Slope Stability Analysis of high Waste Rock Piles Constructed by Push/End Dumping Using 2D and 3D Fem Simulations

Les roches stériles (RS) sont des produits sans valeur commerciale issus du processus d'excavation autour du minerai dans les mines. De grands volumes de RS sont souvent extraits des mines à ciel ouvert en roche dure. Les gros volumes de RS sont entreposés en surface sous forme de haldes. Les haldes à stériles (HS) sont souvent construites par la méthode combinée du déversement à la benne de camion suivi d’un épandage et d’une déposition au butoir dans la pente (push and end-dumping). Les HS de roches dures ont généralement une pente latérale d'environ 37 degré et certaines font partie des plus grandes structures construites, dépassant parfois 400 mètres de hauteur. Les HS doivent être conçues pour assurer leur stabilité géotechnique pendant et après les fin des opérations minières. La conception optimale des HS nécessite une compréhension approfondie du comportement des matériaux de RS, et l’utilisation d’un modèle constitutif bien adapté pour les analyses, qui impliquent généralement des simulations numériques. La stabilité des pentes des HS est affectée par de nombreux facteurs tels que la géométrie et la configuration des haldes, la méthode de construction, la séquence de construction et les propriétés des RS. Les analyses de stabilité de pente basées sur la méthode d’équilibre limite (MEL) sont couramment utilisées pour évaluer le facteur de sécurité (FS) des HS. Alternativement, des analyses plus élaborées peuvent être réalisées en utilisant le méthode des éléments finis (MEF), en tenant compte du champ des contraintes et des déformations, y compris l'influence des équipements lourds circulant sur le dessus de la halde. Une analyse par la MEF fiable de la stabilité des pentes nécessite une modélisation appropriée du comportement des matériaux qui constituent les RS. Les propriétés mécaniques des RS, telles que la compressibilité et la résistance au cisaillement, peuvent jouer un rôle important dans la stabilité de la pente. Cependant, très peu d'études documentées dans la littérature sur les HS ont considéré des modèles constitutifs avancés. L'objectif principal de ce projet de thèse de doctorat est d'évaluer la stabilité géotechnique des HS construites via la méthode push/end-dumping à partir d’une modélisation numérique avancée. Cette étude utilise des méthodologies 2D et 3D dans les simulations numériques, en mettant l'accent sur la prise en compte du comportement contrainte-déformation du matériau (RS) produits par les mines de roche dure. L'étude comprend la détermination du FS, ainsi que l’emplacement et la forme de la surface de rupture la plus critique. Les propriétés des RS de la mine de roche dure (CM) de référence ont caractérisées par de essais de compression triaxiale sur des spécimens de grande taille comportant des grains relativement grossiers (dmax=50 mm). Le comportement des éprouvettes est contractif et pulvérulent, avec une résistance au cisaillement contrôlée essentiellement par un angle de frottement interne pouvant atteindre jusqu’à 45 degré. Le comportement du matériau peut être représenté avec précision en calibrant le modèle constitutif Hardening Soil. Un deuxième ensemble de résultats d’essais triaxiaux sur les RS d’une mine de cuivre à ciel ouvert dans la région centrale du Chili (ROM) est utilisé pour évaluer l'effet de différentes propriétés des matériaux sur la stabilité des pentes des HS. Les simulations par la MEF sont effectuées à l’aide du logiciel PLAXIS et plusieurs scénarios sont étudiés, tels que différentes hauteurs des HS, différentes propriétés des matériaux de RS (i.e. CM et ROM) et l'effet des charges induites par les équipements lourds tout en tenant compte de l'effet des étapes de construction pour prendre en compte l'historique des contraintes. Les résultats des analyses 2D et 3D menées avec la MEF avec réduction de résistance, disponible dans PLAXIS, et avec la MEL, selon la méthode de Morgenstern-Price disponible dans SLOPE/W, montrent qu'une augmentation