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Étude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportement

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ÉTUDES ETRECHERCHESÉtude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportementdes remblais en pâteMostafa BenzaazouaMamadou FallSerge OuelletR-390 RAPPORT●●●TRAVAILLENT POUR VOUSSolidement implanté au Québec depuis l980, l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) est un organisme de recherche scientifique reconnu internationalement pour la qualité de ses travaux.NOS RECHERCHEStravaillent pour vous !MISSIONContribuer, par la recherche, à la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles ainsi qu’à la réadaptation des travailleurs qui en sont victimes.Offrir les services de laboratoires et l’expertise nécessaires à l’action du réseau public de prévention en santé et en sécurité du travail.Assurer la diffusion des connaissances, jouer un rôle de référence scientifique et d’expert. Doté d’un conseil d’administration paritaire où siègent en nombre égal des représentants des employeurset des travailleurs, l’IRSST est financé par la Commissionde la santé et de la sécurité du travail. POUR EN SAVOIR PLUS...Visitez notre site Web ! Vous y trouverez une information complète et à jour. De plus, toutes les publications éditées par l’IRSST peuvent être téléchargées gratuitement.www.irsst.qc.caPour connaître l’actualité de la recherche menée ou financée par l’IRSST, abonnez-vous gratuitement au magazine Prévention au travail, publié ...
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ÉTUDES ET
RECHERCHES
Étude pluridisciplinaire
visant à mettre au point
un outil expert
pour la prédiction
du comportement
des remblais en pâte
Mostafa Benzaazoua
Mamadou Fall
Serge Ouellet
R-390 RAPPORT●


TRAVAILLENT POUR VOUS
Solidement implanté au Québec depuis l980,
l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé
et en sécurité du travail (IRSST) est un organisme
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Contribuer, par la recherche, à la prévention
des accidents du travail et des maladies
professionnelles ainsi qu’à la réadaptation
des travailleurs qui en sont victimes.
Offrir les services de laboratoires et l’expertise
nécessaires à l’action du réseau public
de prévention en santé et en sécurité du travail.
Assurer la diffusion des connaissances, jouer un rôle
de référence scientifique et d’expert.
Doté d’un conseil d’administration paritaire où siègent
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et des travailleurs, l’IRSST est financé par la Commission
de la santé et de la sécurité du travail.
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© Institut de recherche Robert-Sauvé
en santé et en sécurité du travail,
décembre 2004ÉTUDES ET
RECHERCHES
Étude pluridisciplinaire
visant à mettre au point
un outil expert
pour la prédiction
du comportement
des remblais en pâte
Mostafa Benzaazoua, Mamadou Fall et Serge Ouellet
Département des sciences appliquées, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue
RAPPORT
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sur le site Web de l’IRSST.
Cette étude a été financée par l’IRSST. Les conclusions et recommandations sont celles des auteurs. CONFORMÉMENT AUX POLITIQUES DE L’IRSST
Les résultats des travaux de recherche publiés dans ce document
ont fait l’objet d’une évaluation par des pairs.Étude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportement des remblais en pâte –
Rapport synthèse
SOMMAIRE
Ce rapport synthŁse traite du dØveloppement d un outil expe rt d’aide la prØdiction et l optimisation des propriØtØs
des remblais miniers cimentØs en pte. Il reprØsente une synthŁse des principaux rØsultats d’un projet financØ par
l IRSST et qui s’intitule: «Étude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du
comportement des remblais miniers en pâte». En effet, vu la complexitØ du matØriau « remblai en pte â » et les
problŁmes de sØcuritØ potentiellement inhØrents ce de rnier dans les chantiers miniers, il n existe aujourd hui
aucune mØthode rØellement satisfaisante pour guider la conception des recettes des remblais en pte cimenâ tØs.
Dans cette Øtude, partant d Øtudes expØr imentales, des modŁles mathØmatiques basØs sur les techniques de surface
rØponse ont ØtØ dØveloppØs. Ces derniers permettent de prØdire avec une assez bonne prØcision les principales
propriØtØs des remblais en p te, savoir la rØsistance mØca nique, la consistance, le pourcentage de solide et le coßt
de production du remblai minier cimentØ en p te. Les rØ sultats de la modØlisation ont permis une optimisation des
propriØtØs des remblais. Cette derniŁre tient compte, simultanØment, des critŁres importants pour l entreprise
(rentabilitØ de la technique des remblais, sØcuritØ des travailleurs et faisabilitØ). Les modŁles dØveloppØs ont ØtØ
validØs expØrimentalement. Ils ont permis la mise au point d’un outil expert prØliminaire d aide la fabrication des
recettes de remblais en pte. Leâ s rØsultats de cette Øtude vise une contribution la recherche sur les remblais
miniers en p te et une meilleure ma trise de l optimisation des recettes de ces derniers.
Page i
à
âÉtude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportement des remblais en pâte –
Rapport synthèse

