FRACTURE DIRIGEE AUTOUR D’UNE CHARGE EXPLOSIVE

Introduction générale suivant la théorie de fonctionnement des explosifs

      Le fonctionnement d’un produit explosif, est une réaction chimique déclenchée par une « mise à feu », tributaire des conditions dans laquelle elle se produit. Une part importante du travail de mise en œuvre consiste à adapter les produits aux prévisions des conditions de l’utilisation : choix de l’amorçage, détermination d’une quantité suffisante d’énergie explosive, définition de la nature et de l’état des matériaux. Que ce soit en démolition ou en arrachement, la réussite d’un tir (efficacité et sécurité) est liée aux interactions du couple « Produits explosifs-matériaux ». L’emploi des matières explosives, pour la fragmentation des roches, est généralement le mode le plus répandu dans la pratique minière. 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. L’abattage à l’explosif, comme la plupart des techniques humaines, est resté pendant de longues années un art ou l’expérience du praticien prend une part prépondérante. La révision rationnelle des résultats du tir est devenue une nécessité ne serait-ce pour des motifs économiques et sécuritaires. De nos jours, la technique des travaux de mines est considérablement plus méthodique et plus mécanisée qu’autrefois. C’est là un développement naturel qui a suivi les progrès de la technique universelle. Les conditions toujours plus sévères imposées pour l’emploi des explosifs, par exemple la suppression des vibrations trop importantes, la réalisation de tirs fiable, l’obtention d’une granulométrie bien définie, nous obligent à nous pencher de façon scientifique sur le processus du tir et à établir les bases de relations quantitatives, afin de pouvoir déterminer à l’avance les effets de l’explosion et de les influencer de manière efficace, tout en réduisant les marges d’appréciations subjectives qui conduisent si souvent à des erreurs.

Considération théoriques de l’endommagement des roches

       L’endommagement des matériaux fragiles peu poreux peut être défini comme le processus physique progressif par lequel ils sont amenés à la rupture. Le concept d’endommagement doit être perçu comme une dégradation dans les propriétés mécaniques, et particulièrement de la résistance du matériau. Le comportement mécanique des roches, tout comme celui d’autres matériaux fragiles, est étroitement lié à la présence d’imperfections telles que les impuretés, les frontières cristallines, les inclusions, les pores et les microfissures. Ces imperfections constituent des hétérogénéités structurales qui sont souvent à l’origine de la dégradation des propriétés du matériau lorsque celui-ci est soumis à des contraintes externes. À mesure que ces imperfections (ou défauts) progressent, elles peuvent former des fissures et provoquer la rupture du matériau. Au niveau microscopique, l’endommagement se crée à proximité des imperfections et par le bris des liens moléculaires. À une échelle macroscopique, soit celle d’un élément de volume représentatif EVR (Representative Volume Element, RVE), l’endommagement se situe dans la progression et la coalescence de microfissures ou de microvides qui, ensembles, initient une fissure, Lemaitre (1996). Le processus de destruction des liens lors de la déformation est parfois appelée perte de cohésion du matériel, Charlez (1991) et Martin (1993). La dégradation des propriétés mécaniques, qui se manifeste par une variation graduelle des modules de cisaillement et de rigidité est souvent associée à l’endommagement qui se produit tant au niveau du EVR que du massif rocheux. Il est difficile de parler d’endommagement des matériaux fragiles peu poreux sans parler d’élasticité et de plasticité. Tous les matériaux sont composés d’atomes, qui sont reliés entre eux par des liens résultant des champs électromagnétiques. L’élasticité est directement liée au mouvement relatif des atomes, Lemaitre (1996). On peut définir l’élasticité comme étant la propriété des corps qui tendent à reprendre leur forme initiale après avoir été déformés. Ainsi, un comportement parfaitement élastique suppose qu’aucun dommage n’a été subi. Par ailleurs, la plasticité peut être définie comme l’aptitude d’un matériau à prendre différentes formes, ce qui présuppose des déformations irréversibles. La plasticité des matériaux fragiles est liée au phénomène de glissement. Ces glissements sont réalisés par des mouvements de dislocation qui peuvent être causés par différents mécanismes tels que, Lemaitre, (1996):
– réarrangement des molécules;
– microfissures;
– glissements le long de surfaces prédéfinies.
Le processus d’endommagement débute lorsque des liens sont brisés et que des déformations irréversibles apparaissent. L’échelle à laquelle les différents phénomènes se produisent est la suivante, Lemaitre (1996):
– L’élasticité se situe à l’échelle des atomes;
– La plasticité est gouvernée par les glissements à l’échelle des cristaux ou molécules;
– L’endommagement est le désenchevêtrement (ou rupture de liens), de l’échelle des atomes jusqu’à l’échelle de la formation de fissures.

