Numerical Analyses of the Stability and Geomechanical Behavior of Side-exposed Backfill Associated with Closure of Rock Walls

La récupération des piliers en minerai requiert un remblai stable lors de son exposition latérale. Comprendre le comportement géomécanique et déterminer la cohésion minimale requise (cmin) d'un remblai exposé latéralement sont essentiels pour assurer une production minière sécuritaire et économique. La plupart des études antérieures consistent à évaluer la stabilité d'un remblai explosé latéralement en considérant trois ou deux murs encaissants immobilisés d'un chantier isolé. Les solutions ont été validées contre des résultats d'essais d'instabilité de remblai en boîte sur des remblais mous. Dans la pratique, les remblais sont souvent exposés après une longue période lorsqu'ils deviennent suffisamment résistants (et durs). Une convergence des épontes rocheuses peut avoir lieu lors de l'excavation d'un chantier secondaire adjacent et du fluage des épontes rocheuses. Une bonne compréhension de l'influence de la convergence des épontes rocheuses sur la stabilité et la cmin d'un remblai exposé latéralement est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, des simulations numériques tri- dimensionnelles ont été réalisées avec FLAC3D afin d'évaluer la stabilité et de déterminer la cmin d'un remblai exposé latéralement en considérant la convergence instantanée des épontes rocheuses associée avec une extraction adjacente. L'instabilité d'un remblai exposé latéralement est déterminée en évaluant la fusion des zones en plasticité. Les résultats numériques montrent que lorsque la profondeur de la mine et la convergence des épontes rocheuses sont faibles, le mécanisme de rupture dominant est le glissement. Une faible convergence des épontes rocheuses améliore la stabilité du remblai exposé latéralement. La cmin diminue avec l'augmentation de la profondeur de mine, la rigidité du remblai, le coefficient de pression des terres, et la résistance (angle de frottement et l'adhérence) des interfaces entre le remblai et les épontes rocheuses. Augmenter la rigidité du massif rocheux, la hauteur et la largeur des chantiers augmente la cmin. Lorsque la profondeur de mine et la convergence sont très grandes, l'écrasement devient le mécanisme de rupture dominant du remblai expos latéralement. La cmin devient insensible à la variation de la résistance des interfaces entre le remblai et les épontes rocheuses. Elle augmente avec l'augmentation de la profondeur de mine, la hauteur et la longueur du chantier primaire, la rigidité du remblai et le coefficient de pression des terres de la roche. Elle diminue avec l'augmentation de la largeur des chantiers et la rigidité du massif rocheux. Dans tous les cas, la stabilité d'un remblai exposé latéralement peut être améliorée par l'utilisation d'un remblai ayant un angle de frottement interne élevé. Une autre étude numérique a été réalisée avec FLAC3D pour évaluer la stabilité d'un remblai explosé latéralement en fonction du temps, associée avec la déformation de fluage des épontes rocheuses. L'évolution des propriétés mécaniques du remblai cimenté avec le temps de cure a été considéré. Les résultats numériques montrent que la période ouverte du chantier primaire n'affecte pas significativement la stabilité et la cmin du remblai exposé latéralement. Lorsque la profondeur de mine est faible ou/et le massif rocheux montre peu de fluage, il est préférable d'attendre plus longtemps avant d'excaver le chantier secondaire adjacent pour permettre au remblai d'acquérir plus de résistance. Lorsque la profondeur de mine est grande ou/et le massif rocheux montre de grands fluages, l'instabilité du remblai exposé latéralement peut être dictée par une rupture en écrasement. Une simple augmentation de la teneur en liant du remblai n'est pas forcément le meilleur choix parce qu'un remblai plus résistant est aussi plus dur et susceptible à être écrasé. En revanche, un remblai plus mou avec une teneur en liant plus faible ou/et avec une période de cure plus courte pourrait être préférable. Une fois exploité, le chantier secondaire adjacent doit être remblayé aussi tôt que possible pour prévenir des ruptures du remblai exposé latéralement. Une optimisation des dimensions des chantiers primaire et secondaire est nécessaire pour minimiser le coût global du remblai. La rigidité d'un remblai a été montré d'être un facteur d'influence important sur la stabilité et la cmin d'un remblai exposé latéralement. Cependant, elle a été considérée comme une constante dans le modèle d'élasto-plastique de Mohr-Coulomb. Une étude comparative est donc nécessaire pour identifier un modèle constitutif applicable à décrire la dépendance de contrainte de la compressibilité des remblais non-cimentés ou de faible teneur en liant. L'applicabilité du modèle élasto-plastique de Mohr-Coulomb, du modèle à double seuils d'écoulement (Double Yield), et du modèle de sol mou (Soft Soil) à décrire la compressibilité de remblai a été évaluée en reproduisant numériquement certains résultats de laboratoire existants, obtenus par des essais de consolidation unidimensionnelle et des essais de compression triaxiale en conditions consolidée et drainée réalisés sur un remblai de faible teneur en ciment. Les résultats montrent que le modèle du sol mou peut décrire correctement la compressibilité des remblais légèrement cimentés avec de faibles cohésion. L'application du modèle de Mohr-Coulomb et du modèle à double seuils d'écoulement montre une mauvaise description de la compressibilité du remblai soumis à des charges importantes et cycliques. L'analyse de l'effet de fluage sur la stabilité d'un remblai exposé latéralement nécessite un modèle constitutif de fluage approprié pour les roches. On constate premièrement que la plupart des modèles de fluage existants ne peuvent pas représenter la rupture à la phase tertiaire des roches. On constate aussi que la régression a été couramment utilisée dans les études antérieures sur tous les résultats expérimentaux disponibles pour obtenir une ou plusieurs séries de paramètres de modèle. La capabilité de prédiction du modèle de fluage calibré aux conditions non testées est inconnue. Par conséquent, un nouveau modèle de fluage a été développé pour décrire et prédire la déformation de fluage et le temps à la rupture des roches. Le modèle de fluage proposé a été validé contre des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Les paramètres de modèle ont été obtenus par une calibration sur une partie des résultats expérimentaux. La capacité de prédiction du model calibré est testé sur l'autre partie des résultats expérimentaux. Les bonnes corrélations entre les résultats expérimentaux et le model de fluage indiquent que le modèle de fluage proposé peut décrire et prédire les déformations de fluage et la rupture de la phase tertiaire des roches.

