massif rocheux

IRIS KAPINGA KALALA

CARACTRISATIONS STRUCTURALE ET

MCANIQUE DU MASSIF ROCHEUX DE LA FOSSE

TIRIGANIAQ DU PROJET MELIADINE

DE LA MODLISATION SYNTHTIQUE DU

MASSIF ROCHEUX

Mmoire prsent

la Facult des tudes suprieures et postdoctorales

dans le cadre du programme de matrise en gnie des mines

.)

DPARTEMENT DE GNIE DES MINES, DE LA MTALLURGIE ET DES

MATRIAUX

FACULT DES SCIENCES ET DE GNIE

UNIVERSIT LAVAL

QUBEC

2013

Iris Kapinga Kalala, 2013

Ce m de la modlisation du massif rocheux synthtique

(SRM) la caractrisation du massif rocheux fractur de la fosse Tiriganiaq du projet

minier Meliadine. Les conditions structurales in-

modlisation des systmes de fractures (FSM). Les rsultats ont permis de dfinir un

volume lmentaire reprsentatif (REV) du massif rocheux gal 7,5 m x 15 m x 7,5 m.

galement permis

gomtriques du FSM sur le comportement mcanique du massif. Les analyses

paramtriques des proprits gomtriques du SRM font ressortir que le comportement du

(P32 De plus, la rsistance en

compression uniaxiale est fortement anisotrope.

Rsum .............................................................................................................................. i Table des matires ................................................................................................................. ii Liste des tableaux ................................................................................................................... v

Liste des figures ................................................................................................................... vii Liste des abrviations courantes ........................................................................................... ix Avant-Propos ....................................................................................................................... xii Chapitre 1: Introduction gnrale .......................................................................................... 1

1.1 Introduction .................................................................................................................. 1

1.2 Problmatique .............................................................................................................. 1 1.3 Objectifs ....................................................................................................................... 2

1.4 Plan du mmoire .......................................................................................................... 3

1.5 Conclusion ................................................................................................................... 3 Chapitre 2: Revue de littrature ............................................................................................. 4

2.1 Introduction .................................................................................................................. 4 2.2 Roc intact ..................................................................................................................... 4

2.2.1 Rsistance en compression .................................................................................... 4 2.2.2 Rsistance la traction .......................................................................................... 6

2.2.3 Critres de rupture ................................................................................................. 7 2.3 Discontinuits ............................................................................................................... 7

2.3.1 Proprits gomtriques des discontinuits ........................................................... 8

2.3.2 Rsistance au cisaillement ................................................................................... 11 2.3.3 Critres de rupture ............................................................................................... 12

2.4 Massif rocheux ........................................................................................................... 13 2.4.1 Systme de classification gomcanique ............................................................. 14

2.4.2 Critres de rupture ................................................................................................ 16 2.5 Modle de systme de fractures ................................................................................. 17

2.5.1 Gnralits ........................................................................................................... 17 2.5.2 Diffrents modles de systme de fractures ........................................................ 17 2.5.3 Code Fracture-SG ................................................................................................ 21

2.6 Massif rocheux synthtique ........................................................................................ 22 2.6.1 Gnralits ........................................................................................................... 22 2.6.2 Particle Flow Code (PFC) .................................................................................... 23

2.7 Conclusion ................................................................................................................. 25 ........................................................................................................ 26

3.1 Introduction ................................................................................................................ 26 3.2 Gologie du site ......................................................................................................... 27 3.3 Roc intact ................................................................................................................... 28 3.4 Structures gologiques ............................................................................................... 29 3.5 Discontinuits ............................................................................................................ 31

3.6 Massif rocheux ........................................................................................................... 32 3.7 Conclusion ................................................................................................................. 34

Chapitre 4: Modle de systme de fractures de la fosse Tiriganiaq .................................... 35 4.1 Introduction ................................................................................................................ 35 4.2 Paramtres gnraux .................................................................................................. 35 4.3 Orientation des discontinuits .................................................................................... 35

4.4 Longueur des traces des discontinuits ...................................................................... 37

4.5 Espacement des discontinuits ................................................................................... 41 4.6 Modle de systme de fractures ................................................................................. 45

4.7 Conclusion ................................................................................................................. 47 Chapitre 5: Modlisation synthtique du massif rocheux de la fosse Tiriganiaq ................ 48

5.1 Introduction ................................................................................................................ 48 5.2 Modle de systme de fractures ................................................................................. 48

5.2.1 chantillonnage du modle de systme de fractures ........................................... 49

5.2.2 Estimation des proprits structurales du massif rocheux ................................... 50 5.3 Gnration du massif rocheux synthtique ................................................................ 53

5.3.1 Simulation des proprits mcaniques du roc intact ............................................ 53 5.3.2 Simulation des proprits mcaniques des discontinuits ................................... 55

5.3.3 Gnration des chantillons du massif rocheux synthtique ............................... 58 5.4 Caractrisation mcanique du massif rocheux synthtique ....................................... 59 5.5 Estimation de la taille du volume lmentaire reprsentatif ...................................... 63

5.6 Conclusion ................................................................................................................. 65

Chapitre 6: Analyses paramtriques des proprits gomtriques du modle de systme de

fractures de la fosse Tiriganiaq ......................................................................... 67 6.1 Introduction ................................................................................................................ 67

6.2 Analyses paramtriques ralises .............................................................................. 68 ........................................ 71

Nord-Sud (axe Y) ....................................................................................................... 73 6.4.1 Orientation de la foliation .................................................................................... 73

6.4.2 Orientation de la famille J0 .................................................................................. 79

...................................................... 80 6.4.4 Intensit des familles de discontinuits ............................................................... 82 6.4.5 Aire des familles de discontinuits ...................................................................... 84

6.4.6 Facteur de coplanarit .......................................................................................... 88 ......................................... 89

6.5 Analyses paramtriques

Est-Ouest (axe X) ....................................................................................................... 89

......................................... 94 6.6 Analyses paramtriques

la profondeur (axe Z) .................................................................................................. 94 ......................................... 99

6.7 Discussion des rsultats de la modlisation SRM ................................................... 100 6.8 Anisotropie du massif rocheux synthtique de la fosse Tiriganiaq ......................... 106 6.9 Conclusion ............................................................................................................... 107

Chapitre 7: Conclusions ..................................................................................................... 109 7.1 Sommaire ................................................................................................................. 109 7.2 Limitations du mmoire ........................................................................................... 112 7.3 Travaux futurs .......................................................................................................... 112

la fosse Tiriganiaq (volume et de discontinuits) ........................................... 113 ...................................................... 115

Annexe C: Orientations des coupes utilises pour la calibration des longueurs des traces117

Annexe D: Rsultats des calculs de la longueur des traces des discontinuits donns par le

code Fracture-SG ............................................................................................ 118 Annexe E: Orientations des traverses ................................................................................ 119

Annexe F: Coordonnes des extrmits des traverses utilises pour la validation du modle

de systme de fractures gnr ....................................................................... 120 Annexe G: Frquence moyenne des familles de discontinuits ........................................ 122

.......................................................................... 123 -Sud (Axe Y)

......................................................................................................................... 126 -Ouest (axe X)

......................................................................................................................... 133 Annexe K: Rsultats des essais de compression uniaxiale suivant la profondeur (axe Z) 140

Annexe L: Analyses ........... 147 ..................................... 150

Rfrences ......................................................................................................................... 153

Tableau 2.1: Bieniawski (1989)

...................................................................................................................................... 14 Tableau 2.2:

.............................................................................................................. 15 Tableau 3.1: Proprits mcaniques des principaux types de roches (Golder, 2010) .......... 28 Tableau 3.2: Synthse des caractristiques structurales (Golder, 2010) ............................... 31 Tableau 3.3: Paramtres Jr, Ja et description de la forme et de la rugosit des discontinuits

(Golder, 2010) ................................................................................................. 31

Tableau 3.4: Coefficients de rugosit des discontinuits (JRC) (Golder, 2010) .................. 32 Tableau 3.5: Synthse de la rsistance de cisaillement des structures (Golder, 2010) ......... 32

Tableau 3.6: Classification du massif rocheux combinant les donnes des forages et des

relevs structuraux (Golder, 2010) .................................................................. 33 Tableau 4.1: Comparaison des donnes de terrain et des donnes simules ........................ 45 Tableau 5.1: Proprit structurale (P30) des modles de systme de fractures ..................... 50 Tableau 5.2: Proprit structurale (P32) des modles de systme de fractures ..................... 50

Tableau 5.3: Microproprits des modles des particules lies ............................................ 54 Tableau 5.4: Proprits mcaniques du grs et des modles des particules lies ................. 55

Tableau 5.5: Microproprits du modle des particules lies ............................................... 56 Tableau 5.6: Microproprits du modle des joints lisses .................................................... 57 Tableau 5.7: Synthse des proprits mcaniques des SRM du grs de la fosse Tiriganiaq

(UCS et E) ....................................................................................................... 60

Tableau 5.8: Synthse des proprits mcaniques des SRM du grs de la fosse Tiriganiaq

( ..................................................................................................................... 60 Tableau 5.9: Rsultats de T-test de P32

Tiriganiaq ........................................................................................................ 64 Tableau 5.10: Rsultats de F-test de P32

Tiriganiaq ........................................................................................................ 64 Tableau 6.1: initial ....................... 71 Tableau 6.2: Proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq (Essais UCS suivant

