Essai d'optimisation d'une blocomtrie

d'abattage l'explosif

Hubert H R A U D I n g n i e u r

Chef du groupe Sols roches Laboratoire R g i o n a l des Ponts et C h a u s s e s de

Clermont-Ferrand

Alain BLANCHIER I n g n i e u r t u d e s et Travaux

Explotech

Yvan SIFRE I n g n i e u r conseil

Ysoconsultants

R E S U M E

La production de gros blocs (> 800 mm) fr-quents sur les chantiers de travaux publics conduit le plus souvent la mise en dpt de ces matriaux, leur ptardage secondaire l'explosif, ou leur fragmentation l'aide d'un brise-roches. Quelle que soit la solution rete-nue, elle est toujours onreuse, parfois dange-reuse, et le plus souvent sensible pour l'envi-ronnement.

L'tat actuel des connaissances dans le domaine du minage permet, partir d'une bonne tude du massif rocheux et aprs simu-lation sur un logiciel de minage adapt, d'opti-miser la granulomtrie recherche.

Dans l'exemple prsent, les modifications de certains paramtres du plan de tir ont entran un lger surcot de foration mais surtout une augmentation trs sensible du poste explosif. E n revanche, les bons rsultats granulomtriques se traduisent par un gain de productivit important des engins de charge-ment, une moindre usure du matriel et l'ab-sence de dbitage secondaire des gros blocs.

Le bilan conomique montre que l'investisse-ment apparemment important fait dans le domaine du minage conduit un rsultat trs largement positif, si l'on prend en compte l'en-semble de l'opration minage plus chargement des matriaux.

M O T S CLS : 36-43 - Abattage - Explosif -Massif rocheux - Optimisation - Simulation -Logiciel - Granulomtrie (granularit) Carrire.

Les volutions rcentes des techniques de minage et des connaissances des massifs rocheux, ainsi que la matrise des caractristiques des produits explosifs permettent actuellement une optimisation des rsul-tats des tirs d'abattage.

Dans le domaine du gnie civil, il s'agit gnrale-ment d'optimiser la blocomtrie du matriau abattu afin d'viter des mises en dpt toujours coteuses ou d'avoir recours des dbitages secondaires tou-jours onreux, parfois inefficaces et souvent dange-reux.

L'exemple prsent concerne u n site d'extraction rocheux dont les matriaux sont destins la construction d'une digue. L a prsence d'une valle trs encaisse rend pratiquement impossible l'entre-posage de gros blocs et conduit rduire le plus possible le volume d'emprunt. Il faut donc, dans toute la mesure du possible, optimiser la fragmenta-tion du matriau afin d'obtenir une granulomtrie voisine de 0/500 m m , la rigueur 0/800 m m , et uti l i -ser en totalit les produits du minage.

Le site d'extraction Contexte topographique

L a morphologie encaisse du site conduit extraire les matriaux flanc de pente et conditionne, en partie, la gomtrie des tirs de mine. De nombreux tirs prparatoires ont t ncessaires, en particulier dans la zone altre, afin d'obtenir une plate-forme correcte permettant le minage du rocher sain dans de bonnes conditions (fig. 1 et 2).

Bull, l iaison Labo . P . et C h . - 187 - s ept -oc t 1993 - Rf. 3777 29

Fig. 1 - Vue gnrale du site d'extraction. La morphologie accidente conduit raliser des parois raides et dgager

les tirs vers l'avant.

Fig. 2 - Schma de principe des diffrentes phases de minage.

Donnes gologiques L a zone d 'emprunt se situe dans u n mass i f granit ique reprsent par u n granit biotite grossier moyen plus ou moins orient, d'as-pect souvent gneissique, et renfermant des passes de leucogranite. D u point de vue tectonique, on se trouve dans une zone trs accidente, proximit d'un accident gologique majeur affect par une tectonique hercynienne, voire anthercynienne trs intense, reprise par la suite par des mouvements alpins . L e mass i f se trouve a ins i intensment fractur et l a plupart des cassures prsentent des surfaces lustres avec des stries tectoniques orientes et souvent recouvertes d'un enduit chloriteux, voire argileux.

Mesures spcifiques Les principales donnes concernant le mass i f rocheux ont t recueil l ies soit pendant les tudes gotechniques, soit pendant l a phase des travaux.

MATRIAU IN S I T U

Vitesse sismique d u rocher (sismique rfraction) 5 000 m/s

Vitesse microsismique (moyenne mesure dans forages)

4 000 4 500 m/s

M A T R I C E R O C H E U S E

Vitesse d u son sur chantillon 5 280 m/s

M a s s e volumique 2,66 t /m"

Rsistance uniaxiale 42 M P a

Rsistance en traction (essai Brsilien) 6,9 M P a

M i c r o Deval sec 10,6

M i c r o D e v a l humide 14,3

F r a g m e n t a t i o n D y n a m i q u e 22

F R A C T U R A T I O N

L e comptage de la densit de fracturat ion a t tabli par t i r de l a classif ication propose par l ' A F T E S (tableau I).

