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).
2.3.3 Critres de rupture
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).
2.4.2 Critres de rupture
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
Longueur des traces (m)
Nom
bre
de join
ts
Nbre de joints: 2171
0 5 10 15 200
200
400
600
800
1000
1200
Longueur des traces (m)
Nom
bre
de join
ts
Nbre de joints: 3530
0 5 10 150
100
200
300
400
Longueur des traces (m)
Nom
bre
de join
ts
Nbre de joints: 1430
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
Nbre de joints: 3899
0 0.5 1 1.5 2 2.50
200
400
600
Espacement (m)
Nom
bre
d'
lm
ents
Nbre de joints: 1440
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
200
400
600
Espacement (m)
Nom
bre
d'
lm
ents
Nbre de joints: 1588
0 1 2 3 4 5 60
100
200
Espacement (m)
Nom
bre
d'
lm
ents
Nbre de joints: 510
45
4.6 Modle de systme de fractures
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).
5.2 Modle de systme de fractures
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