Le laboratoire de Génie Minier de la Faculté Polytechnique de Mons conduit des recherches selon trois directions principales que sont l’exploitation des mines et carrières, la mécanique des roches, forage et reservoir engineering et la valorisation des matières.

La mécanique des roches, le forage et le reservoir engineering

1) Mesures des paramètres physiques des roches

Afin de mesurer les propriétés des roches, le laboratoire développe entièrement des équipements associant la mécanique, l’hydraulique, l’électronique et l’informatique.  Les bancs d’essai sont pilotés par des ordinateurs de type PC qui font de l’acquisition – commande en temps réel.

Le service s’intéresse depuis plusieurs années à la compréhension du comportement des matériaux rocheux sous sollicitation mécanique, ainsi qu’à l’évolution de ce comportement avec la profondeur, ce qui revient à tenir compte des effets du confinement et de la température.

Cette démarche suppose la maîtrise de différentes techniques expérimentales pour la détermination d’un maximum de paramètres, et le développement des outils de traitement des résultats expérimentaux. Cette volonté a permis de développer des bancs d’essai parmi lesquels nous pouvons citer :

• Deux presses de compression uniaxiale,
• Une presse de compression triaxiale,
• Un appareil de compression polyaxiale (véritable triaxial),
• Une presse de poinçonnage.

Des logiciels développés en Turbo-Pascal, et pour lesquels le développement continue, permettent de traiter facilement les courbes fournies par les bancs d’essais informatisés ; ce qui permet d’augmenter la fiabilité des mesures. Les recherches en cours visent essentiellement la mise au point des surfaces limites tridimensionnelles pour construire des lois de comportement plus élaborées en plasticité.

Banque de données

Etant donné la diversité des bancs d’essai disponibles dans le service ainsi que la quantité de données disponibles sur les roches testées, le développement d’une banque de données a été initié depuis 1996 en vue de fournir un outil directement utilisable par les modélisateurs. Celle-ci est en cours de développement.

Nos thèmes de recherche:

• Développement d’obturateurs instrumentés destinés à des mesures spécifiques de perméabilité et de dépollution de terrains in situ.
• Élaboration des lois de comportement et leur évolution en fonction du confinement.

2) Destructibilité des roches

La destructibilité des roches par les outils d’attaque en forages et creusements est l’une des spécialités du Service de Mécanique des Roches. De nombreux travaux expérimentaux ont permis de comprendre les mécanismes régissant l’interaction roche-outils d’attaque pour différents types de roches. Ces études permettent de mieux concevoir les outils de travail et d’en comprendre l’usure.
Des systèmes expérimentaux conçus et construits par le service permettent d’atteindre ces objectifs :

• le test de poinçonnage, le test d’abrasivité FPMs,
• les mesures d’énergie spécifique dans les conditions de coupe linéaire avec la « Rock Strength Device », machine développée par l’Université du Minnesota à Minneapolis (USA).
• les mesures d’énergie spécifique avec la « Single Cutter »,  simulateur de forage profond à élément de coupe unique

Des recherches continuent dans cette direction pour la construction des modèles de forabilité et de découpage. Le service utilise un appareil capable de tester les outils tout en reproduisant les conditions de forages.

Le logiciel Payzone de simulation des forages profonds (en vitesse, durée et coût) mis au point à l’Université de Berkeley aux USA a également été acquis au début de 1997.

Nos thèmes de recherche:

• Compréhension des mécanismes de destruction en forage ou creusement. De nombreux travaux ont été réalisés dans le service sur les mécanismes physiques qui régissent le contact entre la roche et les outils d’attaque en forage (trépans), découpage (haveuses, câbles diamantés) ou en creusement (tunneliers, machines à attaque ponctuelle).
• Des développements s’initient actuellement pour comprendre l’évolution de ces mécanismes de destruction avec la profondeur.
• Phénomène d’usure dans les roches abrasives.
• Etude de coupe de roches avec les outils PDC et Imprégnés.
• Etude du mécanisme de découpage des pierres ornementales.

