'évaluer la distribution des contraintes dans le chantier et sur la barricade, en tenant compte de l'effet du drainage et de la consolidation et de l'effet d'arche. Ainsi, il a été démontré que les trous de drainage peuvent aider à diminuer grandement les pressions interstitielles sur les barricades à court et à long terme, mais très peu les contraintes totales sur les barricades à court terme. Cela indique que l'installation des trous de drainage à travers les barricades n'aide pas significativement à augmenter la stabilité des barricades à court terme. Les résultats ont montré aussi que les contraintes totales horizontales et les pressions interstitielles sur la barricade sont plus élevées lorsque la vitesse du remplissage du remblai dans le chantier ou la rigidité de ce dernier sont plus grandes. Pour évaluer les contraintes dans un chantier remblayé, plusieurs solutions analytiques ont été proposées dans la littérature. La plupart de ces celles-ci considèrent que les contraintes horizontales et verticales sont des contraintes principales et uniformément distribuées le long d'une ligne horizontale à travers le chantier. Ceci est différent des résultats numériques qui ont montré que les contraintes principales suivent un trajet en forme d'un arc à travers la largeur du chantier. Afin de prendre en compte cet aspect, une solution analytique en 2D est proposée dans cette thèse en se basant sur la théorie d'effet d'arche en considérant un élément de couche en arc. Cette solution a été ajustée et validée à l'aide de simulations numériques et permet d'évaluer les contraintes principales majeures et mineures, ainsi que les contraintes verticales et horizontales, dans tout point situé dans un chantier remblayé vertical. Par rapport aux solutions analytiques existantes, des améliorations importantes ont été observées sur la description et la prédiction des contraintes autour des parois du chantier. En plus, la nouvelle solution n'exige pas la connaissance préalable d'un coefficient de pression latérale des terres. La solution proposée peut être considérée comme une grande amélioration, permettant de mieux évaluer l'état des contraintes dans les chantiers remblayés verticaux. En plus des analyses numériques et analytiques, des essais expérimentaux ont été menés dans le cadre de cette thèse pour mesurer les contraintes totales et les pressions interstitielles dans les chantiers remblayés. Jusqu'à présent dans la littérature, aucun essai au laboratoire n'a mesuré simultanément les pressions interstitielles et les contraintes totales. Ceci rend difficile l'étude de l'évolution des propriétés hydromécaniques associées à la consolidation gravitaire pendant et après la déposition des remblais. Pour remédier à cela, plusieurs types d'essais de déposition du remblai ont été menés dans une colonne de 69 cm de haut et de 15 cm de diamètre, afin d'évaluer l'évolution des contraintes totales et des pressions interstitielles, durant et après la déposition du remblai. La vitesse de remplissage et le pourcentage du solide ont été variés pour évaluer leur effet. Les résultats de cette étude expérimentale ont montré que lorsque le remblayage est plus rapide, la valeur de la contrainte effective reste faible. Par conséquent, l'évolution du coefficient de consolidation (cv) du remblai reste alors faible et constante. Un taux de remplissage plus rapide produit un pic plus élevé de contraintes totales et de pressions interstitielles, ce qui est en accord avec les résultats des simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse.

Abstract

The mining industry generates large quantities of waste. Their surface storage can lead to environmental and safety problems. In this regard, backfilling of underground stopes is a common operation in underground mines because of several advantages: reducing the amount of waste stored on the surface, improving ground stability, increasing the quantity of ore extracted and reducing the dilution of minerals. In order to keep backfill in place once poured in the stopes, retaining structures (barricades) are built at the drawpoint at the base of the stopes. A good evaluation of the pore water pressures (PWPs) and stresses on these barricades is necessary to properly design them and ensure their stability. However, few studies have been conducted on the evaluation of pressures and stresses on barricades. In particular, the effect of the number of drainage holes, commonly installed through the barricades, has never been studied. With this in mind, numerical simulations using the code SIGMA/W have been carried out as part of this thesis, in order to evaluate the distribution of stresses in the backfilled stope and on the barricade, taking into account the consolidation, drainage and arch effect. Thus, it has been shown that the drainage holes help to significantly decrease the PWPs on the barricade in short and long terms, but not significantly the total stresses on the barricades in the short term. This indicates that the use of drainage holes does not significantly help improve the stability of barricade in the short term. The results also indicate that the increase in filling rate, as well as the decrease in hydraulic conductivity and backfill stiffness, can lead to high peak values in the total horizontal stresses and PWPs on the barricade. Several analytical solutions have been proposed in the literature to evaluate the stresses in a backfilled stope. Most of these considered that the horizontal and vertical stresses are principal stresses and uniformly distributed along a horizontal line across the stope. Numerical results showed however that the principal stresses follow an arc path across the stope. In order to consider this aspect into account, a 2D analytical solution is proposed in this thesis based on the arching theory by considering an arc layer element. This solution has been adjusted and validated using numerical simulations and allows to evaluate the major and minor principal stresses, as well as the vertical and horizontal stresses, at any point located in a vertical backfilled stope. Compared to exiting analytical solution, significant improvement has been observed on the estimation of the stresses near the stope walls. In addition, the proposed solution does not require the knowledge of the earth pressure coefficient. The proposed solution can thus be considered as an improved tool that can be used to better assess the stresses in backfilled vertical stopes. In addition to numerical and analytical analyses, experimental tests were carried out as part of this thesis to measure the total stresses and pore water pressures in backfilled stopes. To date in the literature, no laboratory tests have simultaneously measured PWPs and total stresses in backfilled stopes. This makes it difficult to study the evolution of the hydromechanical properties associated with self-weight consolidation during and after backfill deposition. To remedy this, several backfill deposition tests were conducted in a 69 cm high, 15 cm diameter column to assess the evolution of total stresses and PWPs during and after backfill deposition. Filling rates and percent solids were varied to assess their effect. The results of this experimental study showed that when backfilling is faster, the effective stress remains at a low value. Consequently, the evolution of the consolidation coefficient (cv) still low and constant. A faster filling produces higher peak values in the total stresses and PWPs. This is in good agreement with the results of the numerical simulations carried out as part of this thesis.