Développement et application d'un modèle
géomécanique intégré pour une exploitation minière
sous hautes contraintes et sujette à la séismicité
Mémoire
Audrey Goulet
Maîtrise en génie des mines - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Résumé
Le développement de nouvelles technologies applicables en milieux souterrains, combiné à la rareté des gisements disponibles en surface, explique que l’extraction de minerai en grande profondeur est de plus en plus commune. Exploiter en grande profondeur implique la réalisation de travaux miniers dans des conditions de terrain difficiles et sous un régime de contraintes élevées. Gérer le risque sismique et les dommages qui peuvent en découler est un défi de taille pour ce type d’exploitation.
Cette gestion de risque sismique n’est pas aisée, puisque les conditions opérationnelles et sismiques ainsi que les mécanismes menant à la rupture du massif rocheux ne sont pas pleinement compris. Afin de mieux délimiter ce risque, la totalité des données reliées de près ou de loin à la séismicité doit être accessible et facilement consultable afin d’en faire l’analyse intégrée. Ce mémoire présente le développement d’un modèle géomécanique global intégrant de nombreuses bases de données pour améliorer la compréhension de la réponse séismique et aséismique du massif rocheux aux activités minières.
La collecte, le traitement et l’analyse des données concernant la géologie, la géomécanique, la séismicité et les opérations minières ont été réalisés pour le cas d’étude de la mine LaRonde exploitant actuellement à plus de trois kilomètres de profondeur. Les outils développés au sein du modèle géomécanique global ont entre autres permis d’évaluer quantitativement la variabilité spatiale et temporelle des propriétés géomécaniques et de la fracturation du massif rocheux. La création d’outils spécifiquement conçus pour l’analyse des coups de terrain a également permis de réaliser une analyse préliminaire identifiant les facteurs clés reliés aux caractéristiques géologiques présentes à grande échelle influençant l’occurrence et la sévérité de coups de déformation propre au site minier à l’étude.
Ce mémoire démontre la contribution à la conception minière et à la gestion du risque sismique d’un modèle géomécanique intégré dans un environnement minier complexe sous hautes contraintes et actif sismiquement.
Table des matières
Résumé ... ii
Table des matières... iii
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des abréviations ... xi
Remerciements ... xii Avant-propos ... xiii Introduction générale ... 1 1. Contexte ... 1 2. Problématique ... 2 3. Objectifs ... 2 4. Méthodologie de recherche ... 3 5. Plan du mémoire ... 3 6. Conclusion ... 4
Chapitre 1 : Cas d’étude de la mine LaRonde ... 6
1.1 Introduction ... 6 1.2 Géologie régionale ... 7 1.3 Géologie du gisement ... 8 1.3.1 Lithologies ... 11 1.3.2 Altérations principales ... 11 1.3.3 Structures ... 12 1.4 Méthode de minage ... 15 1.5 Contraintes in situ ... 16 1.6 Séismicité ... 17 1.6.1 Système de monitorage ... 17
1.7 Défis en contrôle de terrain à la mine... 18
1.7.1 Convergence des murs ... 19
1.7.2 Coups de terrain ... 21
1.8 Conclusion ... 23
Chapitre 2 : Méthodologie - Base de données géomécaniques ... 24
2.1 Introduction ... 24
2.2 Sélection de la plate-forme unique ... 24
2.3 Collecte des données ... 25
2.3.1.1 Date d’observation ... 26
2.3.1.2 Lithologies ... 27
2.3.1.3 Désignation de la qualité de la roche (RQD) ... 29
2.3.2 Cartographie des excavations de développement ... 29
2.3.3 Essais de données géomécaniques... 30
2.3.4 Données opérationnelles ... 32
2.3.4.1 Tirs à l’explosif de développement et de production ... 32
2.3.4.2 Orientation des excavations ... 32
2.3.5 Séismicité ... 32
2.3.6 Coups de déformation ... 32
2.4 Traitement des données ... 33
2.4.1 Interprétation des carottes de forage ... 33
2.4.1.1 Lithologies ... 34
2.4.1.2 Essais géomécaniques ... 35
2.4.2 Orientation des excavations ... 35
2.4.3 Coups de déformation ... 37
2.4.3.1 Association d’un évènement sismique à un coup de déformation... 38
2.4.3.2 Association d’autres propriétés géomécaniques à un coup de déformation ... 40
2.5 Développement d’outils d’analyses spatiales, temporelles et statistiques ... 40
2.5.1 Analyses spatiales ... 41
2.5.1.1 Boîtes de sélection ... 41
2.5.1.2 Point dans l’espace ... 42
2.5.1.3 Interprétation des carottes de forage ... 43
2.5.1.4 Distance par rapport à une ligne ou une surface ... 43
2.5.2 Analyses temporelles ... 43
2.5.3 Analyses statistiques ... 44
2.5.3.1 Analyses par tableaux ... 44
2.5.3.2 Analyses graphiques ... 45
2.5.3.3 Sélection des paramètres analysés ... 45
2.5.3.3.1 Filtres des paramètres analysés ... 46
2.6 Conclusion ... 48
Chapitre 3 : Article 1 – Development of an integrated geotechnical database and associated tools for excavation design in seismically active underground mines ... 49
3.1 Résumé ... 49
3.2 Abstract ... 49
3.5 LaRonde mine ... 50
3.6 Litterature review ... 51
3.7 Database compilation ... 52
3.8 Intact rock properties ... 54
3.8.1 UCS per borehole ID ... 55
3.8.2 UCS per mine level ... 56
3.8.3 UCS per lithology ... 57
3.8.4 UCS per lithology and level ... 58
3.8.5 UCS per lithology and per sector ... 60
3.8.6 Relationship between UCS and Young’s modulus ... 61
3.8.7 Practical implications ... 62
3.9 Rock mass fracturing ... 62
3.9.1 RQD and drilling orientation ... 64
3.10 RQD around development drifts ... 65
3.10.1 RQD vs distance to drifts ... 66
3.10.2 RQD degradation in time ... 67
3.10.3 Degradation zone intensification and extent in time ... 69
3.11 RQD around major faults ... 70
3.11.1 Limitations ... 73
3.12 Conclusion ... 73
3.13 Acknowledgments ... 74
Chapitre 4 : Article 2 –Properties of large-scale geological features and seismic responses affecting strainburst potential in deep underground mines ... 75
4.1 Résumé ... 75
4.2 Abstract ... 75
4.3 Keywords ... 75
4.4 Introduction ... 76
4.5 Background on strainbursts ... 76
4.6 LaRonde mine case study ... 77
4.7 Results ... 80
4.7.1 Properties of large-scale geological features characterizing strainburst locations ... 80
4.7.1.1 Distance to lithological contact ... 81
4.7.1.2 Distance to faults ... 83
4.7.1.3 Interception angle between damaged drift and foliation ... 84
4.7.2 Strainburst seismic source ... 86
4.7.2.1 Seismic event: location and magnitude ... 86
4.7.3 Combined analysis of rockmass properties and seismic source ... 89 4.8 Conclusions ... 90 4.9 Acknowledgements ... 91 Conclusion ... 92 1. Sommaire ... 92 2. Limitations du mémoire ... 94
3. Recommandations pour travaux futurs ... 95
Références ... 98
Annexe A: Mise à jour des bases de données et utilisation du modèle géotechnique global au site minier ... 104
Liste des tableaux
Chapitre 1
Tableau 1.1: Description des lithologies présentes à la mine LaRonde... 11
Tableau 1.2: Modèle de contraintes historique à la mine LaRonde (Morissette, 2017). ... 16
Chapitre 2 Tableau 2.1: Légende des unités principales cartographiées et description lithologiques à la mine LaRonde (modifié de Mine LaRonde, 2009). ... 27
Tableau 2.2: Légende d’autres unités cartographiées à la mine LaRonde (modifié de Mine LaRonde, 2009). 28 Tableau 2.3: Regroupement de lithologies importées par code de couleur. ... 34
Tableau 2.4: Liste des évènements sismiques possiblement liés au dommage, en regard à leur date d'occurrence, ordonnée selon leur distance au dommage. L'évènement identifié responsable du dommage est surligné en bleu. ... 40
Tableau 2.5: Liste de choix des paramètres pouvant être analysés dans le modèle géotechnique global. ... 46
Tableau 2.6: Table distincte extraite pour chaque paramètre sélectionné dont il est possible de filtrer chaque élément défini. ... 47
