Quantification de l'influence de paramètres critiques sur
la demande imposée au support de terrain dans une
mine profonde et sismiquement active
Mémoire
Guillaume Sasseville
Maîtrise en génie des mines - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Quantification de l’influence de paramètres critiques sur
la demande imposée au support de terrain dans une
mine profonde et sismiquement active
Mémoire
Guillaume Sasseville
Sous la direction de :
Martin Grenon, directeur de recherche
Philippe Morissette, codirecteur de recherche
Résumé
Avec l’appauvrissement progressif des ressources minérales près de la surface, l'exploitation minière en profondeur et sous hautes contraintes constitue l'avenir de nombreuses mines en exploitation et en développement. Exploiter en grande profondeur implique généralement la réalisation de travaux miniers sous des conditions géotechniques plus difficiles. Or, une gestion du risque sismique et des dommages qui peuvent en découler est l’une des préoccupations majeures de ces mines.
Le support de terrain constitue la dernière ligne de défense pour contrer les coups de terrain et ainsi contribue à la gestion du risque sismique. Dans un contexte dynamique, le système de soutènement sera aussi performant que son maillon le plus faible. Sous ces conditions, une évaluation proactive de la dégradation des systèmes de soutènement doit être effectuée afin d’appliquer des mesures correctives de manière préventive. Dans une perspective de contrôle de la qualité de l’information, les données reliées aux inspections du support de terrain mis en place doivent être facilement accessibles et consultables. Ce mémoire présente le développement d’outils d’analyse sur le support de terrain pour améliorer la compréhension des facteurs ayant une influence critique sur la performance et dégradation du support de terrain soumis à des conditions de chargement statique et dynamique. Ces outils d’analyses ont été développés à partir d’une base de données globale regroupant les observations rapportées sur la dégradation du support de terrain dans une mine profonde en exploitation. Ces observations étaient mises à jour sur une base mensuelle, au minimum, selon les pratiques de contrôle de la qualité appliquées à la mine.
La collecte, le traitement et l’analyse des données géologiques, géomécaniques, opérationnelles et sismiques ont été réalisés pour le cas d’étude de la mine LaRonde, située au Québec. Le développement d’une base de données globale et d’outils d’analyses sur le support de terrain a permis d’identifier et d’évaluer de manière quantitative les facteurs critiques et les précurseurs qui influencent la performance du support de terrain. Ce mémoire démontre la contribution à la conception minière et à la gestion du risque sismique d’une base de données globale et d’outils d’analyses sur le support de terrain pour un environnement minier complexe sous hautes contraintes et sismiquement actif.
Table des matières
Résumé ... ii
Table des matières ... iii
Liste des figures, tableaux, illustrations ... vi
Liste des abréviations, sigles, acronymes ... x
Remerciements ... xi Avant-propos ... xii Introduction générale ... 1 Contexte ... 1 Problématique ... 11 Objectifs ... 11 Méthodologie ... 12
Plan détaillé du mémoire ... 12
Conclusion ... 13
Chapitre 1 Cas d’étude de la mine LaRonde ... 14
1.1 Introduction ... 14
1.2 Géologie régionale ... 15
1.3 Géologie du gisement ... 16
1.3.1 Lithologie ... 16
1.3.2 Structures ... 17
1.4 Méthode et séquence de minage ... 19
1.5 Contrainte in situ... 20
1.6 Sismicité ... 21
1.6.1 Système de surveillance sismique ... 21
1.7 Contrôle de terrain ... 22
1.7.1 Convergence des murs ... 22
1.7.2 Coups de terrain ... 24
1.7.3 Stratégie de soutènement ... 26
1.8 Zone à l’étude ... 29
1.9 Conclusion ... 30
Chapitre 2 Méthodologie - Développement d’une base de données et d’outils d’analyse ... 31
2.1 Introduction ... 31
2.2 Plateforme sélectionnée ... 31
2.4 Identification des sources et compilation des données ... 33
2.4.1 Volées quotidiennes ... 33
2.4.2 Support de terrain mis en place ... 34
2.4.3 Géologie ... 40
2.4.4 Failles et structures géologiques ... 43
2.4.5 Activité sismique ... 43
2.4.6 Coups de terrain ... 43
2.4.7 Conclusion partielle ... 44
2.5 Développement d’outils d’analyse ... 44
2.5.1 Caractéristiques des excavations ... 44
2.5.2 Géologie ... 49
2.5.3 Géomécanique ... 50
2.5.4 Outils d’analyse spatial et temporel ... 51
2.6 Conclusion ... 55
Chapitre 3 Article 1 - Identification of critical factors contributing to increased demand on ground support elements at LaRonde mine ... 56
3.1 Résumé ... 56
3.2 Abstract ... 56
3.3 Introduction ... 56
3.4 LaRonde Mine ... 57
3.5 Ground Support at LaRonde mine ... 59
3.5.1 Ground Support Strategy... 59
3.5.2 Monitoring Ground Support Performance and Degradation ... 61
3.6 Methodology ... 62
3.6.1 Development of Database ... 62
3.6.2 Development of Analysis Tools ... 63
3.7 Results ... 67
3.7.1 Operational Properties ... 67
3.7.2 Geomechanical Rockmass Properties ... 70
3.7.3 Geological Properties ... 70
3.7.4 Ground Support Type ... 73
3.8 Conclusion ... 74
Acknowledgements ... 75
Chapitre 4 Article 2 – Assessing the contribution of seismicity to the demand on ground support elements at LaRonde mine. ... 76
4.1 Résumé ... 76
4.2 Abstract ... 76
4.3 Introduction ... 77
4.4 Case study: LaRonde mine ... 78
4.5.1 Ground support strategy ... 79
4.5.2 Monitoring ground support performance and degradation ... 81
4.5.3 Seismic monitoring at the mine site ... 82
4.6 Methodology ... 82
4.6.1 Development of a database ... 82
4.6.2 Spatiotemporal seismic filtering ... 83
4.7 Seismic parameters studied ... 84
4.7.1 Seismic event rate ... 84
4.7.2 Local magnitude ... 84
4.7.3 Peak particle velocity ... 84
4.8 Results... 85 4.8.1 Ground support ... 85 4.8.2 Seismic history ... 86 4.8.3 Seismic parameters ... 87 4.8.4 Seismic rate ... 87 4.8.5 Local magnitude ... 90
4.8.6 Peak particle velocity ... 91
4.9 Conclusion... 91 Acknowledgement... 91 Conclusion ... 92 Limitations ... 94 Travaux futurs ... 95 Bibliographie ... 97
Liste des figures, tableaux, illustrations
Figure 1: Trois fonctions clés (renforcer le massif rocheux, supporter la roche fracturée en surface et retenir le matériel surfaçant) du support de terrain (Kaiser et al., 1996). ... 2 Figure 2: Abaque de conception du soutènement systématique par le système du NGI (selon Grimstad et Barton, 1993). ... 4 Figure 3: Conditions de convergence extrême de murs à la mine LaRonde (Karampinos, 2016). ... 6 Figure 4: Influence de l'angle d'interception (𝝍) sur la convergence résultante entre les plans de foliation et la direction de l’excavation mesurée par LiDAR aux mines LaRonde et Lapa : a) mur sud; b) mur nord; c) toit; et d) plancher (Karampinos et al., 2015). ... 7 Figure 5: Indice de convergence du massif rocheux: a) Matrice de contraintes pour prédire les zones de convergence basées 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). ... 8 Figure 1. 1: Vue longitudinale des réserves minérales et des infrastructures de la mine LaRonde
