Etude bibliographique sur l’art de tir à l’explosif

La rupture séquentielle mène à la fragmentation. Un des aspects les plus importants de la fragmentation à l’explosif est qu’un corps de matériau dur, à la fin du processus de la rupture, est divisé en de nombreux morceaux. Dans des conditions de chargement quasi-statique, un corps est souvent cassé seulement en quelques morceaux. Sous des vitesses de chargement très élevées où de fortes contraintes atteintes dans un temps très court, le même corps se casse par fragmentation en de nombreux morceaux. La fragmentation joue un rôle important dans une grande variété de processus industriels dans laquelle on désire causer la fragmentation de la manière la plus efficace et la plus contrôlée. Ainsi, l’élaboration de méthodes efficaces et sûres pour l’abattage des roches à l’explosif est d’intérêt considérable pour l’industrie minière. Les opérations d’abattage réussies peuvent mener à réaliser la distribution la plus appropriée des fragments de roches avec un coût de production minimum. Néanmoins, jusqu’à aujourd’hui, la fragmentation à l’explosif avait été en dehors de la province des méthodes théoriques générales et a été étudié principalement avec l’utilisation de méthodes basées sur une variété d’hypothèses non contrôlables et parfois mutuellement contradictoires.

Avec le développement des ordinateurs à grande vitesse, des efforts considérables ont été orientés pour des modèles continus, (Gardy et keep, 1980 [66] et Preece et al., 1994 [110]), discontinus, (Potyondy et Cundall, 1996 [108] et Donzé et al., 1997 [54]) et continusdiscontinus, (Munjiza et al., 1995 [100]) afin de décrire la fracturation et la fragmentation. D’autres chercheurs ont préféré appliquer une approche micro-statique, (Curran et al., 1982 [46], 1987 [45]) au problème de la fracturation et de la fragmentation à l’explosif des solides. De nos jours et à la connaissance de l’auteur, l’approche la plus appropriée n’a pas été identifiée. Actuellement, il y a une variété de modèles numériques traitant la rupture et la fragmentation mais qui sont loin d’aboutir à une prévision fiable et précise de la distribution granulométrique et ce à partir de la connaissance de la géométrie, des propriétés mécaniques et physiques (dynamique et statiques), des conditions initiales et des conditions aux limites.

Etude bibliographique sur l’art de tir à l’explosif

L’abattage des roches représente le premier maillon des processus technologiques de l’exploitation des gisements à ciel ouvert. Il consiste à modifier l’état naturel des roches dans le but d’améliorer le processus de leur extraction. Les travaux de tir sont largement utilisés dans les exploitations à ciel ouvert des roches dures. Dans ce cas, la roche est séparée du massif à l’aide des explosifs placés dans des trous réalisés à cet effet. La qualité de l’abattage des roches prédétermine en grande partie le rendement des engins miniers, la sécurité de travail, et d’une manière générale l’efficacité des travaux à ciel ouvert. Cependant l’obtention de cette dernière dépend de plusieurs paramètres variables et invariables représentant le souci des ingénieurs et spécialistes. Le processus général de fragmentation des roches à l’aide d’explosifs ne présente pratiquement plus de secret pour les spécialistes du monde entier. Il peut se résumer à l’enchaînement des phénomènes suivants: décomposition de la matière explosive en gaz à haute pression et hautes températures, propagation d’ondes de contrainte dans le massif, rupture ou endommagement de la roche, détente des gaz à travers les zones de fragilité créées, ouvrant de manière franche des fissures et finalement, la mise en mouvement et l’éjection des fragments de matériaux.

Paramètres d’un plan de tir

Paramètres invariables 

Comportement de la roche (Résistances et propriétés)
La mécanique des roches modélise le comportement des roches en laboratoire à partir de tests de durée limitée. Les propriétés mécaniques des roches dépendent de leur nature pétrographique, de leur état d’altération et de leur structure. Ce sont des caractéristiques intrinsèques du matériau. Les principaux tests mécaniques comportent des essais de compression simple ou triaxiale permettent d’établir des modules ou des coefficients (Young, Poisson, poussée, etc.), ainsi des différentes résistances qui caractérisent le comportement de la roche sous des contraintes telles que:
✦ pression statique : poussée des terrains,
✦ pression dynamique : action des explosifs (objet de notre travail).

