COURS GEOTECHNIQUE MINIERE 2018-2019 20 heures Introduction à la géotechnique Technoscience consacrée { l’étude pratique de la subsurface terrestre sur laquelle notre action directe est possible pour son aménagement et/ou son exploitation. Géotechnique civil: route, bâtiment, pont, barrage etc… Géotechnique des mines ou des carrières: fosse, galerie, halde etc... Elle s’intéresse plus au sous-sol. Objectifs: Sécurité (des travailleurs, des occupants, des équipements ) Economie (exploitation optimale, moindre coût, équipements adaptés) Demarches géotechniques 1. Investigation: échantillonnage (forage, puits, géophysique, tranchées etc…) 2. Description des échantillons 3. Tests: élasticité, perméabilité, dureté, résistance, etc… 4. Classification du massif 5. Analyses: stabilité, facteur de sécurité etc…. 6. Suivis: QA/QC, suivi d’implantation, respect des design etc… 7. Corrections: modification des paramètres 8. Optimisation 9. Surveillance: radar, des prismes, des piézomètres etc. 10. Le soutènement ou autres moyens de suppression des risques Géotechnique minière: conséquences liées aux risques géotechniques Perte en vue humaine Un travailleur écrasé lors d’un effondrement Sécurité des équipements Camion renversé lors de la déposition sur une halde Perte d’une partie ou fermeture totale de l’ouvrage Effondrement d’une partie entière de la fosse Perte ou fermeture d’une infrastructure Route bloquée par des chutes de blocs Massif rocheux: • constitué de roche intacte et de discontinuités. • Les propriétés du massif sont tributaires des paramètres des discontinuités et de la matrice rocheuse, ainsi que des conditions aux limites. I. Géomécanique et modèle géotechnique I.1 Sondage DD Moyen le plus utilisé pour acquérir des informations sur le massif en profondeur car fournit des échantillons plus ou moins intacts. Peut aller à 400- 500 m de profondeur Les échantillons (carottes) peuvent être de différents diamètres (PQ, HQ, NQ etc..) Permet d’avoir des informations sur la position et l’orientation de l’échantillon, les déviations. Il fournit des informations sur : la géologie, l’altération, la structurale, failles, joints, hydrogéologie etc. I. Géomécanique et modèle géotechnique Les échantillons (carottes) sont récupérés, orientés et entreposés dans des caisses. I. Géomécanique et modèle géotechnique Description des carottes Pour avoir les informations sur le massif, les carottes doivent être décrites (logging). 1.Description de base Donne une idée sur le degré de fracturation du massif et la résistance des roches Taux de récupération (TR) Rapport de la longueur de carottes obtenue sur la longueur forée. Exemple: le TR de la partie jaune (intervalle B) est d’environ 2.4m soit 2.4/3=80% de récupération. I. Géomécanique et modèle géotechnique Rock Quality Designation (RQD) I. Géomécanique et modèle géotechnique Intact Rock Strenght (IRS) : méthode rapide pour avoir la résistance de la roche . I. Géomécanique et modèle géotechnique Lithologie • Il s’agit de décrire le type de roche, le profil d’altération (saprolite, transition, roche) • Préciser leur profondeur La fréquence des fractures (FF) Donne le nombre de fractures par mètre de carotte. (FF#m) I. Géomécanique et modèle géotechnique Description détaillée • Il s’agit d’une description des discontinuités (failles, joints, contacts etc) • Très important en mécanique des roches • La rhéologie d’une roche dépend en partie de son état de fracturation dont le comportement va dépendre de son état ( rugosité, altération, remplissage, ouverture etc…) • Une faille dont les épontes sont parfaitement lisses sera plus dangereuse du point de vue de la stabilité qu’une diaclase calcifiée et recimentée. • La connaissance de l’état des discontinuités est très important I. Géomécanique et modèle géotechnique Identification des des discontinuités IDEAL X forage Naturel Foliation Manipulation I. Géomécanique et modèle géotechnique Rugosité Slickensided Smooth Rugueux (2) Très rugueux (1) Slightly Rough Rough Very Rough Légèrement rugueux (3) ROUGHNESS Lisse(4) V. Rough 1 Rough 2 Slt Rough 3 Smooth 4 Slicken 5 Côtes attribuées selon le degré de la rugosité I. Géomécanique et modèle géotechnique Weathering Altération 2 3 None 1 Slight 2 Mod 3 High 4 Decomp 5 5 Côtes attribuées selon le degré de l’altération I. Géomécanique et modèle géotechnique Aperture Ouverture : 3 None 1 Stained 2 1 mm 3 1 – 5 mm 4 >5 mm 5 3 4 3 Côtes attribuées selon l’ouverture I. Géomécanique et modèle géotechnique Remplissage : dans l’ouverture, c’est le matériau comblant le vide. Il peut être solide et résistant (filon de quartz) ou bien être un vrai lubrifiant (argile humide). 