(www.agnicoeagle.com). ... 14 Figure 1. 2: Carte géologique simplifiée du camp minier Doyon-Bousquet-LaRonde montrant l'emplacement de la mine LaRonde et d'autres mines par rapport aux principales failles de la région (modifié de Dubé et al.; 2004). ... 15 Figure 1. 3: Vue en plan de la cartographie réalisée dans les excavations au niveau 290 à la mine LaRonde.16 Figure 1. 4: Vue en plan du niveau 284 avec la faille 800 (brun), la zone de faible RQD (rouge) qui enveloppe la faille 700 (vert). ... 17 Figure 1. 5: Système de failles identifiées sur l’ensemble des niveaux de la mine LaRonde excluant la faille 700. ... 18 Figure 1. 6: Mesure de la fréquence de foliation à partir d’une traverse à la mine LaRonde (Karampinos, 2016). ... 19 Figure 1. 7: Séquence de minage utilisée à la mine LaRonde pour une pyramide montante et descendante (Archive de la mine LaRonde). ... 20 Figure 1. 8: Disposition des sondes uniaxiales et triaxiales entre 2 690 et 3 050 m de profondeur à la mine LaRonde. ... 22 Figure 1. 9: Stage tardif d’une déformation dans une excavation minière au mur sud (à gauche) dans une roche ultramafique (Mercier-Langevin & Wilson, 2013). ... 23 Figure 1. 10: Différentes matrices de convergence selon l’angle d'interception (Mercier-Langevin &
Hadjigeorgiou (2011). ... 24 Figure 1. 11: Dommages à une excavation à la suite d’un événement sismique au niveau 164 à la mine LaRonde. ... 25 Figure 1. 12: Vue en section (à gauche) et vue de profil (à droite) de la stratégie de soutènement standard utilisé pour maintenir l’intégrité des excavations à la mine LaRonde (archives de la mine LaRonde). ... 27 Figure 1. 13: Vue en section du support secondaire dans les murs de l'excavation (archives de la mine LaRonde). ... 28 Figure 1. 14: Procédure d’installation du boulon hybride à la mine LaRonde (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). ... 29 Figure 1. 15: Vue longitudinale de la zone étudiée et des pyramides minières actives pour la période entre janvier 2014 et janvier 2018. ... 30
Figure 2. 1: Trois niveaux typiques à la mine LaRonde segmentés par volées de développement de 3 mètres
et grossissement d'une section d’excavation montrant les 16 faces indépendantes de 4 volées. ... 33
Figure 2. 2: Excavations segmentées par volées de développement. ... 34
Figure 2. 3: Excavations segmentées par volées de développement et devis de support de terrain mis en place (vert). ... 35
Figure 2. 4: Exemple de plans d’ingénierie émis pour A) du support de terrain additionnel et B) pour l’installation de câbles. ... 37
Figure 2. 5: Exemple de nomenclature utilisée pour identifier un agencement de support de terrain pour les différents plans d’ingénierie émis. ... 38
Figure 2. 6: États des plaques rapportés à la suite d'inspections visuelles mensuelles. ... 39
Figure 2. 7: États observés et rapportés du support de terrain (plaques) lors des visites mensuelles. ... 39
Figure 2. 8: Boîtes de carottes de forage disposées pour l’interprétation géologique. ... 40
Figure 2. 9: Détermination du facteur de la qualité de la roche (RQD), d'après Deere et al. (1989). ... 41
Figure 2. 10: Les quatre directions d’excavation associées aux segments. ... 45
Figure 2. 11: Arêtes extérieures des huit cubes produits par segment. ... 46
Figure 2. 12: Vecteurs unitaires générés par l’application permettant de localiser spatialement les faces extérieures. ... 46
Figure 2. 13: Vecteurs roses verticaux mesurant la hauteur au début et à la fin de la même excavation segmentée A) pour le bloc modèle construit et B) pour les excavations arpentées en 3D. ... 48
Figure 2. 14: Association des valeurs de RQD interprété des forages aux 16 faces indépendantes des excavations. ... 50
Figure 2. 15: Processus décisionnel pour positionner le segment d’excavation par rapport à une structure. ... 51
Figure 2. 16: Filtres programmés pour raffiner les analyses. ... 52
Figure 3. 1: Longitudinal section of gold grades at the LaRonde mine (Morissette, 2017). ... 58
Figure 3. 2: Section view (A) and side view (B) of the excavation ground support standard design at LaRonde mine for primary support installed after development blasting (LaRonde mine archive). ... 60
Figure 3. 3: Side view of secondary support in the excavation sidewall; orientation is relative to the foliation (LaRonde mine archive). ... 61
Figure 3. 4: Three degradation levels reported after visual inspection of reinforcement element plates (LaRonde mine archive). ... 62
Figure 3. 5: Three typical levels at LaRonde mine segmented with development blasts; inset, magnification of a drift section showing 16 independent faces. ... 62
Figure 3. 6: The 18.5 km of drifts between 2,690 and 3,050 m depth and the major faults 700 and 800 that intercept the studied zone. ... 65
Figure 3. 7: Convention to describe the directional distance between the degrading support element and the geological structure. ... 66
Figure 3. 8: Data from drill hole LR-278-003 matched to the nearest independent faces of the excavation PS-278-125. ... 66
Figure 3. 9: Three-dimensional image of surveyed drifts with vertical vectors (pink lines) that measure the excavation height on the surveyed drift profile. ... 67
Figure 3. 10: Analysis tool convention used for georeferencing the excavation back according to the interception angle of the excavation directional vector and rock foliation. ... 68
Figure 3. 11: Distribution curves of the equivalent loss of capacity related to the interception angle of the drift orientation and rock foliation and the georeferenced excavation back. ... 68 Figure 3. 12: Distribution curves of the equivalent loss of loading capacity for various excavation spans. ... 69 Figure 3. 13: Distribution curves of the equivalent loss of capacity for various RQD around the excavation. ... 70 Figure 3. 14: Plan view of the loss of loading capacity zonation and geological structures that intercept the studied zone between 2,705 and 2,795 m below the surface. ... 71 Figure 3. 15: Directional distance between one tonne of loss of loading capacity and the nearest geological structure. ... 72 Figure 3. 16: Number of ground support elements degrading and the percentage of the total loss of loading capacity according to the identified behavior (loaded or broken). ... 73 Figure 4. 1: Longitudinal section of gold grades at the LaRonde mine (Morissette, 2017). ... 78 Figure 4. 2: Section view (left) and side view (right) of the excavation ground support design at LaRonde mine for primary support installed after development blasting (LaRonde mine archive). ... 79 Figure 4. 3: Side view of secondary support in the excavation sidewall; orientation is relative to the foliation (LaRonde mine archive). ... 80 Figure 4. 4: Three degradation levels reported after visual inspection of reinforcement element plates
(LaRonde mine archive). ... 81 Figure 4. 5: Arrangement of uniaxial and triaxial sensors between 2,690 and 3,050 m depth at LaRonde mine. ... 82 Figure 4. 6: Three typical levels at LaRonde mine segmented with development blasts; inset, magnification of a drift section showing 16 independent faces (Sasseville et al., 2019). ... 83 Figure 4. 7: Seismic history for January 2014 to March 2018 within a radius of 22.5 m around excavations inspected monthly for A) drift between 2,690 and 3,050 m depth and B) drift level 272 (2,720 m below surface) at LaRonde mine since development blast is mined. ... 84 Figure 4. 8: Magnitude time history with the cumulative number of degraded ground support elements and number of events passing spatiotemporal seismic filtering at the LaRonde mine. ... 86 Figure 4. 9: Maximum daily seismic parameter for A) Number of seismic events, B) Maximum local magnitude, and C) Maximum peak particle velocity. Monthly (30 days period) seismic parameter for D) Number of seismic events, E) Maximum local magnitude, and F) Maximum peak particle velocity. ... 88 Figure 4. 10: Cumulative distribution curve of the number of degraded ground support element related to the number of seismic events experienced before degradation was identified. ... 89 Figure 4. 11: Distribution curve of the number of ground support element degrading related to the local