La résistance à la traction est théoriquement la propriété mécanique la plus importante de la masse rocheuse pour l’abattage. En effet, il est généralement admis que la fissuration et la fragmentation de la roche se réalisent surtout sous un régime de contrainte de traction. Par ailleurs, les essais réalisés par certains chercheurs, sur des matériaux naturels et synthétiques ont indiqué une relation entre la banquette critique et la résistance à la traction. Quant à la résistance à la compression, elle détermine le comportement de la roche au voisinage de la charge de détonation, (Rustan, 1990 [112]).

Module de Young (E)
Le module de Young est une indication de déformabilité de la matrice rocheuse. Plus celui-ci est important, plus il est difficile pour le gaz de l’explosion de comprimer et rompre la roche. Pour traduire que la déformation est proportionnelle à la contrainte, on utilise la « loi de Hooke » entre la contrainte ζ et la déformation longitudinale εl. Le coefficient obtenu est appelé module de Young (E). Il a été montré par (Mcqueen et al., 1970 [96] et Wacker, 1962 [133]) que des substances fragiles restent élastiques jusqu’aux pressions de 40 à 80 Kbar.

Construction de la courbe intrinsèque

– On porte sur l’axe des (x) les couples de valeur (σ0) et (RC).
– A chaque couple de valeurs correspond un cercle. Le 1er cercle passant par (0) et une valeur correspond à une compression simple (σ0=0).
– Les cercles suivants définissent le comportement de la roche pour des valeurs croissantes de la contrainte latérale. On constate que la tangente commune aux différents cercles est proche d’une droite. Cette courbe dite « courbe intrinsèque»définit deux zones : au-dessus il y a rupture (roche instable), en dessous, la roche est stable.

L’angle de cisaillement (θ) est défini par l’angle entre la courbe intrinsèque et l’horizontale. Cette valeur correspond à l’angle de rupture de la roche.
● La résistance à la cohésion (C)
Correspond à l’intersection entre la courbe intrinsèque et l’axe des ordonnées. On peut lire directement sa valeur en (MPa) sur l’axe des (y).
● La valeur de rupture (RC)
Est lue sur l’axe des ordonnées. C’est la projection horizontale du point le plus haut du cercle sur l’axe des (y), qui donne la valeur de (RC/2).
● La contrainte tangentielle (τ)
Elle est lue sur l’axe des ordonnées. C’est la projection horizontale du point de contact entre le cercle et la courbe intrinsèque sur l’axe des (y). Elle sert à déterminer le profil de rupture d’un gradin pour une contrainte tangentielle donnée.
● La résistance à la traction (Rt)
On prolonge la courbe intrinsèque graphiquement ou par calcul sur l’axe des abscisses négatives. On trace un cercle passant par (0) et tangent à cette courbe. La projection du point le plus haut du cercle sur l’axe des ordonnées donne la valeur de (Rt/2). Cette valeur correspond à une contrainte de compression négative, donc une contrainte de traction.
● Traction triaxiale isotrope (Tt)
En ce point la roche se désagrège, toutes les contraintes sont de traction et de valeur identique suivant les trois axes. Cet effet est comparable à celui de la détonation d’un explosif placé au centre de l’échantillon.

Discontinuités structurales

C’est un fait bien connu que l’efficacité du tir est affectée par les discontinuités structurales y compris failles, joints et autres. Des résultats expérimentaux montrent que l’efficacité du tir est plus influencée par les discontinuités structurales que par les propriétés de l’explosif, (Ash, 1969 [11]). La distance entre les discontinuités a également une grande influence sur l’efficacité d’un tir. Les tendances récentes sur le tir sont dirigées vers l’utilisation de larges diamètres de trous, ce qui entraîne de larges espaces et lignes de moindre résistance cependant les discontinuités géologiques deviennent plus prononcées, (Ash, 1969 [11]).