............................................................................................................ 75 Tableau 6.3: T-test et F-test des proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq

.......................................................................... 78

Tableau 6.4: Variation de P31 en fonction de P32-ratio ......................................................... 82

Tableau 6.5: Variation de P31 et P32 des FSM gnrs en fonction de Aire-ratio ................. 84

Tableau 6.6: Variation de P31 et P32 des FSM gnrs en fonction de P32-Aire-ratio ........... 85 Tableau 6.7: Proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq en fonction P32-Aire-

ratio .................................................................................................................. 86 Tableau 6.8: T-test et F-test des proprits mcaniques des SRM en fonction de P32-Aire-

.................................................................. 87

Tableau 6.9: Proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq (Essais UCS suivant

............................................................................................................ 90 Tableau 6.10: T-test et F-test des proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq

.......................................................................... 93

Tableau 6.11: Proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq (Essais UCS suivant

.......................................................................................................... 95 Tableau 6.12: T-test et F-test des proprits mcaniques des SRM de la fosse Tiriganiaq

........................................................................ 98 : Rsultats de T-test ; moiti

suprieure : ratio UCS/UCSrfrence) ............................................................. 103 : rsultats de T-test ; moiti

suprieure : ratio UCS/UCSrfrence) ............................................................. 104

: rsultats de T-test ; moiti

suprieure : ratio UCS/UCSrfrence) ............................................................. 105 Tableau 6.16: Pourcentage des rejets de T-test et F-test ..................................................... 106 Tableau 6.17 ................................... 107

Figure 2.1: compression uniaxiale .................................... 5 e (Paterson, 1978) .......... 6

Figure 2.3: Dispositif pour un essai brsilien (Brest et al., 2000) ......................................... 7

Figure 2.4: Caractristiques des discontinuits dans un massif rocheux; traduit de Wyllie et

Mah (2004) ........................................................................................................... 9

............................................................................................................................ 12 ........... 13

Figure 2.7: ................................... 23 Figure 2.8: Modle des joints lisses (Mas Ivars et al., 2008; 2011) ..................................... 24

Figure 3.1: Localisation du projet Meliadine ........................................................................ 26

Figure 3.2: Section de la gologie de Meli ......... 27 Figure 3.3: Stronet des familles de discontinuits (Source : Golder, 2010) ...................... 29 Figure 3.4: Vue des structures gologiques (Foliation et J0) (Source : Golder, 2010) ........ 30 Figure 3.5: Vue des structures gologiques (J1/J3) (Source : Golder, 2010) ....................... 30

Figure 4.1: Stronets des discontinuits simules et calibres ............................................ 36 Figure 4.2: Simulations des longueurs des traces des discontinuits calibres .................... 38

Figure 4.3: Coupes interceptant les discontinuits du modle calibr .................................. 39 Figure 4.4: Histogrammes de la longueur des traces des discontinuits simules et calibres

a) Foliation; b) J0; c) J1/J3; d) J2 ....................................................................... 40 Figure 4.5: Simulations des frquences des discontinuits calibres ................................... 42

Figure 4.6: Traverses interceptant les discontinuits calibres ............................................. 43 Figure 4.7: des discontinuits simules et calibres

a) Foliation; b) J0; c) J1/J3; d) J2 ....................................................................... 44

Figure 4.8: Modle de systme des fractures par famille de discontinuits calibre ............ 46 Figure 5.1: chantillons des modles des systmes de fractures tirs du modle initial ...... 49 Figure 5.2 ...................... 51

Figure 5.3 ...................... 52 Figure 5.4 ...................... 54 Figure 5.5 , 50 et 55 dans un BPM ........ 56

Figure 5.6: Contraintes normales vs contraintes de cisaillement (joints) ............................. 57 Figure 5.7: Contraintes normales vs contraintes de cisaillement (foliation) ........................ 58

Figure 5.8: Influence de la taille des chantillons sur la rsistance en compression uniaxiale

du massif rocheux .............................................................................................. 61 Figure 5.9: Influence de la taille des chantillons sur le module lastique du massif rocheux

............................................................................................................................ 62 Figure 6.1: Contour de la fosse Tiriganiaq, ............ 70

Figure 6.2: Section de la fosse Tiriganiaq, modifie de Golder (2010) ................................ 70 Figure 6.3: Cnes de variabilit de la foliation et de J0 68,26 % ...................................... 72 Figure 6.4:

..................................................... 76 Figure 6.5: UCS des SRM de la fosse Tiriganiaq en fonction des ratios (Essais UCS suivant

.............................................................................................................. 77

Figure 6.6: Projections strographiques de la foliation : a) Var-ratio = 0,50 ; b) Var-ratio =

0,75 ; c) Var-ratio = 1,25 ; d) Var-ratio = 1,50 .................................................. 81 Figure 6.7: Variation de P31 en fonction de P32-ratio ............................................................ 83

Figure 6.8: UCS des SRM de la

discontinuits ..................................................... 91 Figure 6.9: UCS des SRM de la fosse Tiriganiaq en fonction des ratios (Essais UCS suivant

.............................................................................................................. 92 Figure 6.10:

...................................................... 96 Figure 6.11: UCS des SRM de la fosse Tiriganiaq en fonction des ratios (Essais UCS

.................................................................................................. 97

BPM: Bonded Particle Model

FSM: Fracture System Model

GSI: Geological Strength Index

JCS: Joint Compressive Strength

JRC: Joint Roughness Coefficient

PFC: Particle Flow Code

REV: Representative Elementary Volume

RMR: Rock Mass Rating

RQD: Rock Quality Designation

SJM: Smooth Joints Model

SRM: Synthetic Rock Mass

UCS: Uniaxial Compressive Strength

mon poux Joseph et mes fils Joris et Johann Oneil Kabuya Mukendi

-

Je tiens tout d'abord remercier vivement mon directeur de recherche, Martin Grenon, pour

pour son attention et ses prcieux

conseils dans le cheminement de ce projet.

Je tiens tre trs reconnaissant Genevive Bruneau pour ses conseils et le

temps consacr mon projet.

Je me dois de remercier Dr. Kamran Esmaieli pour son aide et ses judicieux conseils.

Je voudrais galement remercier mon collgue Christian Ngoma Bolusala pour son amiti

et sa collaboration.

Je tiens remercier

donnes ainsi que Rio Tinto Alcan pour son soutien financier.

Mukendi et Johann Oneil Kabuya pour leurs comprhension et encouragements m

permis de mener terme ce projet.

1.1 Introduction

La conception des ouvrages en gnie civil et minier raliss dans le roc est dicte par le

comportement du massif rocheux qui dpend du comportement de ses constituants de base

(le roc intact et les discontinuits) et de leurs interactions. La prsence de discontinuits

cre au sein du massif rocheux des zones aux comportements anisotropiques

baisse de la rsistance et de la rigidit de ce mme massif rocheux. Pour des raisons

scuritaires et conomiques, il est important de caractriser le comportement du massif

rocheux avant de raliser des

La modlisation du massif rocheux synthtique est une nouvelle technique qui utilise le

couplage du modle des particules lies (BPM), qui reprsente le roc intact, et du modle

de systme des fractures (FSM), qui reprsente le rseau des discontinuits in situ. Elle

permet de dterminer les proprits pr-pic (module de Young, rsistance au pic, etc.) et les

proprits post-pic (fragilit, angle de dilatance, fragmentation, etc.) du massif rocheux

fractur. Un des intrts de cette approche, comparativement aux mthodes empiriques,

rside dans la possibilit d'obtenir des prdictions de effet

(rsultant des effets combins de la densit et de la persistance des discontinuits), de

, et de la

fragilit (Mas Ivars et al., 2011). fort utile, justifiant

ainsi son utilisation en ingnierie de manire qualitative et quantitative pour la

comprhension du comportement mcanique du massif rocheux fractur (Pierce et Fairhust,

2012). Le prsent projet de matrise porte sur les caractrisations structurale et mcanique

du massif rocheux de la fosse Tiriganiaq du projet Meliadine cette approche de

modlisation du massif rocheux synthtique.

1.2 Problmatique

ouvrages de gnie qui y sont raliss. Les proprits gomtriques du rseau de

discontinuits sont chantillonnes selon des relevs en une dimension (forage) ou encore

en deux dimensions (relevs structuraux) bien que les massifs rocheux soient

2

tridimensionnels. Les proprits mcaniques du roc intact et des discontinuits sont quant

elles values au laboratoire sur des chantillons de petites dimensions. Ces derniers bien

que prlevs dans un massif rocheux, ncessitent la prise en compte et

de anisotropie.

L massif rocheux synthtique permet de mieux rpondre aux besoins de

caractrisation travers son utilisation comme un laboratoire virtuel pour caractriser le

comportement mcanique (pr-pic et post-pic) du massif rocheux fractur. Cette nouvelle et

prometteuse technique va tre utilise dans le cadre de ce un cas

Pour les modles SRM actuels, la reprsentation gomtrique des

conditions structurales du massif rocheux est extrmement simplifie. Dans le cadre de ce

mmoire, nous utiliserons un outil de modlisation des systmes de fractures appel

Fracture-SG (Grenon et al. 2008) pour mieux dpeindre la gomtrie des structures

gologiques.