magnitude 90th percentile experienced before degradation has been identified. ... 90
Tableau 1: Principaux facteurs influençant la demande aux éléments de support de terrain ... 3 Tableau 1. 1: Modèle historique de contraintes in situ à la mine LaRonde (CANMET, 1999) ... 20 Tableau 1. 2: Agencement du support de terrain au toit des excavations pour les trois devis standard de support de terrain (DSI, 2018) ... 28 Tableau 1. 3: Longueur et capacité maximale des éléments de renforcement installés au toit des excavations de la mine LaRonde (DSI, 2018) ... 29 Tableau 2. 1: Codes archivés dans la base de données référant aux devis standards installés initialement ... 36
Tableau 2. 2: Unités stratigraphiques et descriptions lithologiques à la mine LaRonde (archive mine LaRonde) ... 42 Tableau 3. 1: Main factors influencing the demand on ground support elements ... 57 Tableau 3. 2: Major principal stresses at LaRonde mine (Morissette, 2017) ... 59 Tableau 3. 3: Ground support layout at the back of the excavation for the ground support standard designs (DSI, 2018) ... 60 Tableau 3. 4: Ground support installed at the back of excavations at LaRonde mine and their peak load ... 61 Tableau 3. 5: Degradation levels and remaining capacity in ground support elements ... 63 Tableau 3. 6: Statistical results from analysis of the directional distance between the loading capacity loss and the nearest geological structure ... 71 Tableau 3. 7: Number of ground support elements degrading according to the identified behavior (loaded or broken) and the percentage of the loss of loading capacity ... 74 Tableau 4. 1: Major principal stresses at LaRonde mine (Morissette, 2017) ... 79 Tableau 4. 2: Ground support layout at the back of the excavation for three ground support standard designs (DSI, 2018) ... 80 Tableau 4. 3: Length and peak capacity of ground support elements installed at the back of excavations at LaRonde mine ... 81
Liste des abréviations, sigles, acronymes
° : DegréACG : Centre australien pour la géomécanique FRQNT : Fonds de recherche – Nature et technologies M Locale, ML : Magnitude locale d’un évènement sismique
m : Mètre
RQD : Désignation de la qualité de la roche (« Rock Quality Designation ») σ1 : Contrainte principale majeure
σ2 : Contrainte principale intermédiaire
Remerciements
J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de recherche, Martin Grenon, qui a cru en moi et qui m’a laissé ma chance. Ces deux dernières années, m’ont permis de me surpasser et de grandir en tant que personne. Vous m’avez offert de belles opportunités et je vous serai toujours reconnaissant.
Je tiens également à remercier mes collègues de travail, qui m’ont accompagné durant la réalisation de ma maîtrise : Audrey Goulet et Jocelyn Tuleau. Vous avez fait du bureau un endroit de partage de connaissances et agréable à travailler. Je veux particulièrement remercier Benoit McFadyen avec qui j’ai partagé des moments mémorables durant ces années et lors de notre séjour en Australie.
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. Tout d’abord, je tiens à remercier particulièrement Philippe Morissette d’être un excellent pédagogue et un modèle à suivre. I would also like to acknowledge the people working at the Australian Centre of Geomechanics. Thanks to Yves Potvin, Johan Wesseloo, Gerhard Morkel, Kyle Woodward, Daniel Cumming-Potvin, Stuart Tierney, and Paul Harris.
De plus, je remercie mes parents qui ont toujours été présents durant ces années. Ce mémoire porte mon nom, mais sachez que je n’aurai jamais réussi sans votre support. Une grande partie vous revient.
Finalement, je tiens à remercier mon amoureuse, qui m’a épaulé et encouragé tout au long de mon parcours. Cette aventure a été possible grâce à ton amour et ta patience.
Avant-propos
Je suis le premier auteur des deux articles présentés dans ce mémoire.
Le premier article, intitulé : « Identification of critical factors contributing to increased demand on ground support elements at LaRonde mine » a été publié et présenté le 23 juin 2019 à l’Association américaine de mécanique des roches (American Rock Mechanics Association) dans le cadre du 53e symposium américain en mécanique
des roches et géomécanique (US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium) à New York, USA. Les coauteurs de cet article sont :
- Martin Grenon, Ph.D, Université Laval, Québec, Canada.
- 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. Le deuxième article, intitulé : « Assessing the contribution of seismicity to the demand on ground support elements at LaRonde mine » a été publié et présenté le 23 octobre 2019 au 9e symposium international sur le
support de terrain dans les constructions minières et souterraines (Ninth International Symposium on Ground Support in Mining and Underground Construction) à Sudbury, Canada. Les coauteurs de cet article sont : - Martin Grenon, Ph. D., Université Laval, Québec, Canada.
- 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.
Introduction générale
Contexte
Dans le contexte minier actuel, il y a appauvrissement progressif des ressources minérales près de la surface. Cette rareté pousse l’industrie minière à exploiter à de plus grandes profondeurs. Toutefois, ce type d’opération comporte certains risques et il faut faire face à une série de défis techniques majeurs afin d’assurer une exploitation sécuritaire et rentable.
À de plus grandes profondeurs, le ratio entre les contraintes horizontales et verticales augmente. Ce changement de contrainte cause dans la majorité des cas une augmentation du niveau de l’activité sismique (Hudyma et Potvin, 2010; Brown et Hudyma, 2017). Avec une activité sismique plus importante, la probabilité d’observer un coup de terrain s’accroît. Un coup de terrain correspond aux dommages produits de façon soudaine et violente à une excavation et qui sont associés à un évènement sismique (Hedley, 1992 ; Kaiser et al., 1996). Cette problématique particulière, associée aux mines sous hautes contraintes, peut engendrer divers impacts négatifs tels qu’une réhabilitation d’excavation, une perte de production, une perte de réserve, des dommages aux équipements et, dans les cas les plus sévères, des blessures ou des mortalités. Afin de contrer ou de limiter les impacts des coups de terrain, les mines soumises à de fortes contraintes doivent développer des approches pour gérer le risque sismique.
La gestion du risque sismique est devenue un processus essentiel dans de nombreuses mines soumises à de fortes contraintes et à une activité sismique significative. La gestion du risque sismique se définit comme étant les mesures prises afin de réduire la probabilité qu’un évènement sismique d’une certaine magnitude survienne à un certain emplacement au cours d’un certain intervalle de temps (Gibowicz et Kijko, 2013). Ce concept consiste à identifier les sources sismiques actives de la mine, à caractériser ces sources sismiques selon le potentiel de générer le plus gros événement sismique, à estimer les dommages probables si le plus gros événement sismique devait se produire et à appliquer des mesures d'atténuation du risque (protocoles de réentrées, opérations à distance ou autres) qui minimisent les conséquences, si ces dommages devaient se concrétiser (Hudyma et Potvin, 2010).