Les discontinuités engendrent la réflexion des ondes de contraintes qui agissent conjointement avec celles crées par la charge. Ceci entraîne la concentration des contraintes et par conséquent une meilleure fragmentation dans la zone, par contre, la zone qui se trouve de l’autre côté de la discontinuité tend à être moins fragmentée. Lorsque les discontinuités sont ouvertes, les gaz générés par l’explosion s’échappent par celle-ci. Cela s’accompagne d’un abaissement rapide de la pression de sorte que l’énergie de gaz perde son efficacité. Cependant, une mauvaise fragmentation et un médiocre déplacement du tas en résultent. Donc on peut dire que les discontinuités dans le massif rocheux ont une grande influence sur les travaux miniers, surtout, sur le travail de l’explosif pendant les travaux d’abattage des roches.

Table des matières

Introduction générale
Premier chapitre Etude bibliographique sur l’art de tir à l’explosif
I.1. Introduction
I.2. Paramètres d’un plan de tir
I.2.1. Paramètres invariables
I.2.1.1. Comportement de la roche (Résistances et propriétés)
I.2.1.1.1. Module de Young (E)
I.2.1.1.2. Coefficient de Poisson (ν)
I.2.1.1.3. Coefficient de poussée (K)
I.2.1.1.4. Coefficient de foisonnement dynamique (Kfd)
I.2.1.1.5. Compression triaxiale
I.2.1.1.5.1.Construction de la courbe intrinsèque
I.2.1.1.5.2. Cas particuliers
I.2.1.1.5.2.1. Cas particulier n°1
I.2.1.1.5.2.2. Cas particulier n° 2
I.2.1.1.5.2.3. Cas intermédiaire
I.2.1.2. Discontinuités structurales
I.2.1.3. Conditions climatiques (Eau quelque fois contrôlable)
I.2.1.3.1. Le Forage
I.2.1.3.2. Le choix de l’explosif
I.2.1.3.3. Le processus d’abattage
I.2.1.3.3.1. Rôle de l’eau comme élément de couplage de l’explosif au massif rocheux
I.2.1.3.3.2. Rôle de l’eau comme agent de bourrage
I.2.1.3.3.3. Rôle de l’eau dans la transmission des vibrations
I.2.1.3.3.4. Rôle de l’eau dans la résistance du massif rocheux
I.2.2. Paramètres contrôlables (Variables)
I.2.2.1. Paramètre Explosif (type d’explosif)
I.2.2.1.1. La déflagration
I.2.2.1.2. La détonation
I.2.2.1.3. Théorie de base (équation d’Hugoniot-Rankine)
I.2.2.1.3.1. Conservation de la masse
I.2.2.1.3.2. Conservation de l’énergie
I.2.2.1.3.3. Conservation de la quantité de mouvement
I.2.2.1.3.4. Stabilité des réactions de décomposition chimique
I.2.2.1.3.5. Diamètre critique de détonation
I.2.2.1.3.6. Cas particulier des émulsions – Désensibilisation
I.2.2.1.3.7. Mesure de la vitesse de détonation in situ
I.2.2.1.4. Les caractéristiques de performance
I.2.2.1.4.1. Energie et puissance
I.2.2.2.1.1. Méthodes de mesure
I.2.2.1.4.1.1. Le Coefficient d’Utilisation Pratique (CUP)
I.2.2.1.4.1.2. Le Travail au Mortier Balistique (TMB)
I.2.2.1.4.1.3. La mesure d’énergie en piscine
I.2.2.1.4.1.4. L’énergie déterminée par calcul thermodynamique
I.2.2.1.4.2. Densité
I.2.2.1.4.3. Vitesse de détonation
I.2.2.1.4.3.1. Méthode de mesure
I.2.2.1.4.3.2. Observation
I.2.2.1.4.4. Volume de gaz de réaction
I.2.2.1.4.4.1. Méthode de mesure
I.2.2.1.4.4.2. Observations
I.2.2.1.5. La consommation spécifique d’explosif
I.2.2.2. Paramètres liés aux trous
I.2.2.2.1. Qualité de forage