TABLE DES MATIÈRES
Page
Sommaire....................................................................................................................................................... i
1. Introduction ...............................................................................................................................................1
2. MØthode et dØmarche ...............................................................................................................................2
3. tudes expØrimentales....................................................................................................... .......................3
3.1 Objectifs et dØmarche expØrimentale .............................................................................................. 3
3.2 MatØriaux utilisØs et prØparation des Øchantillons ........................................................................... 4
3.2.1 MatØriaux utilisØs................................................................................................................ 4
3.2.2 PrØparation des Øchantillons............................................................................................... 5
3.3 Tests expØrimentaux........................................................................................................................ 5
3.4 Principaux rØsultats des Øtudes expØrimentales ............................................................................. 6
3.4.1 Influence des propriØtØs physiques et chimiques des rØsidus sur la rØsistance
des remblais en p te cimentØs ........................................................................................... 6
3.4.2 Influence de la quantitØ et de la chimie du liant hydraulique sur la rØsistance
du remblai en p te ............................................................................................................. .8
3.4.3 Influence de la qualitØ et de la quantitØ de l eau de gchage sur la rØsistance
mØcanique du remblai en p te............................................................................................ 9
3.5 Conclusion..................................................................................................................................... 10
4. ModØlisation des propriØtØs des remblais en p te ............................................................................ ..... 11
4.1 Introduction.................................................................................................................................... 11
4.2 PrØdiction de la performance des remblais en p te non soumis l’ effet de sulfate...................... 11
4.2.1 DØveloppement des modŁles ........................................................................................... 11
4.2.2 Effet des variables sur la rØponse des modŁles............................................................... 13
4.2.3 VØrification de la validitØ des modŁles.................................................................................. 15
4.3 Conclusion..................................................................................................................................... 16
5. Optimisation des recettes de remblais en p te............................................................................... ........16
6. Outil d aide la fabrication des remblais miniers en pâte cimentØs....................................................17
7. Conclusion..............................................................................................................................................18
8. RØfØrences.............................................................................................................................................19
Remerciements ...........................................................................................................................................21


Page ii
âÉtude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportement des remblais en pâte –
Rapport synthèse

LISTE DES TABLEAUX
Page
Tableau 1 : Bornes expØrimentales des modŁles.....................................................................................12 u 2 : Coefficients de dØtermination des diffØrents modŁles...........................................................13
Tableau 3 : RØsultats des tests de vØrification de la validitØ des modŁles dØveloppØs
pour les remblais non sulfatØs ...............................................................................................15


