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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COM

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN SCIENCE DE LA TERRE PAR MICHEL GAUDREAULT ing. ANALYSE NUMÉRIQUE DES PHÉNOMÈNES MÉCANIQUES ET HYDRAULIQUES EN PÉRIPHÉRIE D'EXCAVATIONS EN MASSIFS ROCHEUX FRACTURÉS: LE CAS DE LA MINE NIOBEC, ST-HONORÉ (QUÉBEC) JUILLET 1996 bibliothèque Paul-Emile-Bouletj UIUQAC Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. EÉSPMÉ II est reconnu que l'excavation d'ouvertures souterraines dans les massifs rocheux provoque des phénomènes de perturbation du champ des contraintes naturelles en périphérie des ouvrages. Ces phénomènes de perturbation sont principalement caractérisés par la formation de zones de compression et de zones de relâchement, accompagnées d'une variété de déplacements radiaux, tangentiels ou en cisaillements. Dans le but d'évaluer l'effet potentiel des perturbations du champ des contraintes sur la conductivité hydraulique des massifs rocheux fracturés, on a effectué des simulations tridimensionnelles par éléments fiais du champ de contraintes en périphérie de certaines galeries situées au niveau 3 Û Û (mètres) de la mine Niobec (St-Honoré, Québec). Le modèle utilisé prend en considération un milieu rocheux homogène, parfaitement élastique et isotrope, dans lequel différentes geometries de galeries ont été soumises au champ des contraintes naturelles (anisotrope) de la mine. Les résultats de simulation ont été intégrés dans un modèle reliant l'ouverture, la fermeture ou le glissement sur les plans de fracture avec la conductivité hydraulique des joints. Une première approche dans l'évaluation des résultats de simulation consiste à évaluer l'effet de la contrainte moyenne ou de confinement (0m=(0j+02+C%)/3) sur l'ouverture ou la fermeture des fractures. La seconde approche consiste à évaluer la possibilité d'ouverture ou de fermeture sur des fractures en fonction de leur orientation par rapport aux tenseurs des contraintes principales. Cette seconde approche comprend aussi une méthode d'analyse adaptée de Jaeger & Rosengren (1969), qui consiste à évaluer la possibilité de glissement sur des plans de fractures. Les résultats concernant les variations possibles de conductivité hydraulique obtenus des modèles ont été comparés à des profils de pression et de conductivité hydrauliques mesurés le long de trois forages, réalisés en bout de galerie (niveau 300 m). Ces résultats suggèrent que les variations de contraintes observées en périphérie des galeries ne peuvent expliquer à elles seules les profils anomaliques de conductivité et de pression hydraulique mesurés dans ces forages. REMERCIEMENTS Je tiens à remercier mes directeurs de recherche M. Alain Rouleau et Guy Ârchambauit, ainsi que la mine Niobec de St-Honoré. Je tiens aussi à remercier M. Richard Lechasseur pour son aide et son appui inconditionnel à la réalisation de ce projet. mon Finalement, je tiens à remercier tout spécialement mes parents Jocelyn et Jeanne, frère Sylvain, ma sœur Louise ainsi que ma conjointe Josée pour leur support moral et financier. in TABLE DES MATIEEES I INTRODUCTION 1.1 Problématique de l'étude 1 1.2 Travaux antérieurs 2 1.3 Méthodologie 5 II CARACTÉRISATION HYDROGÉO-MÉCÂNIQUE DU MASSIF ROCHEUX DELÂMINENIOBEC 2.1 Généralités 6 2.2 Analyse de lafracturation 6 2.2.1 Caractéristiques physiques des fractures 9 2.2.2 Remplissage et morphologie des fractures 9 2.2.3 Définition des pôles moyens de fracturatioa 10 2.2.4 Facturation en forage 11 2.3 Essais hydrauliques en forage 14 2.4 États des contraintes et propriétés mécaniques. 19 2.5 Discussion sur i'hydrogéo-mécanique du massif rocheux 22 ÎV III SIMULATION 2D ET 3D DE LA DISTRIBUTION DES CONTRAINTES EN PÉRIPHÉRIE D'UNE GALERIE: CONSTRUCTION DES MODÈLES 3.1 Hypothèses.. 23 .,2 Logiciel et principes de base 24 3.2.1 La méthode des éléments finis (MEF) 24 3.2.2 Logiciel utilisé 25 3.2.3 Méthode de calcul et équations 26 3.3 Construction et utilisation d'un modèle 28 3.3.1 Localisation et systèmes d'axes des modèles 28 3.3.2 Géométrie et maiîlage des modèles 34 3.3.3 Type d'éléments et propriétés 35 3.3.4 Conditions limites 35 3.3.5 Chargements... ... 36 IV SIMULATION 2D ET 3D DE LA DISTRIBUTION DES CONTRAINTES EN PÉRIPHÉRIE D'UNE GALERIE: ANALYSE DES RÉSULTATS 4.1 Définition des zones de perturbation du champ de contraintes 38 4.2 Analyse globale des résultats de simulation... 