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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
Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions
• 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
Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions
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
Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions
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"
Comportement Mécanique de Stériles à Hautes Pressions
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
Secuencia 14Acumulado 1540 mton
Secuencia 15Acumulado 1794 mton
Secuencia 16Acumulado 2058 mton
Secuencia 17Acumulado 2809 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
Ensayos Triaxial σ3'= 2 kg/cm2
Ensayos Triaxial σ3'= 5 kg/cm2
Ensayos Triaxial σ3'= 10 kg/cm2
Ensayos Triaxial σ3'= 20 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 1 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 2 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 5 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 10 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 20 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 (%)
Ensayos Triaxial σ3'= 5 kg/cm2
Ensayos Triaxial σ3'= 10 kg/cm2
Ensayos Triaxial σ3'= 20 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 5 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 10 kg/cm2
Modelo hiperbólico σ3'= 20 kg/cm2
Modelo Hiperbólico:=> Kb=114, m= -0.02
Konder et al.