1.3 Objectifs

Le prsent projet de matrise a pour objectifs :

d tiliser la modlisation du massif rocheux synthtique pour caractriser le

massif rocheux de la fosse Tiriganiaq du projet Meliadine;

de quantifier de la variation des proprits gomtriques du modle de

systme de fractures sur le comportement mcanique du massif rocheux

synthtique de la fosse Tiriganiaq.

La mthodologie adopte dans le cadre de ce projet repose sur quatre tapes. La premire

des donnes gomcaniques

de faisabilit du projet Meliadine (Golder, 2010). La deuxime tape est la

gnration et la validation du modle de systme de fractures. La troisime tape est la

gnration et la validation du massif rocheux synthtique. La quatrime tape est la

quantification de de la variation des proprits gomtriques du modle de

systmes de fractures sur les proprits mcaniques du massif rocheux synthtique.

3

1.4 Plan du mmoire

Le prsent mmoire est divis en six chapitres. Le premier chapitre est une introduction

gnrale. Le deuxime chapitre est consacr la revue de littrature. Les mthodes

actuelles pour caractriser les massifs rocheux et ses diffrents constituants y sont

prsentes. Le troisime chapitre prsente la fosse Tiriganiaq du projet minier Meliadine

Ce chapitre regroupe la localisation et la gologie du site, les

rsultats de la caractrisation mcanique du roc intact et des discontinuits ainsi que la

classification du massif rocheux de la fosse Tiriganiaq. Le quatrime chapitre porte sur la

gnration et la validation du systme de fractures de la fosse Tiriganiaq. La calibration de

de la longueur des traces et de des discontinuits y est prsente.

Le cinquime chapitre porte sur le massif rocheux synthtique de la fosse Tiriganiaq. La

calibration des proprits mcaniques du roc intact et des discontinuits au moyen des

essais de compression uniaxiale et triaxiale raliss en se servant du massif rocheux

synthtique est effectue ainsi que la dtermination du volume lmentaire reprsentatif

(REV) du massif rocheux. Le sixime chapitre est consacr la quantification de

de la variation des proprits gomtriques du modle de systme de fractures sur le

comportement mcanique du massif rocheux synthtique.

1.5 Conclusion

Ce chapitre a permis de prsenter une introduction gnrale sur la pertinence de la

caractrisation structurale et mcanique son

comportement. En raison de la difficult inhrente tester un massif rocheux de grandeur

relle, une approche rcente a t mise sur pied : la modlisation du massif rocheux

synthtique. Cette nouvelle technique permet de mieux rpondre aux besoins de

caractrisation travers son utilisation comme un laboratoire virtuel pour caractriser le

comportement mcanique dun massif rocheux fractur

. Elle sera applique dans le cadre de ce projet, au massif rocheux de la fosse

Tiriganiaq du projet minier Meliadine.

2.1 Introduction

Ce chapitre est une synthse de la revue de littrature du sujet trait. Elle prsente les

notions relatives au roc intact, aux discontinuits, au massif rocheux, au modle de systme

de fractures et au massif rocheux synthtiq de ce chapitre est de passer en

revue les principes gnraux qui rgissent la caractrisation dun roc intact et des

discontinuits ainsi que la caractrisation structurale et mcanique dun massif rocheux.

2.2 Roc intact

Le comportement d'un massif rocheux est complexe, car il dpend des proprits

mcaniques du roc intact et des discontinuits ainsi que de leurs interactions. Le roc intact

est dfini

significative. En mcanique des roches, le comportement du roc intact est caractris par

les tests suivants :

Le test de la rsistance en compression uniaxiale;

Le test de la rsistance en compression triaxiale;

Le test de la rsistance en tension;

Le test du double poinonnement.

Nous passons en revue les trois premiers essais mentionns ci-haut.

2.2.1 Rsistance en compression

La rsistance en compression la rupture lors

est soumise une sollicitation de compression. Elle est dfinie par la rsistance en

compression qui correspond la contrainte normale maximale supporte par la roche, le

module de Young ou qui correspond la rigidit de la roche et le

coefficient de Poisson cit de la roche. Ces paramtres sont obtenus grce

l i de compression uniaxiale dcrit ci-dessous.

5

2.2.1.1 Essai de compression uniaxiale

Le principe du test consiste appliquer d'une manire croissante une force de compression

sur une carotte de roc intact selon son axe longitudinal (figure 2.1).

Figure 2.1: Schma de principe dun essai de compression uniaxiale

Les paramtres dterminer au cours de cet essai sont :

La rsistance en compression uniaxiale (UCS) de la roche qui correspond la

contrainte normale au moment de la rupture de la roche;

Le module de Young (E) qui correspond la pente de la zone lastique de la

courbe contrainte dformation axiale de ;

Le coefficient de Poisson qui correspond la pente de la courbe

dformation latrale - .

2.2.1.2 Essai de compression triaxiale

L'essai de compression triaxiale est destin mesurer la rsistance d'chantillons

cylindriques de roche soumis un tat de compression triaxiale (figure 2.2). Il permet

d'obtenir les valeurs ncessaires la dtermination de l'enveloppe de rupture ainsi que les

valeurs d'angle de frottement interne et de cohsion apparente.

6

Figure 2.2: Schma de principe dun essai de compression triaxiale (Paterson, 1978)

2.2.2 Rsistance la traction

La rsistance la traction

soumise une sollicitation de tension. L'essai brsilien permet de mesurer de faon

indirecte la rsistance la traction de la roche. Son principe est de mettre sous contrainte de

tension une carotte de roche par application d'une force de compression suivant son

diamtre. La figure 2.3 prsente un dispositif pour un essai brsilien.

La rsistance la traction de la roche teste se calcule comme suit (Brest et al., 2000):

t = (2P) / DL) (2.1)

t: rsistance la traction; P: charge la rupture; D: diamtre de l'prouvette; L: longueur

de l'prouvette.

7

Figure 2.3: Dispositif pour un essai brsilien (Brest et al., 2000)

2.2.3 Critres de rupture

Un critre de rupture est une relation thorique ou empirique qui caractrise la rupture

. Il permet de dfinir par une courbe,

roche soumise des sollicitations (compression avec ou sans confinement, traction). Les

principaux critres de rupture du roc intact sont le critre de Mohr-Coulomb et le critre de

Hoek-Brown. Ce dernier sera dvelopp la section 2.4. Le critre de Mohr-Coulomb

sous la forme :

(2.2)

: contrainte de cisaillement

c: cohsion

: contrainte normale

: angle de frottement interne

2.3 Discontinuits

Une discontinuit est dfinie comme tant toute cassure mcanique ou fracture ayant une

rsistance en tension ngligeable dans une roche (Priest, 1993). Il est important de

distinguer entre les discontinuits naturelles, qui ont une origine gologique et les

8

discontinuits artificielles qui sont cres par des activits humaines comme lvation

massif rocheux. Bien que les discontinuits aient souvent une gomtrie irrgulire ou

ondule, il y a gnralement une chelle laquelle la surface totale ou une partie de cette

2.3.1 Proprits gomtriques des discontinuits

Dans cette section nous passons en revue les principales caractristiques des discontinuits

dans un massif rocheux figure 2.4) et dcrit par Wyllie et Mah (2004) :

Type de roche : Le type de roche est dfini par son origine qui peut tre sdimentaire, igne

ou mtamorphique.

Type de discontinuit

longueur limite des failles pouvant atteindre plusieurs kilomtres.

Orientation :

le plan

horizontal.

Espacement :

La frquence est quant elle dfinie comme tant le

chantillonnage (traverse) de

chantillonnage (Priest, 1993).

9

Figure 2.4: Caractristiques des discontinuits dans un massif rocheux; traduit de

Wyllie et Mah (2004)

Persistance

La longueur des traces des discontinuits est la seule quantification possible de la

dimension des discontinuits sur le terrain.

Rugosit : La rugosit d'une surface de discontinuit est souvent un lment important en

matire de rsistance au cisaillement, en particulier l o la discontinuit est sans

dplacement et imbrique. La rugosit devient moins importante lorsque la discontinuit est

remplie.

Rsistance des pontes : La rsistance de la roche formant les parois des discontinuits

influence la rsistance au cisaillement des surfaces rugueuses. Lorsque des contraintes

10

leves, par rapport la rsistance des pontes, sont gnres des points de contact locaux

durant le cisaillement, les asprits seront broyes ou cisailles et conduiront une

rduction de la composante relative la rugosit de l'angle de frottement.

Dsagrgation : La dsagrgation contribue la rduction de la rsistance de cisaillement

des discontinuits et du massif rocheux.

Ouverture

discontinuit ouverte.

Type de remplissage

coulement : L'emplacement de l'infiltration de discontinuits fournit des informations sur

l'ouverture parce que le dbit des eaux souterraines se concentr

les discontinuits (permabilit secondaire).

Nombre de familles de discontinuits : Une famille de discontinuits consiste en un

ensemble de discontinuits parallles ou subparallles.

une

Hudson et Harrison (1997) discutent de la mthodologie d'analyse strographique

Elle

Une fois que les fractures sont regroupes en familles, les valeurs moyennes de pendage et

de direction de pendage et leurs fonctions de densit probabiliste peuvent tre dtermines.

La distribution de Fisher univarie est couramment utilise pour la modlisation de la

distribution en trois dimensions de l'orientation de vecteurs, tels que la distribution de

(Mardia, 1972). La constante de Fisher (K) est une

mesure du degr de dispersion des discontinuits d'une famille de fractures autour du ple

moyen.