de la hauteur des HS entraîne généralement une diminution du FS. En 3D, une troisième dimension plus grande (extrusion des modèles 2D en 3D) conduit usuellement à une augmentation du FS. La charge des équipements en surface semble avoir un impact limité sur FS, mais elle peut affecter l’emplacement de la surface de rupture (caractérisé par le paramètre Dc ). L'incorporation d'étapes de construction de la HS par l'activation séquentielle de couches inclinées permet de considérer l'historique des contraintes dans l’analyse. Cette approche conduit à un FS plus faible (et donc plus) conservateur) et à une surface de rupture moins profonde par rapport aux modèles qui ne tiennent pas compte des étapes de construction. Il est important de noter ici que les valeurs de FS obtenues dans cette étude pour des HS de différentes hauteurs (allant de 50 à 260 m) sont inférieures à FS = 1.3, prescrit par diverses lignes directrices telles que celles du MERN (2016) au Québec, Canada. La distance correspondant à la surface de glissement avec FS = 1.3 (D1.3 ) qui peut être obtenue par des analyses par MEL, est comparée au Dc obtenu à partir des calculs par MEF. La comparaison révèle que Dc reste relativement constant pour différentes hauteurs de la halde et propriétés du matériau, alors que la valeur de D1.3 peut varier considérablement avec ces caractéristiques, particulièrement lorsque le matériau a un angle de frottement interne faible. Plusieurs stratégies peuvent être envisagées pour augmenter FS, dont le compactage des matériaux et la construction de bermes. Cependant, le remblayage de RS à partir de la base dans une fosse profonde peut poser des défis de mise en œuvre de ces stratégies, les rendant coûteuses et parfois irréalisables. Dans de tels cas, l'utilisation d’équipements contrôlés à distance peut être évaluée en fonction des directives applicables, avec une surveillance continue de la déformation de la halde et des rétro-analyses de FS (s’il y a instabilité) Les résultats de ce projet de recherche améliorent notre compréhension du comportement des matériaux de RS et de la stabilité des HS, sur la base d'outils de modélisation constitutive et numérique avancés. Ces résultats sont utiles pour évaluer la sécurité des opérations de décharge par push/end- dumping dans les opérations de remblayage en fosse (ou à flanc de montagne). Une autre contribution de cette recherche est d'aider à optimiser la conception des HS, à partir d’une meilleure évaluation du comportement géotechnique des RS, et d’autres structures telles les digues et les remblais. Plusieurs pistes de recherche future pourraient contribuer à faire progresser la compréhension de la stabilité des HS. Par exemple, l'analyse de géométries des haldes plus complexes, telles que l'incorporation de bancs et de couches, pourrait fournir des informations sur leur influence pour la stabilité. De plus, la prise en compte de l'hétérogénéité du matériau de RS dans la halde, y compris des facteurs tels que la ségrégation, la stratification et différentes lithologies, peut être étudiée à l'aide de techniques telles que la photogrammétrie aérienne et l'analyse d'images. D'autres études seraient également nécessaires sur évaluer la réponse dynamique des HS, suite à un chargement cyclique par des équipements mobiles ou par des événements sismiques. De plus, il serait pertinent d'analyser l’effet de la dispersion observée dans les paramètres mécaniques des RS, notamment par le biais d'essais in situ qui pourraient aider à valider les résultats de laboratoire et à mieux comprendre l'influence des effets de taille sur le comportement mécanique. La réalisation de rétro-analyses des défaillances peut contribuer à l'évaluation et à la comparaison des paramètres mécaniques des RS. De plus, l'étude des effets de l’eau et d’une saturation partielle sur le comportement mécanique des matériaux dans les HS, afin de tenir compte de l'influence de l'humidité sur la cohésion apparente et sur la rupture des particules, pourrait fournir des informations précieuses sur le comportement des haldes à stériles.