Chapitre 3 Table 3.1: Lithology description at LaRonde mine. ... 54
Table 3.2: UCS statistics for levels 218 and 290. ... 57
Table 3.3: Statistical results for UCS per lithology. ... 57
Table 3.4: UCS statistics per lithology and per level. ... 59
Table 3.5: UCS statistics per lithology and per sector for the Level 290. ... 60
Table 3.6: RQD evolution in time from January 2014 to January 2017 of central west crosscuts in Level 296. 68 Chapitre 4 Table 4.1: Lithology Description at LaRonde Mine. ... 81
Liste des figures
Chapitre 1
Figure 1.1: Localisation de la mine LaRonde (www.angicoeagle.com)... 6 Figure 1.2: Vue longitudinale des zones minéralisées à la mine à la mine LaRonde (Turcotte, 2014). ... 7 Figure 1.3: Géologie régionale du camp minier Doyon-Bousquet-LaRonde (Galley et Lafrance, 2014). ... 9 Figure 1.4: Section géologique des zones du chevalement Penna, vue vers l'Ouest (tiré de Mercier-Langevin, 2005). ... 10 Figure 1.5: Rubanement plus (gauche) ou moins (droite) prononcé du massif rocheux dû à des variations de l’altération en silice... 11 Figure 1.6: Couloir de roc de faible qualité associé à la faille 700 au niveau 281... 12 Figure 1.7: Système de failles identifiées sur l’ensemble des niveaux de la mine LaRonde (Le nord est dans l’axe Y positif). ... 13 Figure 1.8: Vue rapprochée du système de failles entre les niveaux 259 et 293. Les excavations du niveau 269 seulement sont illustrées, à titre de référence. A) Vue de haut inclinée vers l’Est B) Vue vers l’Est. ... 14 Figure 1.9: Foliation d’espacement centimétrique exposée sur les murs, à environ 2000 mètres sous la surface (tiré de Karampinos, 2016). ... 15 Figure 1.10: Séquence de minage utilisée à la mine LaRonde pour une pyramide montante (tiré de Morissette, 2017). ... 16 Figure 1.11: Emplacement des senseurs dans une section longitudinale de gisement de LaRonde :
accéléromètres uniaxiaux = cylindres bleus; accéléromètres et géophones triaxiaux = pyramides rouges. A) Vue vers le nord B) Vue vers l’ouest. ... 18 Figure 1.12: Conditions de convergence extrême de murs à la mine LaRonde (tiré de Karampinos, 2016). ... 19 Figure 1.13: Indice de convergence du massif rocheux : a) Matrice de contraintes pour prédire les zones de convergence basée sur l'espacement de la foliation; et b) Matrices de convergence pour différents angles d'interception (de Karampinos, 2016, modifié de Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou, 2011). ... 21 Figure 1.14: Excavation de développement de dimensions typiques à la mine LaRonde avant (a) et suite à un coup de terrain (b) (tiré de Morissette, 2017). ... 22
Chapitre 2
Figure 2.1: Information extraite de l'interprétation de carottes de forage de la mine LaRonde, telle que la lithologie (vert – V9i; orange – SZ; rouge- SZM; jaune – zone altérée. ... 25 Figure 2.2: Types de forage à la mine LaRonde (a) tous; (b) forage d’exploration; (c) forage de délimitation; (d) forage de délinéation. ... 26 Figure 2.3: Détermination du facteur de la qualité de la roche (RQD), d'après Deere et Deere (1988). ... 29 Figure 2.4: Vue de plan de cartographie structurale des toits des excavations de développement des points de soutirage du niveau 262. ... 30 Figure 2.5: Fiche d'observation et de compilation de données relatives à un essai en compression uniaxiale. 31 Figure 2.6: Exemple d'un rapport d'observations de terrain suite à un évènement sismique à la mine LaRonde. ... 33 Figure 2.7: Vue en plan du niveau 290 montrant les lignes de centres des excavations colorées selon leur orientation (Y pointant le Nord). ... 36 Figure 2.8: Vue longitudinale des lignes de centre des excavations de la mine LaRonde, colorées selon leur orientation par rapport au Nord (Y pointant le nord). ... 36
Figure 2.9: Code de numérotation associée à la localisation du dommage dans une excavation en
développement. ... 37
Figure 2.10: Exemple d'une analyse d'un coup de terrain analysé dans le modèle géotechnique intégré développé. ... 38
Figure 2.11: Schéma des étapes afin de lier un évènement sismique à un dommage au sein du modèle global développé. ... 38
Figure 2.12: Filtrer les évènements sismiques selon l’intervalle de temps possible durant lequel l'évènement sismique relié au dommage aurait pu avoir lieu. ... 39
Figure 2.13: Localisation des évènements sismiques (colorés selon leur magnitude locale) possiblement liés au dommage , en regard à leur date d'occurrence. L'évènement identifié responsable du dommage (losange rouge) est encerclé en bleu. ... 39
Figure 2.14: Boîte de sélection définie instantanément par l'utilisateur. ... 41
Figure 2.15: Boîtes de sélection délimitées par des coordonnées X, Y, et Z précises contenant des données pouvant être unies, intersectées, ou comparées. ... 42
Figure 2.16: Rayon de recherche autour d’un point. ... 42
Figure 2.17: Extrait de la liste de numéro d'identification des trous de forage importés dans la base de données. ... 43
Figure 2.18: Exemples de définition de largeur de classes de paramètres à des fins d'analyse statistique dans le modèle géotechnique. ... 44
Figure 2.19: Filtre numérique pouvant être appliqué pour chaque paramètre sélectionné. ... 47
Chapitre 3 Figure 3.1: Longitudinal section of the LaRonde ore body. (Modified from www.angicoeagle.com). ... 51
Figure 3.2: Longitudinal section of the LaRonde mine, illustrating lithology identified by core logging. ... 53
Figure 3.3: UCS values (in MPa) in a Level 290 plan view of the LaRonde mine. North is in the axis Y positive. ... 55
Figure 3.4: Box and whiskers of UCS values for each borehole ID. ... 56
Figure 3.5: Box and whiskers plot of UCS for levels 218 and 290. ... 57
Figure 3.6: Box and whiskers plot of UCS per lithology. ... 58
Figure 3.7: UCS distribution per lithology per level. ... 59
Figure 3.8: Plan view of UCS location on Level 290, coloured by UCS value (MPa). North is in the axis Y positive. ... 60
Figure 3.9: Young’s modulus versus UCS, coloured per lithology and sized by the mine level of the samples.61 Figure 3.10: Longitudinal section of the LaRonde mine illustrating RQD values of core logged. North is in the axis Y positive. ... 63
Figure 3.11: Longitudinal section of the LaRonde mine illustrating RQD values of core logged. North is in the axis Y positive. ... 64
Figure 3.12: Box and Whisker Plot of RQD values per dip bins for data near exploration drift at Level 215. Positive dip is down. ... 65
Figure 3.13: Representation of boreholes coloured by RQD, around a drift segment in mXrap. ... 66
Figure 3.14: RQD from 0 to 30 meters from borehole collar; 3 meters bins for 269-293 Horizon. Dot lines represent RQD median RQD value. ... 67
Figure 3.15: Borehole around draw points in the central east sector in Level 296, coloured by drilling end date. North is in the axis Y positive. The studied sector is represented by the grey rectangle. ... 68
Figure 3.16: Mean RQD vs distance to borehole collars, collected between January 2012 and January 2017, for central-west draw points on Level 296. ... 69 Figure 3.17: Example of a single realization of the fracture network within the damage zone of the studied fault zones (top) and fracture density (bottom) (from Nguyen et al., 2015). ... 70 Figure 3.18: Typical fault zones (a) shows a single high-strain core surrounded by a fractured damage zone (after Chester and Logan, 1986) and (b) shows multiple cores model, where many strands of high-strain material enclose lenses of fractured protolith (after Faulkner et al., 2003 and Faulkner et al., 2010). ... 71 Figure 3.19: RQD around interpreted fault surfaces, Level 290. ... 71 Figure 3.20: RQD mean (solid line), 25th percentile (lower dashed line), and 75th percentile (upper dashed line) around the interpreted fault planes, 3 meters bins, 269-293 Horizon. ... 72 Figure 3.21: RQD bins distribution around major faults 269-293 Horizon, 5% RQD bins. ... 73