11

Kcos

K -K

K sinf(

e - e (2.3)

: la dviation angulaire du ple moyen

K : la constance de Fisher

Une grande valeur de K indique une famille de fracture est plus regroupe (Priest,

N - 1K =

N - R (2.4)

N : nombre de ple

R : longueur du vecteur rsultant

Forme et taille des blocs :

des discontinuits, la persistance et le nombre des familles de discontinuits.

2.3.2 Rsistance au cisaillement

La rsistance au cisaillement est la contrainte tangentielle maximale

La

rsistance au pic et la rsistance rsiduelle sont dtermines au m

cisaillement tel que dcrit ci-dessous.

discontinuit en maintenant la vitesse constante (figure 2.5).

applique et m

contrainte tangentielle sur le joint augmente progressivement avec le dplacement

discontinuit. Au-del de cette rsistance, la contrainte tangentielle dcroit plus ou moins

fortement pour atteindre un palier caractrisant la rsistance rsiduelle.

12

Figure 2.5: Schma de principe dun essai de cisaillement; traduit de Wyllie et Mah

(2004)

Un aspect important du comportement mcanique des discontinuits est leur dformabilit.

Cette dernire peut tre mieux explique par les courbes contrainte-dplacement. Sur ces

courbes, la raideur normale de discontinuit est dcrite comme le taux de variation de la

contrainte normale par rapport aux dplacements normaux. La raideur tangentielle est

dfinie par le taux de variation de la contrainte tangentielle par rapport aux dplacements

tangentiels (Brest et al., 2000).


Un critre de rupture d est une relation thorique ou empirique qui

soumise une sollicitation de cisaillement. Il

permet de dfinir par une courbe, les zones de stabilit et

soumise des sollicitations de cisaillement.

discontinuit est gnralement dcrite par le critre de rupture de Mohr-Coulomb dfini par

une cohsion et un angle de frottement. La figure 2.6 illustre la dfinition de la rsistance

rsiduelle et au

des rsultats

rocheux. En effet, au fur et mesure que le volume du massif rocheux pris en compte

augmente, le nombre de fractures devient important et l et du

massif rocheux doivent tre considrs.

13

Figure 2.6: Rsistance de cisaillement traduit de Wyllie et Mah, (2004)

La rsist :

p = c + n tan p (2.5)

p : la rsistance au pic; c : la cohsion sur la discontinuit; n : la contrainte normale; p :

ngle de friction de la discontinuit.

:

r r (2.6)

r: la rsistance rsiduelle; : la contrainte normale; r : rsiduel

Barton a propos un critre de rupture de nature semi-empirique dans lequel la rsistance au

cisaillement dpend de la rugosit des pontes. C

(Barton ,1973):

'

r 10 '

JCS (2.7)

O apparat : la rsistance au : la contrainte normale; r : l

friction rsiduel de la discontinuit; JRC (Joint Roughness Coefficient) : le coefficient de

rugosit, qui peut tre estim partir des profils de joints; JCS (Joint Compressive

Strength) : le coefficient qui reprsente la rsistance la compression du joint.

2.4 Massif rocheux

ingnierie requirent la dtermination de la rsistance du massif rocheux non seulement

14

pour des raisons scuritaires mais aussi pour des raisons conomiques. Les mthodes

traditionnelles de dtermination de la rsistance du massif rocheux sont la rtro-analyse des

ruptures du massif rocheux ainsi que la mthode empirique dveloppe par Hoek et Brown

dans laquelle la rsistance est reprsente par une courbe enveloppe de Mohr (Wyllie et

Mah, 2004).

qualit au massif rocheux. Plus rcemment, a modlisation du

massif rocheux synthtique a permis la simulation numrique du comportement mcanique

de la masse rocheuse fracture.

2.4.1 Systme de classification gomcanique

La caractrisation du massif rocheux s'effectue habituellement l'aide de systmes de

classification gomcanique. Ces derniers sont des mthodes empiriques qui utilisent

diffrentes proprits afin dattribuer au massif rocheux une valeur de qualit.

RMR (Rock Mass Rating) 1989), GSI (Geological Strength

Index) 2002),

et Laubscher et Jakubec (2001).

Nous dcrivons ci-dessous les trois premires classifications qui sont les plus usuelles.

RMR (Rock Mass Rating) tient compte du RQD (Rock Quality Designation),

des joints, des conditions hydrogologiques et de .

Tableau 2.1: Bieniawski

(1989)

Classe du massif RMR Qualification

I 81-100 Excellente

II 61-80 Bonne

III 41-60 Moyenne

IV 21- 40 Faible

V < 20 Trs faible

15

Le RQD est une mesure du degr de fracturation du massif. Les valeurs de RQD allant de 0

100 % sont calcules partir de carottes de forages. Il s'agit du rapport entre la

sommation des longueurs de segments de carottes suprieures 10 cm et la longueur totale

de la carotte.

(RQD : Rock Quality Designation, Jn :

nombre de famille de discontinuits);

de la rsistance au cisaillement des discontinuits Jr/Ja

(Jr : paramtre de rugosit des joints, Ja ;

du facteur relatif des contraintes actives Jw/SRF (Jw :

paramtre hydraulique, SRF : paramtre de rduction relatif aux contraintes).

.

Tableau 2.2:

-

-

-

-

-

-

-

GSI (Geological Strength Index) tient compte quant elle des conditions

de structures du massif rocheux. Ces

16

systmes de classification du massif rocheux ont t dvelopps pour leur utilisation en

gnie civil et minier en rponse la ncessit de classer un massif rocheux spcifique, et ce,

en se basant en grande partie sur les fractures et le comportement mcanique du roc. Malgr

que ces systmes soient largement utiliss en ingnierie, leur habilit considrer la

rsistance anisotropique et demeure limite (Mas Ivars et al., 2011).


Un critre de rupture du massif rocheux est une relation thorique ou empirique qui

. Il permet de dfinir par une

courbe, du massif rocheux soumis diverses

sollicitations. Le critre de rupture du massif rocheux le plus utilis en mcanique des

roches est le critre de Hoek-Brown. Ce dernier est dfinit par l

(Hoek et Brown, 1980) :

2

1 3 c 3 c (2.8)

1: Contrainte effective principale majeure la rupture

3: Contrainte effective principale mineure la rupture

c: la rsistance la compression uniaxiale de la roche intacte

m, s sont des constantes du matriau

plusieurs versions du critre de Hoek-Brown: la version de 1980 (Hoek

et Brown, 1980), la version de 1988 (Hoek-Brown, 1988), la version de 1992 (Hoek et al.,

1992), la version de 1995 (Hoek et al., 1995) et la version de 2002 (Hoek et al. 2002).

Comme mentionn plus haut, malgr que ces critres soient largement utiliss en

ingnierie, leur habilit considrer la rsistance a demeure

limit (Mas Ivars et al., 2011).

17

2.5 Modle de systme de fractures

2.5.1 Gnralits

La modlisation des structures gologiques peut tre ralise au moyen de

systme de fractures (FSM). Ce dernier

de de la longueur des traces des discontinuits prlevs sur terrain par

diffrentes techniques : forages orients, relevs structuraux, relevs photogrammtriques.

En tenant compte de la persistance des discontinuits au sein de la masse rocheuse, il

permet de surmonter une limite des approches traditionnelles qui considre les

discontinuits comme ayant des longueurs infinies.

utilise mais elle permet de mieux reprsenter la nature tridimensionnelle de la fracturation

in situ. En outre :

Elle fournit un modle tridimensionnel plus raliste de la rpartition des

fractures dans un massif rocheux;

Elle ti

persistance des familles de fractures au sein de la masse rocheuse; maximisant

ainsi disponible.

Cette approche permet notamment une quantification des proprits structurales du massif

rocheux, la dtermination du volume lmentaire reprsentatif (REV) du massif rocheux,

des pentes (Mathis 2007; Grenon et Hadjigeorgiou, 2008b, 2012),

stabilit des ouvrages souterrains (Esmaieli, 2010a).

2.5.2 Diffrents modles de systme de fractures

Il existe diffrents modles de systme de fractures, notamment le modle orthogonal, le

modle Baecher, le modle Veneziano, le modle Dershowitz, le modle de tessellation

mosaque (Staub et al., 2002) et le modle Veneziano modifi (Meyer, 1999) qui seront

dcrits brivement dans cette section.

Les premiers modles de

selon laquelle toutes les fractures peuvent tre dfinies par trois familles de fractures

18

orthogonales et qui ont des longueurs illimites. Le modle orthogonal dfini par Snow

(Snow, 1965) consiste en des familles orthogonales; des fractures qui sont parallles et qui

ont des longueurs illimites;

famille.

Mller (1963) avait dfini un modle orthogonal modifi dans lequel les fractures sont

coplanaires et ont des longueurs limites. La terminaison des fractures peut tre assume

fractures est rectangulaire et la taille des fractures est dfinie par la distribution de

une forme quelconque. Dans

le modle ort

Ce modle convient lorsque le processus de formation des fractures est suffisamment

rgulier pour produire des fractures subparallles. Des mcanismes complexes tels que des

failles, des zones de cisaillement introduisent une dispersion qui rend ainsi inappropri

De mme des fractures planaires, alors que

plusieurs mcanismes peuvent produire des fractures non planaires, constitue une autre

limite du modle orthogonal. pourrait tre considr

comme une variable alatoire suivant une distribution exponentielle en vue de la

localisation des fractures (Dershowitz et Einstein, 1988). Donc le modle ort

habituellement pas adquat.