I.2.2.2.1.1. Le positionnement des trous par rapport au front d’abattage
I.2.2.2.1.2 Les déviations de forages
I.2.2.2.2. Le diamètre du trou
I.2.2.2.3. L’inclinaison du trou
I.2.2.2.4. L’excès de forage (sous forage)
I.2.2.2.5. Longueur du trou
I.2.2.3. Paramètres liés au Bourrage
I.2.2.3.1. Hauteur du bourrage et sa disposition dans les trous
I.2.2.3.2. Qualité du matériau de bourrage
I.2.2.4. Paramètres liés au plan
I.2.2.4.1. Banquette
I.2.2.4.2. L’espacement
I.2.2.4.3. Rapport de maille
I.2.2.4.4. Présence des faces libres
I.2.2.4.5. Type d’amorçage et séquence d’initiation
I.2.2.4.6. Effet de retard entre trous
I.3 Processus de fragmentation
I.3.1. Décomposition de la substance explosive, champ de pression
I.3.2. Champ de contrainte, ondes de contraintes
I.3.3. Rupture ou endommagement
I.3.4. Détente des gaz et fragments de roche
I.3.5. Mise en mouvement des fragments
I.3.6. Effet de choc et effet de gaz
I.3.6.1. Phases de la détonation
I.3.6.1.1. Phase 1: temps (t0+ ε)
I.3.6.1.2. Phase 2: temps (t0 + 0,7 ms)
I.3.6.1.3. Phase 3: temps (t0 + 1,3 ms)
I.3.6.1.4. Phase 4: temps (t0> 15 ms)
I.3.6.2. Analyse de l’effet de choc
I.3.6.2.1. Expérience de la barre de Hino
I.3.6.2.2. Analyse du résultat
I.3.6.3. Analyse de l’effet de gaz
I.3.6.3.1. Transformation d’une pression statique en effet de traction sur
la paroi
I.3.6.3.2. Effet de Griffith (propagation des fissures)
I.4. Modèle de conception d’un plan de tir
I.4.1. Etapes du calcul
I.4.2. Implémentation et analyse des résultats
I.4.3. Calcul de paramètres de tir en exploitation à ciel ouvert
I.4.3.1. La géométrie de la charge
I.4.3.1.1. Cas particuliers
I.4.3.2. Les formules de calcul (Langefors)
I.4.3.2.1. Le coefficient d’énergie (S)
I.4.3.2.2. La charge linéaire (Lf)
I.4.3.2.2.1. Coefficient de tassement à appliquer
I.4.3.2.3. Le coefficient d’inclinaison (Cin)
I.4.3.2.4. La résistance au tirage (RT)
I.4.3.2.4.1. L’état de fracturation
I.4.3.2.4.2. L’indice de continuité (Ic)
I.4.3.2.5. Le rapport de maille (Et/B)
I.4.3.2.6. Constant de Langefors (1,08)
I.4.3.2.7. Corrections
I.4.3.2.8. Calcul des charges
I.4.3.2.8.1. Charge de pied
I.4.3.2.8.2. Charge de cisaillement
I.4.3.2.8.3. Charge de poussée
I.4.3.2.8.4. Charge de colonne
I.4.3.2.8.4.1. Cas n° 1: explosif en vrac
I.4.3.2.8.4.2. Cas n° 2: explosif encartouché
I.5. Influence de degré de fragmentation sur la chaine technologique de production
I.5.1. Sur le cycle du chargement
I.5.2 Sur le cycle du transport
I.5.3. Sur le cycle du concassage primaire
I.6. Conclusion
Deuxième chapitre Techniques de mesure
II.1. Introduction
II.2. Discussion des méthodes
II.2.1. Prédiction
II.2.1.1. Le Modèle (Kuz-Ram)
II.2.1.1.1. Équation de Rosin-Rammler
II.2.1.1.2. Equation de prédiction de la taille médiane de Kuznetsov
II.2.1.1.3. Équation de prédiction de l’uniformité Rosin-Rammler
II.2.1.2. Le Modèle (CK)
II.2.1.3. Le Modèle (BRW)
II.2.1.4. Modèle de prédictions trou par trou
II.2.1.4.1. Prédiction en fonction des consommations spécifiques propres q(i)
II.2.1.4.1.1. détermination de la consommation spécifique propre à chaque trou q(i)