 

3) Etude des ouvrages souterrains

Des bancs d’essai en développement dans le service permettent de construire des lois de comportement élaborées pour les matériaux rocheux. Ils permettent de mettre en oeuvre des essais de compression uniaxiale, triaxiale et polyaxiale. Les résultats fournis par ces bancs d’essai permettent une simulation plus fine des conditions de comportement des ouvrages souterrains. Une banque de données sur les roches, en constitution, nous permet d’obtenir les paramètres les plus réalistes  à ce sujet.  Le mineur continu est une machine à attaque ponctuelle servant au creusement de galeries souterraines. Une bonne connaissance du massif rocheux permet d’en estimer la puissance et le type des éléments d’attaque (pics).

Avec les grandes puissances de calcul rendues disponibles, la modélisation numérique a pris une très grande place pour l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains. Ces outils permettent d’étudier les ouvrages aux géométries complexes mais également les différents comportements des roches (plastiques, élastoplastiques,..). La résolution de tels systèmes repose sur différentes méthodes : les Méthodes aux Eléments Finis (MEF) ; les Méthodes aux Eléments aux Frontières ; les Méthodes aux Différences Finies.

Logiciels disponibles au service:

Flac 2D de ITASCA CONSULTING GROUP logiciel intégrant la Méthode aux Différences Finies aux éléments lagrangiens (comportement thermo – poro – élastoplastique)

BEFE de CSS INTERNATIONAL logiciel qui intègre les Méthodes aux Eléments Finis et aux Eléments Frontières (comportements élastique et élastoplastique visualisés en 3 Dimensions)

Quelques unes de nos réalisations:

• Modélisation numérique de chantiers d’exploitation profondes et d’ouvrages miniers à l’aide du logiciel FLAC 2D ou BEFE.
• Réalisation d’une étude géomécanique pour des forages profonds dans la région tectonique de KUZEI MARMARA en Turquie.
• Analyse géotechnique et étude de la déformation des piliers de la Cathédrale de Tournai.

 

L’exploitation rationnelle des mines et carrières

Le secteur industriel minier est soumis à des contraintes de plus en plus importantes : gestion rationnelle des ressources, contraintes environnementales, révision des plans de secteurs, …. Donc, un souci de gestion encore plus scientifique des exploitations se révèle être un atout considérable.

1) Planification des exploitations minières

Le Service de Génie Minier a développé plusieurs thèmes de recherche et applications dans le domaine de l’exploitation rationnelle des mines souterraines, mines à ciel ouvert et carrières. Ces activités sont développées dans l’objectif d’une gestion plus scientifique et rationnelle des exploitations minières. Elles couvrent l’ensemble des opérations relatives au domaine des projets de génie minier, depuis l’intégration des données d’exploration, les travaux de modélisations géologique et géométrique des gisements, la quantification et l’étude de la répartition des propriétés physiques du gisement à exploiter (densités, teneurs, fracturation,…) jusqu’à la planification de l’évolution de l’exploitation. Le stade ultime des ces travaux consiste en une optimisation de l’exploitation du gisement, intégrant à ces aspects techniques les finalités financières de l’activité industrielle.

Grâce au développement des outils informatiques, des logiciels permettent à présent d’intégrer et combiner des données de types géologique, technique et économique. Au sein du Service de Génie Minier de la FPMs, la majorité de ces applications sont réalisées via le logiciel Gemcom, fréquemment utilisé dans le domaine minier, ainsi que son complément en optimisation, Whittle 4D.

Classiquement, en fonction du problème à traiter, sur base des données récoltées, l’approche classique consistera en les étapes suivantes :

• une modélisation géologique du site étudié sur base des données récoltées ;
• une modélisation géométrique de l’exploitation sur base de relevés topographiques ;
• une modélisation en blocs permettant d’étudier la répartition des propriétés physiques du gisement via des méthodes d’interpolation (distances inverses, polygones, géostatistiques,…)

Sur base de ces modèles, des simulations quant à l’évolution de l’exploitation pourront être réalisées et quantifiées.

La capacité d’intégration continue et directe des nouvelles données (niveaux des affleurements, modifications de profils économiques …) permet d’améliorer les modèles de base et de suivre l’évolution de l’exploitation. En outre, la planification de l’évolution de l’exploitation peut également être étudiée. Des estimations de réserves, des simulations quant à l’évolution future de l’exploitation sont possibles grâce à la combinaison des informations contenues dans les différents modèles.