Le modle Baecher assume les hypothses suivantes (Meyer, 1999) : les fractures sont des

disques en deux dimensions; les centres des fractures sont alatoires et indpendamment

les rayons des fractures sont distribus suivant la loi lognormale;

les rayons des fractures et la direction sont statistiquement indpendants; le rayon des

fractures et la localisation spatiale sont statistiquement indpendants; les fractures se

terminent dans le roc intact ou des fractures et sont reprsentes par des

portions de plans. Une restriction de ce modle, est le fait que les fractures sont considres

planes, ce qui limine les mcanismes de formation des fractures pouvant produire des

fractures non planaires (Dershowitz et Einstein, 1988).

19

Le modle Veneziano est bas sur les procds stochastiques suivants (Dershowitz et

Einstein, 1988) :

Le premier procd stochastique gnre un rseau de plans dans l

(Poisson Plane Process).

Les plans sont ensuite subdiviss en des polygones par un rseau de lignes

gnres alatoirement (Poisson Lines Process).

Les polygones sont enfin alatoirement slectionns soit comme une fracture ou

soit comme un roc intact (Marking Process). La dfinition des fractures dans

chaque plan est par consquent indpendante des intersections des diffrents

plans. Ceci fait que le bord du joint peut ou ne pas concider avec les

intersections des fractures.

Ainsi dans le modle Veneziano, la forme des fractures gnres est polygonale et les

fractures gnres sur un mme plan lors du premier processus demeurent coplanaires aprs

le second processus. Cet aspect est vu comme une limitation du modle Veneziano.

Cependant le modle

facilement tre dduites des donnes prleves sur terrain (Meyer, 1999). En plus,

Veneziano a dmontr que la longueur des traces des fractures suit une distribution

exponentielle contrairement au modle de Baecher dont la distribution est lognormale

(Dershowitz et Einstein, 1988).

Le modle Veneziano modifi repose sur un processus de modlisation ncessitant quatre

tapes (Meyer, 1999):

La premire tape consiste en

fractures potentielle

La deuxime tape consiste en la modlisation

lignes gnres subdivisent les plans des fractures en polygones qui sont

retenus ou rejets suivant leur taille et leur forme. Est retenue, une fracture

ayant les caractristiques suivantes :

Le polygone a au moins 4 sommets.

20

.

du polygone est dfinie comme tant le rapport de la plus grande

distance de chaque sommet au centre du polygone sur son rayon

quivalent.

La troisime tape consiste dfinir des zones dans le modle et ensuite de

retenir ou rejeter des polygones restant localiss dans ces zones avec une

. Le modle initial de

Veneziano

comme tant constant au sein du modle. Cependant, les massifs rocheux

larges tendues.

La quatrime tape consiste dplacer les polygones de leurs localisations et

orientations initiales dans le but de mieux les ajuster aux pourtours des

structures gologiques majeures. En effet, dans le modle initial de Veneziano,

toutes les fractures gnres dans un plan la deuxime tape demeurent

coplanaires. En raison des modifications locales des champs de contraintes et de

la nature alatoire suppose de la localisation des fractures, ces conditions sont

irralistes.

Le modle Dershowitz modle Veneziano. Le premier processus stochastique

qui slectionne sur les plans les rgions fractures et intactes est dfini diffremment. Au

es lignes alatoires, les polygones sur les plans sont forms par les

polydres en trois dimensions, dont les faces constituent des fractures potentielles qui sont

slectionnes alatoirement durant le deuxime procd stochastique (Meyer, 1999). Ceci

permet de corriger le dsavantage du modle Veneziano en faisant concider les

intersections des fractures et les bords des fractures. Des blocs rocheux distincts peuvent

ainsi tre dfinis. Cependant, comme le modle Veneziano, les fractures sont coplanaires

(Dershowitz et Einstein, 1988).

21

2.5.3 Code Fracture-SG

Le code Fracture-SG (Grenon et al., 2008a)

le cadre de cette recherche. Il modle de Veneziano modifi. Les premire et

deuxime tapes sont identiques. La troisime tape permet de dfinir la coplanarit des

familles de joints. Finalement, diffrentes rgions peuvent tre dfinies au sein du volume

de modlisation comme mentionn la troisime iano

modifi. Il ne modifie pas la quatrime tape de

.

La mthodologie du code Fracture-SG qui sera utilise dans le cadre de ce projet, comporte

les tapes suivantes:

Collecte des donnes par

s traces des discontinuits.

Analyse statistique des donnes prleves : moyenne, distribution statistique

des diffrents paramtres.

discontinuits et la dtermination de la constante de Fisher. Quant

espacement et la longueur des traces; leurs distributions statistiques sont

dtermines et ensuite utilises lors de la calibration du modle de systme de

fractures.

Gnration du modle de systme de fractures : le code Fracture-SG utilise

: les dimensions du volume du modle, la dfinition

fractures discrtes et des familles de fractures, la

coplanarit des familles de fractures, des fractures. Toutes

les fractures gnres sur un plan donn lors de la deuxime tape du processus

st pas toujours valable

) prsente la translation des fractures que pourraient subir les

fractures gnres sur un plan donn en fonction du facteur de coplanarit, de la

moyenne du rayon quivalent de tous les polygones et du rayon quivalent de la

22

fracture qui va subir la translation (Meyer, 1999 ; Grenon et Hadjigeorgiou,

2012).

'

e '

max '

e

E Rdz' = C E R

Re

(2.9)

Avec maxdz' : Translation (m)

C : Facteur de coplanarit (varie de 0 1)

C = 0 : les fractures gnres sur un plan donn sont coplanaires

C = 1 : fractures gnres sur un plan donn sont fortement non coplanaires

'E Re : Moyenne du rayon quivalent de tous les polygones (m)

'

eR : Rayon quivalent de la fracture qui subit la translation (m)

Calibration du modle de systme de fractures : c est un processus itratif qui

pend

structurales prleves sur terrain et celles simules.

2.6 Massif rocheux synthtique

2.6.1 Gnralits

La modlisation du massif rocheux synthtique (SRM) est une approche permettant la

simulation du comportement mcanique de la masse rocheuse fracture. Elle a t

premirement introduite par Pierce et al. (2007). Cette technique comporte les tapes

suivantes :

un assemblage des particules lies sphriques (3D) ou circulaires

(2D) (Bonded Particle Model : BPM) reprsentant le roc intact ;

systme de fractures tel que dcrit la section 2.5;

Fusion du modle des particules lies et du modle de systme de fractures pour

gnrer un modle du massif rocheux synthtique .

23

Figure 2.7: synthtique

proprits pr- de la rupture, coefficient de Poisson,

rsistance au pic) et post-pic (fragilit, angle de dilatance, rsistance rsiduelle,

fragmentation) du massif rocheux diffrentes chelles (Cundall, 2007).

massif rocheux synthtique permet de surmonter les approches traditionnelles en

reprsentant la dformation et/ou les dplacements au sein du massif rocheux la suite des

ruptures. Cependant, le modle de systme de fractures actuellement utilis est plutt

simple. Certaines applications du massif rocheux synthtique ont t trouves dans la

littrature : Esmaieli, 2010a, Mas Ivars et al., 2011; Pierce et Fairhust, 2012. Diffrentes

applications de la modlisation des particules lies (BPM) sont galement trouves dans la

(Wang et al.,

2002) et la simulation numrique des essais de cisaillement (Park et Song, 2009).

2.6.2 Particle Flow Code (PFC)

Les logiciels PFC2D et PFC 3D (Itasca, 2008) permettent la gnration du massif rocheux

le flux des matriaux.

2.6.2.1 Simulation des proprits mcaniques des rocs intacts

Le roc intact est simul par un modle des particules lies (BPM). Il consiste en un

assemblage des particules sphriques (3D) ou circulaires (2D) .

24

t les

microproprits des particules et des liaisons (Esmaieli, 2010a). Les proprits

microscopiques des rocs intacts dans le massif rocheux synthtique sont choisies par un

processus de calibration bas sur les rsultats des tests de laboratoire (rsistance en

compression uniaxiale, module de Young, coefficient de Poisson) (Mas Ivars et al., 2011).

Concernant les proprits macroscopiques (Esmaieli, 2010a): le module lastique est

contrl par le module de contact des particules, les raideurs normale et tangentielle des

particules, le module de contact des liaisons, les raideurs normale et tangentielle des

liaisons. Le coefficient de Poisson est contrl par les raideurs normale et tangentielle des

particules et des liaisons. La rsistance en compression uniaxiale du roc intact est contrle

par la moyenne des rsistances normales et tangentielles des particules.

2.6.2.2 Simulation des proprits mcaniques des discontinuits

Lors de la fusion du modle des particules lies (BPM) et du modle de systme de

fractures (FSM), les particules superposes aux discontinuits sont quant elles

reprsentes par le modle des joints lisses (Smooth Joints Model : SJM)

figure 2.8. act de deux particules (ball1 et ball2). Il

permet ainsi le glissement de deux particules au niveau de leur contact, paralllement la

discontinuit.

