Des cheminées à minerai sont utilisées dans des mines pour transférer par gravité le minerai des niveaux supérieurs de la mine aux niveaux inférieurs. L'intégrité des cheminées à minerai peut être compromise par des changements des contraintes et par les structures géologiques en place dans le massif rocheux. Par ailleurs, le passage du minerai participe à l'usure des murs des cheminées, causée par les charges d'impact et par l'abrasion aux parois. La revue de la littérature pertinente sur la dégradation des cheminées à minerai, suggère que tous ces mécanismes peuvent potentiellement agir simultanément bien qu'un d'entre eux soit habituellement le plus dominant. La majorité des études abordant ce sujet ont considéré l'influence d'un seul mécanisme de rupture sur l'intégrité des cheminées à minerai ou n'ont pas pris en considération, de manière réaliste, l'interaction des différents mécanismes de rupture.

L'objectif de cette thèse était d'analyser la stabilité des cheminées à minerai à la Mine Brunswick. Une campagne de collecte de données a été réalisée à la mine. Une analyse qualitative et quantitative des données rassemblées a permis l'identification des pratiques actuelles et passées à la mine. Cette analyse s'est concentrée sur l'influence de la géométrie et de la configuration des cheminées à minerai, du massif rocheux, du régime des contraintes et des pratiques sur les problèmes opérationnels observés, reliés à l'utilisation des cheminées à minerai. Des cheminées à minerai avec des signes de dégradation majeure, ont fait l'objet d'une investigation plus détaillée. En particulier, l'évolution de la dégradation a été documentée et les mécanismes critiques de dégradation ont été identifiés.

Une approche de modélisation numérique étapiste a été utilisée pour étudier la stabilité des cheminées à minerai. L'approche utilisée considère l'interaction de l'influence des contraintes, de la fracturation inhérente au massif rocheux et de l'usure due au passage du matériel comme étant des mécanismes de dégradation des cheminées à minerai. La première étape de cette approche était l'utilisation des modèles d'analyse des contraintes 3D utilisant le logiciel Map3D pour calculer les contraintes globales. La seconde étape était la construction d'un modèle synthétique du massif rocheux qui simule plus adéquatement le comportement d'un massif rocheux fracturé. Le logiciel Fracture-SG a été utilisé pour représenter la géométrie du réseau de discontinuités existant, tel qu'observé sur des sites choisis à la Mine Brunswick. Le système de fracturation modélisé est ensuite couplé avec un modèle tridimensionnel d'éléments distincts, le Particle Flow Code (PFC). PFC simule la roche intacte comme un ensemble de plusieurs particules sphériques, aux dimensions uniformément distribuées, liées entre elles aux points de contact. Un modèle synthétique du massif rocheux peut être soumis à différents niveaux de contraintes tridimensionnelles. Selon le niveau des contraintes imposé, le massif rocheux synthétique peut céder par la rupture des portions intactes de roche ou par le glissement des discontinuités. Ceci est une innovation importante dans la simulation d'un massif rocheux fracturé.

Cette façon de modélisée un massif rocheux synthétique a été utilisée pour faire la rétro-analyse d'une cheminée déjà dégradée à la Mine Brunswick. Un modèle de fracturation du massif rocheux a été généré en utilisant des données quantitatives obtenues pour un sulfure massif à la mine. Un modèle synthétique du sulfure massif a été construit en intégrant la géométrie du réseau de discontinuités modélisé dans un modèle PFC. Le modèle PFC a été ensuite calibré suivant les propriétés mécaniques des échantillons de roche intacte de sulfure massif testés en laboratoire. Ensuite, les contraintes aux frontières du modèle synthétique ont été appliquées et les volumes des cheminées à minerai ont été extraits du modèle. Ceci a permis la quantification de la grandeur des zones d'effondrement crées par l'interaction des contraintes et des structures en place autour de la cheminée à minerai. On a observé différents mécanismes d'effondrement tels que la rupture de portions de roche intacte entre les discontinuités préexistantes suivi par la chute de blocs rocheux générés par la propagation et l'intersection des discontinuités. L'influence de l'impact associé à l'écoulement des particules a alors été intégrée en projetant un fragment de roche (simulé par une particule sphérique rigide) sur les murs de la cheminée à minerai modélisés.

