Geomechanical Behaviour of Waste Rock Barricades and Cemented Paste Backfills: Experiments and Modelling

Les métaux précieux (tels que l'or et l'argent), et les métaux de base (tels que le cuivre et d'autres) sont extraits du sous-sol par excavation, en créant des vides de différentes tailles appelés (chantiers d'abattage) qui sont reliés entre eux par des galeries (de circulation et de soutirage). Dans le cas de l'exploitation par chambres-remblayées, ces vides ou chambres sont généralement remplis avec du remblai en pâte cimenté (RPC) qui est un mélange fait des rejets de concentrateur (appelés résidus), d'un agent liant (ex. ciment) et de l'eau de malaxage. Vu que le RPC est déposé à l'état liquide (mélange solide-liquide) dans les chantiers d'abattage, il est nécessaire d'utiliser un ouvrage de retenue afin de le contenir pendant le remblayage. Cet ouvrage de retenue est appelé barricade et peut être construit en bois, en béton, en briques, en béton projeté ou à partir des roches stériles disponibles sous terre et qui sont issues du développement des galeries. Les barricades construites à partir des roches stériles sont les plus courantes au Québec et au Canada car elles sont économiques, disponibles (sous terre) et favorisent le drainage de l'eau lors du remblayage; ce qui favorise la consolidation gravitaire du RPC, et donc, la réduction de la pression interstitielle. À ce jour, peu d'informations existes sur les caractéristiques réelles in situ de ces barricades (telles que leur granulométrie, leur résistance à la rupture, le mécanisme probable de leur rupture et les dimensions standards utilisées) afin d'appuyer leur conception de manière à assurer la sécurité des travailleurs et des équipements miniers; ce qui contribuerait à la diminution du cycle de minage, et par conséquent, à l'augmentation de la productivité minière. Les travaux de cette thèse se sont appuyés sur les modélisations physiques et numériques afin de mieux comprendre le comportement géomécanique complexe des barricades de roches stériles. Un modèle physique à l'échelle réduite d'un chantier d'abattage a été développé et construit à partir de plaques en plexiglass translucides, afin de simuler le remblayage dans les mines souterraines. Une méthodologie spécifique a été développée pour l'exécution des essais : instrumentation du modèle réduit à l'aide de capteurs de pression (totale et interstitielle), calibrage des capteurs, remplissage du modèle réduit avec du RPC, suivi en continu des essais avec des caméras haute définition. Les essais réalisés ont permis de mettre en évidence le principal mécanisme probable de rupture des barricades de roches stériles, ainsi que l'estimation de la pression maximale au moment de leur rupture. L'effet de la distribution de la taille des particules de roches stériles sur la stabilité et l'intégrité des barricades de roches stériles à la suite de la poussée exercée par le RPC a également été analysé. Une partie des essais réalisés sur le modèle réduit a été modélisée à l'aide du code de calculs numériques Geostudio 2018 (GeoSlope Intl.) par calibrage avec les résultats expérimentaux. Les résultats des simulations réalisées reproduisaient correctement le comportement général observé lors des essais sur le modèle réduit, avec une différence significative au niveau des valeurs des pressions. Des solutions analytiques simplifiées basées sur l'équilibre limite ont également été proposées sur la base des observations expérimentales pour l'analyse de stabilité (par rapport au glissement et au frottement) des barricades de roches stériles. Des recommandations ont été proposées afin de pousser cette étude plus loin en incluant l'effet de différents facteurs (ex. la position de la barricade dans la galerie de soutirage, la viscosité et le seuil d'écoulement du remblai ou son pourcentage de solides, les paramètres de cisaillement des barricades de roches stériles, l'effet d'arche, etc.).

Abstract

Precious metals (such as gold and silver), and base metals (such as copper and others) are mined from the underground by excavation, creating voids of various sizes called (stope) which are interconnected by galleries or drifts (for circulation and draw point). In the case of cut-and-fill mining, these voids are usually filled with cemented paste backfill (CPB) which is a mixture made of concentrator mill tailings, of a binding agent (e.g. cement) and mixing water. Since the CPB is placed in the liquid state (solid-liquid suspension) in the underground stopes, it is necessary to use a retaining structure to contain it during backfilling. This retaining structure is called a barricade and can be constructed from wood, concrete, bricks, shotcrete or from waste rock available underground and which come from the drifts development. Barricades built from waste rock are the most common in Quebec and Canada because they are economical, readily available (underground) and promote water drainage during backfilling, which promotes self-weight consolidation of the CPB, and therefore, reduction of pore water pressure. To date, little information exists on the real in situ characteristics of these barricades (such as their grain size distributions, their failure strength, the probable mechanism of their rupture and the standard dimensions used) in order to support their design in a meaningful way to ensure the safety of workers and mining equipment, which would contribute to the reduction of the mining cycle, and consequently, to the increase of mining productivity. The work of this thesis project was based on physical and numerical modeling to better understand the complex geomechanical behavior of waste rock barricades. A reduced-scale physical model of a mine stope was developed and constructed from translucent plexiglass plates to simulate backfilling in underground mines. A specific methodology was developed for the execution of the tests: instrumentation of the reduced-scale model using pressure sensors (total and pore water), calibration of the sensors, filling of the reduced-scale model with CPB, continuous monitoring of the tests using high definition cameras. The tests carried out have made it possible to highlight the main probable mechanism of rupture of the waste rock barricades, as well as the estimation of the maximum pressure at the time of their rupture. The effect of waste rock particle size distribution on the stability and integrity of waste rock barricades due to the CPB pressure was also analyzed. Part of the tests carried out on the reduced-scale model were modeled using the Geostudio 2018 numerical code (GeoSlope Intl.) through calibration with the experimental results. The results of the simulations performed reproduced well the general behavior observed during the tests on the reduced-scale model, but with a significant difference in the pressure values. Simplified analytical solutions based on limit equilibrium have also been proposed based on experimental observations for the stability analysis (with respect to sliding and friction) of waste rock barricades. Some recommendations were proposed in order to take this study further by including the effect of various factors (e.g. the position of the barricade in the drift or draw point, the viscosity and the shear yield stress of the backfill or its solids mass concentration, the shear parameters of the waste rock barricades, the arching effect, etc.).