Comportement de Stériles Miniers ROM à Hautes … · • Caractériser et modeler des matériaux...

Comportement de Stériles Miniers ROMà Hautes Pressions

E. Bard, Mª E. Anabalón: ARCADIS Chile.

Tendance actuelle de l’Industrie Minière Métallique(1)

• Niveaux de production élevés:- réduire les coûts de production,- compenser la diminution des taux de concentration de minéraux,- prix actuel du cuivre: encouragement supplémentaire

• Au Chili: 10 des plus importantes mines de cuivre à ciel ouvert entreposent de l’ordre de 2 Mton de roches stériles par jour,

• Comme au Canada ou au Pérou, au Chili:- grandes exploitations minières situées en régions montagneuses- peu d’espace disponible pour l’entreposage de stériles,- certains dépôts ont déjà des hauteurs de 400 m à 500 m.

Tendance actuelle de l’Industrie Minière Métallique(2)

• Certaines mines envisagent des expansions qui entraineraient des dépôts de stériles de 700m de hauteur, voire plus,

• Ce type de structure serait la plus haute jamais bâtie par l’homme:- exigeant une prise en compte rigoureuse de tous les

facteurs inhérents à leurs comportements à court et long termes,

- représentant un défi majeur aux géotechniciens et chercheurs afin de trouver des solutions adéquates aux nombreux problèmes qui se présenteraient.

Dépôts de Stériles (WRD):plus hautes structures bâties par l’homme

Importants défis posés par des dépôts de stériles miniers de grande taille

• Caractériser et modeler des matériaux hétérogènes,• Comportement mécanique des stériles miniers:

- soumis à des hautes pressions,- chemins de contraintes drainés et non drainés

• Considérations de Dimensionnement et de Stabilité,• Autres considérations,

- drainage, gestion des eaux affluentes, de la neige- conditions de fondation,- dimensionnement pour l’abandon (clôture des activités).

• Modes possibles de rupture des dépôts de stériles,• Instrumentation géotechnique fiable et robuste,• Aspects environnementaux

Caractérisation de Stériles Miniers:matériaux très hétérogènes

• Matériaux granulaires extrêmement hétérogènes,- tailles de grains: de sols fins à des blocs >1m,- diverses lithologies avec des résistances mécaniques

différentes.• L’entreposage produit une ségrégation des matériaux

selon la taille des particules,- la ségrégation conduit à la formation de couches parallèles à

la face de décharge,- stratification des particules le long du profil du dépôt

- fines s’accumulent près de la surface de la couche,- grossières roulent vers le pied de la couche.

• Modeler cette hétérogénéité pour des analyses est généralement une approche difficile.

Caractérisation de Stériles ROM:matériaux hétérogènes - ségrégation

Hungr et al., 2002

Matériauxfins

Matériaux Grossiers

Caractérisation de Stériles ROM:matériaux hétérogènes - ségrégation

Hungr et al., 2002

0.01 0.1 1 10 100 1000

Grain size (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100(%) passing (weight)

Typical GSD PhorpyryWR

Coarse waste rockGSD upper band.Basal layers

Fine waste rock.GSD lower band.Upper layers, platform

Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions• Mise en place d’un triaxial de grandes dimensions à

charge contrôlée à IDIEM, Universidad de Chile:- pression de confinement jusqu’à 2.5 MPa,- échantillons de grande taille: D=1.0 m, H= 1.8 m,- Taille maximale des grains: 203 mm. (8”)

Cellule de chargeEchantillon D=1.0 m, H=1.8m après essais σ30’ = 2 MPa.

Dépôts de stériles de Grande Hauteur (High WRD) Exemple:

Dépôt de Stériles Nord (~2,800 Mton)

Stériles ROM (triaxial & odomètre)

Stériles ROM et lixiviés (triaxial & oedomètre)

Dépôt Nord~ 560 m

~ 400 m~ 300 m

~ 990 m

Stériles ROM et lixiviés (oedomètre)

Site d’Emplacement du Dépôt Nord

Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions

• Matériaux Essayés- Stérile ROM (tout venant)- (Stérile porphyrique).

