Analytical and Numerical Studies on the Stresses in Backfilled Stopes and the Stability of Side-Exposed Backfill in Inclined Stopes

L'exploitation minière est une industrie importante dans de nombreux pays, comme le Canada, la Chine, l'Australie, etc. Dans les méthodes d'extraction souterraine, de grands vides minés (appelés chantiers) peuvent être créés après l'extraction du minerai. Entre-temps, de grandes quantités de déchets solides comme les résidus et les stériles sont également produites comme produits secondaires. Traditionnellement, ces déchets miniers sont entreposés à la surface sous forme d'installations de stockage de résidus ou de tas de stériles. Au fil des ans, le remblayage des chantiers avec des déchets solides miniers a été de plus en plus utilisé dans les mines souterraines. Le remblayage peut améliorer les conditions de stabilité du sol, augmenter la récupération du minerai et réduire la dilution du minerai. Il peut également aider à réduire les déchets solides entreposés en surface et à minimiser les impacts environnementaux associés. L'application réussie du remblai nécessite une bonne compréhension de l'état de contrainte dans les chantiers de remblayage, ce qui est nécessaire pour la conception de barricades, de tapis de seuil et de remblais exposés latéralement. À cette fin, un certain nombre de solutions analytiques et numériques ont été publiées. Dans la plupart des cas, les contraintes verticales et horizontales sont surveillées le long de la profondeur du remblai à la fin de l'opération de remblayage. Les courbes résultantes sont alors une description de la variation des contraintes en fonction de leurs positions pour un remblai donné. Parfois, on ne peut s'intéresser qu'aux contraintes à la base du remblai. Dans ce cas, on peut obtenir une courbe qui décrit la variation des contraintes à la base du remblai en fonction de l'épaisseur du remblai. On obtient un profil contrainte-profondeur dans le premier cas et un profil contrainte-épaisseur dans le second cas. Même si les significations physiques des deux types de courbes sont différentes, l'utilisation des solutions analytiques existantes donnera les mêmes résultats entre elles. Les contraintes verticales et horizontales augmentent presque linéairement avec la profondeur ou l'épaisseur lorsque la profondeur ou l'épaisseur est très faible. Lorsque la profondeur ou l'épaisseur devient importante, les contraintes verticales et horizontales ont alors tendance à devenir constantes. Cela ne correspond pas aux résultats obtenus par des simulations numériques, qui montraient parfois une augmentation soudaine des contraintes près du fond sur le profil profondeur-contrainte. Ce phénomène a été appelé effets kink par Sivakugan et ses collaborateurs en 2014. Jusqu'à présent, il n'y a pas de solution analytique qui prend en compte l'effet kink pour évaluer les contraintes dans les chantiers remblayés. Le mécanisme de l'effet de pli reste également inconnu. Dans cette thèse, le mécanisme de l'effet kink est d'abord analysé. Une solution analytique est ensuite proposée après avoir pris en compte le mécanisme de l'effet de pli pour estimer les contraintes verticales et horizontales dans les paliers remblayés. Le mécanisme d'apparition de l'effet de pli et la solution analytique proposée sont validés par les résultats numériques obtenus avec FLAC. Les résultats montrent que l'apparition d'un effet de coude est étroitement liée à l'état du remblai, qui est déterminé par la relation entre le coefficient de Poisson  et l'angle de frottement interne φ du remblai. Le pli peut se produire lorsque μ > (1-sin φ)/2 alors qu'il ne se produit pas lorsque μ ≤ (1-sin φ)/2. Un autre problème critique pour la conception d'un chantier remblayé est d'évaluer la stabilité ou de déterminer la résistance requise du remblai dans le chantier principal afin que le remblai reste stable lors de l'exposition du remblai d'un côté en raison de l'excavation d'un chantier secondaire. Au fil des ans, un certain nombre de solutions analytiques ont été proposées pour évaluer la stabilité et la résistance requise du remblai exposé latéralement dans les chantiers verticaux. Seules quelques études ont été menées pour évaluer la stabilité du remblai exposé latéralement dans les chantiers inclinés. Les quelques solutions disponibles contiennent plusieurs limitations. Dans cette thèse, une solution analytique améliorée a été développée pour évaluer la stabilité et la cohésion requise du remblai exposé latéralement dans les chantiers inclinés. La solution analytique proposée est validée par des simulations numériques réalisées avec FLAC3D. Les résultats montrent qu'il existe un angle d'inclinaison critique de la paroi du chantier, auquel la cohésion minimale requise du remblai exposé latéralement dans les chantiers inclinés atteint une valeur maximale, à partir de laquelle la cohésion minimale requise diminue quel que soit l'angle d'inclinaison de la paroi du chantier augmente ou diminue.