II.2.1.4.1.2. Prédiction des x50(i) et de x50(globale)
II.2.1.4.1.3. Prédiction des xmax(i) et de xmax(globale)
II.2.1.4.2. Prédiction trou par trou en fonction des banquettes géométriques B(i)
II.2.1.5. Prédiction basée sur la méthode de Monte Carlo
II.2.1.5.1. Préambule
II.2.1.5.2. Principes de tir adopté par Monte Carlo
II.2.1.5.3. Développement du simulateur Monte Carlo à l’aide de Visual Basic.Net
II.2.1.5.4. Application du simulateur Application du simulateur
II.2.1.6. Théorie de percolation
II.2.2. Criblage ou tamisage
II.2.2.1. Taille et calcul des proportions granulométriques par tamisage
II.2.2.2. Problèmes rencontrés lors de mesure de la distribution des tailles des fragments
II.2.3. Méthode de comptage des hors gabarits
II.2.4. Méthode de consommation d’explosifs en débitage secondaire
II.2.5. Méthode du taux de chargement de la pelle
II.2.6. Méthode de comblement de retard du concasseur
II.2.7. Méthode d’analyse visuelle
II.2.8. Méthode d’analyse photographique ou manuelle
II.2.9 Méthode photogrammétrique conventionnelle à haute vitesse
II.2.10. Méthode de mesure à la ficelle
II.3. Conclusion
Troisième chapitre Techniques phot-analytiques potentielles
III.1. Introduction
III.2. Techniques de mesure
III.2.1. Échantillonnage photographique
III.2.1.1. Photographie au niveau de tas abattu
III.2.1.2. Photographie au niveau des camions de transport
III.2.1.3. Photographie sur trémie / convoyeur à bande
III.2.1.4. Résolution des images
III.2.1.4.1. Visibilité des objets
III.2.1.4.2. Dimensionnement des objets
III.2.1.4.3. Limite haute
III.2.1.4.4 Limite basse
III.2.1.5. Conseils
III.2.2. Définition et numérisation des contours des fragments
III.2.3. Mesure des surfaces et diamètres des fragments
III.2.3.1. Méthode de cercle équivalent (surface égale)
III.2.3.2. Meilleur ellipse ajustée (best fitting ellipse)
III.2.4. Détermination de la distribution de vrais fragments
III.2.4.1. Modèle sphérique
III.2.4.2. Modèle ellipsoïdal
III.2.4.2.1 Du tamisage virtuel à la distribution des tailles
III.2.4.3 Applicabilité des méthodes de sectionnement aux images projetées
III.2.4.4. Méthodes antérieures d’estimation de la distribution de tailles des tas abattus
III.2.4.4.1. Méthode de Maerz
III.2.4.4.2. Méthode de Kemeny
III.2.5. Correction et ajustement de la distribution des tailles de vrais fragments
III.2.6. Différents systèmes utilisés pour l’analyse d’images
III.2.6.1. Split
III.2.6.1.1. Recommandations
III.2.6.1.2. Reconstitution des images bidimensionnelles et estimation des fragments
III.2.6.2. WipFrag
III.2.6.2.1. Reconstitution des images bidimensionnelles et estimation des fragments
III.2.6.3. FragScan
III.2.6.3.1. La qualité des images
III.2.6.3.2. Reconstitution des images bidimensionnelles et estimation des fragments
III.2.6.4. IPACS
III.2.6.5. TUCIPS
III.2.7. Erreurs de mesure liées à l’analyse d’images
III.2.7.1. Erreurs dues à l’échantillonnage
III.2.7.2. Problèmes dus à la présence de particules fines
III.2.7.3. Erreurs dues à la technique employée pour l’extraction de l’information 2D
III.3. Conclusion
Conclusion

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