Chapitre 4
Figure 4.1: Longitudinal section of the LaRonde orebody A) Sensor location (uniaxial accelerometers = blue cylinders; triaxial accelerometers and geophones = red pyramids) and events of ML>0 between January 2013 and the end of 2017; B) Strainburst location in relation to stopes (black = excavated before 2013; blue = excavated between 2013 and the end of 2017). ... 79 Figure 4.2: A) Strainburst distribution in time (x), cumulative number of strainbursts (solid line), and cumulative displaced tonnage (dotted line); B) Strainburst tonnage displaced histogram (red = East sector; blue = West sector). ... 80 Figure 4.3: A) Cross section of West sector illustrating strainbursts by tonnage (size and color) and lithological contacts (marron = mineralized zone; green = V9a; host rock = V9i) B) Strainburst frequency (diamonds) and cumulative tonnage (solid line) by distance bins to the closest lithological contact; C) Displaced tonnage by bins of strainburst distance to the closest lithological contact. ... 82 Figure 4.4: A) Cross section of LaRonde illustrating strainbursts locations (diamonds) in relation to major faults and the orebody B) Plan view of 269 Level illustrating the two main faults and a conjugated fault C) Strainburst distribution and cumulative tonnage versus the distance to the closest fault. ... 84 Figure 4.5: Strainburst occurrence by drift direction coloured by the location of damage in the drift A)
Histogram per drift direction bins B) Tonnage displaced by strainburst (diamond) and cumulative tonnage (solid line) by drift direction bins. ... 85 Figure 4.6: A) Strainburst occurrence histogram versus distance from event to damage with cumulative number of strainburst (solid line) and cumulative tonnage displaced (dotted line) B) Tonnage vs distance event-damage box and whisker (coloured by event MLocal). ... 87 Figure 4.7: A) Plan view of 293 Level of the last development blast before damage -within a 30 meters radius around the damage - that was linked to the strainburst (blasts = stars; strainbursts = diamonds) B)
Strainbursts cumulative count with time difference to last blast coloured by tonnage. ... 89 Figure 4.8: Distance damage-event versus distance from damage to the closest lithological contact. ... 90
Liste des abréviations
° Degrés
ACG Centre australien pour la géomécanique
E Module de Young
FRQNT Fonds de recherche – Nature et technologies
GSI Indice de résistance géologique (« Geological Strength Index »)
Hz Hertz
Jr Paramètre de rugosité du joint du système de classification du NGI
LiDAR Détection et estimation de la distance par la lumière (« Light Detection and Ranging ») M Locale, ML Magnitude locale d’un évènement sismique
M Richter Magnitude en Richter d’un évènement sismique
m Mètres
NGI Institut géotechnique norvégien (« Norwegian Geotechnical Institute ») PCA Régression sur composantes principales (« Principle Componants Analysis ») PLS Régression des moindres carrés (« Partially Least Squares »)
Q Indice de classification de la roche pour les tunnels (« Rock Tunnelling Quality Index ») RMR Système de pointage du massif rocheux (« Rock Mass Rating System »)
RQD Désignation de la qualité de la roche (« Rock Quality Designation »)
s Espacement (« Spacing »)
SMV Sulfures massifs volcanogènes
UCS, σci Résistance en compression uniaxiale (« Uniaxial Compressive Strength ») V9A Rhyolite / Rhyodacite altérée de LaRonde
V9I Rhyolite / Rhyodacite de LaRonde ν Coefficient de Poisson
σ1 Contrainte principale majeure σ2 Contrainte principale intermédiaire σ3 Contrainte principale mineure
Remerciements
J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de recherche, Martin Grenon, qui a été un bon conseillé durant ces deux dernières années. La confiance accordée et les nombreuses opportunités dont j’ai pu profiter durant ma maîtrise ont été très appréciées.
Ensuite, je tiens à remercier mes collègues de travail, qui m’ont accompagné à différents moments de mes études au deuxième cycle : Catherine Domingue, Jocelyn Tuleau, Benoit McFadyen et Guillaume Sasseville. Vous avez fait du bureau un endroit empli de joie, de sourires, de rires et de partage de connaissances. Pour m’avoir écouté, conseillé et accompagné dans notre salle de travail au travers ces deux dernières années, je remercie particulièrement Jocelyn Tuleau.
J’aimerais remercier les partenaires qui ont rendu possible la réalisation de cette maîtrise, soit le FRQNT, la mine LaRonde et le Australian Centre for Geomechanics. D’abord, le personnel travaillant à LaRonde, autant dans le département de géologie que de celui de mécanique des roches, ont permis l’accès et la collecte d’une grande base de données. Je tiens à remercier particulièrement Philippe Morissette, pour ses nombreux commentaires toujours très constructifs et pertinents pour les articles et le projet. I would also like to make special acknowledgments to the people working at the Australian Centre of Geomechanics and to people that I met there during my Australian journey. Thanks to Johan Wesseloo, Stuart Tierney, Christine Neskudla, Gerhard Morkel, Paul Harris, and others. I am particularly grateful to Kyle Woodward, who took me under his wings at work and at home with his amazing wife Stefania Almonte. My stay in Perth would not have been so amazing without you both.
De plus, je remercie tout spécialement ma famille, notamment mes parents, qui ont su me porter un grand support, même à des centaines de kilomètres de distance. Merci de m’avoir encouragé tout au long de mes études et de m’épauler encore pour la suite.
Finalement, je tiens à remercier mon amoureux, qui me rend meilleure chaque jour et m’encourage dans toutes mes démarches.
Avant-propos
Je suis la première auteure des deux articles présentés dans ce mémoire.
Le premier article, intitulé: « Development of an integrated geotechnical database and associated analysis tools for excavation design in seismically active underground mines » a été publié et présenté le 17 juin 2018 à l’association américaine de mécaniques des roches (American Rock Mechanics Association) dans le cadre du 52ème symposium américain en mécaniques des roches et géomécanique (US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium). Les coauteurs de cet article sont :
- Martin Grenon, Ph.D, Université Laval, Québec, Canada.
- Kyle Woodward, Ph.D, Australian Centre for Geomechanics, Crawley, Australie. - Johan Wesseloo, Ph.D, Australian Centre for Geomechanics, Crawley, Australie.
- Philippe Morissette, Ph.D., Agnico Eagle Mines division LaRonde, Rouyn-Noranda, Québec, Canada. Tous les coauteurs ont participé à la rédaction de cet article. Martin Grenon a contribué de près à sa révision alors que Kyle Woodward a grandement contribué à l’élaboration des outils d’analyse développés lors de ce projet.
Le deuxième article, intitulé: « Properties of large-scale geological features and seismic responses affecting strainburst potential in deep underground mines » a été accepté pour le 10ème symposium asiatique de mécanique des roches (ARMS 10th Asian Rock Mechanics Symposium) le 16 juillet 2018. Cet article a été sélectionné parmi plus de 50 articles soumis pour une des trois places disponibles pour une présentation orale lors d’une session plénière réservée pour les jeunes chercheurs, soit âgés de 38 ans et moins (Young Plenary Session - YRPS). Il sera présenté oralement le 1er novembre 2018. Les coauteurs de cet article sont les mêmes que pour le premier article. Pour ce deuxième article, Philippe Morissette et Martin Grenon ont grandement participé à la rédaction et à l’amélioration de l’article. Kyle Woodward et Johan Wesseloo ont révisé l’article.