Transformation d’une pression statique en effet de traction sur la paroi

        Dans une cavité en forme de cylindre figure I.7), la pression statique exercée par les gaz s’applique uniformément sur toute la paroi du cylindre. Si l’on considère un axe x y traversant le cylindre de part en part, la résultante de toutes les contraintes qui s’appliquent sur celui-ci peut être symbolisée par deux forces F et F’ de sens opposé. Ces deux contraintes peuvent à leur tour être décomposées en deux forces F/2 et deux forces F’/2 qui s’appliquent au niveau de la paroi du cylindre. Ces contraintes étant de sens opposé, une traction est exercée aux points x et y. Ce phénomène est identique quel que soit la position de l’axe (x y). Lors de la détonation de l’explosif, on observe des fissurations radiales au voisinage immédiat du trou de mine par transformation de la pression statique des gaz en contraintes de traction. C’est ce qui explique la fissuration en « étoile », bien visible autour d’un trou ayant fait « canon ».

Modèle de fissuration et de déformation des roches à l’explosif

       Un modèle de fissuration et de déformation des roches à l’explosif est proposé en utilisant les propriétés calculées d’explosif et les propriétés élastiques mesurées des roches. Cela est montré pour être capable de prédire dans l’exactitude expérimentale la déformation, l’énergie de déformation, le déplacement, l’effet de couplage (explosif – roche) dans une charge géométrique d’un plan pratique et le rôle de la pression des gaz pour la fragmentation de roche et dégagement de la banquette. Un mécanisme par le quel l’onde de déformation compressive radiale pouvant causer des fissures est montrée et discutée pour donner une description adéquate de fragmentation. La dimension maximale des fragments et quelques facteurs influençant la masse à abattre sont alors comparés avec des résultats expérimentaux. Il y eu beaucoup des recherches au propos de tir à l’explosif, mais peu de ces dernières ont été réellement appliqué en pratique. La sélection de la banquette optimale reset le problème pour les expériences ou l’application des formules empiriques. Les essais de fragmentation et les théories proposées par certains chercheurs en particulier celles de Livingston (1995) n’ont pas été généralement appliquées, comme il y a doute si les résultats des expériences avec des explosifs sphériques peuvent être appliqués pour des longues charges explosives cylindriques typiquement pour la production des explosions. Beaucoup des études sur l’onde de déformation produite par la détonation d’explosif dans la roche ont été faites, mais restent des théories, particulièrement celle de Hino (1959), n’a pas été appliquée pour le tir car il n’a pas été montré satisfaisant que l’onde de déformation est importante pour la rupture de la roche. La situation a été compliquée par l’étude de la propagation de fissures confirmant qualitativement la théorie d’expansion des gaz. Le travail décrit ici a pour but de trouver des méthodes améliorées pour estimer la performance des explosifs pour l’abattage des roches.

Mesures suivant la cessation des activités

     Dès qu’un quartier d’exploitation est épuisé et que le vide créé a été comblé par les déblais d’un autre chantier d’abattage, il faudra lancer les premières mesures de réhabilitation. Les exploitations à ciel ouvert étant souvent très étendues, ces actions correctrices se font parallèlement à la progression des chantiers d’abattage. Les mesures de réhabilitation consistent à réintégrer les surfaces exploitées dans l’environnement de façon à leur redonner l’aspect d’un paysage naturel. Les terrils, les bords de la fosse, les verses extérieures et les surfaces désaffectées doivent immédiatement être plantées d’espèces végétales locales. Ceci permet de limiter et même d’éviter entièrement les effets de l’érosion notamment en climat tropical humide et la déflation en climat aride. Dans les zones particulièrement menacées par l’érosion, on aura recours à des méthodes anti-érosives spéciales comme les drainages et les travaux de consolidation. Finalement, on s’efforcera d’obtenir la remise en culture des surfaces correspondant aux portions du gisement épuisées afin de pouvoir les réutiliser à des fins agricoles, mais on pourra également envisager une autre valorisation du site après son réaménagement. Si l’on prévoit une utilisation agricole, les sols devront être nivelés, compactés et recouverts de couches de terre et d’humus en vue de les faire reverdir et de pouvoir les exploiter par la suite. Avec la remise en culture, on ne parvient toutefois qu’à limiter les dégâts écologiques. D’une part ces travaux s’étalent sur de longues périodes, d’autre part leur succès reste souvent aléatoire. Pour la remise en culture de stations situées dans des régions tropicales notamment, les connaissances dont on dispose demandent encore à être sérieusement approfondies, par ex. en ce qui concerne l’ordre de plantation et la sélection d’espèces adaptées au site. Le succès de l’entreprise suppose également qu’on parvienne à rétablir le caractère naturel du sol, c’est-à-dire pour les facteurs physiques par ex. une perméabilité, une granulométrie et une structure donnée et pour les facteurs chimiques par ex. un certain pH, un certain équilibre biologique et l’absence de polluants, afin que ce sol puisse à nouveau remplir ses diverses fonctions de réservoir d’eau, cadre de vie pour la faune et la flore et substrat pour la production agricole. L’exploitation minière, dans sa globalité à une grande part sur l’atteinte de l’environnement. En effet, l’industrie extractive, par application de ses différentes techniques et technologies d’exploitation, a été toujours une source d’atteinte de l’environnement.

