L’objectif général de la thèse est d’étudier l’effet de l’entreposage des rejets miniers dans des excavations crées dans les massifs rocheux fracturés. On vise à simuler les écoulements saturés et non saturés autour des rejets miniers entreposés dans les mines à ciel ouvert et les excavations souterraines (incluant le transport de contaminants). Afin de relier l’effet des contraintes et de la pression d’eau sur le comportement des fractures, le développement d’une méthodologie de couplage hydromécanique indirect entre les
deux codes (HydroGeosphere, Therrien et al., 2005; et Phase2, Rocscience, 2003) fera aussi l’objet de cette thèse.
Peu de travaux ont été publiés spécifiquement sur ce sujet. L’écoulement de l’eau et le transport de contaminants dans les massifs rocheux fracturés est un axe de recherche relativement récent, surtout en ce qui concerne les écoulements non saturés et le couplage hydromécanique indirect. L’industrie minière est intéressée parce phénomène (Thériault, 2004; Tremblay, 2005; Graf, 2005; Kadiri, 2002).
Ces travaux de thèse comportent trois objectifs spécifiques :
- Maitriser l’utilisation du code HydroGeosphere à partir de simulations préliminaires avec les codes HydroGeosphere (Therrien et al., 2005) et Phase2 (Rocscience, 2003). - Analyser l’écoulement et le transport de contaminants autour des rejets miniers entreposés dans des massifs rocheux fracturés afin de quantifier l’effet de plusieurs facteurs, tels que les caractéristiques hydriques des rejets, la position, le nombre et l’ouverture des fractures ainsi que le gradient hydraulique régional.
- Élaborer et utiliser une méthode de couplage hydromécanique indirect entre les résultats des deux codes de simulation (HydroGeosphere et Phase2) pour évaluer l’effet du champ des contraintes sur le comportement des fractures.
Pour atteindre les objectifs de notre projet de recherche, les hypothèses suivantes ont été posées :
- La loi classique communément utilisée pour analyser l’écoulement d’eau à travers les fissures ou les fractures, connue sous le nom de la loi cubique (e.g. Witherspoon, 1986; Elsworth, 1993), est valable. Le code numérique HydroGeosphere utilise la loi cubique pour modéliser les écoulements dans les fractures ou les systèmes de fractures.
- Il existe une relation entre la pression d’eau dans les fractures et la réponse hydro- mécanique des massifs rocheux fracturés. Cette relation agit selon deux sens: la variation de la pression peut affecter la déformation des massifs et leur résistance au cisaillement; de même, les déformations des massifs peuvent affecter la pression d’eau dans les fissures et ainsi l’ouverture et la transmissivité dans les fractures.
- Il est possible de coupler indirectement et de modéliser le comportement hydromécanique des fractures.
- On suppose que les contaminants sont non réactifs et non adsorbés.
Tel que mentionné, deux codes seront utilisés au cours du présent projet. Le code HydroGeosphere de Therrien et al. (2005) permet de simuler en 3D les écoulements et le transport de contaminants dans les fractures. Le code Phase2 de Rocscience, Inc. (Rocscience, 2003) permet de simuler l’effet des champs de contraintes et de la pression d’eau sur la réponse des géomatériaux (et des fractures). Un couplage hydromécanique indirect entre les deux codes sera réalisé afin de simuler l’effet des contraintes et de la pression d’eau sur le comportement des fractures et le changement de leur ouverture.
La thèse est structurée en sept chapitres, comme suit :
Après l’introduction, le chapitre 2 est consacré à une revue de littérature. Ce chapitre traite d’abord du comportement mécanique des discontinuités et des massifs rocheux fracturés. Ensuite, il aborde l’écoulement de l’eau dans les fractures et les lois de comportement qui y sont reliées. Le transport des contaminants est aussi décrit. Ce chapitre inclut aussi une présentation de différents codes numériques pour les milieux fracturés. Enfin, une dernière partie décrit les différents types de rejets miniers produits par une exploitation minière.
Le chapitre 3 présente les résultats des essais préliminaires réalisés avec le code HydroGeosphere pour des simulations en 1D et 2D selon différentes conditions de
saturation et divers régimes d’écoulement. Les résultats obtenus par d’autres auteurs, avec d’autres codes ou avec d’anciennes versions du code HydroGeosphere, ont été repris dans ce chapitre. Les différents résultats ont permis de bien maitriser le code, de se familiariser avec ses différentes fonctions et d’évaluer ses limitations.
Le chapitre 4 traite de la problématique des écoulements et du transport de contaminants autour d’une fosse axisymétrique (i.e. avec symétrie radiale). Deux types de matériaux ont été considéré: les stériles miniers et les rejets de concentrateur. Les analyses montrent que l’écoulement de l’eau dépend des propriétés du matériau de la fosse et des conditions initiales et aux limites fixées. Les fractures ont aussi un effet très significatif sur la distribution des charges hydrauliques et sur la migration des contaminants.
Dans le chapitre 5, on présente (et discute) les résultats de l’effet d’un gradient hydraulique régional sur l’écoulement et le transport des contaminants lorsque les rejets miniers sont entreposés dans une fosse symétrique (2D). Les analyses montrent un effet important du gradient régional sur les résultats, et aussi l’effet amplifié du gradient en présence des fractures dans le massif rocheux.
Le chapitre 6 présente les résultats de simulations d’un chantier remblayé souterrain à proximité d’une fracture ou d’un réseau de fractures orthogonales. Ces résultats montrent notamment l’effet du chantier sur la distribution des charges hydrauliques. La fracture a aussi un effet marqué sur les résultats, mais cet effet est plus significatif lorsqu’elle est située plus près de la surface du chantier. On présente aussi les résultats de la méthodologie de couplage hydromécanique indirect entre les deux codes HydroGeosphere et Phase2. Une analyse et une discussion des résultats obtenus avec cette méthodologie terminent ce chapitre.