LISTE DES FIGURES

Figure 1 : ReprØsentation schØmatique de la dØmarche suivie et de la mØthode de
prØdiction des propriØtØs et d’optimisation des remblais en p te............................................2
Figure 2 : MØthodologie de l Øtude expØrimen tale de l influence des pa ramŁtres physiques
et chimiques des constituants du remblai sur son comportement mØcanique ........................3
Figure 3 : Courbe de distribution granulomØtrique de la taille des grains des rØsidus
miniers ØchantillonnØs .............................................................................................................4
Figure 4 : volution de la rØsistance du remblai (UCS) en fonction de la granulomØtrie
du rØsidu de la mine KNA ........................................................................................................6
Figure 5 : Influence de la densitØ du rØsidu sur la rØsistance du remblai (rØsidu de la
mine LVT utilisØ) ......................................................................................................................7
Figure 6 : Influence de la densitØ du rØsidu sur la consommation (volumique) en liant
(teneur massique en ciment 4,5 %) et sur le coßt du remblai prØparØ (rØsidu
de la mine LVT utilisØ) .............................................................................................................7
Figure 7 : Influence de la teneur en soufre (en pourcentage massique) sur la densitØ
relative du rØsidu et sur le dØveloppement de la rØsistance mØcanique du
remblai en fonction du temps de cure......................................................................................8
Figure 8 : volution de l UCS du remblai de la mine LVT avec le type de ciment et sa
proportion dans le temps (FA : Flys Ash) ................................................................................9
Figure 9 : Effet de la concentration en sulfate de l eau de gâchage sur la rØsistance
mØcanique des remblais en pâte base de Ciment Portland et aprŁs 28 jours
de cure (rØsidu de la mine LVT utilisØ) ..................................................................................10
Figure 10 : ReprØsentation schØmatique des objectifs et de l approche de la modØlisation
(%S: pourcentage de solide)..................................................................................................11
Figure 11 : Profil de prØdiction de la rØsistance, du slump, du coßt et du pourcentage de
solide du remblai....................................................................................................................14
Figure 12 : Courbes iso-rØsistances (Ln UCS 28 jours in kPa) du remblai en fonction de
rapport E/C et du % Fines......................................................................................................15
Figure 13 : DØsirabilitØ globale du remblai en p te non-sulfatØ............................................................... 17
Figure 14 : Page principale d’entrØe des donnØes de l o util expert dØveloppØ .......................................18
Figure 15 : Exemple de courbes de prØdiction de l UCS pouvant Œtre livrØes par l outil expert..............18
Page 2 Étude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportement des remblais en pâte –
Rapport synthèse
1. INTRODUCTION
L’utilisation du remblai minier cimentØ en p te dans l industrie miniŁre est devenue une technique trŁs
largement pratiquØe dans les mines modernes travers la planŁte et, particuliŁrement, au QuØbec et en
Abitibi-TØmiscamingue. Le remblai cimentØ en p te est un mØlange de rØsidus miniers fins provenant des
concentrateurs, encore humides, issus d’une filtration du rØsidu final, d’un liant hydraulique composØ d’un
ou de plusieurs ciments, dans une proportion allant de 3 7 % et, enfin, d’eau, pour atteindre la
consistance dØsirØe. Le remblai en p te est prØparØ dans une usine de remblai situØe dans la mine, puis
transportØ par gravitØ et/ou pompage travers des trous de forages et/ou des conduites jusqu son lieu
de dØp t (sous terre pour les remblais souterrains ou, rarement, en surface pour les remblais de surface).
Le remblai en p te souterrain joue un r le technique important dans les mines souterraines. En effet, il
permet d’assurer la stabilitØ des chantiers et une extraction plus complŁte des minerais. Le remblai en
p te constitue aussi une technologie novatrice de gestion des rØsidus miniers (potentiellement polluants
ou non). En effet, Il peut permettre de stocker sous terre jusqu’ 60 % des rØsidus miniers
potentiellement polluants pour l environnement.

Toutefois, les avantages reliØs la technologie des remblais en p te ne seront pleinement rØalisØs que si
l’on a pris soin de caractØriser et d Øtudier adØquatement les propriØtØs physico-chimo-mØcaniques des
remblais en pte prØparØs dans l usine de remblai. En effet, l’ingØnierie des mines est confrontØe de
nombreux dØfis technologiques. Ces dØfis sont gØnØralement d’assurer une rentabilitØ croissante de la
production, tout en garantissant une sØcuritØ maximale sous terre. Cette sØcuritØ dØpend, en grande
partie, de la stabilitØ physique ou mØcanique de l’ensemble des structures en place et, en particulier, de
celle du remblai en p te. Pour diverses raisons, il peut arriver que le remblai glisse ou s Øcroule. Cet
effondrement peut entra ner, dans certains cas, la mort des personnes travaillant proximitØ de la zone
et/ou des dØg ts corporels ou matØriels importants, sans compter la dilution importante que subit le
minerai ainsi que les arrŒts de production de la mine. Plusieurs Øtudes (Landriault, 1995; Amaratunga &
Yaschyshyn, 1997; Archilbald et al., 1998; Hassani et Archibal, 1998; Benzaazoua et al., 2000, 2003b;
Belem et al., 2000; Fall et al., 2004; etc.) effectuØes au cours des derniŁres annØes ont montrØ que la
stabilitØ des remblais est largement influencØe par la qualitØ du remblai en pte prØparØ dans l usine de
remblai, c’est- -dire que la connaissance, la prØdiction et l optimisation des propriØtØs des remblais en
p te fabriquØs sont indispensables, lorsque l’on veut disposer d’un environnement de travail sØcuritaire et
d’une mine rentable. Conscients de cette nØcessitØ, plusieurs chercheurs ou Øquipes de recherche dans
le monde entier particuliŁrement l Øquipe de recherche de l UQAT-URSTM se sont lancØs la recherche
d outils experts ou de mØthodes efficaces permettant d’optimiser les remblais en p te et/ou de prØdire
leur performance. Jusqu ici, d importants rØsultats ont ØtØ obtenus. Cependant, malgrØ l importance de
ces rØsultats, ces derniers sont loin d Œtre su ffisants. Ceci est principalement attribuable :