Table des matières

Chapitre I Analyse des théories de fonctionnement des explosifs dans les massifs rocheux
I.1. Introduction sur la théorie de fonctionnement des explosifs
I.2. Fonctionnement des explosifs
I.3 Conception des plans de tir
I.3.1 Fonctionnement normal des charges
I.3.2 fonctionnement correct des produits
I.3.3 Sécurité du fonctionnement de la totalité du tir
I.3.4 Les arrachements de charges
I.3.5 Les projections
I.3.6 La sécurité de surface
I.3.7 La sécurité par la simplicité de mise en œuvre
I.3.8 Principe complémentaire : contrôler les vibrations
I.4 Effets réels des dispersions des retards pyrotechniques
I.5 Considération théoriques de l’endommagement des roches
I.5.1 L’endommagement de la roche intacte
I.5.1.1 Phases de déformation
I.5.1.2 Initiation de l’endommagement
I.5.2 L’endommagement des massifs rocheux
I.5.2.1 Approche classique
I.5.2.2 Approche basée sur la mécanique de l’endommagement CDM
I.5.2.3 Approche combinée
I.5.3 Sources d’endommagement
I.5.3.1 Endommagement causé par la méthode d’excavation
I.5.4 Évaluation de l’endommagement
I.6 Caractéristiques des processus de fragmentation des roches
I.6.1 Analyse de l’effet de choc
I.6.1.1 Expérience de la barre de Hino
I.6.1.2 Analyse du résultat
I.6.1.3 Analyse de l’effet de gaz
I.6.1.3.1 Transformation d’une pression statique en effet de traction sur la paroi
I.6.1.3.2 Effet de Griffith (propagation des fissures)
I.7 Modélisation des tirs
I.7.1 Modèles algébriques
I.7.3 Modèles de comportement composite
I.7.4 Modèles empiriques
I.7.5 Modèles mécanique
I.8 Modèle algébrique
I.9 Modèles de comportement composite
I.9.1 Le modèle ‘Bedded Crack’ et code ‘Shale’
I.9.2 Modèle NAG-FRAG
I.9.3 Modèles empiriques
I.9.3.1 Modèle KUZ-RAM
I. 9.3.2 Modèle de LANGEFORS
I.10 Ajustement des paramètres du tir
I.10.1 Selon le forage
I.10.2 Selon le foisonnement
I.10.3 Selon la fragmentation des roches
I.11 Modèles physiques
I.12 Modèles mécaniques
I.12.1 Modèle BLASPA
I.12.2 Modèle FRAG
I.12.3 Autres modèles
I.12.3.1 Le modèle DNA-BLAST
I.12.3.2 Modèle de fissuration et de déformation des roches à l’explosif
I.12.3.3 Description
I.12.4 Vision
Conclusions et commentaires
Chapitre II Etude du transfert de l’énergie explosive dans le massif rocheux 
II.I Introduction
II.2 Transfert d’énergie dans le milieu connexe
II.3 Propagation des contraintes dans la roche
II.4 Effet général des ondes de chocs dans le massif rocheux
II.5 Rapport de la dynamique avec le comportement des roches
Conclusion
Chapitre III Approche théorique du travail de l’explosif dans le massif rocheux 
III.1 Introduction
III.2 Rôles de l’onde de choc et de la pression des gaz dans le processus de fragmentation
III.3 Approche dynamique
III.3.1 Aspect théorique
III.3.2 Constat des aspects pratiques issus de l’approche dynamique
III.3.2.1 Utilisation d’un explosif brisant
III.3.2.2 Amorçage simultané
III.3.2.3 Utilisation de charge découplée
III.3.3 Approche quasi-statique
III.3.3.1 Théorie et expérimentation
III.4 Pression de paroi et pression critique
III.5 Modélisation numérique
Conclusion
Chapitre VI Modélisation de la direction des fissures dans un trou de mine
VI.1 Introduction
VI.2 Approximation Quasi statique
VI.3 Approximation Dynamique
VI.4 olution quasi-statique
VI.5 Description et résultats de la modélisation
Conclusion
Chapitre V Impact des travaux miniers sur l’environnement
V.1 Introduction
V.2 L’industrie extractive
V.3 Prévenir et réduire les risques liés aux anciennes mines
V. 4 Présentation du domaine d’intervention
V.5 Effets potentiels des exploitations à ciel ouvert
V.6 Limitation des effets sur l’environnement
V.6.1 Mesures précédant l’exploitation
V.6.2 Mesures accompagnant l’exploitation
V.6.3 Mesures suivant la cessation des activités
V.7 Vibrations dues aux tirs
Conclusion

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