L’exploitation minière en souterrain

Les travaux miniers et les techniques d’exploitation dans les souterrains, laissent subsister de grands espaces vides qui peuvent être à l’origine des affaissements et des effondrements en surface. En revanche, d’importantes pertes humaines, matérielles et financières peuvent être engendrées par des ruptures soudaines tels que des effondrements brutaux du recouvrement, qui sont difficiles à prévoir et engendrent d’importants dommages en surface.

Les effondrements miniers sont vraisemblablement toujours causés directement ou indirectement par des ruptures de piliers. C’est particulièrement vrai à faible profondeur où l’immobilité du recouvrement ne peut plus être assurée lorsqu’un certain nombre de piliers est effondré. Un dimensionnement sécuritaire des piliers vis-à-vis de leur stabilité est donc souhaitable. Par ailleurs, le dimensionnement des piliers représente un enjeu économique important pour les exploitants de minerai. Il s’agit de prélever le plus de minerai possible tout en assurant la sécurité et donc la stabilité de la mine à court terme et à long terme (piliers cotes et piliers abandonnées). Il est donc nécessaire d’optimiser autant que possible la taille des piliers : ils doivent être stables en ayant le plus faible volume possible. L’option la plus sécuritaire qui consisterait à former des piliers volontairement beaucoup plus volumineux que nécessaire, afin de pouvoir absolument garantir leur stabilité, n’est donc pas souvent pas économiquement fiable. C’est la raison pour laquelle des études sur le comportement mécanique des piliers de mines souterraines sont nécessaires afin, notamment, de définir les configurations optimales d’exploitation et les méthodes d’évaluation de stabilité à appliquer dans le cas des mines abandonnées.

L’exploitation minière en souterrain

Les principales méthodes d’exploitation

Brady et Brown (2004) définissent une méthode d’extraction des ressources minérales comme étant une séquence d’opérations de production à l’intérieur de blocs dans lesquels un gisement de minerai est identifié. Toutes les méthodes d’exploitation sont caractérisées par la nécessité de mobiliser, d’extraire et de transporter du minerai. En revanche, les techniques de mise en place des opérations de production ainsi que les moyens d’extraction sont variables et caractérisent les méthodes d’exploitation. Hamrin (2001), qui résume de manière très complète les caractéristiques de la plupart des méthodes d’exploitation des mines souterraines, met l’accent sur le fait que la notion de minerai est définie par des critères purement économiques : c’est un « dépôt minéral qui peut être exploité et engendrer des bénéfices dans des conditions économiques données ». Certaines considérations économiques interviennent donc lorsqu’il s’agit de définir la méthode d’exploitation d’un gisement. Pour autant, on s’intéresse ici aux caractéristiques géométriques et géomécaniques des gisements favorisant le choix d’une méthode d’exploitation sans aborder les aspects économiques. Les méthodes qui nécessitent d’extraire le minerai sous forme solide sont dîtes « Minières ». Les méthodes minières peuvent être classées suivant différents critères. On peut par exemple distinguer les mines suivant qu’elles nécessitent ou non la mise en place d’un soutènement pour assurer la stabilité des chantiers ainsi que suivant la nature de ce soutènement. Nous faisons ici le choix de regrouper les méthodes minières par rapport aux géométries des gisements qu’elles permettent d’exploiter ainsi qu’à leur influence sur les terrains de surface. En s’inspirant de la classification de Hamrin (2001) et de la synthèse fournie par Brady et Brown (2004), on peut identifier quatre groupes de méthodes minières présentés succinctement ci-dessous :

Le premier groupe de méthodes comprend celles qui sont utilisées pour l’exploitation de gisement fortement inclinés à subverticaux et relativement étroits (quelques mètres). Elles consistent toutes à abattre et à fragmenter à l’aide d’explosifs de grands blocs de minerai atteignant plusieurs milliers de mètres cubes. La roche est alors amenée à s’effondrer dans des points de soutirage à partir desquels le minerai est acheminé vers la surface. Les méthodes de ce groupe ont en commun la nécessité d’être en présence d’un minerai et d’une roche encaissante immédiate suffisamment résistants pour assurer temporairement la stabilité des parois des vides créés après l’abattage. Elles se distinguent toutefois par la manière d’abattre et d’exploiter le minerai. La méthode par chambres-magasins (shrinkage stoping, Fig I.1a) consiste à exploiter le gisement de bas en haut par tranches horizontales auto remblayées.