Introduction générale
1. Contexte
Le développement de nouvelles technologies et la rareté des découvertes de gisements en surface amènent de plus en plus de minières à exploiter en grande profondeur. En effet, une tendance vers les opérations minières hautement mécanisées avec de hauts ratios d’extraction à des profondeurs de plus en plus importantes est observée. De nouveaux défis sont associés à l’exploitation minière dans un environnement géologique et géomécanique complexe. L’exploitation en grande profondeur implique l’extraction du minerai dans des conditions de terrain difficiles et sous hautes contraintes. Une des problématiques majeures rencontrées lors de l’exploitation minière sous hautes contraintes est le potentiel élevé d’expérimenter des coups de terrain générés par des évènements sismiques. En 1998, Dave Ortlepp affirmait que le risque sismique et les coups de terrain en découlant représentaient un sérieux problème depuis presque un siècle dans les mines et que, malgré les efforts déployés, aucune solution complète n’a été trouvée (Ortlepp, 1998). Malgré les avancées des dernières années dans ce domaine, ce constat est toujours d’actualité.
La gestion du risque sismique comporte des enjeux à la fois politiques, sociaux et économiques. Dans le domaine minier, le risque sismique est généralement défini comme la probabilité d’occurrence d’un évènement d’une certaine magnitude dans un certain volume au cours d’un certain laps de temps (Gibowicz et Kijko, 1994). Cette séismicité peut engendrer des éjections de roc de manière soudaine et violente présentant un danger pour le personnel, les équipements et les infrastructures. En effet, l’éjection incontrôlée et imprévue d’un certain volume de roc peut engendrer des dommages majeurs aux excavations et influence significativement la production minière ainsi que la santé et la sécurité du personnel (Cook, 1976; Ortlepp, 2005). La viabilité économique d’une minière est compromise lorsque la santé et la sécurité des travailleurs ne sont pas assurées, particulièrement dans une société prônant ces valeurs. Une exploitation minière doit garantir une gestion optimale du risque sismique. Ce risque est associé au comportement du massif rocheux en réponse aux activités minières.
Le comportement du massif rocheux est fortement influencé par différents facteurs reliés à la géologie et à la géomécanique, tels que la présence de failles, le contraste de compétence entre deux unités lithologiques, le degré de fracturation, le type et l’intensité d’altération de l’encaissant, l’espacement d’une possible foliation, etc. Tous ces paramètres influencent à divers niveaux la conception minière des excavations et les travaux d’exploitation. Les interactions entre ces différentes propriétés sont complexes; leurs impacts sur la séismicité le sont davantage. Ces différents facteurs géomécaniques sont régulièrement liés qualitativement à la séismicité. Peu d’études présentent des analyses quantitatives. Une connaissance plus détaillée du massif rocheux et des conditions de terrain permettrait une meilleure compréhension des mécanismes de rupture
possibles du massif rocheux associé à un évènement sismique. Il est donc essentiel de développer des outils permettant d’analyser quantitativement les relations entre la géologie, la géomécanique, les opérations d’exploitation et la séismicité afin d’améliorer la conception minière ainsi que la gestion du risque sismique. Toutefois, établir des liens entre la réponse sismique et les caractéristiques géotechniques du massif rocheux est complexe, d’autant plus que les informations quant à la géomécanique se présentent sous diverses formes, telles que des rapports de laboratoire, des observations de terrain, etc. Ces paramètres, affectant le comportement et donc les réponses séismiques et aséismiques du massif rocheux, sont évalués à plusieurs moments dans le temps et certaines de ces caractéristiques évoluent spatialement et temporellement au fil de l’exploitation. Les activités minières remanient les conditions de terrain et l’état de contraintes induites, modifiant par fait même les propriétés géomécaniques du massif rocheux encaissant. Il est donc important que l’analyse des évènements sismiques ainsi que des dommages pouvant en découler en lien avec la géologie, la géomécanique et les opérations prenne en compte l’évolution spatiale et temporelle de l’exploitation et du massif rocheux.
Le développement d’outils permettant des analyses quantitatives des interactions géologiques, sismiques, géomécaniques et opérationnelles au sein du massif rocheux améliorerait notre compréhension des réponses séismiques et aséismiques aux activités minières. Ces analyses permettraient d’appuyer les décisions quant à la gestion du risque sismique dans un environnement minier complexe sous hautes contraintes. La caractérisation quantitative des facteurs influençant la séismicité optimiserait les mesures mises en place pour gérer le risque sismique, telles que la planification minière, la conception du support de terrain et de renforcement ainsi que la limitation d’exposition de la main-d’œuvre (Hudyma, 2008; Potvin, 2009). Le tout étant réalisé dans le but d’assurer la sécurité des travailleurs et la rentabilité du projet minier.
2. Problématique
Exploiter en grande profondeur et donc sous hautes contraintes implique la gestion du risque sismique associé à ces conditions de terrain difficiles. La séismicité est intrinsèquement liée aux caractéristiques géologiques et géomécaniques du massif rocheux ainsi qu’aux contraintes induites par les opérations minières. Toutefois, les données existantes liées à ces paramètres sont éparses sur le site minier et sous différents formats. Elles ne sont ainsi pas utilisées à leur plein potentiel. Le regroupement d’informations opérationnelles, géomécaniques, géologiques et sismiques en un endroit unique permettrait une meilleure compréhension globale des interactions de ces facteurs et ainsi une optimisation de l’utilisation de ces données.
3. Objectifs
Ce mémoire a pour objectif général de contribuer à élargir les connaissances et d’améliorer les pratiques en géomécanique minière dans le contexte de mines profondes actives sismiquement en élaborant un modèle
géomécanique global facilement interrogeable intégrant des outils d’analyses quantitatives. Plus précisément, ce mémoire a pour objectifs de :
Créer une base de données géotechnique globale regroupant des données géomécaniques, opérationnelles, géologiques et sismiques, référencées dans le temps et dans l’espace
Intégrer cette base de données géotechnique globale sous une plate-forme unique facilement interrogeable
Développer des outils d’analyses quantitatives spatiales et temporelles intégrés sous la plate-forme unique regroupant l’ensemble de la base de données géotechnique
Valider et appliquer le modèle géotechnique intégrant l’ensemble des informations à un cas d’étude o Identifier les principaux facteurs influençant la variabilité spatiale, temporelle et statistique des
propriétés géotechniques, telles que la compétence du roc intact et le degré de fracturation du massif rocheux
Utiliser les outils développés pour un site miner afin d’améliorer la compréhension du comportement du massif rocheux, telle que la séismicité, en lien avec les opérations minières et les données géotechniques
o Définir les facteurs géologiques et opérationnels et les réponses sismiques entraînant des éjections de roc d’une face d’excavation en développement
o Identifier les zones minières présentant un plus grand potentiel d’éjection de roc d‘une face d’excavation en développement
4. Méthodologie de recherche
Tout d’abord, le site minier LaRonde, le cas d’étude, est présenté. Ensuite, la méthodologie employée lors du projet pour collecter, compiler, traiter et analyser l’ensemble des données intégrées sur une plate-forme géotechnique globale unique est détaillée. L’était initial des données et le traitement nécessaire afin de les analyser sont décrits. Quelques outils et résultats d’analyse des données géologiques, géomécaniques et opérationnelles sont présentés. Finalement, l’applicabilité du modèle géotechnique global développé à l’identification de zones propices à générer des éjections violentes de roc de faces d’excavation en développement est démontrée.
5. Plan du mémoire
Ce mémoire est composé de quatre chapitres, d’une introduction et d’une conclusion. L’introduction présente le
Le Chapitre 1 présente la mine LaRonde, le cas d’étude de cette recherche. Les principales caractéristiques opérationnelles, géologiques et géomécaniques sont décrites. Les principaux enjeux en contrôle de terrain à la mine sont expliqués.
Le Chapitre 2 présente la méthodologie employée lors de la collecte, de la compilation et de l’analyse de l’ensemble des données analysées dans le modèle géotechnique intègre développé lors de ce projet. D’abord, la sélection de la plate-forme sur laquelle la modèle géomécanique est développé est expliqué. Ensuite, la source et la qualité des données collectées sont détaillées. Les données recueillies sous la responsabilité de divers départements sont extraites de différents logiciels et se présentent sous des formats très variés. L’ensemble des données est référencé dans le temps et dans l’espace. L’information amassée couvre la géologie, les propriétés du massif rocheux obtenues en laboratoire, la réponse du massif rocheux aux activités minières ainsi que des données reliées aux opérations. De plus, les différentes étapes de traitement et de manipulation effectuées sur les divers types de données afin de les intégrer sous une seule et même plate-forme unique sont détaillées. Finalement, le développement des divers outils d’interrogation spatiale et temporelle ainsi que de génération de statistiques est expliqué.