1 4 Fill Strength None 1 Hard <5 mm 2 Hard >5 mm 3 Soft <5 mm 4 Soft >5 mm 5 5 Côtes attribuées selon l’épaisseur du remplissage I. Géomécanique et modèle géotechnique Alpha et Bêta des discontinuités Les différentes discontinuités doivent être mesurées (angles Alpha et Bêta) La mesure de ces angles va permettre d’avoir une orientation des discontinuités Un rapporteur spécial est utilisé pour la mesure de Alpha et un plastique gradué pour la mesure de Bêta. I.2 Propriétés physico-mécanique des roches Les propriétés physico-mécaniques des roches ont une grande influence sur la stabilité des terrains. Porosité Roches de faible porosité : 0 < p < 5 % Roches de porosité moyenne : 5 < p < 10 % Roches de porosité élevée : 10 < p < 20 % Roches de grande porosité : p > 20 % Masse volumique : unité de volume de la roche (g/cm 3 ) avec : MS la masse du matériau sec ; g Vs le volume des grains après broyage ; cm3 Vt le volume de l’échantillon ; cm3 Mh la masse naturelle ; g MSat la masse de l’échantillon saturée ; g. Teneur en eau: rapport de la masse d’eau M w , { la masse du solide sec. Degré de saturation: rapport du volume de l’eau contenue dans l’échantillon au volume des vides. V w : volume de l’eau dans l’échantillon, cm3 V v : volume des vides, cm3 Résistance à la compression Notée σc ou (Rc) ,c’est la contrainte maximale supportée par l’échantillon avant la rupture lors d’un essai de compression. F : effort (charge) maximale atteinte (juste avant la Essai de compression rupture) S : section ou surface sur laquelle on applique l’effort F Classification des roches en fonction de la résistance à la compression Résistance à la traction Traction simple : Traction simple Pmax = valeur finale atteinte par l’effort appliqué. A0 = surface transversale C’est la contrainte limite de traction qui produit la décohésion des échantillons des roches massives . Essai brésilien : • C’est l’essai de traction le plus commun pour les roches (essai { la traction indirecte). • Pour réaliser cet essai, on utilise une éprouvette de longueur à peu près égale au diamètre. • L’éprouvette est placée entre les plateaux de la presse puis elle est chargée. La contrainte de traction est donnée par la relation suivante F max la charge maximale appliquée D et L : dimensions de l’éprouvette cylindrique. Traction indirecte (Essai brésilien) Classification des roches en fonction de la résistance à la traction La contrainte de traction est fonction de la contrainte de compression : σc = k. σt Avec 3 < k < 10 (dans la pratique, on prend k = 10). Résistance au cisaillement Elle représente la contrainte tangentielle limite avant la rupture dans un essai de cisaillement. Cisaillement simple : La résistance au cisaillement est définie par la relation suivante Pmax : effort tangentielle entraînant la rupture S : Surface sur laquelle on applique l’effort P. • Dans le cas d’un cisaillement simple avec une seule surface : S = h.L • Dans le cas d’un cisaillement simple avec une deux surfaces : S = 2.h.L • Dans le cas d’un cisaillement simple avec une seule cylindrique : S = d.L h : largeur de l’échantillon ; L : longueur de l’échantillon ; d : diamètre du cylindre Cisaillement par torsion : . Dans ce cas, l’échantillon de forme cylindrique est soumis { un couple de torsion. Ce dernier va engendrer des contraintes de cisaillement sur chaque section transversale. Quand ces contraintes atteignent une valeur critique, elle nous donne la résistance de cisaillement par torsion définie par la formule suivante : Mt : couple de torsion W : moment résistant, avec d : diamètre de l’échantillon. Cisaillement par compression : • On applique un