Nos thèmes de recherche:

• Étude de faisabilité des travaux exploratoires pour l’évaluation d’un gisement.
• Evaluation des coûts d’exploitation des industries minières.

2) Optimisation des tirs de mines

L’optimisation des tirs de mines passe avant tout par la connaissance du massif à abattre. Celui-ci est caractérisé par des paramètres physiques, déterminés en laboratoire au moyen des différents bancs d’essais. Le Service entretient une collaboration étroite avec des fabricants d’explosifs et des exploitants des carrières dans le Hainaut en vue de l’optimisation des tirs des mines.

Les différents objectifs et contraintes du tir conditionnent le schéma de tir.  De nombreux travaux ont été élaborés au Service sur la meilleure utilisation des explosifs.

D’autres travaux de recherche visent la compréhension des mécanismes de fragmentation des masses rocheuses au moyen des explosifs en se basant sur les théories de la Mécanique des Roches. Ils sont conduits en collaboration avec des fabricants d’explosifs ainsi que des exploitants de carrières.

Des logiciels travaillant sur PC ont été développés pour réaliser certaines tâches spécifiques comme l’optimisation des tirs de mines.

Nos thèmes de recherche:

• Evaluation du résultat d’un tir dans la pierre ornementale.
• Fragmentation des roches par les explosifs: Les objectifs poursuivis sont essentiellement l’obtention d’une granulométrie adaptée aux engins de chargement-transport et au concasseur primaire ainsi que la maîtrise des vibrations engendrées par les tirs des mines en vue de faire face aux contraintes environnementales.

La valorisation des matières

1) Valorisation des matières minérales

La société moderne est fortement tributaire, quoi que l’on en dise, des matières minérales : l’obtention des métaux et d’autres éléments chimiques ; l’élaboration des matières telles que les ciments, les bétons, les verres, les céramiques ; la production de pigments et de charges pour l’industries des matières plastiques et des peintures ne sont que quelques exemples parmi beaucoup d’autres. Ces matières minérales, extraites brutes du sous-sol où elles sont dispersées plus ou moins fortement dans des roches sans valeur, doivent faire l’objet d’une concentration avant leur utilisation. Dans le cas où un tel traitement est techniquement et économiquement possible, les roches contenant ces matériaux de valeur, sont appelées des  » minerais « .

Une des problématiques actuelle de la valorisation des minerais réside dans le fait que l’exploitation en premier lieu des gisements les plus profitables économiquement ne laisse au fil du temps que des minerais pauvres dans lesquels les minéraux de valeurs sont finement et fortement disséminés. Il en résulte la nécessité de broyer de plus en plus finement les matériaux pour obtenir la libération des constituants, nécessaire à leur séparation.

Une autre problématique concerne les rejets des exploitations minières et des usines de concentration considérés antérieurement comme n’ayant pas de valeur économique. Toutefois, la gestion des ressources naturelles et l’économie des matières premières dans le souci d’un développement durable, impliquent le retraitement de ces  » stériles  » en vue d’en extraire les minéraux de valeur encore présents. Ce retraitement permet par ailleurs de réduire les impacts environnementaux résultant de certains constituants (par exemple, des sulfures conduisant à la production de jus acides, puis à la pollution des sols et des nappes aquifères par des métaux lourds). Ici aussi, il s’avère nécessaire de broyer finement les matériaux avant les opérations de concentration.

Dans les deux cas de figures, l’utilisation des dispositifs classiques de concentration conduit à des performances médiocres en termes de récupération et de concentration. C’est tout particulièrement le cas des techniques de concentration gravimétrique qui présentent l’avantage d’être relativement peu onéreuses et ont un impact réduit sur l’environnement. La nécessité de s’adapter aux nouvelles contraintes et aux nouvelles exigences a conduit à l’émergence, ces dernières années, de dispositifs tels que les concentrateurs centrifuges.