• d une part, la complexitØ du matØriau remblai. Il s agit d un matØriau dont les propriØtØs sont
influencØes par plusieurs paramŁtres d’ordres physique, chimique et/ou technique. Les matØriaux
entrant dans la fabrication du remblai (rØsidus miniers, eau de g chage, liant, etc.) sont trŁs variables,
et le remblai lui-mŒme prØsente des caractØristiques qui varient au cours du temps. Tout ceci fait que le
remblai prØsente un comportement complexe et, jusqu’ maintenant, pas suffisamment connu.

• d autre part, un manque d approche mathØmatique du problŁme. La majoritØ des Øtudes (Landriault,
1995; Amaratunga & Yaschyshyn, 1997; Archilbald et al., 1998; Hassani et Archibal, 1998; Benzaazoua
et al., 2000, 2003b; etc.) sur l optimisation des mØlanges de remblai en p te, effectuØes jusqu
prØsent, ont surtout privilØgiØ l approche purement expØrimentale, qui n’est pas suffisante pour
rØsoudre des problŁmes ou comprendre des systŁmes aussi complexes. Ces Øtudes reposent
essentiellement sur l expØrience des experts, et elles ne permettent qu une Øvaluation qualitative du
comportement des remblais. Cette derniŁre est aussi, malheureusement, souvent affectØe par une
grande part de subjectivitØ.

Donc, si on tient compte des faits ØvoquØs ci-dessus, l intØgration d une approche mathØmatique
adØquate dans ladite recherche peut permettre d optimiser les remblais et de prØdire leurs propriØtØs
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Rapport synthèse
avec une assez bonne prØcision, tout en diminuant au minimum la part de subjectivitØ dans cette
analyse. C’est pourquoi, dans la prØsente Øtude, des modŁles mathØmatiques, basØs sur les techniques
de «surfaces rØponses», seront dØveloppØs pour permettre une prØdiction des principales propriØtØs des
remblais en p te et leur optimisation. Ces propriØtØs sont :

• Leur rØsistance mØcanique; cette derniŁre permet d Øvaluer la stabilitØ physique des remblais (c’est--
dire, la sØcuritØ du milieu de travail) par la mØthode de Mitchel (1989);
• Leur consistance ou leur taux d’affaissement (slump); ce dernier permet de juger la transportabilitØ des
remblais fabriquØs;
• Leur pourcentage solide; il sert Øgalement dØfinir la transp ortabilitØ du remblai, mais aussi
dØterminer la quantitØ maximale de rØsidus miniers pouvant Œtre stockØe sous terre;
• Leur coßt; il dØpend en grande partie de la quantitØ de ciment utilisØe.

Ainsi, les objectifs spØcifiques de cette Øtude sont les suivants :

• tude dØtaillØe des effets des principaux constituants (rØsidus, soufre, ciment, eau de gchage, etc.)
du remblai en p te sur sa rØsistance mØcanique;
• DØveloppement de modŁles mathØmatiques pour prØdire la qualitØ (rØsistance mØcanique,
consistance, coßt, pourcentage de solide) des remblais en pte;
• Optimisation des recettes des remblais en pte, en respectant les contraintes techniques, physiques et
Øconomiques de l entreprise miniŁre;
• Et, enfin, dØveloppement d’un outil de design simple (progiciel) d aide la fabrication des recettes de
remblai en p te.