effort de compression F incliné avec un angle α par rapport à la surface de cisaillement. • La contrainte transmise par l’échantillon se décompose en une composante normale (σn ) et une composante tangentielle (τ) ; quand cette dernière atteint une certaine valeur, l’échantillon se rompt. • Cette valeur critique est la résistance au cisaillement par compression de la roche. Les deux contraintes sont définies par les formules suivantes : Les échantillons utilisés ont une forme cubique ou cylindrique dont le diamètre est égal { la longueur. L’angle α varie de 30 ° à 60 ° . La courbe représentative de (τ) en fonction de (σn ) est donnée sur la figure. A partir de cette courbe on peut déterminer graphiquement la cohésion et l’angle de frottement interne de l’échantillon (C et Φ). Ces deux paramètres seront définis dans le paragraphe suivant. Courbe représentative de τ en fonction de σn La cohésion et l’angle de frottement interne d’un échantillon La cohésion et l’angle de frottement interne d’un échantillon sont fonction des résistances à la compression et à la traction. La cohésion d’un échantillon est donnée par la relation suivante L’angle de frottement interne est donné par la relation suivante: Cisaillement simple avec une surface de cisaillement Cisaillement simple avec deux surfaces de cisaillement Cisaillement simple avec surface cylindrique Cisaillement par torsion Cisaillement par compression Description détaillée Essai de cisaillement sur discontinuité. Plan de Mohr et modèle géométrique associé. La cohésion et l’angle de frottement interne d’un massif Pour déterminer les propriétés mécaniques Cm et m du massif rocheux, il est nécessaire de tenir compte de plusieurs paramètres correctifs qui sont principalement : • Le coefficient d’affaiblissement structural du massif rocheux λ. • Le coefficient de diminution de la valeur de l’angle de frottement interne λφ - Cm et φm : cohésion en kgf/cm2 et angle de frottement interne en degré du massif ; - Cech et φech : cohésion en kgf/cm2et angle de frottement interne en degré de l’échantillon. - λ et λφ: coefficients correctifs (sans unités). Le coefficient d’affaiblissement structural du massif rocheux (λ) : Le coefficient d’affaiblissement structural du massif rocheux (λ) est calculé en utilisant la formule suivante : - a : coefficient dépendant de la résistance des roches et du caractère de fissuration. - Hg : la hauteur moyenne du gradin (m). - h : la distance moyenne entre les fissures (m). les valeurs de coefficient (a) selon la cohésion de l’échantillon Le coefficient de diminution de la valeur de l’angle de frottement (λφ): La valeur du coefficient de diminution de la valeur de l’angle de frottement interne est prise égale à 0,8 (λφ = 0,8) I.3 Classification géomécanique des roches Rock Quality Designation (RQD) (Deere 1964): donne une idée sur le dégré de fracturation du massif. RQD =Σ(L > 10cm)/Ltotale× 100 Un RQD de 75 à 100% signifie donc que l’on a affaire à une roche peu ou pas fracturée. Remarque : Cet indicateur peut être trompeur : pour un même massif stratifié, on pourra conclure à un RQD de 0% ou de 100% au même endroit selon l’inclinaison du forage. Il est donc important de repérer la direction et l’inclinaison des forages, puis de corréler les résultats entre eux. Rock Mass Rating (RMR)(Bieniawski 1973): permet d’avoir une estimation quantitative des propriétés du massif et de choisir le support nécessaire pour la stabilité d’un tunnel. RMR= A1+A2+A3+A4+A5 A1: Resistance de la roche (MPa) (0-15) A2: RQD (3-20) A3: Espacement des discontinuités (5-20) A4: Conditions des discontinuités (0-30) A5: eau souterraine = 15 (condition sèche) IV. Tests ROCK TUNNELING QUALITY – Q SYSTEM: developpé par Barton, Lien et Lunde en 1974 pour donner une estimation quantitative de support qu’il faut pour la stabilité des tunnel. Valeur comprise entre 0.001 à 1000 SRF RQD [0-100]: qualité liée à la fracturation Jn [0.5-20]: familles de joint. Jr [0.5-4]: Rugosité Ja [0.75-20]: altération des joints Jw [0.05-1]: Facteur de reduction de l’eau des joints. SRF [0.01-400]: facteur de reduction de contrainte Qualité du massif en fonction des