39 4.3 Distribution des contraintes principales 40 4.3.1 Amplitude des contraintes principales (0i, 02 et 03). 40 4.3.2 Contrainte de cisaillement maximale (tmax) ••.......•.. 45 4.3.3 Orientation des contraintes principales. 48 4.3.4 Représentation sur cercle de Mohr des états de contrainte 48 4.3.5 Effet de la pression hydrostatique 51 4.4 Distribution des déplacements 51 4.5 Analyse de la variation des contraintes naturelles sur la redistribution des contraintes 54 4.6 Discussion sur les résultats de simulation ....... 55 ¥ V MODÈLES DU COMPORTEMENT D'UNE FRACTURE SOUS CONTRAINTES: IMPLICATIONS SUR LA CONDUCT! VITE HYDRAULIQUE 5.1 Comportement d'une fracture en fermeture........... 57 5.1.1 Effet de la contrainte normale sur îe plan de fracture. 58 5.1.2 Effet de la contrainte normale sur la conduct!vite hydraulique .62 5.2 Comportement d'une fracture en cisaiEement. ...... —... —.. 62 5.2.1 Mécanisme de cisaillement sur le plan de fracture 64 5.2.2 Relationcisaillement-dilatance-conductivité hydraulique 67 5.3 Comportement d'une fracture en ouverture 69 5.3.1 L'ouverture par relâchement du confinement 69 5.3.2 L'ouverture par augmentation du différentiel de contrainte par rapport au plan de fracture 70 5.4 Discussion sur les modèles de couplage hydromécaniques dans une fracture 72 VI ANALYSE DES COMPORTEMENTS HYDRAULIQUES EN FONCTION DES DISTRIBUTIONS DE CONTRAINTES EN PÉRIPHÉRIES DES OUVERTURES: EFFET DE LA CONTRAINTE MOYENNE (OU DE CONFINEMENT) 6.1 Généralités 76 6.2 Effet de la contrainte moyenne ou de confinement 77 6.2.1 Analyse des variations de conductivité hydrauliques sur une section perpendiculaire à la galerie GA-15 77 6.2.2 Analyse des variations de conductivité hydrauliques sur une section parallèle au plan du forage F-3 (galerie GA-15) .80 6.3 Discussion sur les variations de conductivité hydrauliques en fonction de la contrainte moyenne (ou de confinement) 82 ¥1 VII ANALYSE DES EFFETS POSSIBLES DES VARIATIONS DU TENSEUR DE . CONTRAINTE SUR LES PLANS DE FRACTURES 7.1 Comparaison des orientations relatives contraintes-fractofation sur projections stéréographiques 83 7.1.1 Analyse bi-dimentionnelle 84 7.1.2 Analyse tridimensionnelle 87 7.1.3 Ouverture, fermeture et autres cas de glissement sur fractures multiples .89 7.2 Méthode de construction des stéréogrammes 91 7.3 Analyse du comportement des plans de fractures dans une section perpendiculaire à la galerie GÂ-15.... .92 7.4 Analyse du comportement des plans de fractures dans une section contenant le plan du forage F-3 96 Vin DISCUSSION.... 98 IX CONLUSIONS 101 RÉFÉRENCES .......104 ANNEXE I Résultats de simulation (supplément) 108 ANNEXE II Analyse des relations angulaires entre les composantes principales du tenseur des contraintes et les principales familles de fractures 112 ANNEXE III Analyse du cas de la section parallèle au plan du forage F-3 122 vu LISTE DES TABLEAUX Tableau 2.1 Valeurs moyennes de la conductivité hydraulique pour les différentes zones , 19 Tableau 2.2 Magnitude et orientation des trois composantes du tenseur des contraintes utilisées dans les simulations 20 Tableau 7.1 Résumé des observations (section perpendiculaire à la galerie GA-15) 95 Tableau 7.2 Résumé des observations (section parallèle au forage F-3) 95 Tableau Â1.1 Orientation et magnitude des composantes principales du tenseur des contraintes sur les éléments nos 1 à 40 (section perpendiculaire à la galerie GA-15) .....109 Tableau A3.1 Compilation de l'orientation et de la magnitude des composantes principales du tenseur des contraintes sur les éléments numéro I à 6 123 vin LISTE DES FIGURES Figure 2.1 Géologie du complexe alcalin de St-Honoré .7 Figure 2.2 Plan du niveau 1000 (300 mètres) de la mine Niobec de St-Honoré............8 Figure 23 Diagramme contouré de l'orientation des pôles de fractures pour les niveaux 700 et 1000............... 12 Figure 2.4 Fracturation des carottes de forage et valeurs de RQD correspondantes. .13 Figure 2.5 Profils de la charge de pression en fonction de la distance par rapport à la face de la galerie. .16 Figure 2.6 Profils de la conductivité hydraulique en fonction de la distance par rapport à la face de la galerie .17 Figure 3.1 Plan du niveau 1000 (300 mètres) de la mine Niobec de St-Honoré indiquant la localisation des forages 1 à 3, la trace des modèles 1 à 4 et les valeurs des contraintes principales 29 Figure 3.2 Construction du modèle 1 30 Figure 3.3 uploads/Geographie/ 1537175.pdf