Méthodes pour exploiter en mine souterraine

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Espace dédié à un travail pédagogique Ce wiki a été crée par Quentin Lespagnol et Alix Marchal dans le cadre du projet laboratoire de communication scientifique. Ce sont des étudiants en deuxième année à l'Ecole Nationale Supérieure de Géologie à Nancy . Ce document est actuellement en cours de réalisation et des modifications tant sur le fond que la forme vont y êre apportées.

Le choix de la méthode d’exploitation va dépendre des dimensions et de la configuration du gisement, de la valeur des minéraux qu’il renferme, de la composition, de la stabilité et de la résistance du massif rocheux et des impératifs de production et de sécurité (parfois en conflit). Comme dit précédemment, chaque mine est un cas particulier, mais toutes ont en commun la recherche de la rentabilité et de la sécurité.

L’exploitation par chambres et piliers pour des gisements horizontaux ou quasi horizontaux

L’exploitation par chambres et piliers est l’une des principales méthodes utilisées dans les mines de charbon (graphite) souterraines. Elle va s’appliquer aux formations dont le pendage ne dépasse pas 20°. Ces formations sont souvent d’origine sédimentaire. Le toit des galeries peut être boulonné si sa stabilité pose problème.

L’abattage du minerai va se faire par foration pour fragiliser la partie qui va être extraite et par des tirs de mines horizontaux pour décaper cette partie du massif de haut en bas. On va ainsi former des vides (ou chambres) séparés par des piliers de minerai laissés en place pour empêcher le toit de s’effondrer pour obtenir un quadrillage assurant la stabilité du massif rocheux et optimiser la récupération du minerai. On doit donc prendre en compte la résistance des piliers ainsi que d’autres facteurs pour éviter tout accident, la sécurité étant fonction de la hauteur des chambres et des dispositifs de soutènement mis en place (le principal danger venant des chutes de blocs et de la circulation du matériel). Les chambres créées vont servir de voies de roulage pour le transport par camions du minerai vers le silo de stockage.

Des jumbos de foration vont être utilisés dans les mines de hauteur normale et des appareils de foration de plus faible encombrement dans le cas contraire (en général la couche à moins de 3m d’épaisseur). Les matériaux abattus sont chargés dans des camions sur le chantier. Habituellement, des chargeuses et des camions à benne basculante ordinaires sont utilisés pour cette opération. Pour les galeries de faible hauteur, il existe des chargeuses et des camions spéciaux.

L’exploitation par chambres et piliers pour des gisements pentus

Cette exploitation va concerner les gisements tabulaires (plateaux, hautes plaines) à pendage compris entre 15° et 30° : cela représente une pente trop forte pour les véhicules sur pneus et trop faible pour la chute libre du minerai par gravité.

Les trous de mine vont habituellement être forés avec des perforatrices à main et les matériaux abattus vont être déblayés par des racleurs. Si toutefois une exploitation mécanisée peut être réalisé, des chambres en gradins sont établies pour obtenir une surface convenant aux véhicules sur pneus. Ce découpage en gradin se fait par le traçage de chambres horizontales successives de plus en plus profondes, à partir d’une galerie servant à la fois d’accès et de roulage. Des piliers de minerai sont laissés en place pour supporter le toit comme pour la méthode précédente. Des parties de ces piliers peuvent être récupérées ultérieurement.

Les engins modernes montés sur pneumatiques sont bien adaptés à l’exploitation par gradins. L’abattage peut se faire de façon entièrement mécanique au moyen des matériels mobiles courants. Les matériaux abattus sont ensuite évacués par des chargeuses et placés dans des camions pour leur évacuation. Si la chambre n’est pas assez haute pour permettre le chargement des camions, celui-ci peut se faire sur des aires spéciales aménagées dans la voie de roulage.

L’exploitation par chambres-magasins

Cette méthode d’exploitation est classique, et une des plus répandues pendant le siècle dernier. Elle se pratique encore dans de nombreuses exploitations de petite taille dans le monde, et s’applique aux gisements de forme régulière et fortement pentus, inclus dans un massif rocheux. Elle ne peut être utilisée que pour les minerais non altérables lorsqu’ils sont laissés en place après abattage (les minerais sulfurés ont tendance à s’oxyder et à se décomposer lorsqu’ils sont exposés à l’air par exemple). L’exploitation par chambres-magasins utilise la gravité, les matériaux abattus tombant directement dans des berlines sur rails via des trémies, ce qui évite le chargement manuel.