Abstract

Mine waste rocks (WR) constitute an economically valueless by product of the excavation process required for ore extraction. Large volumes of WR are often produced by open pit hard rock mines and are stored on the surface in piles. Waste rock piles (WRP) are generally constructed by end/push- dumping methods, with WR deposited on the top surface through truck dumping and eventually push (or spread) by dozers along the slope. WRP from open pit mines, which typically have a natural side slope angle near 37 degrees for hard rocks, are among the largest man-made structures, sometimes exceeding 400 meters in height. These piles must be designed to ensure their geotechnical stability during and after mining operations. The optimal design of WRPs requires a good understanding of the WR material behavior and the use of well-adapted constitutive models for reliable stability analyses. Slope stability of WRPs is affected by many factors such as pile geometry and configuration, construction method, construction sequence, and WR material properties. Slope stability analyses using the limit equilibrium method (LEM) are commonly employed to assess the factor of safety (FS) of WRPs. More comprehensive analyses can however be achieved by using simulations with the finite element method (FEM) to evaluate the stress and strain fields within the pile and its overall stability, considering different influence factors such as the construction sequence and presence of heavy trucks and dozers working on top of the pile. A reliable FEM slope stability analysis requires a representative model for the WR material behavior. The mechanical properties of WR materials, such as compressibility and shear strength, play a significant role in the stability of piles, but very few studies in the literature on WRPs have considered advanced constitutive models. The main objective of this doctoral thesis project is to assess the geotechnical stability of WRPs constructed via push-and-end dumping method through comprehensive numerical modeling. This study uses 2D and 3D numerical simulations, with a focus on accounting for the stress-strain behavior of the WR from hard rock mines. The study includes the determination of the FS, and location and shape of the most critical failure surface for different scenarios. WR material from a hard rock mine (CM) was characterized through large triaxial tests on relatively coarse-grained specimens (dmax=50mm). The experimental results indicate that the behavior of loose samples is contractive and cohesionless, with a shear strength controlled by an internal friction angle that can reach up to 45 degrees. The material behavior can be accurately captured by calibrating the Hardening Soil constitutive model (which is presented in detail in the thesis). A second set of triaxial test results on waste rock from a copper open pit mine in central region of Chile (ROM WR) is also used to assess the effect of different material properties on slope stability of large WRPs. Simulations are conducted with the FEM software PLAXIS, for several scenarios, mostly based on pit backfilling with WR, considering various pile’s height, different WR material properties (i.e., CM and ROM WR), and the effect of construction stages and machinery loads to assess representative stress history. The results from 2D and 3D slope stability analyses, using the FEM and strength reduction method in PLAXIS and LEM with the Morgenstern-Price LEM in SLOPE/W, show that an increase in WRP height generally leads to a decrease in FS. A larger third dimension, when extruding 2D models to 3D, usually leads to an increase in FS. Machinery load has minimal impact on FS, but it can affect the failure surface location, which is expressed here using the horizontal distance to the edge of the pile on the top surface (Dc). Incorporating construction stages through the sequential activation of inclined layers enhances the realism of the stress history within the WRP. This approach typically leads to a more conservative (lower) FS, and to a shallower failure surface compared to models that do not account for construction stages. The FS values obtained in this study for WRPs of various heights (ranging from 50 to 260 m) are all smaller than the target FS value of 1.3, recommended by many guidelines (such as those from MERN (2016) in Quebec, Canada). Therefore, the horizontal distance of the slip surface with FS = 1.3 (identified as D1.3 ) which can be obtained by LEM analyses, is compared with the Dc obtained from FEM (and LEM) calculations. The comparison indicates that while Dc remains relatively constant regardless of pile height and material properties, D1.3 can vary significantly with these same factors, especially when the material has a lower internal friction angle. Previous work on WRP stability has shown that several strategies can be considered to improve their stability and raise the value FS, including material compaction and construction of benches. However, the deposition of WR in open pit mines poses challenges in implementing these strategies, making them expensive and sometimes unfeasible. In such cases, the use of remote machinery from a safe distance can be evaluated based on applicable guidelines and the type of analysis presented here (e.g., D1.3 ). Continuous monitoring of the displacements of the WRP can also be critical to conduct back analyses and establish the actual value of FS. The findings of this research project help improve our understanding on the behavior of WR materials and WRPs stability, based on the application of comprehensive constitutive and numerical modeling tools. These results are useful for evaluating the safety of end/push-dumping operations in open-pit backfilling or steeply inclined valley fill operations. Another contribution of this research comes from the comparison of results obtained with LEM and FEM stability analyses, and from 2D and 3D simulations. The overall analysis is also helping to optimize the design of WRPs in mining and other similar geotechnical engineering designs, based on an enhanced estimation of the mechanical behavior of structures built with coarse grained materials including WR piles, dikes, dams and embankments. Several avenues of research could contribute to advancing our understanding of WRP stability in the future. For instance, exploring more complex WRP geometries, such as incorporating benches and layering, can provide insights into their influence on stability. Additionally, considering the heterogeneity of WR material within the pile, including the effect of segregation, stratification, and different lithologies, can be investigated based on observations using techniques like aerial photogrammetry and image analysis. Additional studies are also needed on the dynamic response of WRPs for dynamic loading from machinery and seismic events. Also, it is critical to analyze the scatter observed in waste rock mechanical parameters through more extensive in-situ testing that could help to validate laboratory results and gain insights into size effects on the mechanical behavior. Conducting back-analysis of failures can further contribute to evaluating and comparing the mechanical parameters of WR materials. Moreover, studying the effects of water flow and moisture distribution under unsaturated conditions on the mechanical behavior of WR materials, particularly considering the influence of humidity in promoting particle breakage, can provide valuable information on the compressibility and strength of WRPs, and related influence on stability.