Le Chapitre 3 est présenté sous la forme d’un article scientifique. Différents types d’analyses pouvant être effectués avec le modèle géotechnique global développé y sont exposés. Les principaux exemples introduisent l’analyse de la variabilité des propriétés géomécaniques, tels que la résistance en compression du roc intact, et l’évolution de la fracturation du massif rocheux. Les facteurs influençant la variabilité spatiale et temporelle de ces caractéristiques sont identifiés. Différentes études visuelles et statistiques sont également étudiées et discutées.
Le Chapitre 4 présente l’applicabilité du modèle géotechnique global développé à une analyse préliminaire de la mine à l’étude pour identifier les réponses sismiques et les propriétés des structures géologiques à grande échelle influençant les éjections de roc d’une face d’excavation en développement. Les zones minières davantage à risque d’éjection de roc d’une face d’excavation en développement sont identifiées. Ce chapitre est présenté sous forme d’article.
Finalement, la conclusion énonce un sommaire exhaustif, une description des limitations du mémoire ainsi qu’une liste de recommandations de travaux futurs.
6. Conclusion
Le contexte, la problématique et les objectifs du projet ont été définis dans cette section. Ce mémoire démontre la pertinence d’un modèle géomécanique global développé dans le cadre de cette maîtrise intégrant sur une plate-forme unique une grande quantité de bases de données minières. Ces bases de données sont constituées
d’information quant à la géomécanique, à la géologie, aux opérations minières, à la séismicité et aux dommages de faces d’excavation en développement.
Chapitre 1 : Cas d’étude de la mine LaRonde
1.1 Introduction
Ce chapitre présente quelques aspects importants de la mine LaRonde associés à la géomécanique minière. Les éléments concernant la localisation, la géologie, les structures, le régime de contraintes, la méthode de minage et les principaux défis en contrôle de terrain sont présentés.
La mine LaRonde, propriété d’Agnico Eagle Limited, est située en bordure de la route 117 entre Rouyn-Noranda et Val-D’Or dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue (Figure 1.1). Les opérations minières y ont débuté en 1988. Le dépôt de LaRonde est formé de lentilles de sulfures semi-massifs à massifs d’Au-Zn-Ag-Cu-Pb situé dans la ceinture de roches vertes de l’Abitibi. La fin de la vie de la mine est estimée à 2025 selon les réserves estimées actuelles.
Figure 1.1: Localisation de la mine LaRonde (www.angicoeagle.com).
Le minerai se situe entre 860 et 3000 mètres sous la surface. Le gisement, actuellement exploité jusqu’à plus de trois kilomètres sous la surface, demeure ouvert en profondeur. Les zones minéralisées sont illustrées à la Figure 1.2. Cela en fait la mine la plus profonde des Amériques. La production est de 6000 tonnes par jour par le puits Penna de 2 250 mètres (Morissette, 2017).
La géologie d’un gisement a un rôle majeur lors de la conception minière des excavations et des chantiers ainsi que du choix de la séquence de minage. En effet, une conception et une séquence optimale tiennent compte de la variabilité géologique spatiale telle que la présence d’unités de compétence différente et de failles. Ces éléments ont une influence directe sur la redistribution des contraintes et donc sur la réponse du massif rocheux au minage. Il est donc essentiel de connaître la géologie générale et structurale du massif rocheux pour améliorer la conception minière et mieux gérer le risque sismique.
Figure 1.2: Vue longitudinale des zones minéralisées à la mine à la mine LaRonde (Turcotte, 2014).
1.2 Géologie régionale
La mine LaRonde est située dans la ceinture de roches vertes de l’Abitibi, une des régions les plus productives en or mondialement. Cette ceinture est bordée au sud par la faille Cadillac-Larder Lake, une zone tectonique d’environ 320 kilomètres très riche en gisement d’or. Le dépôt de LaRonde fait partie du camp minier de Doyon-Bousquet-LaRonde, un district aurifère majeur situé dans la partie est du Groupe de Blake River (Figure 1.3) (Mercier-Langevin et al., 2007). Ce Groupe est séparé en deux séquences : la Formation Hébécourt dans le
nord et la Formation Bousquet dans le sud. La formation d’Hébercourt est une unité effusive et volcanoclastite de roches tholéitiques à mafiques. La composition des roches volcaniques de la Formation de Bousquet varie graduellement de la base (nord) au sommet (sud), passant de tholéitique à calcoalcaline. La Formation de Bousquet est subdivisée en un membre inférieur et supérieur. Le membre supérieur est un dépôt autoclastique (écoulement bréchique) recouvert de dômes rhyodacitiques à rhyolitiques et/ou de cryptodômes partiellement extrusifs et recoupés par des dykes et des sills mafiques (Mercier-Langevin et al. 2007). Le volcanisme mafique à felsique de la Formation d’Hébécourt ainsi que du membre inférieur de la Formation de Bousquet a formé une plate-forme sous-marine en extension sur laquelle les roches de composition intermédiaire à felsique du membre supérieur de la Formation de Bousquet ont pu prendre place par extrusion sous-marine ou en complexe intrusif dans des environnements peu profonds.
Le secteur présente une déformation régionale majeure, responsable en partie de la présente géométrie du camp minier Doyon-Bousquet-LaRonde (Mercier-Langevin et al. 2007). Un premier épisode de déformation (D1) a d’abord causé un plissement régional du Groupe de Blake River (Hubert et al. 1984). Une deuxième déformation (D2) se superpose à la première et est le principal épisode de déformation dans la région du camp Doyon-Bousquet-LaRonde (Mercier-Langevin et al. 2007). Celle-ci a créé une schistosité d’orientation est-ouest à fort pendage vers le sud, qui est responsable des caractéristiques primaires de la plupart des dépôts du camp minier (Bousquet : Tourigny et al. 1989; Bousquet 2 : Tourigny et al. 1993; Dumagami : Marquis et al. 1990; Doyon : Savoie et al. 1991). Deux épisodes de métamorphisme affectent le gisement. Le premier est associé à la déformation principale (D2) et atteint le faciès de schistes verts supérieur – amphibolite inférieure. Le deuxième est la rétrogradation au faciès des schistes verts.
1.3 Géologie du gisement
Le gisement de la mine LaRonde est un dépôt de sulfures massifs volcanogènes (SMV) riche en Au. Les lentilles de sulfures semi-massifs à massifs d’Au-Zn-Ag-Cu-Pb sont spatialement associées à de nombreux assemblages d’altérations métamorphiques développés à la fois dans l’éponte inférieure et supérieure. La majorité de la production est extraite de la lentille principale, soit la zone 20 (Turcotte, 2014). Elle a une épaisseur allant jusqu’à 40 mètres localement, une largeur de 500 mètres et une longueur d’au moins 2 300 mètres (Mercier-Langevin et al., 2007). Les autres lentilles sont discontinues et ont une épaisseur variant entre 1 et 5 mètres. Toutes ont un pendage à 70-80° vers le sud. Une section géologique transversale montrant les principales lentilles du gisement de la mine LaRonde est illustrée à la Figure 1.4.
1.3.1
Lithologies
Les infrastructures permanentes de la mine LaRonde sont typiquement développées dans le basalte. La plupart des galeries de développement et des points de soutirage sont développés dans l’unité de rhyolite/rhyodacite. Les principales lithologies présentes à la mine LaRonde sont listées dans le Tableau 1.1.
Tableau 1.1: Description des lithologies présentes à la mine LaRonde.