Abstract

Ore pillar recovery requires backfill to be stable upon side exposure. Understanding the geomechanical behavior and determining the minimum required cohesion (cmin) of side-exposed backfill are important for ensuring safe and economic mining productions. Most previous studies evaluated the stability of side-exposed backfill by considering three or two immobile confining walls of one isolated stope. The solutions were validated against experimental results of box instability tests on very soft backfill. In practice, backfill is usually exposed after long enough curing time when it becomes strong (and hard) enough. Significant closure of rock walls occurs due to adjacent excavation and creep behavior of rock walls. A good understanding of the influence of rock wall closure on the stability and the cmin of side-exposed backfill is needed. To this end, three-dimensional numerical simulations were conducted with FLAC3D to evaluate the stability and determine the cmin of side-exposed backfill by considering the instantaneous closure of rock walls due to adjacent extraction. The instability of side-exposed backfill is determined by evaluating the yield zones coalescence. Numerical results show that when the mine depth and rock-wall closure are small, the governing failure mechanism is sliding. Small rock-wall closure improves the stability of side-exposed backfill. The cmin decreases with the increase of mine depth, fill stiffness, rock pressure coefficient, and fill-rock interface strength (friction angle and adhesion). Increasing rock mass stiffness, stope height and width leads to an increase in cmin. When the mine depth and rock-wall closure are large, crushing becomes the dominant failure mechanism of side-exposed backfill. The cmin becomes insensitive to the variation of fill-rock interface strength. It increases with the increase of mine depth, stope height and length, fill stiffness and rock pressure coefficient and decreases with the increase of stope width and rock mass stiffness. In all cases, the stability of side-exposed backfill can be improved by using backfill of larger internal frictional angle. A further numerical study was conducted using FLAC3D to evaluate the time-dependent stability of side-exposed backfill associated with creep deformation of rock walls. The evolution of mechanical properties of cemented backfill with curing time is considered. Numerical results show that the open period of primary stope does not significantly affect the stability and cmin of side-exposed backfill. When the mine depth is small or/and the rock mass exhibits little creep, it is better to wait longer time before excavating the adjacent stope for backfill to gain more strength. When the mine depth is large or/and the rock mass exhibits heavy creep, the instability of side-exposed backfill can be dictated by crushing failure. Simply increasing binder content of backfill may not be the best choice because a stronger backfill is also harder, and more prone to be crushed. Rather, a softer backfill using lower binder content or/and with a shorter curing time can be better. Once mined out, the adjacent secondary stope should be filled as soon as possible to prevent failure of side-exposed backfill. An optimization of sizes of the primary and secondary stopes is needed to minimize the overall cost of backfill. The stiffness of backfill has been shown to be an important influencing factor on the stability and cmin of side-exposed backfill. It was however considered as a constant in the commonly used Mohr-Coulomb elasto-plastic model. A comparative study is thus necessary to identify a constitutive model applicable to describing the stress-dependent compressibility of uncemented or low-cement content backfill. The applicability of the Mohr-Coulomb elasto-plastic, double-yield, and Soft Soil models is assessed by numerically reproducing some existing laboratory results, obtained by one-dimensional consolidation tests and consolidated drained triaxial compression tests on lowly cemented backfill. Results show that the Soft Soil model can properly describe the compressibility of lightly cemented backfill with small cohesions. The application of the Mohr-Coulomb model and double-yield model shows poor description on the compressibility of the backfill submitted to large and cycle loading. Consideration of creep effect on the stability analysis of side-exposed backfill needs a proper constitutive creep model for rocks. One first noted that most creep models cannot represent the delayed failure of rocks. One also noted the common application of curve-fitting technique in previous studies on all available experimental results of creep strain to obtain one or several sets of model parameters. The predictive capability of creep model for untested conditions is unknown. Therefore, a new creep model is developed to describe and predict the creep strain and time to failure of rocks. The developed creep model is validated against some experimental results available in the literature. The model parameters are obtained by calibration on a part of experimental results. Validity of the calibrated model is tested by predicting the other part of test results. The quite good agreements between the experimental results and creep model indicate that the developed creep model can describe and predict the creep strain and delayed failure of rocks.