Analyse numérique des mécanismes de rupture critiques des semelles en remblai cimenté excavées à la base en plusieurs séquences

L'exploitation minière constitue une source de revenue importante dans de nombreux pays à travers le monde tels que le Canada, l'Australie, la Guinée, etc. La demande en matières premières s'accroit continuellement afin de soutenir le développement de la technologie, la croissance démographique et économique dans les pays en voie de développement. Avec l'épuisement des gisements de surface ou à faibles profondeurs, l'exploitation minière progresse de plus en plus en profondeur dans des conditions géomécaniques plus défavorables et les risques d'instabilité deviennent plus élevés. Le design de chantiers et de structures stables constitue donc un défi majeur auquel sont confrontés les ingénieures en mécanique des roches. L'utilisation du remblai dans ces conditions constitue une solution efficace pour assurer la stabilité du terrain, augmenter la récupération du minerai et réduire la consommation énergétique en ventilation. L'utilisation du remblai dans les mines souterraines s'inscrit également dans le cadre des nouvelles normes environnementales établies dans de nombreux pays afin de réduire l'impact des rejets miniers entreposés en surface. Lorsque les qualités géomécaniques des massifs rocheux sont très mauvaises, l'utilisation du remblai devient une nécessité. Cela permet entre autres de réduire les risques liés aux coups de terrains associés aux contraintes élevées dans les piliers en minerai. Le design des semelles en remblai cimenté se heurte alors à une compréhension peu évoluée et de nombreuses controverses sur les mécanismes de rupture critiques de ces structures. Une avancée majeure a été apportée par Mitchell (1991) avec l'identification de quatre principaux modes de rupture (la flexion, l'effondrement, la rotation et le glissement). Il a également proposé des équations analytiques afin de prédire l'instabilité de la semelle pour chaque mode de rupture. Cependant, ces solutions sont restées peu utilisées dans la pratique compte tenu de nombreuses hypothèses simplificatrices associées à ces travaux. Par exemple, dans le modèle de Mitchell (1991), les épontes rocheuses ont été considérées comme rigides et immobiles. La contrainte verticale exercée sur la semelle a été déduite en appliquant une solution analytique d'effet d'arche en considérant une épaisseur du remblai très grande. En plus, la résistance de cisaillement entre la semelle et les épontes reste inconnue en raison de la non-détermination de la contrainte normale entre la semelle et les épontes rocheuses. Le modèle de Mitchell (1991) a été par la suite révisé par plusieurs chercheurs dont la plupart a reconduit les limitations importantes liées à la convergence latérale des épontes et à l'effet de l'excavation sous-jacente sur la stabilité des semelles. Les travaux de Hughes (2014) et de Pagé et al. (2019) ont permis de mettre en évidence la rupture par écrasement lorsque les contraintes de convergence sont très élevées. Néanmoins, le premier a utilisé des valeurs peu réalistes pour représenter les convergences et le second a surestimé l'effet de la convergence en utilisant des chantiers étroits et en excavant le chantier sous-jacent en une seule couche de hauteur très élevée. Afin d'obtenir une compréhension plus complète sur les mécanismes de ruptures des semelles dans les chantiers souterrains, une série de simulations numériques a été réalisée à l'aide du logiciel RS2 de Rocscience. Les modèles numériques étudiés prennent en compte la variation de plusieurs propriétés géométriques des chantiers et des semelles. L'influence du module de Young du remblai a également été analysée. Les résultats ont montré que l'écrasement est particulièrement plus fréquent dans les chantiers étroits, mais tous les autres modes de rupture peuvent également être observés lorsque la largeur des chantiers devient importante. Un nouveau critère de rupture ou d'instabilité de semelle en remblai cimenté a été établi afin d'identifier d'une façon plus objective l'état critique des semelles soumises à de fortes contraintes latérales et la résistance minimale requise des semelles dans ces conditions. À partir de cette première partie, la flexion a été identifiée comme principal mode de rupture des semelles de grandes portées dans les chantiers verticaux et subverticaux. À la suite de ces résultats, on constate dans un deuxième temps qu'il y a très peu de solutions novatrices disponibles dans la littérature pour améliorer la stabilité des semelles de grandes portées. Dans le cas des semelles de grandes portées, la résistance nécessaire peut être réduite par la réduction des zones en traction parce que les géomatériaux ont souvent une résistance beaucoup plus faible en traction qu'en compression. Dans cette deuxième partie de ce travail, on a investigué une solution novatrice qui consiste à ajuster la géométrie des semelles de grandes portées. La géométrie en archet a été retenue pour cet effet. La stabilité de semelles en forme d'arche a été analysée à l'aide d'une série de simulations numériques. Les résultats ont montré que cette nouvelle géométrie apporte une grande amélioration de la stabilité des semelles, réduit la traction à la base et la résistance minimale requise pour leurs designs. Plus de travaux sont encore nécessaires afin d'optimiser cette géométrie et de mettre à jour de nouvelles géométries plus stables contre les autres modes de ruptures.