Acronyme Description
V9I / V9A / V9iG Rhyolite - Rhyodacite
V6 Andésite
V4 Dacite
V9SZ (V9ASZ, V9ISZ, V6SZ) Unité intermédiaire avec 5-30% de sulfures en filonnets
V7 Basalte
V9ALPBK Unité felsique altérée contenant possiblement des blocs de lapilli
SZ Zone de sulfures semi-massifs (30-70 % de sulfures)
SZM Zone de sulfures massifs (>70% de sulfures)
V9AQB Tuf felsique avec yeux de quartz bleu
S3 Wacke
1.3.2
Altérations principales
Toutes les unités présentes à la mine LaRonde ont des zones d’altération locale en séricite. L’altération est de plus en plus forte à proximité du gisement, du nord vers le sud. Celle-ci dégrade la résistance du massif rocheux (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). Sous l’horizon 293, soit à 2930 mètres de profondeur, cette altération est moins présente et laisse place à une silicification du massif rocheux. Cette altération siliceuse est présente sous forme de rubanement plus ou moins prononcé, tel que présenté à la Figure 1.5. Dans certaines parties de la mine, plus la roche est silicifiée, plus elle montre un comportement fragile (Karampinos, 2016). Le type et l’intensité d’altération ont un impact direct sur le comportement mécanique du massif rocheux (Turcotte, 2014).
1.3.3
Structures
Deux échelles de structures sont relevées à la mine LaRonde, soient les structures à grandes échelles, présentes sur plusieurs niveaux, et les structures mineures, présentes à l’échelle locale seulement.
Les structures majeures comprennent la schistosité régionale ainsi que les couloirs de zones de cisaillement associés à une des failles principales. Un système de deux failles principales et de plusieurs failles conjuguées secondaires affecte le massif rocheux.
Une des failles majeures, la faille 700, a une direction de pendage vers le sud avec un pendage de 74°. Un large couloir de cisaillement constitué de roc de très faible qualité l’accompagne, tel qu’illustré à la Figure 1.6. Cette faille majeure affecte tous les niveaux de développement. La deuxième faille majeure, la faille 800, est également orientée Est-Ouest, mais possède un pendage de 85° vers le nord. Cette faille est caractérisée par une portion argileuse entre les niveaux 259 et 284. La faille devient ensuite discontinue et la portion argileuse disparait, mais une structure persiste entre les niveaux 284 et 293. Les deux failles majeures se croisent aux niveaux 281-284. Finalement, diverses failles conjuguées aux failles principales ont été identifiées dans les excavations de développement avec une direction de pendage vers le nord-est. La Figure 1.7 illustre le système de failles pour l’ensemble des niveaux de la mine alors que la Figure 1.8 expose une vue rapprochée des niveaux 259 à 293.
Figure 1.7: Système de failles identifiées sur l’ensemble des niveaux de la mine LaRonde (Le nord est dans l’axe Y positif).
Figure 1.8: Vue rapprochée du système de failles entre les niveaux 259 et 293. Les excavations du niveau 269 seulement sont illustrées, à titre de référence. A) Vue de haut inclinée vers l’Est B) Vue vers l’Est.
La rhyolite/rhyodacite, dans laquelle se trouvent la majorité des galeries de développement, est caractérisée par une foliation régionale d’espacement centimétrique à décimétrique avec pendage vers le sud à 75-80°, tel qu’illustré à la Figure 1.9 (Turcotte, 2014; Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). Cette foliation est aussi présente dans le basalte, mais de façon beaucoup moins prononcée (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). À proximité du gisement, les plans ont un espacement plus serré et sont plus prompts à être associés à une altération en séricite (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). Karampinos (2016) a évalué un paramètre de rugosité (Jr), tiré de la classification du NGI du massif rocheux (Barton et al., 1974), équivalent à 1 pour l’ensemble des plans de foliation à la mine LaRonde. Ainsi, ces plans sont uniformément lisses et planaires, et ce, pour l’ensemble des lithologies examinées. Un comportement anisotrope du massif rocheux résulte de la présence de la foliation.
Les structures mineures sont des structures présentes à plus petite échelle, soient localement sur un seul niveau de développement. Elles comprennent les joints et les discontinuités. Ces structures sont d’une intensité moindre par rapport à la foliation (Karampinos, 2016). L’espacement de la foliation varie de centimètres à décimètres, alors que l’espacement de joints est à l’échelle de plusieurs mètres (Karampinos, 2016). La rencontre de ces discontinuités, formant potentiellement des dièdres, est notée et décrite de même que la présence de veines de quartz. Ces données sont relevées lors de la cartographie des galeries par les techniciens en géologie structurale lors de la cartographie des excavations de développement.
B)
A)
Figure 1.9: Foliation d’espacement centimétrique exposée sur les murs, à environ 2000 mètres sous la surface (tiré de Karampinos, 2016).
1.4 Méthode de minage
La mine LaRonde utilise la méthode de minage de chantiers longs trous transversaux pour extraire les lentilles minéralisées subparallèles. Le minerai est extrait en utilisant une séquence de minage de pyramide montante et inversée primaire/secondaire, telle qu’illustrée à la Figure 1.10. Un chantier typique a une hauteur de 30 mètres et une largeur de 13,5 mètres lorsqu’il s’agit d’un chantier primaire et de 16,5 mètres pour les chantiers secondaires (Morissette, 2017). Dans les secteurs sous hautes contraintes, lorsque la largeur du chantier excède 20 mètres, le chantier primaire est pris en deux blocs pour permettre une redistribution des contraintes préalablement au minage du deuxième bloc. Aussi, le chantier secondaire est pris en deux blocs si le tonnage du chantier planifié est supérieur à 45 000 tonnes pour diminuer la dilution et les effondrements de remblai. Les chantiers sont typiquement remblayés avec du remblai en pâte ou de l’enrochement stérile sec. Un chantier moyen est approximativement de 20 000 à 40 000 tonnes.
Figure 1.10: Séquence de minage utilisée à la mine LaRonde pour une pyramide montante (tiré de Morissette, 2017).
1.5 Contraintes in situ
Les contraintes in situ à la mine LaRonde sont fortement influencées par la faille régionale Cadillac-Larder Lake orientée est-ouest. Les contraintes principales majeure (𝜎1) et intermédiaire (𝜎2) dans le massif sont toutes deux subhorizontales alors que la contrainte principale mineure (𝜎3) est verticale. La contrainte principale majeure est perpendiculaire au gisement, aux failles majeures, aux lithologies et à la foliation affectant le massif rocheux. Les contraintes principales sont résumées dans le Tableau 1.2.
Tableau 1.2: Modèle de contraintes historique à la mine LaRonde (Morissette, 2017).
Contraintes
principales Orientation Équation
Magnitude Niveau 218 (2180 m sous la surface) Niveau 311 (3110 m sous la surface)
𝜎1 N-S, subhorizontale 1.62 ∙ 𝜎𝑣 95 MPa 136 MPa
𝜎2 E-W, subhorizontale 1.34 ∙ 𝜎𝑣 79 MPa 113 MPa
Ces données sont basées sur les mesures réalisées par CANMET (CANMET, 1999) ainsi que celle de Corthésy et Leite (2006). Les études menées par CANMET ont été réalisées aux niveaux 146 et 150. Corthésy et Leite (2006) ont réalisé leur analyse suite à des mesures de contraintes qui ont été effectuées dans une galerie de voie ferrée située au niveau 215 de la mine LaRonde.
1.6 Séismicité
Un évènement sismique est défini par Heal et al. (2005) comme une onde de contraintes résultant d’une déformation ou d’une rupture localisée du massif rocheux. Historiquement, la majorité des évènements sismiques à la mine LaRonde a été principalement associée à certaines régions, telles que (Heal et al., 2006; Turcotte, 2014; Brown, 2016; Morissette, 2017):
- Aux extrémités et au-devant des fronts de minage pyramidaux dans les épontes de chantiers (« stope abutments »)
- Dans les intersections de développement de l’éponte inférieure où le roc est plus siliceux
- Le long des épontes supérieures de structures géologiques localisées à environ plus de 1760 mètres de profondeur
- Près des chantiers actifs suivant certains tirs à l’explosif de production - Dans les piliers horizontaux sous hautes contraintes
En 2007, l’exploitation de trois piliers horizontaux sous hautes contraintes a généré un grand nombre d’évènements sismiques générant des coups de terrain (Turcotte, 2014). D’ailleurs, la séquence minière a été modifiée par la suite afin d’éliminer les piliers horizontaux le plus rapidement possible (Brown, 2016). Depuis 2012, une augmentation importante du nombre d’évènements a été observée à la mine LaRonde (Morissette, 2017). Une augmentation de la probabilité d’occurrence des coups de déformation (« strainburst ») a également été notée (Morissette, 2017).