Figure 2.8: Modle des joints lisses (Mas Ivars et al., 2008; 2011)

25

Des essais triaxiaux sur le

proprits des discontinuits: la cohsion ou la rsistance est attribue aux liaisons le long

inuit. Le modle

des joints lisses (SJM) peut tre utilis non seulement pour reprsenter les discontinuits

prexistantes, mais galement les nouvelles fractures rsultant des dformations (Mas Ivars

et al., 2011).

2.7 Conclusion

ord prsent les approches usuelles de caractrisation du roc intact,

des discontinuits et des massifs rocheux. Il a fait ressortir les limites de ces approches lors

de la dfinition d

Ensuite, il a prsent la modlisation des fractures gologiques qui peut tre ralise au

moyen de plusieurs modles de systme de fractures. Ce dernier

prleves sur terrain. Il a galement permis de dcrire sommairement les diffrents modles

de systme de fractures, notamment le modle orthogonal, le modle Baecher, le modle

Dershowitz, le modle Veneziano et le modle Veneziano modifi. Le code de gnration

systme de fractures qui sera utilis dans le cadre de ce projet, le code

Fracture-SG, a t galement dcrit. Enfin, il a prsent la modlisation du massif rocheux

synthtique (SRM) qui est une approche permettant la simulation du comportement

mcanique de la masse rocheuse fracture. Cette technique utilise un assemblage de

particules lies sphriques ou circulaires (BPM) pour reprsenter le roc intact et un modle

des joints lisses (SJM) pour reprsenter les discontinuits. L'intrt particulier de cette

approche comparativement aux mthodes empiriques, est la possibilit d'obtenir des

du massif rocheux (Mas Ivars et al.,

2011) et surtout de caractriser les proprits de celui- .

3.1 Introduction

faisabilit du projet Meliadine ralise en 2010 (Golder, 2010). Le projet minier Meliadine

le district de Meliadine au Nunavut. Il se trouve en

rgion arctique, dans une zone continue de perglisol dont la profondeur varie de 430 470

-50C alors que les tempratures

estivales peuvent atte du site est

-10C. : F-Zone, Discovery et Tiriganiaq. Ce

dernier qui constitue le principal gisement du projet Meliadine qui est

situ approximativement 25 km au Nord-Nord-Ouest de Rankin Inlet (Golder, 2010). La

figure 3.1 illustre la localisation du projet Meliadine.

Figure 3.1: Localisation du projet Meliadine

27

3.2 Gologie du site

Dans cette section nous prsentons la gologie de Meliadine. Des roches sdimentaires et

. Les couches de roches

ont t plisses, cisailles et mtamorphoses. Elles ont une orientation Ouest-Nord-Ouest

et sont inclines au Nord. Les units lithologiques sont tronques par la faille Pyke,

structure rgionale qui long du site. Cette dernire semble

contrler la minralisation aurifre. La formation suprieure de fer facis oxyd et la

formation Tiriganiaq renferment les zones Tiriganiaq et Wolf Nord. Au sein de la formation

Wesmeg (roches volcaniques) se trouve la formation de fer riche en chert qui contient les

gisements de la zone Pump, Wolf et Wesmeg. Ces derniers se trouvent tous environ 5

kilomtres du gisement Tiriganiaq. La gologie du site minier Meliadine est reprsente

la figure 3.2. Cette dernire prsente une section de la gologie du site

lgende, il y a lieu de visualiser la squence stratigraphique du site.

Figure 3.2: Section de la gologie de Meliadine;

28

La squence stratigraphique consiste en diffrents domaines (Golder, 2010) :

Wesmeg Formation: se compose de basaltes riches en chlorite, de gabbro et

intercalations de sdiments. Ces roches sont des schistes et des carbonates

altrs dans les surfaces minralises de Lower fault. Elles forment la partie

infrieure de presque toute la minralisation.

Lower Fault: forme le contact entre Wesmeg Formation et Tiriganiaq

Formation.

Tiriganiaq Formation: consiste en une squence de lits minces de siltstone

lamins.

Upper Oxide Formation: consiste en une squence mixte de minces lits de

grs, de formation de fer chloritique, de mudstone chloritique et de chert.

Sam Formation: est une squence classique de sdiments de turbidite

dcimtrique et dont la prsence sur le site est postrieure la dformation des

dykes.

3.3 Roc intact

Des essais de compression uniaxiale ont t entrepris sur un total de treize chantillons de

roc intact. Le tableau 3.1 rsume les rsistances en compression uniaxiale et les modules de

Young obtenus pour les principaux types de roches de Meliadine. Les essais ont t raliss

Par ordre dcroissant de rsistance en

compression, nous avons la formation de fer, le grs, la formation de basalte et le siltstone.

Tableau 3.1: Proprits mcaniques des principaux types de roches (Golder, 2010)

Type de roche et formation UCS

(MPa)

E

(GPa)

Grs - Formation Sam 115,2 55

Siltstone - Formation Tiriganiaq 87,6 58

Formation de fer - Oxyde suprieur 133,9 56

Basalte 92,8 51

29

3.4 Structures gologiques

Les structures gologiques de Meliadine ont t dtermines lors des diffrentes campagnes

de forages orients raliss sur le site. Un seul domaine structural comportant quatre

familles de discontinuit a t retenu : la foliation qui pend vers le Nord, la famille J0 vers

le Sud, la famille J1 , (Golder, 2010). La projection

strographique du modle structural de la fosse Tiriganiaq est reprsente la figure 3.3.

Des investigations gotechniques ont t galement ralises au moyen de relevs

structuraux sur les murs de la rampe et des galeries souterraines pour la dtermination de la

La figure 3.4 illustre la foliation

ainsi que les discontinuits de la famille J0 sur une paroi de la galerie alors que la figure 3.5

illustre les discontinuits J1 et J3 au niveau de la rampe. Le tableau 3.2 prsente la synthse

des caractristiques structurales du massif rocheux de la fosse Tiriganiaq

(pendage et direction de penda

traces associs chaque famille de discontinuits.

Figure 3.3: Stronet des familles de discontinuits (Source : Golder, 2010)

30

Figure 3.4: Vue des structures gologiques (Foliation et J0) (Source : Golder, 2010)

Figure 3.5: Vue des structures gologiques (J1/J3) (Source : Golder, 2010)

31

Tableau 3.2: Synthse des caractristiques structurales (Golder, 2010)

Familles de

discontinuits

Pendage

()

Direction

de pendage ()

Coefficient

de Fisher

Frquence

(m-1

)

Longueur des

traces (m)

Foliation 67 003 172 8,0 3,5

J0 24 184 64 2,9 6,5

J1/J3 75 100 36 3,3 3,0

J2 36 271 17 0,9 3,5

3.5 Discontinuits

Les investigations gotechniques du site ont permis la dtermination des paramtres de

rugosit (Jr), des paramtres (Ja) du systme NGI, la description de la forme et

de la rugosit des surfaces des familles de discontinuits ainsi que la dtermination des

coefficients de rugosit des discontinuits (JRC) tels que prsents aux tableaux 3.3 et 3.4

ci-dessous.

Tableau 3.3: Paramtres Jr, Ja et description de la forme et de la rugosit des

discontinuits (Golder, 2010)

Familles des

discontinuits

Paramtres

Jr

Ja

Forme

Rugosit

Foliation

Moyenne 1,3 1,2 Planaire Lisse

Minimum 1 0,8 Planaire Lisse

Maximum 3 4 Irrgulire Trs rugueux

J0

Moyenne 1,9 1,3 Planaire Rugueux

Minimum 1,5 1 Planaire Rugueux

Maximum 3 3 Ondule Trs rugueux

J1

Moyenne 1,9 1,4 Planaire Rugueux

Minimum 1,5 1 Planaire Lisse

Maximum 3 3 Ondule Rugueux

J2

Moyenne 2 1,4 Planaire Rugueux

Minimum 1 1 Planaire Lisse

Maximum 3 3 Irrgulire Trs rugueux

J3

Moyenne 2,5 1,7 Courbe Rugueux

Minimum 1,5 1 Planaire Rugueux

Maximum 3 3 Courbe Trs rugueux

32

Tableau 3.4: Coefficients de rugosit des discontinuits (JRC) (Golder, 2010)

Structure Nombre Min Max Moyenne cart type

Foliation 95 0-2 10-12 6 2

J0 256 2-4 16-20 7 2

Les essais de cisaillement direct ont t effectus sur 15 chantillons des discontinuits. Sur

ces derniers, 3 tests ont t effectus le long des joints naturels, 12 le long de la foliation.

Chaque srie d'essais consistait en un essai de cisaillement au pic, suivie de quatre essais de

rsistance rsiduelle diffrentes charges normales. Le tableau 3.5 rsume les rsultats des

essais de cisaillement raliss sur les structures gologiques de Tiriganiaq. En accord avec

les propositions de Golder (2010), les proprits rsiduelles pour la foliation et au pic pour

les joints ont t choisies pour les analyses subsquentes.

Tableau 3.5: Synthse de la rsistance de cisaillement des structures (Golder, 2010)

Cohsion

(kPa)

Angle de friction

()

Joint

Pic 80 42

Rsiduel 17 39

Foliation

Pic 45 40

Rsiduel 0 35

3.6 Massif rocheux

Des campagnes de classification gomcanique du massif rocheux de la fosse Tiriganiaq

ont t ralises en 2000 et 2008. Ces classifications ont t faite sur base du systme de

classification Q et ont t compares celle base sur le systme de classification RMR

obtenue souterrains. Le tableau 3.6 prsente la synthse de

la comparaison des classifications du massif rocheux de la fosse Tiriganiaq des campagnes

de forages de 2000 et 2008 et des relevs structuraux de 2008. Il ressort que le massif

rocheux de la fosse Tiriganiaq est de bonne qualit.