Le centre The Australian Centre for Geomechanics (2018) a élaboré un guide des pratiques en gestion du risque sismique qui documente les pratiques actuelles employées en industrie. Parmi les interventions faisant partie d’un programme de gestion du risque sismique, la conception et le choix du support de terrain jouent un rôle important pour assurer l’intégrité des excavations. Le rôle du support de terrain est de renforcer le massif rocheux, supporter la roche fracturée en surface et retenir le matériel surfaçant afin de maintenir l’intégrité des excavations durant leurs durées de vie utiles (Kaiser et al., 1996) (Figure 1).
Figure 1: Trois fonctions clés (renforcer le massif rocheux, supporter la roche fracturée en surface et retenir le matériel surfaçant) du support de terrain (Kaiser et al., 1996).
Le support de terrain constitue la dernière ligne de défense pour contrer les coups de terrain. Une dégradation des éléments de renforcement peut réduire l’efficacité du système. En effet, la défaillance d'une composante dans un système de renforcement peut entraîner la redistribution de la charge aux autres éléments de renforcement et ainsi, provoquer la défaillance du système en entier. Toutefois, la défaillance de plusieurs composantes dans un système n'entraîne pas nécessairement la défaillance du système en soi. Ce concept s’explique par le degré inhérent de redondance dans la conception de systèmes de support de terrain (Hadjigeorgiou, 2006). Les éléments de renforcement et de support de surface font partie d'un système intégré qui transfère et partage la charge statique et dynamique entre les composantes en interaction. Or, le système de soutènement sera aussi fort que son maillon le plus faible (Simser, 2007). Identifier la dégradation ou la défaillance des éléments de renforcement permet de fournir des informations précieuses sur les performances des différents éléments de renforcement et peut entraîner des changements dans la stratégie de support de terrain. Il est primordial d’identifier les mécanismes de rupture du massif rocheux et les défis géotechniques pour développer une stratégie de soutènement efficace et des méthodes d’atténuation de la dégradation des éléments de soutènement de support de terrain.
Le défi majeur dans la conception d’une stratégie de soutènement est de quantifier les contraintes induites ainsi que les charges statiques et dynamiques qui agissent à la fois sur les éléments de renforcement et le support de surface, se soldant en des mécanismes de chargement complexes. Bien qu'il existe plusieurs outils de
modélisation numérique en ingénierie pour la conception d'un système de soutènement, la plupart des mines se réfèrent à l'expérience acquise dans leur exploitation pour sélectionner et modifier leur stratégie de support de terrain. Toutefois, que ce soit par modélisation numérique ou par méthode empirique, aucune approche ne prend en compte la dégradation et la perte de performance du support de terrain au fil du temps (Hadjigeorgiou, 2006). Lors des dernières décennies, différents travaux (Hedley, 1992; Kaiser et al., 1996; Durrheim et al., 1998; Heal et al., 2006; Dorion, 2009; Hudyma et Potvin, 2010; Kaiser et Cai, 2012; Potvin et Wesseloo, 2013; Morissette, 2015) ont été réalisés afin d’apporter une compréhension supplémentaire aux facteurs qui peuvent influencer la dégradation et la performance du support de terrain (Tableau 1). Ces facteurs critiques permettent d’établir différentes stratégies pour anticiper l'impact de la dégradation et de la perte de performance avant qu'ils n'entraînent la défaillance du système de soutènement.
Tableau 1: Principaux facteurs influençant la demande aux éléments de support de terrain
Géotechnique
Opérationnel
Géologique
Sismique
Propriétés du massif rocheux Propriétés du système de
soutènement installé contraintes in situ Orientation des évènements sismiques Magnitude des Réseau de joints Corrosion au support de
terrain Type de lithologie Taux de sismicité et d’énergie radiée Résistance en compression
du roc intact infrastructures (largeur et Dimensions des hauteur d’excavation)
Structures géologiques (dykes, failles et zones
cisaillées)
Distance de la source sismique Contraintes induites par le
minage Vitesse maximale des particules (ppv)
Séquence extractive des chantiers de production
Ratio d’extraction
Les principaux facteurs sont regroupés en quatre catégories : géotechnique, opérationnel, géologique et sismique. Les prochaines sections décrivent les éléments essentiels de ces facteurs concernant la demande aux éléments de support de terrain.
Facteurs géotechniques
Mentionnons tout d’abord que l’élaboration d’une stratégie de soutènement capable de maintenir l’intégrité des excavations durant leur vie de service est un processus complexe. Le type et le degré de sévérité des défis géotechniques rencontrés lors du développement d’excavation sont généralement propres à l’exploitation. Toutefois, les méthodes de conception d’une stratégie de soutènement minier font abstraction d’une certaine variabilité et tiennent compte de facteurs globaux permettant une conception standard de support de terrain.
Des abaques empiriques constituent un point de départ et sont couramment utilisés dans l’industrie minière pour concevoir un système de renforcement préliminaire. Grimstad et Barton (1993) ont développé un abaque empirique pour la conception du support de terrain (Figure 2) qui se base sur de nombreux cas d’étude de tunnels. Pour obtenir la longueur des éléments de renforcement et leur espacement, une relation est établie entre les caractéristiques de l’excavation et la qualité du massif rocheux.
Figure 2: Abaque de conception du soutènement systématique par le système du NGI (selon Grimstad et Barton, 1993).
L’indice de la qualité du massif rocheux Q est identifié comme un facteur clé pour concevoir un patron de soutènement préliminaire. Énoncé par Barton et al. (1974), l’indice de la qualité du massif rocheux est fonction de trois paramètres importants du massif:
• La dimension relative des blocs (RQD/Jn)
• La résistance au cisaillement entre les blocs (Jr/Ja)
• Les contraintes actives (Jw/SRF)
Ces six variables sont combinées pour exprimer l’indice de la qualité du massif relativement à la stabilité, au soutènement et au renforcement du roc dans les ouvertures souterraines.
Il existe un certain nombre de problèmes et de limitations liés à l'application de cette technique empirique. Développé originalement pour les ouvrages de génie civil, cet abaque intègre peu de cas d’ouvrages miniers
dans la base de données (Hadjigeorgiou et Potvin, 2016). Les ouvrages de génie civil ont une durée de vie utile plus longue, sont souvent utilisés par le public et peuvent contenir des installations importantes et coûteuses. Les projets miniers, en général, ont une durée d'excavation plus courte et l'accès est limité au personnel formé. Cependant, les considérations de conception sont souvent appelées à tenir compte des fluctuations considérables des contraintes au cours de la vie d'un projet (Choquet et Hadjigeorgiou, 1993). De plus, une source d'erreur courante qui a été observée dans l’industrie est l'utilisation incohérente des divers systèmes de caractérisation et de classification du massif rocheux. Cela est dû en partie à la disponibilité de diverses versions de systèmes de classification. Certains paramètres et leurs valeurs varient dans les deux sens, ce qui entraîne des valeurs de classification du massif rocheux et des recommandations incohérentes de support de terrain. Depuis l’élaboration de ces lignes directrices, il y a eu des changements majeurs dans la pratique du support de terrain et de nouveaux éléments de renforcement répondant aux conditions de terrain difficiles ont été commercialisés (Hadjigeorgiou, 2006).