1.6.1
Système de monitorage
La mine LaRonde possède un système de surveillance sismique depuis 2003. Une des plus grandes mises à jour du système a été le changement de système de base de Hyperion à Paladin en 2008. Ce changement de l’analogue au digital a entraîné une plus grande sensibilité du système à capter des évènements de plus grande fréquence, soit de plus faible magnitude. Le système de monitorage est composé de 99 accéléromètres de fréquence 50 Hz, incluant 12 senseurs triaxiaux et 87 uniaxiaux, ainsi que sept géophones de 15 Hz, tel qu’illustré à la Figure 1.11.
Figure 1.11: Emplacement des senseurs dans une section longitudinale de gisement de LaRonde : accéléromètres uniaxiaux = cylindres bleus; accéléromètres et géophones triaxiaux = pyramides rouges. A) Vue vers le nord B) Vue vers
l’ouest.
Un système sismique régional, composé de cinq géophones de 4,5 Hz localisés entre deux et quinze kilomètres de la mine, permet de mieux définir la macroséismicité. La magnitude des évènements sismiques captés par ce système est notée avec une échelle de Richter.
La magnitude est une mesure de la taille d’un évènement sismique (Hudyma, 2010). La magnitude enregistrée par les appareils de monitorage situés dans la mine est nommée « magnitude locale ». La relation entre la magnitude locale et la magnitude Richter peut s’approximer par MRichter = MLocale +1. À la mine LaRonde, des évènements sismiques de magnitude Richter de plus de 3,0 ont été enregistrés.
1.7 Défis en contrôle de terrain à la mine
La mine LaRonde présente deux défis majeurs quant à la conception et à la gestion des excavations minières : la convergence extrême des murs et l’occurrence de coups de terrain. Dans les deux cas, la schistosité semble
B)
A)
un facteur déterminant (Karampinos, 2016; Turcotte, 2014). Le comportement mécanique du massif rocheux est également influencé par la présence et le degré d’altération (Turcotte, 2014).
1.7.1
Convergence des murs
Potvin et Hadjigeorgiou (2008) ont défini que dans un environnement minier, une convergence est notable lorsque le déplacement des murs se mesure en dizaines de centimètres pendant la durée de vie prévue du support de terrain en place. Les conditions de convergence dans une mine de roche dure peuvent être causées par une variété de mécanismes de rupture, tels qu’un cisaillement complet du massif rocheux et un glissement accompagné de cisaillement (Aydan et al.,1993). Dans un massif rocheux composé de minces plans, tel que ceux associés à une foliation importante, un mécanisme de rupture de type flambage peut apparaître sous de hautes contraintes (Karampinos, 2016). La mine LaRonde fait face aux plus grandes déformations rapportées à ce jour dans les mines de roches dures (Karampinos, 2016). La convergence totale des murs peut atteindre 2,1 mètres (Hadjigeorgiou et al. 2013). Un exemple typique de convergence extrême à la mine LaRonde est présenté à la Figure 1.12.
Figure 1.12: Conditions de convergence extrême de murs à la mine LaRonde (tiré de Karampinos, 2016).
Ainsi, les conditions menant à une convergence de murs dans une excavation minière de roches dures sont une combinaison de contraintes induites élevées et d’un massif rocheux de mauvaise qualité (Potvin et Hadjigeorgiou, 2008). Mercier-Langevin et Turcotte (2007) indiquent que de grandes déformations peuvent se
produire également dans un massif rocheux avec une résistance en compression uniaxiale (UCS) élevée lorsque les contraintes in situ sont élevées. Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou (2011) ont montré l’effet du ratio entre les contraintes in situ et la résistance du roc intact sur la déformation à la mine LaRonde.
Dans de nombreuses mines profondes et sous hautes contraintes telles que la mine LaRonde, les conditions de convergence sont contrôlées par l’angle d’interception entre la normale au plan du mur de l’excavation et la normale au plan de la foliation (Karampinos et al., 2014). Lorsque l’excavation est parallèle à la foliation, le dommage est plus important. Mercier-Langevin et Wilson (2013) ont démontré que les contraintes sont redistribuées axialement aux plans de foliation et engendrent une déformation de la roche adjacente. Il y a ainsi une contraction selon la direction de la contrainte principale majeure et une dilatation dans la direction de la contrainte principale mineure. La dilatation induit une déflexion des plans de foliation, diminuant le seuil de force axiale nécessaire au flambage. Lorsque l’angle d’interception est de 90°, le plus grand dommage n’est qu’une convergence mineure, telle qu’illustrée à la Figure 1.13. Karampinos (2016) a observé qu’une plus grande déformation est observée là où la fréquence de foliation est plus élevée. La déformation est également plus grande lorsque l’altération en séricite est plus élevée. De plus, Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou (2011) lient la sévérité de convergence à l’espacement de la foliation (s) et au ratio entre la contrainte principale induite (σ1) et la résistance en compression du roc intact (σci). Ainsi, la convergence est plus sérieuse lorsque le ratio entre la contrainte principale majeure et le σci est supérieur à 0,7 et lorsque l’espacement des joints est serré, soit de moins de 10mm.
Pour mieux contrôler la déformation, l’installation de support de terrain est séquencée : primaire, secondaire et tertiaire (Karampinos et al., 2016). En effet, la mine LaRonde a observé qu’une installation de support par étapes permettait une meilleure gestion de la convergence. L’installation primaire comprend l’installation de support de terrain de boulons à friction aux murs et de boulons scellés à la résine au toit (Karampinos et al., 2016). Des boulons hybrides, développés par la mine en 2007 (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007), sont ensuite installés aux murs lors d’une seconde passe, qui prend place douze mètres derrière la face de développement d’une excavation (Karampinos et al., 2016). Un boulon hybride est le résultat de l’insertion d’un boulon scellé à la résine de 1,9 mètres (diamètre de 22 mm) dans un boulon à friction de deux mètres de long (diamètre de 39 mm) contenant de la résine (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). La troisième étape d’installation de support de terrain est celle de câbles d’ancrage dans le toit et aux murs au moment de l’exploitation des chantiers secondaires (Karampinos et al., 2016).
Figure 1.13: Indice de convergence du massif rocheux : a) Matrice de contraintes pour prédire les zones de convergence basée sur l'espacement de la foliation; et b) Matrices de convergence pour différents angles d'interception (de
Karampinos, 2016, modifié de Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou, 2011).
1.7.2
Coups de terrain
Lors de la rupture et de la déformation d’un massif rocheux générant un évènement sismique, l’onde de choc peut provoquer l’éjection violente et soudaine de roc, communément nommée un coup de terrain (Kaiser et al., 1996). Ces coups de terrain peuvent avoir diverses conséquences pour la mine, tels qu’un effet néfaste sur la sécurité du personnel, un endommagement des excavations et des équipements ainsi qu’une diminution de la production. La mine LaRonde expérimente des coups de terrain, tel que le montre le rapport de Turcotte (2014). Entre 1999 et 2013, 61 coups de terrain ont été observés à la mine LaRonde (Turcotte, 2014). Les éjections de roc n’ont pas déplacé plus de 10 tonnes de roches dans 70% des cas (Turcotte, 2014). Un exemple de coup de terrain à la mine LaRonde est présenté à la Figure 1.14.
Figure 1.14: Excavation de développement de dimensions typiques à la mine LaRonde avant (a) et suite à un coup de terrain (b) (tiré de Morissette, 2017).