L’auto remblayage est assurée par une partie du minerai abattu laissé en place afin de constituer le plancher de la volée suivante. C’est une méthode relativement ancienne qui était utile lorsque peu de machines étaient employées dans les mines. On lui préfère aujourd’hui des méthodes plus modernes comme celle des chambres ouvertes (open stoping) qui consiste à abattre le gisement par blocs verticaux de grande ouverture forés à partir de voies d’accès latérales sur plusieurs niveaux. Des piliers horizontaux contenant du minerai sont généralement laissés en place, au moins temporairement, entre deux blocs d’exploitation afin de garantir un support global évitant l’effondrement de la roche encaissante. L’exploitation par charges concentrées (vertical creater retreat mining) s’applique dans les mêmes conditions que les deux méthodes précédentes mais elle tire profit d’un moyen d’abattage développé initialement dans les mines canadiennes, qui consiste à insérer de puissantes charges explosives dans des forages de grand diamètre effectués verticalement depuis le sommet du bloc à abattre. Comme dans la méthode « Open stoping », les tirs ne sont effectués qu’après avoir initialement découpé la base des blocs. Les vides créés après l’abattage sont parfois comblés par des remblais en pâte cimentée avant l’exploitation des blocs voisins. Cette méthode peut se substituer aux chambres ouvertes lorsque le développement des sous niveaux est délicat.

Les méthodes par tranches montantes remblayées (Cut-and-fill mining, Fig I.1b) constituent le deuxième groupe de cette classification. Elles consistent à exploiter les gisements de bas en haut par tranches horizontales de quelques mètres d’épaisseur abattues de front et progressivement remblayées à l’aide d’un matériau granulaire cimenté ou à l’aide de stériles constituant le plancher pour la préparation de l’abattage de l’étage supérieur. Ces méthodes peuvent s’appliquer à de nombreux types de gisements (veines, gisements tabulaires ou massifs) et présentent l’avantage d’être relativement sélectives. Elles nécessitent néanmoins que la concentration en minerai soit suffisante pour que la mise en place du remblai, son infiltration partielle dans le gisement et la dilution associée du minerai soient économiquement acceptables. Contrairement aux méthodes du premier groupe, les « tranches montantes remblayées » s’appliquent dans les massifs peu résistants car le remblai assure la stabilité de la roche encaissante mais également des terrains de surface. En plus, la stabilité des chantiers doit être absolument garantie étant donné que des mineurs s’y trouvent en permanence, ce qui engendre des besoins spécifiques en termes desurveillance.

Les méthodes « par foudroyage » reposent sur l’effondrement complet du gisement et de son recouvrement jusqu’à la surface. Cette caractéristique particulière les place dans le troisième groupe de notre classification. La méthode des sous-niveaux abattus (sublevel caving) consiste à abattre progressivement le gisement par le dessous à partir de forages réalisés dans des galeries horizontales disposées à intervalles d’altitude réguliers (Fig I.1c). A chaque niveau, l’abattage est réalisé progressivement depuis le toit du gisement jusqu’au mur. A chaque étape d’abattage, le minerai est extrait de manière sélective des débris. Les déchets, du fait de leur foisonnement favorisé par les tirs successifs, servent de soutènement temporaire au recouvrement des zones qui ne sont pas encore abattues. L’exploitation se fait sur plusieurs étages simultanément bien que, chaque étage soit en avance d’une étape par rapport à l’étage immédiatement inférieur. Cette méthode est adaptée pour des gisements moyennement est fortement difficiles et raides, où la gravité facilite la récupération du minerai, mais suffisamment épais contrairement aux méthodes du premier groupe. En outre, elle nécessite que la roche foudroyée soit facilement mobilisable de sorte que le minerai soit aisément séparable des débris, ce qui nécessite une importante consommation d’explosifs. Le foudroyage de blocs (bloc caving) se distingue de toutes les autres méthodes par le fait qu’aucun explosif n’est utilisé pour fragmenter le minerai. Elle s’applique aux gisements très étendus latéralement, suffisamment épais (au moins 100 mètres) et à proximité de la surface. Les gisements sont divisés en panneaux de plusieurs milliers de mètres carrés exploités séparément. Ces derniers sont d’abord découpés à leur base, après quoi l’état de contrainte naturellement induit dans la roche doit provoquer la fracturation et l’effondrement (foudroyage) progressif du minerai. La roche fracturée doit être suffisamment mobilisable pour qu’elle s’écoule spontanément dans des cloches d’effondrement réalisées au préalable sous les panneaux. Ce type d’exploitation à grande échelle n’est possible que dans des conditions géomécaniques particulièrement favorables à la fracturation naturelle du minerai et présente l’inconvénient de ne pas être sélective. Enfin, de manière générale, les méthodes « par foudroyage » ne sont évidemment applicables que lorsqu’il n’y a pas d’enjeu ensurface.