Dans divers cas, le mode de rupture peut être plus complexe que prévu lorsqu’il existe une interaction entre les contraintes et les structures géologiques. C’est entre autres le cas de certains sites miniers qui doivent faire face à la présence d'une forte foliation régionale. Selon Potvin et Hadjigeorgiou (2008), la combinaison de contraintes induites élevées et d’un massif rocheux de mauvaise qualité représente les conditions menant à une convergence de murs dans une excavation minière de roches dures. Mercier-Langevin et Turcotte (2007) indiquent que de grandes déformations peuvent également se produire dans un massif rocheux avec une résistance en compression uniaxiale (UCS) élevée lorsque les contraintes in situ sont élevées. De plus, Mercier-Langevin et Wilson (2013) ont énoncé que l'espacement des plans de foliation, les contraintes, la résistance de la roche et l'état des joints sont les principaux paramètres qui influencent le degré de convergence.
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 hautes contraintes (Karampinos, 2016). La mine LaRonde fait face à un large spectre de conditions de convergence comprenant certaines conditions extrêmes (Karampinos, 2016). La convergence totale des murs peut atteindre 2,1 mètres (Figure 3) (Hadjigeorgiou et al. 2013).
Figure 3: Conditions de convergence extrême de murs à la mine LaRonde (Karampinos, 2016).
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 aux plans de foliation (Figure 4) (Karampinos et al., 2015). Plus l’angle entre la direction de l’excavation et les plans de foliation est petit, plus la convergence est importante.
Figure 4: Influence de l'angle d'interception (𝝍) sur la convergence résultante entre les plans de foliation et la direction de l’excavation mesurée par LiDAR aux mines LaRonde et Lapa : a) mur sud; b) mur nord; c) toit; et d) plancher (Karampinos et al., 2015).
Mercier-Langevin et Wilson (2013) ont démontré que les contraintes sont redistribuées axialement aux plans de foliation et que cette redistribution engendre 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 40°, le plus grand dommage n’est qu’une convergence mineure, telle qu’illustrée à la Figure 5. Karampinos (2016) a observé qu’une plus grande déformation est observée là où la fréquence de la foliation est plus élevée. De plus, Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou (2011) lient la sévérité de convergence à l’espacement de la foliation et au ratio entre la contrainte principale majeure induite (σ1) et la résistance en compression uniaxiale 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
Figure 5: Indice de convergence du massif rocheux: a) Matrice de contraintes pour prédire les zones de convergence basées 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).
Pour mieux contrôler la déformation, la mine LaRonde a séquencé l’installation du support de terrain en plusieurs étapes : primaire, secondaire et tertiaire (Karampinos et al., 2016). Ce séquençage permet une meilleure gestion de la convergence. L’installation primaire comprend l’installation de support de terrain: des boulons à friction aux murs et des 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). La troisième étape d’installation de support de terrain est celle associée aux câbles d’ancrage dans le toit et aux murs (Karampinos et al., 2016).
Facteurs opérationnels
La sélection et l’agencement de boulons, qui font partie intégrante de la stratégie de soutènement, doivent considérer les caractéristiques du massif rocheux, la durée de vie de l’excavation et les dimensions de l’excavation. Lorsque la taille d'une excavation augmente, la probabilité de rencontrer des plans de faiblesses augmente et les problèmes d'instabilité associés augmentent également. Selon Kaiser et Cai (2013), la largeur d’une excavation influence la vulnérabilité des chutes de blocs rocheux. De plus, il a été identifié par Heal et al. (2006) que la largeur des excavations influence directement la profondeur de la rupture lorsque la rupture du massif rocheux est liée à la gravité (conditions statiques) ou à des conditions dynamiques.
Une sélection et un agencement adéquat des éléments de renforcement permettent d’assurer la stabilité et la sécurité des excavations souterraines. Toutefois, le potentiel de corrosion des éléments de soutènement doit également être considéré lors de la conception d’une stratégie de soutènement. La corrosion, au sens large, peut s’exprimer comme étant la détérioration dans le temps d’un matériau par le milieu dans lequel il se trouve. Il s’agit d’un processus naturel puisque tout tend vers l’état d’énergie la plus faible (Dorion, 2013). Un des défis majeurs de la corrosion consiste à estimer la réduction de la durée de vie du support de terrain et de déterminer si la dégradation de la capacité du support entraînera une défaillance du système de soutènement.
Les taux de corrosion sont variables d’une mine à l’autre ainsi qu’à l’intérieur d’une même mine. La corrosion dégrade avec le temps les éléments de soutènement, ce qui influence la résistance mécanique du support de terrain et peut engendrer des effondrements (Charrette et al., 2004; Dorion, 2013). Il est reconnu que la capacité des éléments de renforcement et de soutènement est influencée par l’épaisseur des composantes. Pour cette raison, Dorion (2013) a réalisé une série d’essais afin de quantifier cette perte de capacité. Des essais de résistance en tension ont donc été réalisés afin de déterminer la perte de capacité des coupons de corrosion selon diverses conditions d’exposition. Les résultats des essais de résistance à la traction démontrent que la capacité de l’acier diminue en fonction des taux de corrosion et de l’épaisseur des pièces corrodées.
Facteurs géologiques
Les structures géologiques au sein du massif rocheux peuvent avoir un impact sur la performance du support de terrain (Durrheim et al., 1998; Heal et al., 2006). Selon Wibberly et al. (2009), Faulkner et al. (2010) et Nguyen et al. (2015), les failles présentent, à différentes échelles, une zone dense de fracturation de part et d’autre du plan de la faille. Cette zone hautement fracturée a un impact direct sur le comportement du massif rocheux et la performance du support de terrain.
Facteurs sismiques
Un événement sismique se définit comme onde de choc dynamique résultant d'une déformation inélastique dans le massif rocheux (Hudyma et Potvin, 2010). Sous des conditions dynamiques, les éléments de support
de terrain doivent contribuer conjointement à la dissipation ou à l’absorption de l'énergie cinétique libérée lors d'un événement sismique ou d’un coup de terrain.
Estimer la demande et la capacité du support de terrain soumis à une charge dynamique présente des défis qui dépassent souvent la compréhension actuelle du problème. Stacey (2012) a conclu que la capacité dynamique des systèmes de soutènement et la demande provenant d'une charge dynamique induite par un événement sismique ne peuvent pas être quantifiées de manière fiable, « a clear case of design indeterminacy results ».
En raison du rayonnement et de l'atténuation, l'intensité de l'onde sismique diminue de manière exponentielle avec la distance de la source (Potvin et Wesseloo, 2013). Pour capturer cet effet à des fins de conception, la vitesse de pointe des particules (ppv) est traditionnellement utilisée dans l'exploitation minière, tandis que l'accélération des particules (ppa) est également utilisée dans d'autres branches de l'ingénierie (St John et Zahrah, 1987).
McGarr (1983) a démontré que les dommages subis étaient mieux corrélés avec la vitesse de pointe des particules (ppv) qu'avec l'accélération des particules (ppa). Kaiser et Maloney (1997) soulignent que seules les accélérations à basse fréquence, avec des longueurs d'onde suffisamment longues pour accélérer le volume total de la roche dans une direction, sont pertinentes pour la prévision des dommages et la conception du soutènement. Kaiser et Maloney (1997) mentionnent que la vitesse de mouvement de l’onde représentée par la vitesse maximale des particules est acceptée comme le paramètre le plus représentatif pour définir la charge de conception dynamique.
Il est difficile d’évaluer la véritable demande dynamique sur les systèmes de support de terrain englobant tous les aspects du problème, de la source sismique à son effet sur les excavations environnantes. Ces aspects incluent les complexités du rayonnement, de la réfraction et de la réflexion des ondes sismiques, leur interaction avec les excavations et le mécanisme par lequel les systèmes de support sont chargés (Potvin et Wesseloo, 2013; Morissette, 2015). De plus, l'effet de l'anisotropie du massif rocheux sur le diagramme de rayonnement des ondes sismiques peut être important, comme l'a rapporté Hildyard (2007).