33

Tableau 3.6: Classification du massif rocheux combinant les donnes des forages et des relevs structuraux (Golder, 2010)

Types de roches

RQD Moyen

(1)

Jn moyen

(1)

Jr moyen

(1)

Ja Moyen

(1)

mdQ

(2, 3) Classifi-

cation de

2000

Classifi-

cation de

2008

Classification

des relevs

structuraux

2008

2000

2008

2000

2008

2000

2008

2000

2008

2000

2008

Grs, argilite

Formation Sam

85

93,7

8,4

5,8

1,5

1,7

2,2

1,3

10,9

31,3

Bon

Bon

Bon

(RMR 65%)

Formation de fer et

xyde

suprieure / argilite

85

90,3

8,5

6

1,8

1,5

2

1,5

11,8

28,5

Bon

Bon

Bon

(RMR 65%)

localement

faible (50%)

Grs, Siltstone et

Formation de fer

Formation

Tiriganiaq

83

I/D

(4)

7,3

I/D

(4)

1,7

I/D

(4)

1,8

I/D

(4)

15,8

I/D

(4)

Bon

I/D

(4)

Bon

(RMR 70%

75%)

Basalte

Formation

Wesmeg

87

92,8

7,1

1,5

1,6

1,5

1,5

1,4

18,7

37,5

Bon

Bon

Bon

(RMR 70%)

Graphitic

Mudstone

64

I/D

(4)

11,9

I/D

(4)

1,6

I/D

(4)

3,4

I/D

(4)

2,5

I/D

(4)

Faible

I/D

(4)

Faible

(RMR 45%)

(1) Valeurs moyennes bases sur la distribution statistique des valeurs releves sur des carottes de forage

(2) Jw et SRF supposs gaux 1

(3) Mdiane de dtermine de manire probabiliste

(4) I/D = Donnes insuffisantes

34

3.7 Conclusion

Ce chapitre a permis de situer gographiquement et de prsenter la gologie de la fosse

Tiriganiaq du projet minier Meliadine. Sur la base des travaux de Golder (2010), la fosse

est caractrise par un domaine structural comportant quatre familles de discontinuits: la

foliation qui pend vers le Nord, la famille J0 vers l

. Les rsultats des travaux de caractrisation mens par Golder pour

le roc intact, les discontinuits et le massif rocheux ont ensuite t prsents. Au sujet de la

caractrisation mcanique du roc intact, elle a t faite grce des essais de compression

uniaxiale et de double poinonnement (Golder, 2010). Les valeurs de rsistance en

compression uniaxiale var 9

MPa pour la formation de fer. Celle du grs qui constitue la principale roche des flancs de

la fosse Tiriganiaq vaut 115,2 MPa. Concernant la caractrisation des discontinuits, elle a

t faite grce des essais de cisaillement. Les valeurs au pic de cohsion sont de 80 kPa

pour les joints et de 45 kPa pour la foliation alors que les valeurs rsiduelles sont de 17 kPa

pour les joints et 0 KPa pour la foliation. Les valeurs au pic de l

42 pour les joints et de 40 pour la foliation alors que les valeurs rsiduelles sont de 39

pour les joints et 35 pour la foliation. Concernant le massif rocheux, des classifications

gomcaniques faites

systme RMR, classifient le massif rocheux de la fosse Tiriganiaq comme tant de bonne

qualit.

4.1 Introduction

Le prsent chapitre aborde avec dtails la gnration et la validation du modle de systme

de fractures de la fosse Tiriganiaq du projet minier Meliadine sur base des donnes de

du massif rocheux

synthtique. Les principes de base de la calibration et de la validation du modle de

systme de fractures faisant usage du code Fractures-SG (Grenon et Hadjigeorgiou, 2008a,

2012; Esmaeili, 2010a) sont dcrits au Chapitre 2 la section 2.5.3. L

4.2 Paramtres gnraux

Un modle de systme de fractures de volume gal 50 m x 50 m x 50 m (125000 m3) a t

du code Fracture-SG (Grenon et Hadjigeorgiou, 2008a). Les donnes

structurales prsentes au chapitre 3 (tableau 3.2) sont utilises comme donnes de terrain.

La calibration du modle de systme de fractures est un processus itratif qui prend fin

conformit entre les donnes structurales prleves sur terrain (tableau 3.2) et

celles simules. Elle a consist calibrer pour chaque famille de discontinuits les

sa

2 et

32) exprime en m-1

4.3 Orientation des discontinuits

Lors de la calibration du modle de

progressivem

DIPS V5.1 (Rocscience, 2011). Ce dernier permet de visualiser sur un stronet,

36

structurale ralise V5.1 sont prsents en annexe B. Les figures

4.1a, 4.1b illustrent pour chaque famille de discontinuits identifie, les stronets des ples

et des plans moyens.

a) ples et fentres

b) plans et ples moyens

Figure 4.1: Stronets des discontinuits simules et calibres

37

Le tableau 4.1 prsente les valeurs de pendage, de direction de pendage des ples moyens

des familles de discontinuits et les coefficients de Fisher de ces mmes familles obtenues

4.4 Longueur des traces des discontinuits

traces simules celles chantillonnes sur le terrain. Consquemment, des coupes passant

au travers du volume du modle de systme de fractures sont utilises pour la validation de

la longueur des traces. Les orientations des coupes prises en compte lors de la calibration

du modle de systme de fractures sont prsentes en annexe C. Les orientations des

coupes ont t choisies en fonction des mesures des traces qui ont t prleves sur les murs

; orients suivant les directions Nord-Sud et Est-Ouest sur le

site de la fosse Tiriganiaq (Golder, 2010). Lors de la calibration du modle de systme de

fractures, les aires des familles de

s traces similaires celles

de chaque famille de discontinuits

sont prsentes en annexe A. Comme nous pouvons le voir la figure 4.2, Cinq simulations

offrent tous une reprsentation

observes sur le site et la plage de valeurs obtenues est restreinte. Les figures 4.3a, 4.3b,

4.3c, 4.3d illustrent les discontinuits des familles interceptes par des coupes au sein du

modle de systme de fractures valid. Ceci a permis de dterminer pour chaque famille, la

longueur des traces des discontinuits et de tracer les histogrammes prsents la figure

4.4.

38

Figure 4.2: Simulations des longueurs des traces des discontinuits calibres

1 2 3 42

3

4

5

6

7

8

Famille de discontinuits

Lo

ngu

eu

r d

es t

race

s (

m)

39

a)Foliation

b) Famille J0

c) Famille J1/J3

d) Famille J2

Figure 4.3: Coupes interceptant les discontinuits du modle calibr

40

Figure 4.4: Histogrammes de la longueur des traces des discontinuits simules et

pour

cinq simulations: a) Foliation; b) J0; c) J1/J3; d) J2

a)

b)

c)

d)

0 5 10 15 20 250

1000

2000

3000

Longueur des traces (m)

Nom

bre

de join

ts

Nbre de joints: 8473

0 5 10 15 20 25 300

100

200

300

400


Nom

bre

de join

ts


0 5 10 15 200

200

400

600

800

1000

1200


Nom

bre

de join

ts


0 5 10 150

100

200

300

400


Nom

bre

de join

ts


41

Les valeurs moyennes de la longueur des traces des discontinuits par famille de

discontinuits ont ensuite t calcules (annexe D) et sont prsentes dans le tableau 4.1.

Notons que les moyennes des longueurs des traces ont t calcules suivant une approche

qui permet nhrents

Cette approche repose sur une fentre

fentre.

4.5 Espacement des discontinuits

ion a t calibre en comparant les frquences des discontinuits

modlises avec celle mesures sur le terrain. La frquence

de discontinuits simule est obtenue en se servant de traverses passant travers le FSM.

Les orientations des traverses prises en compte lors de la calibration du modle de systme

de fractures sont prsentes en annexe E. Pour chaque famille de discontinuits, dix

s familles de

discontinuits ont t considres

ces traverses dans un systme de coordonnes cartsien. Lors de la calibration du FSM, les

intensits des familles de discontinuits ont t modifies progressiveme

de chaque famille de discontinuits sont

prsentes en annexe A. Cinq simulations ont t ensuite ralises avec les valeurs calibres

des fractures. Nous pouvons observer la figure 4.5 que les cinq simulations

les cinq

simulations sont toutes des reprsentations plausibles des conditions de terrain.

Les figures 4.6a, 4.6b, 4.6c et 4.6d illustrent pour chaque famille de discontinuits; les

tinuits le long de chaque traverse et de tracer les histogrammes

prsents la figure 4.7. Les valeurs moyennes de frquence des discontinuits par famille

de discontinuits ont ensuite t calcules (annexe G) partir des valeurs de la frquence

obtenue pour les dix traverses et sont prsentes dans le tableau 4.1

42

Figure 4.5: Simulations des frquences des discontinuits calibres

1 2 3 40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Famille de discontinuits

Fr

qu

en

ce

(1

/m)

43

a) Foliation

b) Famille J0

c) Famille J1/J3

d) Famille J2

Figure 4.6: Traverses interceptant les discontinuits calibres

44

a)

b)

c)

d)

Figure 4.7: des discontinuits simules et calibres

pour

simulations: a) Foliation; b) J0; c) J1/J3; d) J2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

1000

2000

Espacement (m)

Nom

bre

d'

lm

ents


0 0.5 1 1.5 2 2.50

200

400

600

Espacement (m)

Nom

bre

d'

lm

ents


0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

200

400

600

Espacement (m)

Nom

bre

d'

lm

ents


0 1 2 3 4 5 60

100

200

Espacement (m)

Nom

bre

d'

lm

ents

Nbre de joints: 510

45


La calibration du modle de

e frquence et de longueur des traces conforment celles recueillies sur terrain.

