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UNIVERSITE DU QUEBEC MEMOIRE PRESENTE À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COM

UNIVERSITE DU QUEBEC MEMOIRE PRESENTE À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTISE EN SCIENCES APPLIQUÉES Par Pierre-Luc Lajoie Caractérisation du massif de carbonatite de la mine Niobec sous le niveau 1000 et analyse de la stabilité du pilier de niveau 21 janvier 2010 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. RESUME La mine Niobec située à Saint-Honoré exploite un gisement souterrain de Niobium. L'exploitation actuelle se situe entre les niveaux 300 et 1450 pieds (100 et 400 mètres). La méthode d'exploitation consiste à dynamiter des grands chantiers ouverts de 25 par 45 mètres et d'une hauteur de 90 mètres. Mine Niobec prévoit l'exploitation de trois autres blocs miniers, mais cette fois-ci avec une méthode de chantiers primaire-primaire sans pilier et avec remblai. Les principaux objectifs de ce projet sont de caractériser les aspects structuraux et géotechniques du pilier qui sera laissé en place sous le niveau 1450. Cette caractérisation rend possible une analyse de stabilité du pilier et des chantiers au-dessus et au-dessous en vue de faire des recommandations sur l'épaisseur du pilier et la dimension des chantiers. Enfin, des suggestions de support sont évaluées pour la stabilisation aux pourtours des ouvrages à court et à long termes. Les méthodes et les procédures utilisées pour accomplir ce projet comprennent, tout d'abord, la caractérisation structurale par des campagnes de cartographie incluant des levés de joints, lesquels sont modélisés sur projection stéréographique puis interprétés. Pour ce qui est de la caractérisation des propriétés géotechniques, des échantillons de carottes de forage ont été sélectionnés pour réaliser des tests en laboratoire. Il s'agit de tests en compression et en tension de façon à déterminer les courbes de critère de rupture, le module d'Young et le coefficient de Poisson du massif de carbonatite de la mine. Les pressions de terrain sont un autre point important pour l'analyse de stabilité du pilier. Une compilation des mesures existantes a été réalisée et des calculs théoriques de pressions ont été effectués pour les nouvelles profondeurs. Enfin, l'évolution des pressions de terrain dans la mine a été analysée à l'aide du logiciel de simulation numérique Map3D. Les limites de la minéralisation des futurs blocs d'exploitation, déterminées par une campagne de forage, permettent de localiser l'emplacement des futurs chantiers sous le niveau 1450. Cela rend possible l'évaluation de l'influence de la fracturation et des contraintes en fonction de l'emplacement, de la dimension, de l'orientation des nouveaux chantiers et de ceux des anciens blocs d'exploitation. Un examen des divers modes d'instabilité a été réalisé. De plus, des rétro-analyses des anciennes ouvertures permet l'étude de la stabilité des nouveaux chantiers. Cette méthode vise à prédire la stabilité des nouveaux ouvrages, pour un certain niveau de contraintes, en se basant sur les chantiers passés et en considérant l'ensemble des ouvertures de la mine. Enfin, des modes de support sont évalués pour assurer leur stabilité. L'analyse structurale indique que les murs ouest et nord des ouvertures présentent le potentiel le plus élevé d'effondrements reliés aux structures. De plus, les résultats i l démontrent qu'il est très avantageux de diminuer les dimensions des ouvertures afin de réduire la taille des blocs instables. L'analyse du niveau de contrainte permet de constater qu'il est primordial d'assurer la stabilité du toit des ouvertures avec un soutènement adéquat, puisqu'après le dynamitage des premiers chantiers le massif rocheux devrait être en post-rupture. L'épaisseur du pilier entre le troisième et le quatrième bloc d'exploitation devrait être d'un minimum de 150 pieds (46 mètres). Toutefois, il demeure très important de remblayer jusqu'au toit les ouvertures du bloc 4, car bien que d'une bonne épaisseur le pilier sera sans doute endommagé sur toute son épaisseur aux endroits critiques. Enfin, il est très important de suivre la séquence déterminée de façon à répartir les concentrations de