Malgré toutes ces études, une compréhension insuffisante des mécanismes d'action et de l'interaction des éléments de renforcement et du massif rocheux demeure. Par conséquent, la conception d’un système de soutènement devient un processus empirique et itératif de sélection des éléments de support appropriés pour former un système de support de terrain ayant une capacité suffisante pour répondre à la demande attendue (Kaiser et Cai, 2012).
Les ingénieurs en contrôle de terrain s’appuient principalement sur l’expérience empirique pour développer une stratégie de soutènement pour faire face à des conditions dynamiques. Ces décisions sont souvent basées sur des données techniques limitées (propriétés mécaniques des éléments de soutènement obtenues des fournisseurs, essais d’arrachement effectués sur le terrain, essais de charges dynamiques) et sur des observations de la performance du système de soutènement sur le terrain. Les travaux réalisés dans ce mémoire permettent d’élargir les connaissances sur les facteurs qui influencent la dégradation du support de terrain dans un environnement sous hautes contraintes et soumis à une forte activité sismique. Les retombées de ce mémoire contribueront au développement de systèmes de soutènement en mesure de répondre à la demande statique et dynamique de manière économique.
Problématique
Dans le contexte d’une mine profonde sous hautes contraintes, l’élaboration d’une stratégie de soutènement capable de renforcer le massif rocheux, supporter la roche fracturée en surface et retenir le matériel surfaçant afin de maintenir l’intégrité des excavations durant leur durée de vie utile est réalisée par un processus empirique et itératif. Le processus itératif est nécessaire, compte tenu du manque de données quantitatives sur les facteurs dominants qui influencent la dégradation du support de terrain. Plusieurs facteurs tels que la géologie, la géomécanique, les caractéristiques géométriques de l’excavation, la sismicité et les contraintes induites par les activités minières influencent le comportement du renforcement du massif rocheux. Toutefois, peu de travaux ont été réalisés afin de quantifier l’impact de ces facteurs sur le comportement du support de terrain.
Objectifs
Ce mémoire a pour objectif général de contribuer à l’amélioration des connaissances sur les facteurs qui influencent la performance des éléments de renforcement pour les mines profondes sous hautes contraintes et soumises à une forte activité sismique. Plus précisément, ce mémoire a pour objectifs spécifiques de :
• Concevoir et utiliser une base de données sur le comportement du support de terrain dans les excavations minières référencées dans le temps et l’espace comprenant les données géologiques, géomécaniques, opérationnelles et sismiques;
• Intégrer la base de données sous une plateforme unique;
• Développer une application permettant de rassembler, de visualiser et de gérer la base de données créée;
• Analyser l’historique complet d’un cas d’étude à l’aide des outils développés sous la plateforme unique afin d’améliorer la compréhension du comportement du support de terrain face aux différentes conditions de chargement
o Identifier les facteurs géologiques, géomécaniques, opérationnels et sismiques qui ont un impact sur la performance du support de terrain au pourtour d’une excavation minière. o Identifier les paramètres sismiques précurseurs qui influencent la performance du support de
terrain.
o Quantifier l’impact des facteurs géologiques, géomécaniques, opérationnels et sismiques sur le comportement des éléments de renforcement.
Méthodologie
Plusieurs outils de stockage et d’analyse sont utilisés dans l’industrie minière afin de compiler les informations géologiques, géomécaniques, opérationnelles et sismiques. Toutefois, il est difficile d’analyser ou de comparer ces données entre elles étant donné qu’elles se retrouvent sous différents formats. La méthodologie de recherche utilisée lors du projet permet de détailler les étapes réalisées afin de collecter, de compiler et d'analyser les données ayant été acquises par ces différents outils. L’ensemble des données intégrées sur une plateforme unique provient de la mine LaRonde, le cas d’étude de ce projet. Un processus complet est détaillé afin de décrire la démarche de la compilation des données brutes et du développement d’une application permettant de visualiser et d’analyser toutes les données compilées.
Plan détaillé du mémoire
Ce mémoire est composé de quatre chapitres, d’une introduction ainsi que d’une conclusion. L’introduction présentée illustre le contexte et les objectifs du projet de maîtrise.
Le Chapitre 1 présente le cas d’étude de la mine LaRonde avec un accent sur la stratégie de soutènement utilisée au site ainsi que sur les caractéristiques géologiques, géomécaniques, opérationnelles et sismiques à proximité des excavations.
Le Chapitre 2 présente la méthodologie détaillée employée afin de concevoir une base de données globale passant de la collecte de données, au développement d’outils d’interrogation spatiale, temporel et quantitative. Tout d’abord, une description de la plateforme sélectionnée afin de visualiser, traiter, analyser et interpréter toute l’information compilée dans la base de données sera présentée. Par la suite, l’unicité de la structure utilisée pour compiler l’information dans la base de données est décrite. Ces données compilées sont référencées dans le temps et l’espace et couvrent la géologie, la géomécanique, les opérations et la sismicité. De plus, certaines
manipulations doivent être réalisées lors de la collecte et de la compilation des données. Ces étapes sont détaillées étant donné leur rôle essentiel en matière de contrôle de la qualité des données intégrées sous la plateforme.
Le Chapitre 3 présente mon premier article publié et présenté à l’association américaine de mécanique des roches (American Rock Mechanics Association). Ce chapitre montre les analyses et les résultats des différents paramètres opérationnels, géologiques et géomécaniques qui influencent la dégradation observée des éléments de renforcement à la mine LaRonde. Une revue littéraire sur les facteurs opérationnels, géologiques et géomécaniques qui influencent le comportement du support de terrain est détaillée. Une base de données sur l’historique complet du support de terrain dans les excavations souterraines a été développée et présentée. L’intégration de cette base de données sous une plateforme unique et le développement d’outils d’analyse permettent d’évaluer et de quantifier les facteurs identifiés dans la littérature qui influencent la demande au support de terrain.
Le Chapitre 4 présente mon second article publié et présenté au 9e symposium international sur le support de terrain dans les mines et les ouvrages souterrains (Ninth International Symposium on Ground Support in Mining and Underground Construction). Ce chapitre présente les analyses et les résultats des différents paramètres sismiques qui influencent la dégradation observée des éléments de renforcement. Une revue littéraire des facteurs sismiques dominants qui influencent le comportement du support de terrain est présentée. Cet article met l'accent sur l’impact de la sismicité sur la demande imposée aux éléments de renforcement. La même méthodologie et la même base de données présentées au chapitre 3 ont été utilisées sous une plateforme unique.
Conclusion
Un retour sur le contexte, la problématique et les objectifs de ce mémoire a été fait dans cette section. Le développement d’une base de données et d’un outil d’analyse sur le support de terrain permettra de déterminer et de quantifier les facteurs dominants influençant le comportement du support de terrain dans le contexte d’une mine sismiquement active. Avec une base de données constituée d’information sur la géomécanique, la géologie, les opérations minières et la séismicité, les sites miniers pourront cibler les facteurs qui influencent la demande sur les éléments de support de terrain et continuer à améliorer leur stratégie de soutènement.
Chapitre 1 Cas d’étude de la mine LaRonde
1.1 Introduction
Ce chapitre présente les aspects généraux de la mine LaRonde pendant la période de janvier 2014 à janvier 2018 inclusivement. Les éléments concernant la localisation, la géologie, les structures, le régime de contraintes, la méthode et la séquence de minage, les principaux défis en contrôle de terrain et la stratégie de soutènement utilisée au site sont présentés.
