Design of Barricades Made of Waste Rocks for Backfilled Stopes

Les quantités massives de solides produits par les mines en formes de stériles et de résidus miniers sont déposées à la surface. Ces rejets miniers peuvent constituer la source d'aléas géotechniques et de problèmes environnementaux (drainage minier acide, drainage neutre contaminé). Pour minimiser les problèmes environnementaux et géotechniques, le remblayage des chantiers souterrains avec des rejets miniers est devenu une pratique populaire et largement adopté dans les mines modernes en souterrain. Une principale préoccupation correspondante est de savoir si les barricades ont une capacité suffisante pour retenir la boue de remblai fraîchement déversée dans les chantiers. La capacité (résistance) d'une barricade dépend de sa géométrie et du type de matériau. Au Canada, l'utilisation des roches stériles pour la construction des barricades est devenue populaire. Des solutions analytiques ont été proposées par Li et collaborateur pour dimensionner les barricades faites de roches stériles. Les solutions analytiques ont été calibrées ou validées par des résultats numériques obtenus avec des modèles bi- dimensionnels. De plus, aucune solution n'est disponible pour la conception de béton projeté appliqué sur les barricades en roches stériles. L'objectif de cette thèse est de développer des solutions analytiques pour la conception des barricades en roches stériles avec ou sans béton projeté. Pour atteindre cet objectif, un outil numérique 3D est nécessaire. FLAC3D a été choisi pour sa disponibilité et son vaste application en géotechnique. Sa validité et son applicabilité ont été d'abord testées contre des solutions analytiques, développées pour estimer le débit d'eau à travers une digue en forme trapézoïdale. Ces travaux ont permis de montrer que seulement la solution analytique généralisée en 3D à partir de la théorie de Dupuit est capable de prédire correctement le débit d'eau. Plus de comparaisons montrent cependant que la solution généralisée en 3D de Dupuit ne permet de calculer correctement le débit d'eau lorsque la nappe d'eau en aval devient importante. Plus d'analyses ont permis de dévoiler que le modèle de Dupuit contient deux hypothèses non-représentatives, une sur la distance d'écoulement et l'autre sur l'aire transversale d'écoulement. La solution proposée basée sur la solution de Dupuit est modifiée en ajoutant deux coefficients d'étalonnage, un pour la longueur du trajet d'écoulement et un autre pour la section transversale d'écoulement moyenne. Les deux coefficients sont calibrés par quelques résultats numériques avec FLAC3D pour un cas particulier. La solution analytique proposée et calibrée est ensuite validée par des résultats de modélisation numérique supplémentaires avec différents cas. Les solutions numériques et analytiques sont ensuite validées par des résultats expérimentaux obtenus par des essais d'infiltration effectués en laboratoire. La réalisation de ces travaux a finalement mené à la naissance d'une solution améliorée pour estimer le débit d'eau à travers une digue en remblai rocheux et à la validation du modèle numérique de FLAC3D. Le logiciel FLAC3D peut être utilisé pour analyser la stabilité des barricades construites de roches stériles avec ou sans béton projeté. Une nouvelle solution analytique a été d'abord proposée pour estimer la cohésion de béton projeté requise avec une géométrie donnée ou pour estimer l'épaisseur du béton projeté requise avec un matériau de béton projeté donné. Les matériaux sont considérés comme élasto-plastiques obéissant au critère de Mohr-Coulomb. Un critère d'instabilité structurale, basé sur la première occurrence parmi les sauts de déplacement au sommet de la barricade ou la fusion des zones de plasticité, est introduit pour aider à juger d'une façon plus objective le début de l'instabilité d'une structure de barricade en roches stériles avec du béton projeté. La solution analytique proposée est d'abord calibrée par quelques résultats numériques. La capacité de prédiction de la solution analytique proposée a été vérifiée à l'aide des résultats numériques supplémentaires. Lors de la réalisation des travaux précédents, on a constaté que le plan de glissement dans les modèles numériques est toujours incliné alors que les solutions analytiques proposées ont été établies en supposant un plan de glissement horizontal. En plus, la solution analytique de Yang et al. (2017) développée pour dimensionner des barricades construites en roches stériles a été seulement validée partiellement par des résultats numériques obtenus avec FLAC2D. Une mise à jour de la solution de Yang et al. (2017) est nécessaire en considérant un plan de glissement incliné, validée par des modélisations numériques tridimensionnelles. Le coefficient de pression des terres pour la stabilité globale et la stabilité locale est modifié en considérant sa définition donnée dans le modèle de Yang et al. (2017). Ces modifications améliorent considérablement la solution car la solution proposée ne contient aucun coefficient de calibration empirique. La validité de la solution proposée est testée par des modélisations numériques avec FLAC3D. De nouveau, la première occurrence parmi les sauts de déplacement ou la fusion des zones de plasticité passant à travers la structure d'une barricade en roches stériles est utilisée comme le critère d'instabilité plus objectif pour estimer la longueur minimale requise d'une barricade en roches stériles. La solution proposée est ensuite validée contre des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature.