Le quatrième et dernier groupe de la classification proposée est formé des méthodes d’exploitation adaptées aux gisements très étendus latéralement, plats ou peu inclinés, et d’épaisseur limitée. La méthode des longues tailles (longwall mining) (Fig. I.1d) est utile à l’exploitation de couches relativement uniformes et d’épaisseur constante. Elle consiste à abattre progressivement le front du gisement dont les débris sont récupérés puis acheminés dans des voies d’accès latérales. Le front exploité avance progressivement dans la direction du gisement à mesure qu’il est excavé. En arrière du front d’exploitation, le toit de la mine s’affaisse ou s’effondre jusqu’à rentrer en contact avec le mur du gisement, l’objectif étant de garantir des mouvements continus et progressifs de la roche encaissante à l’échelle de la mine et de son recouvrement. Il existe deux variantes à cette méthode suivant qu’elle est utilisée en roche « dure » ou en roche « tendre » comme le charbon, puisque la continuité des mouvements de grandes ampleurs du recouvrement est plus difficile à garantir dans les roches dures. Dans le cas du charbon, la zone mécanisée contre le front de taille est protégée de l’affaissement du toit par des supports hydrauliques mobiles qui une fois retirés permettent l’affaissement ou l’effondrement. L’arrière du front n’est généralement pas soutenu (contrairement au cas des « roches dures »). Le toit des galeries latérales dans lesquelles circulent les mineurs et convoyeurs est, quant à lui, supporté par des piliers naturels de roche ou parfois par des soutènements artificiels. Les galeries latérales peuvent également servir de séparation entre différentes zones de production (panneaux). Ce type d’exploitation permet un taux de récupération du minerai extrêmement important (la quasi-totalité du gisement peut être exploitée) mais peut engendrer des affaissements de la surface topographique en raison de la largeur de la zone exploitée. Il est donc plutôt utilisé lorsqu’il y a peu d’enjeu en surface (habitations, ouvrages etc.).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUES
Introduction
I.1 L’exploitation minière en souterrain
I.1.1 Les principales méthodes d’exploitation
I.1.2 Les spécificités de la méthode des chambres et piliers
I.1.3 L’utilisation historique et actuelle de la méthode des chambres et piliers
I.2 La phénoménologie des dommages associés à la méthode des chambres et piliers
I.2.1 Quelques généralités sur le comportement mécanique des chambres et piliers
I.2.1.1 Les dommages au fond
I.2.1.2 Les dommages en surface
Conclusion
CHAPITRE II. COMPORTEMENT MECANIQUE DES PILIERS
Introduction
II.1 L’état de contrainte des piliers dans le domaine élastique
II.1.1 L’élasticité
II.1.2 Les contraintes in situ
II.1.3 Les contraintes induites dans les piliers
II.1.3.1. Approche expérimentale
II.1.3.2 Passage de 2 à 3 dimensions
II.1.3.3 Approches analytiques
II.1.3.4 Approche numérique
II.1.4 L’estimation de la contrainte verticale moyenne des piliers
II.1.4.1 Notion de facteur de sécurité
II.1.4.2 Méthodes d’estimation la contrainte verticale moyenne des piliers
II.2 La résistance et la rupture des piliers
II.2.1 La phénoménologie du comportement mécanique des piliers
II.2.2 Pic de résistance et module post-pic
II.2.2.1 A l’échelle d’un échantillon de roche
II.2.2.2 A l’échelle d’un pilier
II.2.2.3 Approche numérique
Conclusion
CHAPITRE III. DESCRIPTION DU SITE D’ETUDE
Introduction
III.1 Historique de la mine de Châabet El-Hamra
III.2 Contexte géologique locale de Châabet El-Hamra
III.2.1 Situation géographique du gisement de Châabat El-Hamra
III.2.2 Stratigraphie des monts du Hodna
III.2.3 Stratigraphie du gisement
III.2.4 Structure du gisement
III.2.5 Tectonique
III.2.5.1 La géodynamique régionale
III.2.5.2 La géodynamique locale (du gisement)
III.2.6 Minéralisation
III.2.7 Aperçu hydrogéologique
III.2.8 Réserves du gisement
III.3 Mode d’ouverture et découpage du gisement
III.4 Méthodes d’exploitations proposées
III.4.1 Principe des deux méthodes
III.4.1.1 Méthode de traçage et dépilage
III.4.1.2 Méthode des sous-niveaux foudroyés
Conclusion
CHAPITRE IV. MODELISATION NUMERIQUE DE LA STABILITE DES PILIERS
Introduction
VI.1 Modèle mathématique d’évaluation de la stabilité et indicateur d’extraction
VI.1.1. Equation d’équilibre
IV.2. Facteur de sécurité pour l’évaluation de la stabilité
IV.2.1. Taux d’extraction
IV.3. Collecte de données de laboratoire
IV.4. Simulation de la méthode d’exploitation par chambres et piliers
IV.4.1. Phasage des travaux
IV.4.2. Données utilisées pour l’analyse de stabilité
IV.4.3. Modèles numériques
IV.4.4. Phases de calcul
IV.4.5. Résultats de simulation du modèle de contrainte de la masse rocheuse
IV.4.6. Déplacement maximal de la masse rocheuse entourant la chambre et le pilier
IV.5. Discussion des indicateurs de stabilité et du taux d’extraction
IV.6. Après mine
Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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