En production depuis 1988, la mine LaRonde (Figure 1.1) est située près de la municipalité de Preissac en Abitibi-Témiscamingue dans la province de Québec, Canada. Actuellement la propriété d’Agnico Eagle Mines Limited, le dépôt de classe mondial de mine LaRonde est formé de lentilles de sulfures semi-massifs à massifs de Zn-Au-Ag-Cu-Pb associées à la faille de Cadillac. La zone minéralisée en exploitation se situe entre 860 et 3110 mètres sous la surface et demeure ouverte en profondeur. Un programme de conversion a été mené en 2019 et étudiera la possibilité d’accroître les ressources indiquées jusqu’à 3,5 kilomètres de profondeur. La fin de la vie de la mine est estimée à 2027 selon les réserves estimées actuelles (www.agnicoeagle.com).
Figure 1. 1: Vue longitudinale des réserves minérales et des infrastructures de la mine LaRonde
Il est essentiel de connaître la géologie locale et régionale pour réaliser une conception minière et une gestion du risque sismique optimale. En général, la géologie locale régit les pratiques minières telles que la conception minière des excavations, la stratégie de soutènement, le dimensionnement des chantiers et la séquence de minage alors que la géologie régionale dicte les caractéristiques du gisement et de la zone environnante.
1.2 Géologie régionale
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 1.2) (Mercier-Langevin et al., 2007). Ce groupe est séparé en deux séquences : la formation Hébécourt au nord et la formation Bousquet au sud. La formation d’Hébercourt est principalement composée de roches mafiques tholéitiques (basaltes et filons-couches de gabbro) et est recouverte par la formation de Bousquet. La composition des roches volcaniques de la formation de Bousquet varie graduellement de la base (nord) au sommet (sud), passant de tholéitique à calcoalcaline (Mercier-Langevin et al. 2007).
Figure 1. 2: Carte géologique simplifiée du camp minier Doyon-Bousquet-LaRonde montrant l'emplacement de la mine LaRonde et d'autres mines par rapport aux principales failles de la région (modifié de Dubé et al.; 2004).
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 de Zn-Au-Ag-Cu-Pb sont spatialement associées à de nombreux assemblages d’altérations métamorphiques développés à la fois dans l’éponte inférieure et supérieure (Mercier-Langevin et al. 2007). La lentille principale (zone 20) a une épaisseur variable pouvant atteindre 40 mètres, une largeur de 500 mètres et une longueur d’au moins 2 300 mètres (Mercier-Langevin et al., 2007). La majorité de la lentille a été extraite (Turcotte, 2014). Les autres lentilles sont discontinues et ont une épaisseur variant entre 1 à 5 mètres. Le pendage de ces lentilles varie de 70 à 80° vers le sud (Turcotte, 2014).
1.3.1 Lithologie
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 (Turcotte, 2014). La Figure 1.3 présente les lithologies cartographiées au niveau 290 (2900 mètres de profondeur) à la mine LaRonde.
Figure 1. 3: Vue en plan de la cartographie réalisée dans les excavations au niveau 290 à la mine LaRonde.
Code des unités lithologiques
V7 SZ V6 SZM V9a S3 V9i
À la mine LaRonde, toutes les unités géologiques ont des zones d’altération en séricite. Cette altération est plus dominante à proximité de la zone minéralisée (partie sud des excavations) et diminue la résistance du massif rocheux (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007). Sous le niveau 293 (2930 mètres de profondeur), l’altération en séricite est moins dominante et une silicification du massif rocheux est observée. Dans certaines parties de la mine, un comportement fragile de la roche est fortement corrélé au degré d’altération en silice (Karampinos, 2016). Le type et l’intensité d’altération ont un impact direct sur le comportement mécanique du massif rocheux (Turcotte, 2014).
1.3.2 Structures
Deux échelles de structures sont relevées à la mine LaRonde, soit les structures à grandes échelles, présentes sur plusieurs niveaux, et les structures mineures, présentes à l’échelle locale seulement. Les structures majeures comprennent la foliation 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.
La faille la plus proéminente, la faille 700, a une direction de pendage vers le sud et un pendage de 74°. Un large couloir de cisaillement constitué de roc de très faible qualité l’accompagne, comme illustré à la Figure 1.4. 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. La faille 800 est présente entre les niveaux 259 et 293. Les deux failles majeures se croisent aux niveaux 281-284.
Figure 1. 4: Vue en plan du niveau 284 avec la faille 800 (brun), la zone de faible RQD (rouge) qui enveloppe la faille 700 (vert).
N
S E W
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 1.5 illustre le système de failles pour l’ensemble des niveaux de la mine. Il est à noter que la faille 700 ne se retrouve pas dans la Figure 1.5 puisqu’il est difficile de distinguer les autres failles du profil structural lorsque celle-ci est affichée.
Figure 1. 5: Système de failles identifiées sur l’ensemble des niveaux de la mine LaRonde excluant la faille 700.
La rhyolite/rhyodacite, dans laquelle se trouvent la majorité des excavations de développement, est caractérisée par une foliation régionale d’espacement centimétrique à décimétrique avec pendage vers le sud à 75-80° (Mercier-Langevin et Turcotte, 2007 ; Turcotte, 2014 ; Karampinos, 2016) (Figure 1.6). À proximité du gisement, les plans ont un espacement plus serré (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 étudiées. De plus, un comportement anisotrope du massif rocheux est engendré par la présence de la foliation.
Figure 1. 6: Mesure de la fréquence de foliation à partir d’une traverse à la mine LaRonde (Karampinos, 2016).
Les structures mineures sont des structures présentes localement et dont la persistance peut s’étendre sur deux niveaux de la mine. 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). Ces données sont relevées lors de la cartographie des excavations par les techniciens en géologie structurale lors de la cartographie des toits des excavations de développement.
1.4 Méthode et séquence de minage
Le profil de la zone économique permet d’employer la méthode de minage de chantiers longs trous transversaux. Le minerai est extrait en utilisant une séquence de minage de pyramides ascendantes et descendantes primaires/secondaires, telle qu’illustrée à la Figure 1.7. À la mine LaRonde, un chantier primaire typique a une hauteur de 30 mètres et une largeur de 13,5 mètres alors que la largeur pour un chantier secondaire est de 16,5 mètres (Morissette, 2017). Les chantiers sont typiquement remblayés avec du remblai en pâte ou de l’enrochement stérile sec (Mercier-Langevin, 2010). Un chantier moyen est approximativement de 20 000 à 40 000 tonnes (Morissette, 2017).
Figure 1. 7: Séquence de minage utilisée à la mine LaRonde pour une pyramide montante et descendante (Archive de la mine LaRonde).
1.5 Contrainte in situ
Les contraintes in situ à la mine LaRonde sont fortement influencées par la faille régionale Cadillac-Larder Lake orientée est-ouest. CANMET (1999) a effectué des mesures de contraintes in situ sur le site. Il a été déterminé que les contraintes principales majeures (𝜎1) et intermédiaires (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. Les contraintes principales sont résumées dans le Tableau 1.1.