Abstract

Massive quantities of solid wastes produced by mines in the form of waste rocks and tailings are deposited on the ground surface. These mining wastes can be the source of geotechnical hazards and environmental problems (acid mine drainage, contaminated neutral drainage). To minimize environmental and geotechnical problems, stope backfilling with mine wastes has become popular and widely adopted by many modern underground mines. The main corresponding concern is whether the barricades have sufficient capacity to retain the freshly slurried backfill at the early age. The capacity (strength) of a barricade depends on its geometry and type of material. In Canada, using waste rocks to build barricades has become popular. Analytical solutions have been proposed by Li and coworkers to design waste rock barricades. Their solutions have been calibrated and validated by numerical results obtained by 2D models. In addition, there is no solution available to design shotcrete applied on waste rock barricades. The objective of this thesis is to develop analytical solutions for the design of waster rock barricades with or without shortcrete. To reach this objective, a 3D numerical tool is necessary. FLAC3D was chosen for its availability and large application in geotechnical engineering. Its validity and applicability was first tested against analytical solutions developed to estimate the seepage through a trapezoidal dam. This work has shown that only the analytical solution generalized in 3D from the Dupuit theory is able to correctly predict the seepage rate. More comparisons show however that the generalized 3D Dupuit solution is not able to correctly calculate the seepage rate when the downstream water table becomes important. Further analysis revealed that the Dupuit model contains two non-representative assumptions, one on the flow distance and the other on the cross-section area. The proposed solution based on Dupuit's solution is modified by adding two calibration coefficients, one for the flow path length and another for the average area of cross section. Both coefficients are calibrated by some numerical results with FLAC3D for a particular case. The proposed and calibrated analytical solution is then validated by additional numerical modeling results with different cases. The numerical and analytical solutions are then validated by experimental results obtained from laboratory infiltration tests. The realization of this work led to the birth of an improved solution for estimating the seepage rate through a rockfill dam and the validation of the numerical model of FLAC3D. The FLAC3D can thus be used to analyze the stability of waste rock barricades with or without shotcrete. A new analytical solution was first proposed to estimate the required shotcrete cohesion with a given geometry or to estimate the required shotcrete thickness with a given shotcrete material. The materials are considered as elasto-plastic obeying the Mohr-Coulomb criterion. An instability criterion, based on the first occurrence among displacement jumps at the top of the barricade or the coalescence of plasticity zones, is introduced to help judge the onset of instability of waste rock barricades with shotcrete. The proposed analytical solution is first calibrated by some numerical results. The predictive capability of the proposed analytical solution was verified with additional numerical simulation results. In the previous work, the sliding plane in the numerical models is always inclined while the proposed analytical solutions were developed by assuming a horizontal sliding plane. In addition, the analytical solution of Yang et al. (2017) developed to size waste rock barricades was only partially validated by numerical results obtained with FLAC2D. An update of the Yang et al. (2017) solution is required by considering an inclined sliding plane and validated by three-dimensional numerical modeling. The earth pressure coefficient for global stability and local stability is modified according to its definition given in Yang et al. (2017). These modifications significantly improve the solution because the proposed solution does not contain any empirical calibration coefficient. The validity of the proposed solution is tested by numerical models built with FLAC3D. Again, the first occurrence among the displacement jumps or coalescence of yield zones passing through the waste rock barricade is used as a more objective instability criterion to estimate the minimum required length of waste rock barricades. The proposed solution is then validated against experimental results available in the literature.