Abstract

Mining is an important industry in many countries, such as Canada, China, Australia, etc. In underground mining methods, large mined-out voids (called stopes) can be created after ore extraction. In the meantime, large quantities of solid wastes like tailings and waste rocks are also produced as secondary products. Traditionally, these mining wastes are disposed of on the surface in forms of tailings storage facilities or waste rock piles. Over the years, stope backfilling with mine solid wastes has been increasingly used in underground mines. The backfilling can improve the ground stability conditions, increase ore recovery, and reduce ore dilution. It can also help reduce surface disposal of mine solid wastes and minimize the associated environmental impacts. The successful application of backfill requires a good understanding of the stress state in backfilled stopes, which is necessary for the design of barricade, sill mat, and side-exposed backfill. To this end, a number of analytical and numerical solutions have been published. In most cases, the vertical and horizontal stresses are monitored along the depth of the backfill at the end of the backfilling operation. The resulting curves are then a description of the variation of the stresses as a function of their positions for a given backfill. Sometimes, one can be only interested in the stresses at the base of the backfill. In this case, one can obtain a curve that describes the variation of the stresses at the base of the backfill as a function of backfill thickness. One obtains a stress-depth profile in the former case and a stress-thickness profile in the latter case. Even though the physical meanings of the two types of curves are different, the use of existing analytical solutions will result in the same results between them. The vertical and horizontal stresses increase almost linearly with the depth or thickness when the depth or thickness is very small. When the depth or thickness becomes large, the vertical and horizontal stresses then tend to become constant. This does not correspond to the results obtained by numerical simulations, which sometimes showed a sudden increase of the stresses near the bottom of the stress-depth profile. This phenomenon was called kink effects by Sivakugan and coworkers in 2014. Until now, there is no analytical solution that takes into account the kink effect to evaluate the stresses in backfilled stopes. The mechanism of the kink effect also remains unknown. In this thesis, the mechanism of kink effects is first analyzed. An analytical solution is then proposed after taking into account the mechanism of kink effect to estimate the vertical and horizontal stresses in backfilled stopes. The mechanism for the occurrence of kink effects and the proposed analytical solution are validated by numerical results obtained with FLAC. The results show that the occurrence of kink effect is closely related to the state of the backfill, which is determined by the relationship between the Poisson's ratio  and internal friction angle φ of the backfill. The kink can occur when μ > (1-sin φ)/2 while not occur when μ ≤ (1-sin φ)/2. Another critical issue for backfilled stope design is to evaluate the stability or determine the required strength of the backfill in primary stope in order for the backfill to remain stable upon the exposure of the backfill on one side due to the excavation of a secondary stope. Over the years, a number of analytical solutions have been proposed to evaluate the stability and required strength of side-exposed backfill in vertical stopes. Only a few studies have been conducted to evaluate the stability of side-exposed backfill in inclined stopes. The few available solutions contain several limitations. In this thesis, an improved analytical solution has been developed to evaluate the stability and the required cohesion of side-exposed backfill in inclined stopes. The proposed analytical solution is validated by numerical simulations conducted with FLAC3D. The results show that a critical stope wall inclination angle exists, at which the minimum required cohesion of side-exposed backfill in inclined stopes reaches a peak value, from which the minimum required cohesion decreases whatever the stope wall inclination angle increases or decreases.