Les paramètres importants influençant les niveaux de dommages suite à un coup de terrain comprennent la quantité d’énergie relâchée par un évènement, la performance du support de terrain, la localisation de l’excavation, la géologie locale, la charge sismique antérieure et la distance entre l’évènement et la localisation du dommage. À la mine LaRonde, le mécanisme de rupture, la localisation et la sévérité des dommages de coups de terrain sont fortement influencés par la schistosité. En effet, la plupart des éjections de roches sont relatives à l’anisotropie du massif rocheux liée à la foliation (Turcotte, 2014). D’ailleurs, près de 75% des coups de terrain se sont produits dans des galeries orientées de 0 à 30° par rapport à la schistosité (Turcotte, 2014). Cette étude a d’ailleurs permis d’ajouter un facteur lié à l’orientation de l’excavation par rapport aux structures géologiques à l’équation pour évaluer le potentiel de vulnérabilité d’une excavation en lien avec la séismicité (Heal et al, 2006). Cet outil pratique permet de mieux évaluer et réduire le risque sismique de coups de terrain associé aux excavations souterraines. En effet, cette étude a permis d’établir des stratégies proactives quant à l’installation et à l’amélioration du support de terrain pour certaines excavations où de grands évènements sismiques se sont produits. Sur le terrain, il est relativement difficile d’identifier la nature d’un évènement (coups de déformation (« strainburst »), flambage (« buckling »), éclatement de pilier (« pillar burst »), glissement de failles (« fault-slip »), etc.). À la mine LaRonde, les coups de terrain sont classés en deux catégories par le département de mécanique des roches visant à refléter le degré d'exposition potentiel du personnel de la mine pour chaque circonstance. Cela permet de traiter le niveau de risque sismique en conséquence. Les deux principales catégories sont les coups de terrain se produisant des faces en cours de développement, c’est-à-dire typiquement associés à des coups de déformation, et des dommages se produisant dans les excavations supportées non en cours de développement.
1.8 Conclusion
Ce chapitre a présenté différents éléments importants ayant une influence sur la mécanique des roches à la mine LaRonde. Ainsi, la géologie a été détaillée en introduisant les principales lithologies et structures affectant le massif rocheux tel que les failles et la foliation. La méthode et la séquence de minage ainsi que l’état des contraintes in situ ont été abordés. La magnitude, la localisation et la fréquence des évènements sismiques ont également été survolées. Finalement, les deux principaux défis liés à la conception et à la gestion des excavations souterraines soient la convergence des murs et les dommages provoqués par les évènements sismiques ont été abordés. La quantité d’information disponible à la mine LaRonde est très vaste puisqu’il s’agit d’un site mature en opération depuis 1988. Toutefois, l’ensemble de ces données sont éparses et non regroupées sous une base de données commune et intégrée. Ce regroupement et cette intégration permettraient d’améliorer notre compréhension des phénomènes étudiés.
Chapitre 2 : Méthodologie - Base de données
géomécaniques
2.1 Introduction
Les différentes étapes des travaux de développement et de programmation du modèle géotechnique global intégrant une large base de données afin d’améliorer la gestion du risque en milieu sismiquement actif sont présentées dans ce chapitre. La totalité des outils présentés dans ce chapitre a été élaborée dans le cadre de ce projet de maîtrise.
D’abord, la sélection de la plate-forme unique est justifiée. Ensuite, la collecte des données géologiques, opérationnelles, géomécaniques et autres est décrite. De plus, le traitement qui s’en est suivi afin de les intégrer sous une seule et même plate-forme est ensuite présenté. Cette intégration se fait via la programmation d’importation de fichiers au sein de la plate-forme unique. Finalement, la méthodologie employée dans le cadre de ce projet pour le développement d’outils d’analyses spatiales, temporelles et statistiques est détaillée. La méthodologie pour la mise à jour et l’utilisation des bases de données intégrées à la plate-forme est présentée à l’Annexe A.
2.2 Sélection de la plate-forme unique
La sélection de la plate-forme unique utilisée fut basée principalement sur les possibilités offertes par celles sur le marché quant aux analyses quantitatives et en prenant compte des outils déjà utilisés sur le site de la mine LaRonde. La plate-forme mXrap (Harris et Wesseloo, 2015) est déjà utilisée sur le site de la mine pour y identifier les évènements sismiques. Éventuellement, les outils développés dans le cadre de ce mémoire seront appliqués à la gestion de la séismicité. Il est donc avantageux de considérer un logiciel pouvant traiter les données sismiques. Le logiciel mXrap (Harris et Wesseloo, 2015) est conçu de façon à ce que l’utilisateur soit en mesure de programmer facilement de nouveaux outils en JavaScript. Ce logiciel, auparavant nommé MSRAP, a été créé par le Australian Centre for Geomechanics, localisé à Perth en Australie, afin de faciliter le transfert des connaissances dans le domaine de la géomécanique minière. Cette facilité d’intégration de nouvelles applications pouvant être développées soi-même est la principale raison de ce choix de plate-forme. La programmation d’une nouvelle application, soit d’un modèle géotechnique incluant de nombreuses bases de données, étant le but premier de ce mémoire, la sélection de la plate-forme mXrap (Harris et Wesseloo, 2015) est tout indiquée. De plus, la flexibilité de formats de données pouvant être intégrés et la possibilité de programmer des analyses quantitatives statistiques directement sur mXrap (Harris et Wesseloo, 2015) sans utiliser d’autres logiciels en parallèle sont des avantages majeurs de la plate-forme.
2.3 Collecte des données
Les données incluses dans le modèle se séparent en diverses catégories : données de forages, cartographie réalisée dans les excavations de développement, surfaces interprétées des grandes structures géologiques, résultats d’essais géomécaniques de laboratoire, rapports des dommages et séismicité. Les données liées à l’exploitation sont également incorporées et utilisées dans le modèle. Celles-ci comprennent les informations concernant la localisation et la date des tirs à l’explosif de développement et de production ainsi que les excavations en trois dimensions et leur ligne de centre.
2.3.1
Interprétation des carottes de forage
Les rapports d’interprétation des carottes de forage ont été fournis par le département de géologie. Ces rapports sont réalisés par les géologues dans la cartothèque et saisis dans une base de données géologique. Cette base de données géologique contient des informations sur les lithologies principales et secondaires, le type et l’intensité d’altération, le type et le pourcentage de minéralisation, la désignation de qualité de la roche (RQD) (Deere et Deere, 1988), le type de structures, les textures particulières et le type de veines. Ces informations peuvent être visualisées telles qu’illustrées à la Figure 2.1.
Figure 2.1: Information extraite de l'interprétation de carottes de forage de la mine LaRonde, telle que la lithologie (vert – V9i; orange – SZ; rouge- SZM; jaune – zone altérée.
Toutes ces informations sont référencées dans l’espace et le temps depuis le début des années 2000, couvrant ainsi un très large secteur sur une longue période. Chaque type d’information a pu être extrait en format .csv en différents fichiers d’une plate-forme utilisée principalement en géologie. Chaque fichier comprend le numéro d’identification du forage, la coordonnée en trois dimensions du point milieu du segment, la longueur du segment, la profondeur initiale et finale du segment dans le forage ainsi que la direction et le pendage du segment.
Toutes les informations ont été ajoutées au modèle, mais ne sont pas spécifiquement analysées dans ce mémoire. Ainsi, seulement quelques exemples d’application du modèle géotechnique développé sont introduits
2.3.1.1
Date d’observation
Les dates de début et de fin de forage de chaque forage sont compilées dans la base de données géologique. La date associée aux données interprétées de ces carottes de forage est celle de la date de fin de forage. Ainsi, il y a un décalage entre la date de forage exacte du segment et la date associée dans la base de données. Ce décalage n’a aucun impact quant à l’identification de la lithologie ou des altérations, mais en a un pour la mesure du RQD. Prenant en considération que des tirs à l’explosif de développement ou de production aient pu avoir lieu dans le secteur où la carotte a été forée entre la date de forage exacte du segment et la date associée au segment, soit celle de la fin du forage, ce décalage temporel peut influencer l’interprétation de la mesure du degré de fracturation de la roche.
Les données de trous de forage comprennent tous les types de forage : ceux d’exploration, de définition et de délinéation. Ces trous de forage ont été réalisés à différents stades de l’exploitation et à différents espacements. Les forages d’exploration sont généralement très longs et visent des zones éloignées des excavations. Les forages de définition débutent dans les épontes distantes des chantiers au début de l’excavation du niveau. Les forages de délinéation débutent dans les épontes près des chantiers lorsque l’exploitation est assez développée. Ils sont typiquement les forages les plus courts. Les différents types de forage sont présentés à la Figure 2.2. Le degré de dispersion temporelle pour un même secteur de ces forages permet d’obtenir la variation des données, particulièrement celle de fracturation du massif rocheux, à différents moments de l’exploitation minière.
Figure 2.2: Types de forage à la mine LaRonde (a) tous; (b) forage d’exploration; (c) forage de délimitation; (d) forage de délinéation.