- Taille Max. grains: 8”.

- DG Homothétique - Chemin Triaxial: CID

- Pression confinement σ30’ (MPa):

- 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 2.0

0 5 10 15 20ε1(%)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e

0 10 20 30 40 50p' (x 0.1 MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e

0 5 10 15 20ε1(%)

0

10

20

30

40

50q (x 0.1 MPa)

0 10 20 30 40 50p' (x 0.1 MPa)

0

10

20

30

40

50q (x 0.1 MPa)

ROM Waste Rock (Homothetic GSD)

σ3'=0.1 MPaσ3'=0.2 MPa

σ3'=0.5 MPaσ3'=1.0 MPa

σ3'=2.0 MPa

c=0.12 MPaφ=36º

q = σ1-σ3 p'= (σ'1+2σ'3)/3

φ=49º

c=0.7 MPaφ=23º

ROMWaste Rock


• Matériaux Essayés- Stériles ROM lixiviés

(stériles porphyriques) - Taille Max. Grains: 8”.- DG coupée (tronquée)- Chemins Triaxiaux- CID

- pressions de confinement

σ30’ (MPa): 1.2, 2.0

- CIU- pressions de

confinementσ30’ (MPa): 1.7, 2.5

0 5 10 15 20ε1(%)

-10

-8

-6

-4

-2

0εv (%)

0 10 20 30 40 50 60 70p' (x 0.1 MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e

0 5 10 15 20ε1(%)

0

10

20

30

40

50

60

70q (x 0.1 MPa)

0 10 20 30 40 50 60 70p' (x 0.1 MPa)

0

10

20

30

40

50

60

70q (x 0.1 MPa)

Leached Waste Rock GSD cuted

σ3'=1.2 MPa σ3'=2.0 MPaσ3'=1.7 MPaσ3'=2.5 MPa

0

5

10

15

20

25ΔU (0.1 MPa)

q = σ1-σ3

p' = (σ'1+2σ'3)/3

Upper Envelope

LowerEnvelope

Leached RockWaste Dump


Enveloppes de résistance au cisaillement de stériles miniers dans le plan de Mohr. Echantillons porphyriques.Comparaison avec résultats obtenus par Marsal et al., 1975 pour roches dures.

Résultats typiques de compressibilité sur chemins triaxiaux drainés Stériles ROM porphyriques Plan (e-p’).

0 10 20 30 40Pression normale Effective σ'n (x 0.1 MPa)

0

10

20

30

40Résistance au Cisaillement τ (x 0.1 MPa)

Marsal,R. and Resendiz, D. (1975)Diorita El InfiernilloBasalto San Francisco (Grain Size 1)Basalto San Francisco (Grain Size 2)Toba de Las Piedras (Grain Size C)Conglomerado silicificado El Infiernillo

1 Stérile (DG Homothétique)

2 Stérile lixivié (DG Homothét.)3 Stérile lixivié (DG coupée)

4 Stérile concassé (DG Homothét.)

13

4

2

1 10 100

Pression moyenne effective p' (x 0.1 MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Indice des Vides e


DG initiale modifiée par la rupture de particules, croissante avec la pression moyenne effective. Augmentation de la fraction de sables et de fins, moins importante, dans le squelette granulaire.

RUPTURE DE PARTICULES: Détail de la rupture de particules après essais triaxiaux drainés (échantillons de stériles porphyriques)

0102030405060708090

100

(%) Passant

0.01 0.1 1 10 100Diamètre (mm)

Stérile MinierDG Homothétique avant essaiDG après essai à σ3'=0.1 MPaDG après essai à σ3'=0.2 MPaDG après essai à σ3'=0.5 MPaDG après essai à σ3'=1.0 MPaDG après essai à σ3'=2.0 MPa

#200 #4 8"


Trajectoires de tensions obtenues d’essais triaxiaux CIU effectués sur des Stériles porphyriques lixiviés.