Cette thèse présente un cadre d'analyse portant sur l'étude de l'interaction et de l'influence des différents mécanismes de rupture sur la dégradation des cheminées à minerai. Utilisant des données de terrain amassées à la Mine Brunswick, il a été démontré que cette approche a des ramifications importantes sur la conception des cheminées à minerai. Elle peut potentiellement être employée pour la conception des cheminées à minerai dans une gamme de régimes structuraux et de contraintes. Cette approche peut faciliter le choix des configurations des cheminées qui peuvent atténuer la dimension des zones d'effondrement autour d'elles. Une contribution importante de cette thèse est l'intégration de l'influence de l'impact de matériel. Ceci peut aussi faciliter le choix d'une configuration de cheminées à minerai qui atténuerait l'apparition de dommages aux parois en raison de l'écoulement du matériel dans la cheminée. Ces techniques de conception améliorées peuvent potentiellement augmenter la longévité du système de cheminées à minerai et réduire les besoins en réhabilitation. Ceci aura des ramifications importantes sur l'investissement et les coûts opératoires.

Ore pass systems are used in mines to transfer broken material from one mine level to a lower level using gravity. The integrity of ore pass systems can be compromised by changes in stress and the presence of fractures in the rock mass. Ore pass walls can also be damaged by the impact loads of rock fragments passing through an ore pass. Blast-induced damage for removal of material hang-ups in an ore pass can also contribute to ore pass wall degradation. A review of the pertinent literature on ore pass degradation suggests that all these failure mechanisms can potentially act simultaneously although one mechanism is usually the most dominant. The majorities of studies, addressing ore pass degradation, have either investigated the influence of only one failure mechanism or have not taken into account the full interaction of the different failure mechanisms.

The objective of this thesis was to analyze the stability of ore pass systems at Brunswick Mine. A comprehensive ore pass data collection campaign was undertaken at the mine site. A qualitative and quantitative analysis of the collected data allowed the identification of current and past ore pass practice at the mine. This analysis focused on the influence of ore pass geometry and configuration, rock mass and stress regime and practice on the observed ore pass operational problems. Ore pass systems that reported significant signs of degradation were selected for further study. In particular the evolution of degradation was documented and the critical degradation mechanisms identified.

A multi stage numerical approach was used to investigate stability of ore pass systems. The applied approach addressed the interaction of stress, rock structural defects and material flow impact as ore pass degradation mechanisms. The first element of this approach was the use of 3D stress analysis models using the Map3d stress analysis software package to calculate the global stresses. The second stage was the construction of a synthetic rock mass model to simulate the behavior of a fractured rock mass. Fracture-SG software was used to generate fracture systems similar to those observed at selected sites at Brunswick Mine. The fracture system models were then embedded into a three dimensional distinct element model, Particle Flow Code (PFC). The PFC simulates intact rock material as a dense pack of uniformly size distributed spherical bonded particles. A synthetic rock mass model can be subjected to different levels of stresses in three dimensions which depending on the stress level imposed, the synthetic rock mass can fail by fracturing through the intact rock matrix or by sliding along the pre-existent fractures. This is an important innovation in fractured rock mass simulation.

The synthetic rock mass approach was employed for back analysis of an ore pass failure at Brunswick Mine. Using quantitative field data collected for a massive sulphide rock mass at the mine, a fracture system was generated using Fracture-SG. The incorporation of the fracture network geometry into a Particle Flow Code (PFC) resulted in a synthetic rock mass. The PFC model was calibrated to the mechanical properties of the massive sulphide intact rock samples measured in laboratory. In the next step, boundary stresses were introduced in the synthetic rock mass and the ore pass volume was excavated within the model. This allowed for the quantification of the failure zone extent inflicted by the interaction of stress and structure in the vicinity of the ore pass. Different failure mechanisms were observed in the form of fracturing of intact rock bridges between preexisting fractures followed by large displacements of rock slabs created by propagation and intersection of fractures. The influence of particle flow impact was then integrated by projecting a discrete rock fragment (simulated by a rigid spherical particle) against the ore pass walls represented by the synthetic rock mass.

This thesis has provided the framework for investigating the interaction and influence of different failure mechanisms on ore pass degradation. Using field data from Brunswick Mine it was demonstrated that this approach has important ramifications on ore pass design. It can potentially be used for the design of ore pass systems in a subjected range of stress and structural regimes. This approach can result in selecting ore pass configurations that can mitigate the size of failure zones around an ore pass. A major contribution of this thesis is the integration of the influence of material impact. This can further facilitate the choice of an ore pass configuration that will mitigate wall damage as a result of material flow in an ore pass. These improved design techniques can potentially extent the useful operating life of ore pass systems and reduce the need for ore pass rehabilitation. This will have important ramifications in both capital and operating expenditures.