Toutefois, et bien qu’ils donnent une relative satisfaction, ces dispositifs résultent souvent d’un développement par essais et erreurs. L’absence d’une compréhension réelle des phénomènes mis en jeu dans ces appareils de concentration, faute d’études théoriques, conduit à un choix empirique des conditions opératoires dans les applications industrielles. Des études visant à la compréhension des phénomènes qui gouvernent le processus de concentration dans ces appareils en relation d’une part avec les forces mises en oeuvre (force centrifuge, force de cisaillement, etc.) et d’autre part avec les caractéristiques des matériaux traités (densité, dimension, forme, etc.), permettent de mettre à profit toutes les potentialités de ces concentrateurs : amélioration de l’efficacité de la séparation, extension de l’usage des techniques à d’autres matériaux ou à d’autres problèmes que ceux traités actuellement, etc. L’amélioration des dispositifs disponibles et la conception de nouveaux dispositifs peuvent également découler de ces études.

Nos thèmes de recherche:

• La fluidisation en concentration gravimétrique
• La concentration des particules fines

2) Traitement des déchets

Les résidus et déchets des industries manufacturières et de la société de consommation sont tout à la fois un problème dû de la nécessité de les gérer et une source potentielle de matières premières de toutes natures (matières minérales, métaux, plastiques, etc.). Le traitement de ceux-ci connaît actuellement un net intérêt résultant du renforcement de la législation environnementale qui se traduit par une augmentation considérable des contraintes et des frais de mise en décharge. L’élimination et la valorisation de ces déchets ne peuvent toutefois être réalisées de manière optimale que si ceux-ci présentent des caractéristiques bien contrôlées, en particulier leur dimension et leur composition.
L’application des techniques de traitement des minerais ou apparentées aux déchets rend possible, par des procédés simples et compétitifs, la séparation d’un déchet sans valeur en différentes fractions qui peuvent soit être réintroduites dans le circuit des matières premières soit être éliminées de la manière la plus performante (aspects technique et économique) et la moins nuisible (aspect environnemental).Les techniques de valorisation des matières minérales peuvent s’appliquer aux déchets dont les constituants à séparer présentent des différences de propriétés physiques ou physico-chimiques (broyabilité, dimension, densité, conductivité électrique, susceptibilité magnétiques, mouillabilité, etc.).

Les techniques de concentration gravimétrique, de par leur coût relativement modéré et leur impact réduit sur l’environnement, sont tout indiquées pour le traitement des déchet et en particuliers les dispositifs de concentration pneumatique qui utilisent le phénomène de fluidisation pour réaliser la séparation des différents constituants des matériaux à traiter. En effet, les déchets comportant bien souvent des fractions solubles dans l’eau, l’utilisation de traitements en voie sèche évite la production d’effluents contaminés qu’il faut ensuite éliminer. La compréhension des phénomènes qui gouvernent le processus de concentration dans ces appareils, en particulier la ségrégation au sein du lit fluidisé, en relation avec les caractéristiques des matériaux traités (densité, dimension, forme, etc.), permet de mettre à profit toutes les potentialités de ces concentrateurs.

Nos thèmes de recherche:

• La fluidisation en concentration gravimétrique
• La concentration des particules fines
• La séparation physique des phases dans les déchets solides

3) Traitement des sols pollués

En fonction de leurs caractéristiques, les sols polluées peuvent être traités au moyen de procédés physiques, chimiques ou thermiques. Certains des procédés de dépollution par voie physique utilisent des techniques similaires à celles mises en œuvre en valorisation des matières minérales. Ce sont les techniques dites de lavage des sols ou  » Soil washing ». Bien entendu, ces techniques ne détruisent pas les polluants comme les techniques thermiques et chimiques, mais permettent de concentrer les polluants dans un volume restreint de matière qui lui fera l’objet d’un traitement visant à détruire les polluants. Cette approche permet d’une part de réduire le coût global du traitement en appliquant les traitements de destruction souvent très coûteux à une quantité moindre de matière, d’autre part de réduire l’impact du traitement sur les caractéristiques du sol. Le lavage des sols est applicable aux sols pollués par des hydrocarbures liquides non volatils ou par des produits solides tels que des métaux, des oxydes métalliques, des hydrocarbures solides (brai), etc.

Nos thèmes de recherche:

• Traitement physique des sols pollués

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Notre service est, par ailleurs rattaché à un institut de recherche de l’UMONS :