Trajectoires de tensions obtenues d’essais CIU sur la fraction sableuse de matériaux lixiviés (Valenzuela, 2004).

0 2 4 6 8 10 12Effective Mean Stress p'=(σ'1+σ'3)/2 (x 0.1 MPa)

0

2

4

6

8

10

12

Dev

iato

ric st

ress

q=(

σ 1-σ

3)/2

(x 0

.1 M

Pa)

Steady-statefriction lineφ' = 36º - 39º

Residual Strenght friction lineSu/σ'30 = 0.29 - 0.33

18.5% Fine content16% Fine content

Peak strenght envelope(Dawson, Morgenstern and Stokes, 1998)

Condition non drainée Su = 0.30 σ30’

q=σ1-σ3p’=(σ’1+2*σ’3)/3

Comportement Mécanique de Stériles Odomètre à hautes pressions: ROM et lixiviés

0.1 1 10 100σv' (0.1x MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e ROM, Saturation

0.1 1 10 100σv' (0.1x MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e ROM, Charge máx. maintenue

0.1 1 10 100σv' (0.1x MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e Stériles ROM, Chargement

0.1 1 10 100σv' (0.1x MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e Lixivié, Saturation

0.1 1 10 100σv' (0.1x MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e Lixivié, Charge máx. maintenue

0.1 1 10 100σv' (0.1x MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5e Stériles Lixiviés, Chargement

cc= 0.15

σpc'=0.8 MPa

cc= 0.19

σpc'=0.9 MPacr= 0.035

cr= 0.09

/D10D60 = 55

/D10D60 = 55

/D10D60 = 30

D60

D10

inicial= 15

/D10D60 = 25

/D10D60 = 15

/D10D60 = 15

D60

D10 initial= 10

Comportement Mécanique de Stériles Odomètre à hautes pressions: Lixiviés

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

(%) Passant

0.1 1 10 100

Diamètre (mm)

#200 #4 8"

% passant < tamis #4

Après Oedomètreσv’= 4 MPa: 16%σv’= 8 MPa: 20%σv’=12 MPa: 23% Stériles Lixiviés

DG homothétique

Originale: 11%

Comportement Mécanique de Stériles Odomètre à hautes pressions: ROM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

(%) Passant

0.1 1 10 100

Diamètre (mm)

Stériles lixiviés DG homothètique initialeStériles lixiviés DG homothètique σ3'=0.2 MPa

Stériles lixiviés DG homothètique σ3'=10 kg/cm2

Stériles lixiviés DG homothètique σ3'=15 MPaStériles lixiviés DG homothètique σ3'=25 MPaStériles lixiviés DG homothètique initialeStériles lixiviés DG homothètique σv'= 4 MPaStériles lixiviés DG homothètique σv'= 8 MPaStériles lixiviés DG homothètique σv'= 12 MPa

#200 #4 8"

Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions: Evolution de la Densité.

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600

Waste Rock Dump Height (m)

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

Dry

den

sity

, γd

(t/m

3 )

0 10 20 30 40 50 60Effective Mean Stress, p' (x 0.1 MPa)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

Void

ratio,e

Dry density evolution adoptedfor especific design of high WRD

0.1 1 10 100Effective Mean Stress p' (x 0.1 MPa)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Void ratio, e

2.4

2.3

2.2

2.1

2.0

1.9

1.8Dry density, γd (t/m3)

Comparaison de la compressibilité de stériles porphyriques sous chemins triaxiaux et odométriques à hautes pressions. E évolution de la densité avec la hauteur du dépôt.