valeurs de Q GEOLOGICAL STRENGTH INDEX – GSI (Hoek, 2002): • L’indice GSI sert { estimer la réduction de résistance du massif rocheux pour différentes conditions géologiques. • Le système donne une valeur GSI estimée à partir de la structure du massif et des conditions de surface des discontinuités. Qualité du massif en fonction des valeurs de GSI Exemple – Estimation de RMR, Q et GSI Représentation des sections des trous de carottes I.4 Modèle géotechnique Le modèle géotechnique va regrouper toutes les informations sur: La lithologie Le profil d’altération du massif La qualité du massif Les structures majeures et mineurs (failles, contacts lithologique etc…) L’hydrogéologie (niveau de la nappe) Le design de la fosse ou de la galerie se fera à partir de ce modèle Composition des informations pour un modèle géotechnique IV. Tests Processus pour Le design des talus Modèle géologique Unité A: massif régionale intrudé par L’unité B et C qui sont toutes les trois Recoupées par une série de Dykes (unité D). Roche Saprolite Transition Zone d’altération Modèle structural Cinq domaines contrôlés par les dykes. Résistance des roches Modèle RMR Modèle des conditions de joints Modèle hydrogéologique Modèle complet géotechnique Bloc modèle des paramètres géotechniques Krigged des données RMR affiché sur un design Analyses cinématiques Elle permet de prévoir les différents modes de rupture susceptibles de survenir au cours de la vie de la mine. Elle permet d’estimer la probabilité que ces ruptures surviennent ou pas { travers le Facteur de Sécurité (FS). Des logiciels comme Sblock, Dips, Rockplane, Swedge ou Slide sont utilisés. Présentation des types d’instabilités potentielles dans une mine à ciel ouvert Design de fosse Le design est le plan selon lequel l’ouvrage devrait être construit Il prend en compte plusieurs paramètres a savoir: • Le coût à date du minéral exploité • La géométrie du gisement • Le modèle géotechnique (types de litho, altération, orientation des discontinuités) • Les résultats des analyses cinématiques (potentiels modes de rupture) Il précise: les paramètres des murs (hauteur, pentes, largeur des banquettes etc…) Terminologie des talus II.1 les modes ruptures de terrains • Observée dans les sols et la roche dégradée, sur les haldes, les terrains alluvionnaires. • Elle survient dans les massifs ou aucun plan de discontinuité n’est prédéfini • Un glissement en plan se produit le long d’un plan de discontinuité • Un glissement en coin se produit le long de la rencontre de deux plans de discontinuités. » • Elle survient lorsqu’on a des plans de discontinuité presque verticaux { la face du mur. II.2 Méthodes de calcul et d’analyse de la stabilité • Rapport des forces qui tendent à retenir un certain volume de matériau, délimité par le talus et une surface de rupture potentielle, sur celles qui tendent { l’entrainer vers le bas. • Tant que la force motrice reste inferieure à la résistance maximale que peut mobiliser le sol, F est supérieur à 1 et la pente est stable. • F=1 correspond { l’état d’équilibre limite du talus Evaluation des forces qui tendent { s’opposer { la rupture et qui sont donc mobilisable au sein du massif Calcul s’appuyant sur le critère de Mohr-Coulomb Ʈmax est la resistance au cisaillement maximale mobilisable du massif et la cohésion et l’angle de frottement . Si on considère un point donné dans un massif et une direction donnée, on peut toujours on peut toujours définir un coefficient de sécurité local tel que: et représentent respectivement les contraintes tangentielle et normale à la direction x au point i et sont donc des fonctions qui dépendent à la fois de la localisation du point i et de sa direction x de la facette considérée. Par extension, on peut définir des facteurs de partiels définissants des rapports entres certaines grandeurs de paramètres mesurés et les grandeurs utilisées pour l’analyse de stabilité. Par exemple dans le cas de la conception d’un talus dans un massif ayant une cohésion et un angle de frottement , on peut calculer les coefficients de sécurité partiels suivant: Les grandeurs et déstabilisant la pente . étant les paramètres