Tableau 1. 1: Modèle historique de contraintes in situ à la mine LaRonde (CANMET, 1999)
Contraintes
principales Orientation Équations
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 subhorizontale E-O, 1,34 · 𝜎v 79 MPa 113 MPa
1.6 Sismicité
Un évènement sismique est défini comme une onde de choc résultant d’une déformation ou d’une rupture localisée du massif rocheux (Heal et al., 2005 ; Hudyma et Potvin, 2010). En raison des fortes variations des conditions géologiques à la mine LaRonde, la réponse sismique de la masse rocheuse varie considérablement, même sur un seul niveau. La réponse sismique peut aller de l'éjection violente à la compression asismique en fonction des caractéristiques du massif rocheux (Turcotte, 2010). Historiquement, la majorité des évènements sismiques à la mine LaRonde a été principalement associée à certaines régions, comme indiqué par Heal et al. (2006), Turcotte (2014), Brown (2016) et 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 sautages de production
- Entre les séquences pyramidales, 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). La séquence minière a été modifiée afin de réduire le nombre ainsi que l’étendue des piliers horizontaux. Cet ajustement permet de procéder à la jonction des horizons de minage plus rapidement.
1.6.1 Système de surveillance sismique
Les systèmes de surveillance sismique dans les mines souterraines sont couramment utilisés pour localiser et caractériser le mécanisme de rupture du massif rocheux. La mine LaRonde possède un système de surveillance sismique depuis 2003. En 2008, la mine LaRonde a réalisé un changement majeur lors du changement d’un système Hyperion vers un système Paladin. Ce changement a permis d’augmenter la sensibilité du système en captant des évènements sismiques de plus faible magnitude. Pour la zone étudiée, le système de monitorage est composé de 99 accéléromètres de fréquence 50 Hz, incluant 12 sondes triaxiaux et 87 uniaxiaux, comme illustré à la Figure 1.8.
Une valeur de magnitude locale est calculée pour tous les événements enregistrés par le système de surveillance sismique. Cette échelle locale est bien adaptée à l'analyse subséquente des événements sismiques, car elle fournit une représentation cohérente et précise des petits événements et de la plupart des événements sismiques importants induits par l'exploitation minière.
Figure 1. 8: Disposition des sondes uniaxiales et triaxiales entre 2 690 et 3 050 m de profondeur à la mine LaRonde.
Un système sismique régional, composé de cinq géophones de 4,5 Hz situés à une distance variant de deux à quinze kilomètres de la mine a été mis en place en 2006. Le but de ce système est de mieux définir la macrosismicité en fournissant des magnitudes plus précises pour les événements de basse fréquence se produisant à LaRonde. La magnitude des évènements sismiques captés par ce système est notée avec une échelle de magnitude Richter.
LaRonde utilise actuellement deux échelles, soit celle de Richter et une locale, pour quantifier la magnitude d’un événement sismique. Ces échelles ont une base logarithmique et permettent d'exprimer une large gamme d'événements de différentes magnitudes.
1.7 Contrôle de terrain
La mine LaRonde fait face à plusieurs défis en contrôle de terrain. Parmi ceux-ci, la convergence des murs et l’occurrence de coups de terrain se présentent comme étant les deux défis majeurs rencontrés au site.
1.7.1 Convergence des murs
Il a été défini par Potvin et Hadjigeorgiou (2008) que dans un environnement minier, une convergence est notable lorsque le déplacement des murs se mesure en dizaines de centimètres pendant la durée de service d’une excavation. Les conditions de convergence dans une mine de roche dure peuvent être causées par une variété de mécanismes de rupture et de facteurs, tels qu’un cisaillement complet du massif rocheux, un glissement accompagné de cisaillement ou la combinaison de contraintes induites élevées et un massif rocheux de mauvaise qualité (Aydan et al.,1993; Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou, 2011; Potvin et Hadjigeorgiou, 2008; Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou, 2011 et Karampinos,2016).
Mercier-Langevin et Hadjigeorgiou (2011) et Karampinos (2016) ont observé qu’une déformation plus sévère est observée aux endroits où la fréquence de la foliation est plus élevée. Ainsi, la sévérité de convergence serait fortement liée à l’espacement de la foliation ainsi qu’au ratio entre la contrainte principale induite (σ1) et la
résistance en compression du roc intact (σci). Ainsi, la convergence est plus importante 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 10 mm.
Dans un massif rocheux caractérisé par une foliation significative et la présence de fortes contraintes, telles que retrouvées à la mine LaRonde, un mécanisme de rupture de type flambage peut apparaître. C’est principalement ce mécanisme qui est observé à la mine LaRonde et qui peut causer une convergence totale des murs pouvant atteindre près de 2,1 mètres. Un exemple de convergence extrême est présenté à la Figure 1.9.
Figure 1. 9: Stage tardif d’une déformation dans une excavation minière au mur sud (à gauche) dans une roche ultramafique (Mercier-Langevin & Wilson, 2013).
Dans de nombreuses mines profondes et sous hautes contraintes telles que la mine LaRonde, les conditions de convergence sont principalement contrôlées par l’angle d’interception entre la normale au plan du mur de l’excavation et la normale aux plans de la foliation (Karampinos et al., 2014). Lorsque l’excavation est parallèle à la foliation, le dommage est plus important, en raison des contraintes redistribuées axialement aux plans de foliation. Cette redistribution engendre une déformation de la roche adjacente.
À la mine LaRonde, l'influence de l'orientation de l’excavation avec la foliation est probablement le facteur le plus important qui influence la sévérité de convergence de l’excavation. Différentes observations ont été réalisées sur le site et ont permis de développer un outil prédictif pour la convergence (Mercier-Langevin & Hadjigeorgiou, 2011) (Figure 1.10). Il a été observé que, lorsque l’angle de l'interception (ψ) augmente, la convergence devient presque purement axée sur les contraintes et que l’espacement de la foliation a peu ou pas d'effet sur le potentiel de convergence de l’excavation.
Figure 1. 10: Différentes matrices de convergence selon l’angle d'interception (Mercier-Langevin & Hadjigeorgiou (2011).
De plus, pour mieux contrôler la déformation, l’installation de support de terrain en trois étapes est réalisée au site (Karampinos et al., 2016). En effet, la mine LaRonde a observé qu’une installation séquentielle du support permettait une meilleure gestion de la convergence. La stratégie de support de terrain sera discutée plus en détail à la section 1.7.3.
1.7.2 Coups de terrain
Un événement sismique correspond à une onde de choc dynamique résultant d’une déformation inélastique dans le massif rocheux (Hudyma et Potvin, 2010). Dans certains cas particuliers, un événement sismique peut générer un coup de terrain, soit des dommages aux excavations souterraines se produisant de façon soudaine ou violente (Hedley, 1992; Kaiser et al., 1996). Ces coups de terrain peuvent avoir de multiples conséquences pour l'exploitation, tels des dommages aux excavations qui nécessitent une réhabilitation, une perte de production, une perte de réserve, un dommage aux équipements, une blessure ou une mortalité. Un exemple des conséquences d’un coup de terrain à la mine LaRonde est présenté à la Figure 1.11.
Figure 1. 11: Dommages à une excavation à la suite d’un événement sismique au niveau 164 à la mine LaRonde.
SelonHedley (1992), Kaiser et al. (1996) et Heal et al. (2006), les principaux paramètres qui influencent le niveau de dommage à la suite d'un coup de terrain incluent la quantité d’énergie relâchée par un évènement, le type et la performance du support de terrain, la localisation de l’excavation, la géologie locale, l’historique sismique du secteur, les contraintes induites et la distance entre l’évènement et la localisation du dommage. Ces études ont permis d’améliorer la compréhension des coups de terrain et de développer des outils pratiques permettant de mieux évaluer et réduire le risque sismique associé aux excavations souterraines. En effet, ces études ont 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 sont plus probables de se produire.
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 aux faces rocheuses en cours de développement, c’est-à-dire ceux typiquement