Dépôts de Stériles en Haute Montagne

Analyses de Stabilité et Considérations de Dimensionnement

• Dépôts de grande hauteur : des structures qui impliquent un défi- les pratiques actuelles de construction doivent être améliorées

(dépôt avec ingénierie),- adopter des mesures défensives: réduire les instabilités potentielles,

• Dimensionnement consistant avec les critères de stabilité adoptés- vallées à fortes pentes : couches de hauteur limitée

- réduire la hauteur de la face d’avancement,- réduire une ségrégation excessive

• Critères de dimensionnement en accord avec les plans d’abandon (clôture):- éviter une manipulation ultérieure excessive de stériles,- éviter des considérations restrictives:

- critères de déformations au lieu d’un certain FS

Dépôt de

Stériles de

Grande

Hauteur

DépôtNord

Secuencia 1Secuencia 2Secuencia 3Secuencia 4Secuencia 5Secuencia 6Secuencia 7Secuencia 8Secuencia 9Secuencia 10Secuencia 11Secuencia 12Acumulado 970 mton

Secuencia 13Acumulado 1195 mton





Final

Dimensionnement

Analyses de Stabilité et Considérations de dimensionnement

F.S. static= 1.93F.S. pseudo= 1.42 kh=0,12

Méthode d’Equilibre Limite: 3·D

Analyses de Stabilité et Considérations de dimensionnement

• Analyse formelle de stabilité 3D (FLAC)

•Géométrie Finale de Dépôt

• MCEDéplacements horizontaux rémanents maximales (8 – 10 m) avec déplacements locaux de 25 m, MCE

Déplacements concentrés principalement dans les bermes intermédiaires.

Conclusions: Stériles Porphyriques

• Stériles ROM présentent des résistances au cisaillement appropriées aux hautes pressions,

• Comportement mécanique ne diffère pas sensiblement d'autres

matériaux granulaires utilisés dans la construction de barrages,

• Propriétés mécaniques permettent d'aborder la construction de

dépôts de grandes hauteurs,

- l'enveloppe de résistance s’incurve à mesure que la pression

moyenne croît, - lié à l'augmentation de la compressibilité du squelette granulaire,

- associé au phénomène de rupture de particules, notamment pour des

pressions moyennes >1 MPa.

Conclusions: Stériles Porphyriques

• Les granulométries obtenues à hautes pressions pour ces matériaux tendent vers une granulométrie finale semblable,

• Recommandation de dimensionnement: dépôts de grande

hauteur en haute montagne: talus final avec un angle global

de 22º pour:• générer une zone peu chargée destinée à créer un

« contrefort » de haute résistance et haute perméabilité,• réduire l’action concomitante de dégradation mécanique et

chimique (eaux acides) • risques d’avalanches pendant l’opération et l’abandon,• créer le talus d’abandon définitif pendant l’opération.

Gracias

Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions: Module de Déformation.

0 5 10 15 20ε1(%)

0

10

20

30

40

50q (kg/cm2)

Ensayos Triaxial σ3'= 1 kg/cm2





Modelo hiperbólico σ3'= 1 kg/cm2





Modelo Hiperbólicok=170, n=0.43

n

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

Pa

'PakE 3i

σEi = module de déformation tangent

K = constante adimensionnelle

n = exposant adimensionnel

Pa = pression atmosphérique (0.1 MPa)

σ’3 = pression effective de confinement

Konder et al.

Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions: Module de Déformation.

Profils géophysiques sur un dépôt de Stériles « jeune »

Modèle de propagation des ondes de compression. Echelle 1:000

Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions: Module Volumétrique B:

Stériles ROM Porphyriques

m

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

Pa'PakbB 3σ

B = module volumétrique

Kb = constante adimensionnelle

m = exposant adimensionnel

Pa = pression atmosphérique (0.1 MPa)

σ’3 = pression effective de confinement

=> valeur négative de l’exposant associée aux matériaux qui présentent rupture de particules.

0 5 10 15 20ε1(%)

-15

-10

-5

0

5εv (%)







Modelo Hiperbólico:=> Kb=114, m= -0.02

Konder et al.

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