caractérisant l’effet Pour un talus de forme géométrique simple d’angle de pente et constitué de matériau homogène avec un angle de frottement . En absence de nappe phréatique, le facteur de sécurité est: Pour des talus hétérogènes, les problèmes liés { la présence d’eau, de surcharges, des méthodes de calcul ont été développées. METHODE DES TRANCHES LES ABAQUES Abaques de Taylor-Biarez Utilisés pour les milieux sans nappe phréatique. Abaques de Bishop-Morgenstern Massif homogène avec régime hydraulique défini. Ce dernier est défini par le paramètre ru. Variation de ru en fonction des conditions hydrauliques du massif Le coefficient de sécurité est alors défini par : Les abaques donnent les valeurs de m et n Abaque Bishop-Morgenstern paramètre m n Abaque Bishop-Morgenstern paramètre n II.3 Evènement géotechnique Un événement géotechnique est un mouvement de terrain, tel que: • un éboulis, • un glissement, • une Chute • un tassement significatif, • ou autre, qui comporte un danger pour le personnel et l’intégrité des ouvrages. Chûtes blocs dans une mine Rupture de terrain Effondrement d’un talus Glissements sur un talus de fosse Rupture de terrain Tassement sur un terrain naturel Effondrement d’une galerie en mine souterraine Rupture localisée Facteurs augmentant le risque d’évènements géotechniques Facteurs de predisposition • Géologie : – Contacts lithologiques, – Bedding – Fissures, fractures et failles, Facteurs de predisposition • Géologie : – Altération de la roche, – Surfaces de faible compétence : – Type de roche (Mica schiste) . Facteurs déclencheurs • Climat : • Opération : – Précipitations (forte pluie), – Sautage (murs de fosse), – Période de gel-dégel, – Surcharge (haldes); – Eau de surface, Pentes altérées par les pluies – Eau souterraine (nappe phréatique); Sautage • Facteur temps : Si un événement géotechnique n’est jamais survenu à un endroit, il n’est pas vrai qu’il n’en arrivera jamais un. Avec le temps , les massifs rocheux perdent leurs caractéristiques géomécanique et leur résistances. Le facteur de sécurité temps à diminuer. II.4 Suivi implantation du design Le respect du design pendant l’exploitation est très important car dans la plupart des cas, les risques surviennent à cause du non respect des designs. Plusieurs éléments doivent être suivis par l’Ingénieur Géotechnique avant Implantation sur le terrain. 3. Le minage 1. Les plans de forage Respect des angles des murs Respect de l’angle de forage Respect des limites de minage Respect de profondeurs Eviter les minages interphases Respecter la largeur des banquettes Suivre les écaillages (talutages) Eviter les gros sautages Etc… 2. Les plans de chargement et de sautage Vérifier les quantités de charge Vérifier le bourrage Vérifier la direction de tir Vérification et approbation d’un plan de forage II.5 Mise à jour du design Au cours du minage une validation du modèle géotechnique est nécessaire Cela va permettre une validation du design ou même une optimisation Cela se va au fur et à mesure que le minage évolue On procède par: Observations, cartographie ordinaires des faces (Boussole et description) type de roche, mesure des discontinuités, présence d’eau etc… photogrammétrie (Sirovision). Forage Interface du logiciel Sirovision Les données récoltées sont comparées aux données obtenues lors de l’investigation Avant On remarque ici la présence d’une nouvelle famille de discontinuités actuel Exemple de comparaison { l’aide de stéreonet II.6 Techniques de surveillance dans les mines Les mesures de déplacements • Les inclinomètres • Les extensomètres • Les mesures topographiques • Les fissuromètres • Les prismes • Le radar Les mesures de pression • Les piézomètres Prismes Les prismes d’arpentage sont des instruments simples à utiliser. Ils sont installés dans des zones considérées potentiellement instables. Ils sont ensuite arpentés à la station totale à une fréquence déterminée selon les besoins depuis un lieu de mise en station fixe. De cette manière, leur déplacement est mesuré avec précision. Ce déplacement correspond à celui de la pente sur laquelle ils sont installés. Géomos Installation d’un prisme Radar détecte