Le minerai va être enlevé par tranches horizontales en partant du bas. La majorité des matériaux abattus est provisoirement laissée en place : ils vont servir de plancher de travail pour la préparation de la volée suivante ou comme soutènement provisoire des parements. La fragmentation augmentant le volume de la roche, des matériaux abattus sont soutirés au fur et à mesure pour laisser un espace de travail suffisant, le reste étant enlevé après l’abattage de la dernière tranche.

L’exploitation par tranches montantes remblayées

Cette méthode est utilisée dans l’exploitation de gisements fortement pentus inclus dans un massif rocheux relativement stable. Le minerai est abattu et déblayé par tranches horizontales prises en montant, et le remblai mis en place au fur et à mesure. Cela permet d’extraire les minéralisations les plus intéressantes, laissant en place celles qui le sont moins. Ensuite, les vides sont remblayés de manière à former un plancher de travail comme pour la méthode précédente.

Il existe pour cette méthode différents types d’abattage :

• Par gradins renversés : les vides sont remblayés avec des matériaux secs ou humides. Le minerai est abattu par tranches de 3 à 4 m d’épaisseur, par tir de mines verticales forées en montant, les trous étant forés au moyen de perforatrices montées sur chariot.

• L’abattage de front : les vides sont remblayés avec du sable. Ils sont presque complètement remplis, le sable formant une surface suffisamment dure pour les engins sur pneus. L’exploitation est entièrement mécanisée, avec forage par jumbos et déblocage par chargeuses.

• La méthode par sous-niveaux abattus : Le remblayage consolidé des vides permet la récupération ultérieure des piliers laissés en place, de sorte que l’on obtient un taux très élevé de récupération du minerai. Le gisement est découpé en panneaux dans lesquels sont tracés des sous-niveaux reliés par un plan incliné. Ces panneaux sont ensuite subdivisés en chambres et piliers alternants, et une voie de desserte est tracée à la base du gisement que l’on équipe de points de soutirage, la partie inférieure de la chambre étant aménagée en entonnoir, de manière que les matériaux abattus glissent vers ces derniers. Des galeries sont creusées dans les niveaux supérieurs pour le passage de l’engin de foration. L’abattage par sous-niveaux est une méthode productive, en grande partie parce que la foration peut être entièrement mécanisée et que l’appareil de foration peut travailler sans interruption. La méthode est aussi relativement sûre, du fait que la foration se fait en galeries, et l’évacuation des matériaux à partir de points de soutirage.

L’exploitation par tranches montantes abattues à l’aide de charges concentrées

Ce type d’exploitation s’applique à des gisements fortement pentus. Le minerai est abattu avec des charges concentrées d’explosif placées dans des mines verticales. L’explosion crée une excavation en forme de cône. Les matériaux abattus vont rester dans la chambre pour la durée de l’exploitation et servir de soutènement aux parois.

Les travaux préparatoires comprennent le creusement d’une galerie au toit, et d’une galerie au mur. La première galerie va permettre la foration, le chargement et le tir de mines en début d’exploitation, et la deuxième va servir de surface de dégagement du minerai lors du tir et -éventuellement- d’accès à une chargeuse pour prendre le minerai abattu aux points de soutirage.

Le minerai abattu tombe dans la chambre inférieure. Une partie du minerai va rester dans la chambre pour soutenir les parements durant l’exploitation. Après l’abattage de la dernière tranche la chambre est vidée complètement et préparée en vue du remblayage.

Le gisement est souvent exploité sous forme de chambres primaires et secondaires. Les chambres primaires sont exploitées en premier, puis remblayées avec un matériau consolidé. Après un temps d’attente approprié, on peut récupérer le minerai des piliers séparant les chambres primaires, en formant les chambres secondaires. Cette méthode, associée au remblayage consolidé, autorise une récupération presque totale des réserves exploitables.

L’exploitation par sous-niveaux foudroyés

L’exploitation par sous-niveaux foudroyés s’applique aux gisements moyennement à fortement pentus de grande profondeur. Le minerai doit pouvoir être fragmenté à l’explosif en blocs maniables. Cette méthode entraîne l’éboulement du toit et l’affaissement des terrains de couverture, conduisant à la mise en place de barrières pour interdire l’accès de la mine pour raisons de sécurité.