Le tableau 4.1 prsente la comparaison globale entre les donnes de terrain et les donnes

frquence qui est l s traces des familles de

discontinuits.

Tableau 4.1: Comparaison des donnes de terrain et des donnes simules

Foliation J0 J1/J3 J2

Pendage ()

Donnes

de terrain

67

24

75

36

Donnes

simules

66

24

74

35

Direction de

pendage ()

Donnes

de terrain

003

184

100

271

Donnes

simules

002

183

100

271

Coefficient de

Fisher

Donnes

de terrain

172

64

36

17

Donnes

simules

166

66

41

19

Frquence

(m-1

)

Donnes

de terrain

8,0

2,9

3,3

0,9

Donnes

simules

8,1

3,0

3,3

1,0

Longueur des

traces (m)

Donnes

de terrain

3,5

6,5

3,0

3,5

Donnes

simules

3,5

6,4

2,9

3,5

Les rsultats du tableau 4.1, montre une trs bonne concordance entre les donnes de terrain et les

donnes simules. La frquence et les longueurs des traces des discontinuits des quatre familles

de discontinuits ont t reproduites avec succs au sein du modle de systme de fractures. Une

des reprsentations possibles du modle de systme de fractures de la fosse Tiriganiaq du projet

Meliadine a t gnre la suite du processus de calibration tel que dcrit plus haut. Il comporte

112032 discontinuits dont 64186 discontinuits de la famille foliation, 6973 discontinuits de la

46

famille J0, 32316 discontinuits de la famille J1/J3 et 8557 discontinuits de la famille J2. Ces

dernires sont illustres indpendamment les unes des autres la figure 4.8. Ces modles sont

parallles aux axes Nord-Sud (axe Y) et Est-Ouest (axe X) de la fosse Tiriganiaq.

a) Foliation

b) Famille J0

c) Famille J1/J3

d) Famille J2

Figure 4.8: Modle de systme des fractures par famille de discontinuits calibre

Le modle de systme de fractures ainsi gnr pourrait servir des applications en ingnierie :

par la quantification des proprits structurales , par la dtermination du

47

volume lmentaire reprsentatif du massif rocheux (REV) ainsi que par son utilisation en tant

(Grenon M. et Hadjigeorgiou J., 2012).

4.7 Conclusion

Sur la s traces des discontinuits

chantillonnes sur le terrain, un modle de systme de fractures de la fosse Tiriganiaq du projet

Meliadine de volume gal 50 m x 50 m x 50 m du code Fracture-SG. Ce

structurales

prleves sur terrain et celles simules. Le modle FSM ainsi gnr et calibr avec succs sera

n du massif rocheux synthtique de la

fosse Tiriganiaq.

5.1 Introduction

Le prsent chapitre porte sur la modlisation synthtique du massif rocheux de la fosse

Tiriganiaq. Il a pour objectif de dterminer la rsistance du massif rocheux en utilisant une

approche numrique : celle du massif rocheux synthtique (SRM). Ce dernier est obtenu grce

le de

systme de fractures (FSM) de mme dimension qui reprsente le rseau de discontinuits.

Au chapitre 4, un modle de systme de fractures de volume gal 50 m x 50 m x 50 m a t

gnr et valid sur la base des donnes recueillies sur le site de la fosse Tiriganiaq. De ce

dernier, 25 chantillons paralllpipdiques de diffrentes tailles ont t extraits et leurs

proprits structurales ont t 30) et de

32). Ces chantillons du modle de systme de fractures ont t par la

suite assembls aux modles des particules lies de mmes tailles pour crer des chantillons du

massif rocheux synthtique tel que dcrit la section 5.3 ci-dessous. Les SRM sont soumis des

tests de compression uniaxiale dans le but de dterminer les proprits mcaniques; notamment la

En se basant sur les rsultats statistiques (F-test et T-test) des proprits structurales et

mcaniques des chantillons du massif rocheux synthtique; un volume lmentaire reprsentatif

travaux

et al. (2010a et 2010b) et de Mas Ivars et al. (2011).


Le modle de systme de fractures 3D est une approche permettant une meilleure reprsentation

uti

systme de fractures est dcrite au chapitre 2. Au chapitre 4, un modle de systme de fractures

49

de volume gal 50 m x 50 m x 50 m a t valid en se basant sur des donnes structurales

chantillonnes Meliadine.

5.2.1 chantillonnage du modle de systme de fractures

Le modle de systme de fractures valid a t soumis un chantillonnage spatial alatoire.

Vingt-cinq chantillons paralllpipdiques dont le rapport de la hauteur sur la longueur de la

surface de base a t gard constant (gal 2) et dont les longueurs des surfaces de base sont de

2,5 m, 5 m, 7,5 m, 10 m, 12,5 m ; ont t extraits du volume du modle de systme de fractures

initial. , cinq chantillons ont t prlevs (E1 E5). La figure 5.1

illustre un chantillon prlev pour chaque taille considre. L -

-Ouest de la fosse Tiriganiaq.

2,5 m x 5 m x 2,5 m

5 m x 10 m x 5 m

7,5 m x 15 m x 7,5 m

10 m x 20 m x 10 m

12,5 m x 25 m x 12,5 m

Figure 5.1: chantillons des modles des systmes de fractures tirs du modle initial

50

5.2.2 Estimation des proprits structurales du massif rocheux

Les tableaux 5.1 et 5.2 prsentent la synthse des proprits structurales du massif rocheux de la

fosse Tiriganiaq pour chaque chantillon prlev. La relation entre la taille de l'chantillon et le

nombre de fractures (P30) est illustre la figure 5.2. Il peut tre observ que dans un massif

rocheux fractur, la moyenne et la dispersion du nombre de fractures augmentent avec la taille de

l'chantillon.

Tableau 5.1: Proprit structurale (P30) des modles de systme de fractures

Taille de

Nombre des fractures (P30)

E1 E2 E3 E4 E5 Moyenne cart type

2,5 x 5 x 2,5 194 201 190 254 211 210 25,9

5 x 10 x 10 748 735 774 865 842 793 57,7

7,5 x 15 x 7,5 1822 1842 1906 2017 1997 1917 88,3

10 x 20 x 10 3484 3650 3858 3760 3899 3730 167,9

12,5 x 25 x 12,5 6311 6083 6502 6592 6575 6413 215,4

Une autre faon de quantifier les familles des fractures est de dterminer

(P32). La

relation entre la taille de l'chantillon fractures est illustre la figure 5.3. Il peut

tre observ que la dispersion de P32 diminue

Tableau 5.2: Proprit structurale (P32) des modles de systme de fractures

Taille de

Intensit des fractures (P32) (m-1

)

E1 E2 E3 E4 E5 Moyenne cart type

2,5 x 5 x 2,5 15 16 16 18 18 17 1,5

5 x 10 x 10 15 15 15 17 17 16 1,2

7,5 x 15 x 7,5 15 16 15 16 17 16 0,7

10 x 20 x 10 15 16 15 16 16 16 0,7

12,5 x 25 x 12,5 15 16 16 16 16 16 0,4

51

Figure 5.2

0 2.5 5 7.5 10 12.5 150

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Taille de l'chantillon (m)

No

mb

re d

e f

ractu

res

x : moyenne

52

Figure 5.3:

0 2.5 5 7.5 10 12.5 1514

14.5

15

15.5

16

16.5

17

17.5

18

18.5

19

Taille de l'chantillon (m)

Inte

nsit

de

fra

ctu

res (

1/m

)

x : moyenne

53

5.3 Gnration du massif rocheux synthtique

Les

fractures ayant t utiliss pour valuer les proprits structurales du massif rocheux de la fosse

Tiriganiaq plusieurs chelles. Pour prdire le comportement mcanique de ce massif rocheux,

du massif rocheux synthtique comme vue au chapitre 2 constitue une approche

intressante.

Un

fusionnant un modle de systme de fractures (FSM) qui reprsente le rseau de discontinuits et

un modle des particules lies (BPM) qui reprsente le roc intact. Les proprits macroscopiques

du roc intact (rsistance en compression uniaxiale, module de Young, coefficient de Poisson) sont

obtenues par un processus de calibration qui consiste rechercher la combinaison des

microproprits correspondant aux macroproprits recherches ; en soumettant un modle des

particules lies paralllpipdique des essais de compression uniaxiale. Les proprits

macroscopiques des discontinuits (cohsion et angle de friction) sont obtenues par le processus

de calibration qui consiste rechercher la combinaison des microproprits correspondant aux

macroproprits recherches ; en soumettant un modle des particules lies cylindrique coupl

une discontinuit, des essais de compression triaxiale.

5.3.1 Simulation des proprits mcaniques du roc intact

Le roc intact est simul comme un assemblage de particules rigides, distinctes et sphriques,

colles leurs points

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massif rocheux