Abstract

Mining industry constitutes an important source of income in many countries around the world such as Canada, Australia, Guinea, etc. The demand in minerals continuously increases to sustain the economic, social and demographic growths in the developing countries. With less and less mineral resources on the surface or at shallow depth, more and more mines have to progress toward large depth, where the geomechanical conditions are less favorable with higher risks of ground instability. Rock mechanics engineers thus face important challenges to design and maintain stable underground openings and structures. Using backfill in such conditions is an effective solution for improving the ground stability, increasing the ore recovery and reducing the energy consumption in ventilation. This is why underground stope backfilling has been accepted in many countries as a sustainable solution to reduce the environmental impact of surface disposal of mine wastes. When the rock mass is of very poor quality, the use of mining backfill becomes necessary to provide a safer working space or helps to reduce rock burst in highly stressed ore pillars. However, the design of sill mats made of cemented backfill is still problematic due to poor understanding of the critical failure mechanisms. A pioneering work was made by Mitchell in (1991), who identified four modes of failure, namely bending, caving, rotation and sliding. Four equations, each corresponding to one mode of failure, have been proposed based on the limit equilibrium analysis method to predict the instability onset of sill mats. The solution is not commonly used in practice due to several key limitations of the models. For example, the rock walls in the Mitchell's models were considered rigid and immobile. The vertical stress exerted by the overlying uncemented backfill on the sill mat was deduced by applying an analytical arching solution and considering a very large height of uncemented backfill. Moreover, the shear strength between the sill mat and the rock walls remains undetermined because the normal stress at the interface between the rock walls and the sill mat is unknown. Mitchell's (1991) model was later revised by several researchers. Most of them inherited the same limitations associated with the neglect of wall closure due to underlying stope excavation. Hughes (2014) and Pagé et al. (2019) identified a new critical failure mode that is shear by crushing due to the convergence of rock walls after the stope excavation below the sill mat. However, Hughes (2014) used unrealistic values to represent the convergences of rock walls and Pagé et al. (2019) overestimated the effect of convergence by considering narrow stopes and one step excavation of the underlying stope. In order to obtain a better and more complete understanding of the failure mechanisms of sill mats in underground mining, a series of numerical simulations has been conducted by using RS2 of Rocscience. The analyzed numerical models took into account the variation of stope and sill-mat geometries and mechanical properties of backfill. The results showed that shear by crushing is the stability controlling mechanism in narrow stopes, but all other critical failure modes can be observed when the stope width becomes large. Based on the results of this first part, failure by bending has been identified as the stability controlling mechanism of sill mats with long span in vertical stopes. In addition, a new criterion of instability based on numerical reproduction of uniaxial compressive test is, for the first time, established in order to more objectively evaluate the failure or instability onset of structures and give more objective determination of the minimum required strength. Following the results of the first part, one notes that there are very few innovative solutions in the literature to improve the stability of sill mats of large spans. In fact, the stability of such sill mats can be improved by reducing the tension at the base after the excavation of the underlying stope because geomaterials like cemented backfill usually have strength higher in compression and lower in tension. In the second part of this thesis, an innovative solution is proposed by considering arched sill mats. The stability of arched sill mats is then analyzed by numerical modeling with RS2 in comparison with traditional rectangular sill mats. The results showed that this new geometry significantly improves the stability of the large span sill mat. The tension zones at the base as well as the minimum required strength of large span sill mats can considerably be diminished through the use of arched sill mats. More work is still needed to optimize the geometry and identify more suitable geometry against other failure modes.