La foration est immédiatement suivie de la fragmentation du massif rocheux aux explosifs. Le minerai et les stériles tombent par gravité au fond de la chambre et sont évacués par des galeries situées sous le niveau exploité. Des galeries d’accès doivent être tracées dans le gisement à intervalles verticaux assez rapprochés (de 10 à 20 m) et suivant une disposition déterminée. Celle-ci est la même à tous les sous-niveaux, mais de sorte à ce que les galeries d’un sous-niveau donné se trouvent entre celles du sous-niveau supérieur. C’est une opération simple qui se prête bien à la mécanisation.

Lorsque la préparation d’un sous-niveau est terminée, de longs trous de mine verticaux sont forés en éventail au plafond des galeries. La foration une fois terminée à ce sous-niveau, l’engin de foration est amené au sous-niveau inférieur. Le tir de mines fragmente la roche, qui se disloque du toit et tombe verticalement sur le mur du sous-niveau inférieur. Une coupe verticale montrerait des chantiers en escalier, où les travaux à chaque sous-niveau sont en avance d’une opération sur ceux du sous-niveau inférieur.

Les matériaux foudroyés renferment un mélange de minerai et de stériles. Les premiers matériaux évacués par la chargeuse sont constitués exclusivement de minerai. Au fur et à mesure que le déblocage progresse, la proportion de stériles augmente. Lorsque l’opérateur juge qu’elle est trop élevée, il passe au chantier suivant.

Le foudroyage par sous-niveaux est caractérisé par un schéma régulier et des opérations répétitives (creusement de galeries, foration, chargement et bourrage de trous, tir de mines, chargement et transport du minerai) réalisées de façon indépendante. L’exploitation se déroule en continu d’un sous-niveau à l’autre.

L’exploitation par foudroyage de blocs

Le foudroyage de blocs est une méthode d’exploitation à grande échelle, qui convient aux massifs de grandes dimensions et aptes à la désagrégation (il faut que les tensions internes favorisent la désagrégation de la masse). Elle est utilisée notamment dans quelques mines de cuivre, de fer, de molybdène et de diamant.

Le terme « blocs » se rapporte au découpage des unités d’exploitation. Le gisement, est découpé en unités de grandes dimensions, les blocs, qui renferment chacun un volume de minerai représentant plusieurs années de production. Le foudroyage est provoqué en pratiquant une saignée horizontale à la base du bloc. Des forces tectoniques naturelles créent dans le massif des tensions qui provoquent la dislocation des blocs en fragments de taille permettant leur passage vers les points de soutirage.

L’exploitation par foudroyage de blocs comprend le traçage d’un réseau de voies sous le bloc à extraire. Les travaux comprennent généralement la mise en surplomb de a partie supérieure du bloc, le découpage de la base en entonnoirs pour conduire le minerai, le creusement de cheminées pour la descente du minerai par gravité aux points de soutirage, l’installation de cribles pour retenir les fragments trop gros et le chargement dans les berlines. Les fragments trop gros pour la benne des chargeuses sont morcelés à l’explosif aux points de soutirage.

Projet de mine de ce type : mine de Saint-Honoré au Québec.

L’exploitation par longues tailles

Les longues tailles conviennent aux gisements en couches de forme régulière, d’épaisseur réduite et de grande extension horizontale. C’est l’une des principales méthodes utilisées pour l’extraction du charbon. Le minerai est abattu par tranches, une allée étant maintenue ouverte au front de taille, et on laisse le toit s’ébouler à l’arrière taille.

Les travaux préparatoires comprennent le traçage des galeries d’accès aux chantiers et de transport du minerai au puits d’extraction. La distance entre deux galeries de roulage voisines détermine la longueur du front de taille.

Le remblayage

Le remblayage des chambres vides empêche la roche encaissante de s’effondrer. Cela permet au massif de conserver sa stabilité et ainsi de permettre une plus grande sécurité et une meilleure exploitation du gisement. Cette méthode consiste à déverser les déblais de traçage dans les chambres vides plutôt que de les remonter à la surface.

Un coulis de ciment et de cendres volantes peut être projeté sur le remblai avant sa mise en place. Ce liant consolide le remblai, de sorte qu’il forme un pilier artificiel. Le remblai de ces chambres n’est généralement pas consolidé, sauf les dernières couches qui servent de surface de roulement pour l’évacuation du minerai.