2. METHODE ET DEMARCHE
Dans cette Øtude, la mØthode des surfaces de rØponses a ØtØ utilisØe pour prØdire les propriØtØs
mØcaniques (UCS), physiques (affaissement ou slump, pourcentage de solide) et Øconomiques des
remblais. Celle-ci, combinØe avec la fonction de dØsirabilitØ, a permis une optimisation des propriØtØs des ais. La figure 1 montre les diffØrentes Øtapes de cette Øtude, et elle schØmatise les principes de
modØlisation et d optimisation dØveloppØs dans le cadre de cette recherche. Alors que les principes
fondamentaux des mØthodes de surfaces rØponses sont dØcrits d’une maniŁre dØtaillØe dans les travaux
de Box & Wilson (1951), Box & Drapper (1987), Khuri & Cornell (1987), Myers & Montgomery (1995),
ceux d optimisation par l approche de dØsirabilitØ sont traitØs dans les publications de Harrington (1965)
et Derringer & Suich (1980).

Résidus Liants Eaux
Outil Expert
Abaques - Logiciel
Études
Expérimentales
Analyse
Entrée Sortie 1 Sortie 2
X y (UCS)1 i
X Modélisation avec 2 y (slump) Y(UCS )j optimal*les méthodes de ∑
X surfaces réponses y (coûts)m-1 k
Xm

Figure 1 : Représentation schématique de la démarche suivie et de la méthode de prédiction des propriétés et
d’optimisation des remblais en pâte

Page 2
Paramètres influençant,
UCS du remblai
â
â
â
àÉtude pluridisciplinaire visant à mettre au point un outil expert pour la prédiction du comportement des remblais en pâte –
Rapport synthèse

3. ÉTUDES EXPERIMENTALES
3.1 Objectifs et démarche expérimentale
tant donnØ que la rØsistance mØcanique est l un des paramŁtres les plus importants dans le design des
ouvrages de remblai en p te, c’es t- -dire dans l Øvaluation de la stabilitØ des chantiers miniers
remblayØs, les Øtudes expØrimentales rØalisØes dans le cadre de cette recherche portaient
principalement sur l Øvaluation de l influence des pr incipaux composants (rØsidu, ciment, eau, etc.) du
remblai et du facteur temps sur sa rØsistance mØcanique. Ainsi, les principaux objectifs visØs dans cette
Øtude peuvent Œtre rØsumØs comme suit (figure 2) :

• tude de l’influence des caractØristiques physiques (granulomØtrie, densitØ) et chimiques (teneur en
soufre) des rØsidus miniers sur la rØsistance mØcanique des remblais en pte;

• tude de l influence de la chimie et de la quantit Ø du liant utilisØ sur la rØsistance mØcanique du
remblai;

• tude de l’influence de la qualitØ (teneur en sulfate) et quantitØ (proportion) de l eau de g chage sur
la rØsistance mØcanique du remblai en pte.

• tude de l effet du temps de cure et du pourcentage de solide (proportion de solide dans le remblai)
sur la rØsistance mØcanique des remblais.

La figure 2 rØsume les diffØrentes parties et Øtapes de cette Øtude expØrimentale. Les rØsultats des
Øtudes expØrimentales sont dØcrits en dØtail dans Benzaazoua et al. (2003a,b) et Fall et al. (2004a,b).

Qualité du remblai
Comment est-elle affectée par? Influence sur
UCS
RESIDUS EAU TPS DE CURELIANTS
! 14 jours, ! granulo. ! [Sulfate] ! %
28 jours, ! densité ! [Calcium¸] ! chimie 56 jours, ! %Soufre ! etc.
90 jours!etc.
etc.

Note : granulo.: granulomØtrie; E.: eau; TPS: temps de cure; UCS :
rØsistance compression uniaxiale
Figure 2 : Méthodologie de l’étude expérimentale de l’influence des paramètres physiques et chimiques des
constituants du remblai sur son comportement mécanique

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