des mouvements de grande envergure { l’avance : – Analyse en temps réel, – Alarmes configurées selon des grandeurs de mouvement, – Envoi de message électronique aux responsables de la géotechnique si un seuil est dépassé. Si un mouvement important est détecté par un radar, le secteur mis en danger par le mouvement peut être évacué rapidement. Radar dans une galerie Extensomètre Enregistre le déplacement d’une zone instable sur une règle graduée Piézomètres Sont installés autour de l’ouvrage afin de contrôler la pression de l’eau sur les parois de l’ouvrage. Piézomètres Câbles enregistreurs Forage Boites enregistreurs Graphique des données piézométriques Schéma type d’un profil instrumenté III. Les techniques soutènement et suppression des risque Ancrage et clouage Foration Ancrage dans une galerie Ancrage Grillage ou filet Grillage sur une paroi de mur en mine à ciel ouvert Filet sur paroi galerie Ancrage ou clouage associé avec le grillage ou filet Soutènement avec piliers Dénoyage Consiste à une pompage à partir de puisards réalisés au fond de la fosse afin d’évacuer l’eau. Permet de dépressuriser les murs Des puits de dénoyages sont souvent utilisés autour de l’ouvrage. Dénoyage Dénoyage avec un camion citerne Drainage But : Rabattre la nappe phréatique derrière le mur. De cette façon, l’eau exerce moins de pression sur le mur et la stabilité est accrue; • Méthodes de drainage : – Pompage de rabattement de la nappe phréatique, – Drains horizontaux d’assèchement, communément appelés trous de drainage –Puits de dénoyage Drainage { l’aide de forages horizontaux Drainage Par puits de dénoyage Puits de dénoyage puits de dénoyage Nappe Ecaillage ou talutage et nettoyage des banquettes But : supprimer les instabilités sur les murs et sur les crêtes de mur (éliminer les dangers) Ecaillage avec une pelle à bras long Ecaillage ou talutage et nettoyage des banquettes Ecaillage manuel { l’aide d’une grue Ecaillage Ecaillage ou talutage et nettoyage des banquettes Ecaillage manuel { l’aide d’une grue Ecaillage manuel Ecaillage Nettoyage des banquettes par un bull à la chaine Ecaillage Design de fosse • Prédécoupage : – But : Couper la roche. De cette façon, le bris des murs lors des dynamitages adjacents est empêché et l’excavation est facilitée. Ecaillage Design de fosse • Banc de retenue : – Buts : retenir les chutes de blocs, contenir les éboulis mineurs. Ecaillage Gestion des risques sur les haldes Zones à risque lors des déversements des Ecaillage camions Risques fréquents pendants la saison des pluies Inspection régulière pour afin de détecter les éventuelles ruptures Les camionnaires doivent respecter les distances de sécurité recommandées par la géotechnique après des analyses de stabilité Recommandations sur les haldes “Les Ecaillage conducteurs de camion de production doivent toujours immobiliser leur camion à un minimum de 5 mètres du bord de la halde quand s’ agit de materiel sec. Cette distance est doublée (10 mètres) quand il s’agit de materiel mouillé” Le matériel doit être ensuite poussé par un bulldozer. 10 m Halde à materiel mou et mouillé 5m Halde à materiel mou et sec Tâches du géotechnicien minier Les ingénieurs géotechniques sont en charge : Des inspections géotechniques, de manière à attester la conformité des fosses, des halde et autres travaux; De s’assurer de l’utilisation du bon design géotechnique et la mise en œuvre des systèmes appropriés et, si nécessaire la prise de décisions pour des mesures correctives; De l’inspection de tout événement géotechnique, de l’investigation et la rédaction d’un rapport sur l’évènement; De faire la collecte des données pour la mise à jour des designs; Du suivi et l’interprétation des données des systèmes de surveillance des murs; De produire des plans de risques des fosses; Tâches du géotechnicien minier De participer à la modification et à la validation des designs de fosse; De valider les plans de forage et dynamitage; De planifier des trous de forage DD et faire la description des échantillons de carottes. Logiciels géotechniques Dips Leapfrog Slide Rocplane Swedge Gems Autocad et promine Sblock Programme du radar et du geomos