contraintes aux endroits souhaités. REMERCIEMENTS Je tiens à remercier mes directeurs de recherche M. Guy Archambault et M. Alain Rouleau pour leurs conseils et leur soutien. J'aimerais remercier toute l'équipe d'ingénierie de la mine Niobec dont la collaboration a été essentielle au bon déroulement du projet et sans qui celui-ci n'aurait pu se dérouler. Un remerciement spécial à Steve Thivierge qui après mes stages d'été m'a proposé ce projet très intéressant et qui a su me faire confiance et me donner la latitude nécessaire pour mener à bien ce projet. Enfin, merci à toute ma famille pour leur soutien et les encouragements qu'ils m'ont prodigués tout au long de mes armées d'étude. TABLE DES MATIERES RÉSUMÉ Il REMERCIEMENTS IV TABLE DES MATIÈRES V LISTE DES TABLEAUX XI LISTE DES FIGURES XÏV CHAPITRE 1 1 INTRODUCTION .1 1.1 Problématique 1 1.2 Objectifs de l'étude 7 1.2.1 Objectifs spécifiques ..7 1.3 Méthodologie 8 PARTIE 1 12 CARACTERISATION DU MASSIF ROCHEUX SOUS LE NIVEAU 1O00 12 CHAPITRE 2 13 CONTEXTE GÉOLOGIQUE ET DESCRIPTION DE LA MINE NIOBEC 13 2.1 Situation géographique et contexte géologique régional de la mine 13 2.2 Contexte local de la mine Niobec 14 2.3 Description du massif rocheux de la mine Niobec 16 2.4 Méthode d'exploitation 18 2.4.Î Méthode par chantier ouvert 18 2.4.2 Méthode primaire-primaire avec chantiers remblayés 22 v CHAPITRE 3 32 CARACTERISATION STRUCTURALE DU MASSIF DE CARBONATITE 32 3.1 Explication de la méthode de cartographie utilisée 32 3.2 Localisation de la zone d'étude 36 3.3 Procédure de sécurité 37 3.4 Erreurs de mesure. 38 3.5 Méthode de compilation et d'analyse 38 3.6 Résultats des campagnes antérieures 40 3.6.1 Cartographie des bîocs d'exploitations 1 et 2 40 3.6.2 Cartographie du bloc d'exploitation 3 41 3.6.2.1 Orientation des familles de joints du bloc 3 41 3.6.2.2 Caractéristiques des discontinuités 54 3.6.3 Cartographie du bloc d'exploitation 4 56 3.7 Structures majeures 60 CHAPITRE 4 66 CARACTERISATION DES PROPRIÉTÉS GÉOTECHNIQUES DU MASSIF SOUS LE NIVEAU 1450 66 4.1 Revue des essais réalisés à Niobec 66 4.2 Sélection des éprouvettes à partir des trous de forages 70 4.3 Détermination des propriétés mécaniques de la carbonatite 72 4.3.1 Essai brésilien et de flexion : évaluation de la résistance en tension de la roche 72 4.3.2 Essai de compression uniaxiale ettriaxiale et détermination des courbes enveloppes de rupture 75 4.3.3 Essai de déformabilité : détermination des courbes contrainte-déformation, module de Young et coefficient de Poisson 79 4.4 Compilation, analyse et interprétation des résultats 81 CHAPITRES 91 CARACTERISATION DES PRESSIONS DE TERRAIN DU MASSIF ROCHEUX DE LA MINE NIOBEC 91 5.1 Compilation des mesures de pression de terrain réalisées à la mine Niobec 92 5.1.1 Etude de CANMET 92 VI 5.1.2 Étude Polytechnique 94 5.1.3 Comparaison des résultats des campagnes de mesures 96 5.1.4 Comparaison des résultats avec la théorie 98 5.2 Simulation numérique 100 5.2.1 Map3D 101 5.3. Niveau de contraintes en profondeur 103 PARTIE 2 106 ANALYSE DE STABILITÉ DES OUVERTURES SOUS LE NIVEAU 1000 ET DU PILIER HORIZONTAL ENTRE LES NIVEAU 1450 ET 1600 106 CHAPITRE 6 107 ÉTUDE DE LA STABILITÉ STRUCTURALE DES CHANTIERS AU DESSUS ET EN DESSOUS DU PILIER DE NIVEAU ENTRE LES BLOCS 3 ET 4 107 6.1 Introduction 107 6.2 Méthodes d'analyse 108 6.3 Approche sélectionnée, procédure et logiciel utilisé 110 6.4 Analyse de la partie sud de la mine 115 6.4.1 Analyse du mur est 116 6.4.2 Analyse du mur ouest , , 120 6.4.3 Analyse du mur nord 124 6.4.4 Analyse du mur sud 127 6.4.5 Analyse du toit 130 6.5 Analyse de la partie nord de la mine 132 6.5.1 Analyse du mur est 135 6.5.2 Analyse du mur ouest 140 6.5.3 Analyse du mur nord 147 6.5.4 Analyse du mur sud , 150 6.5.5 Analyse du toit 153 6.6 Conclusion 156 CHAPITRE 7 157 MODÉLISATION DES CONTRAINTES AUTOUR DES OUVRAGES DU BLOC 3 À 6 ET ANALYSE DE STABILITÉ DES OUVERTURES 157 7.1 Application du graphique de stabilité à la mine Niobec 158 vu 7.1.1 Rétro-analyses 158 7.1.2 Résultats 161 7.1.3 Interprétation des résultats 167 7.1.4 Rétro-analyse des toits et définition d'un critère de rupture 177 7.1.5 Validation du critère d'endommagement uploads/Ingenierie_Lourd/ foration-mine-souterraine.pdf