TABLEAU I Di f frentes classes de d e n s i t de d iscont inu i t

p r o p o s e s par l'AFTES

Classe Intervalle moyen

entre d i s c o n t i n u i t s ID (cm)

D e n s i t de d i s c o n t i n u i t

ID 1 > 200 Trs faible

ID 2 60 200 Faible

ID3 20 60 Moyenne

ID 4 6 20 Forte

ID 5 < 6 Trs forte

L a densit de fracturat ion mesure sur photo-graphies de sondages carotts vert icaux et horizontaux situe le mass i f entre ID3 (densit de fracturat ion moyenne) et ID4 (densit de fracturat ion forte).

Les mmes mesures effectues sur affleurement dans diffrentes directions donnent des valeurs s'talant de 2 90 cm (ID2 ID5) avec environ 95 % de valeurs comprises entre 0 et 60 cm(fig.3). O n peut remarquer que l 'analyse de l a fractu-rat ion sur sondages carotts donne des rsul-tats sensiblement diffrents selon qu'elle est effectue sur sondage vert ica l ou sur sondage horizontal . Ceci peut s 'expliquer dans l a mesure o l a majorit des pendages est trs redresse, comprise entre 40 et 90 degrs. P a r a i l leurs , quel que soit le n iveau de mesure (front de tai l le ou sondage carott vert ical ou horizontal) , aucun interval le entre d iscont inui -ts n'est suprieur 90 cm, ce qui pourrai t la i s -ser supposer qu 'aucun lment l 'extraction ne devrait tre suprieur 90 cm. Cette observa-t ion se trouve par ai l leurs conforte par le carac-tre faille du secteur. Dans la pratique, nous verrons par l a suite que certains blocs peuvent atteindre des dimensions voisines de trois mtres.

30

Fig. 3 - tude de la densit de facturation : histogrammes d'intervalles de discontinuits.

30

?0

10

Mesures sut front de taille

i i i i i i i i i i r n r n i m 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

r-'\D5 ID4~ ID3 ID2 Ecart e' (cm)

20

10

i i i i i i i i i i 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

~ n i i i r ~ 65 70 75 80 85 90

cart e' (cm)

(%) 20

Mesures sur sondage caroti? vertical

10

D nn n n i i i i i i i i r n r n i i 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

cart e' (cm)

Tirs initiaux

Paramtres dpendants des conditions de chantier Les schmas de t i rs in i t i aux sont trs large-ment dpendants des conditions qu i prvalent sur le chantier : les volumes de roche extraire et, plus par-ticulirement, l a gomtrie finale d u chantier incitent opter pour une extraction par passes successives de 6 m de hauteur environ ; le faible volume de roche extraire (2 500 3 000 m ' par tir) et l a hauteur modeste de front du chantier conduisent choisir une fora-t ion en diamtre 105 m m ; l a prsence d'eau dans les trous de mines oblige ut i l i ser des explosifs encartouchs en diamtre de 80 m m et rsistants l 'eau (dyna-mites ou gels encartouchs).

Matrise de techniques avances de tir Certaines caractristiques de ces schmas de t irs in i t i aux sont lies l a ncessit de rduire au m i n i m u m les nuisances dans l 'environne-ment (en part icul ier en matire de vibrations et de projections) et l a matrise de techni-ques avances de minage de l a part de l 'entre-prise.

Cette volont de min imiser l ' impact des t irs sur l 'environnement se confond avec une volont d'efficacit. A i n s i l'amorage est ralis par u n t i r squen-t ie l : les trous sont amorcs par des dtonateurs None l en fond de trou ; chaque range est initie en tte par u n dtonateur lectrique pilot par u n exploseur squentiel ; le retard entre trous voisins d'une mme range est de 25 millisecondes ; le retard entre ranges successives est de 84 millisecondes. Cette technique permet de rduire les charges unita ires du t i r tout en accroissant l'efficacit de chaque charge explosive et l a tai l le d u t i r . Ce dernier comporte 28 trous, les charges de tous les trous tant spares dans le temps. De l a mme manire, l 'ut i l i sat ion de gravier comme matriau de bourrage permet de mieux contenir l 'explosif, et donc d'accrotre l'effica-cit des charges et de rduire les projections verticales.

Intuition de la rponse du rocher Certa ins choix du t i r sont guids par une va-luat ion (par nature subjective) de l a rponse du t e r ra in : l'aspect trs fractur du rocher pouvait laisser supposer qu ' i l serait ais de parvenir respecter les exigences de remploi des matriaux.

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Cette hypothse conduit ut i l i ser une charge de pied forte de manire accrotre autant que pos-sible l a mai l le , en l'occurrence une dynamite N C 2 , et une charge de colonne plus modeste de manire rduire les cots d'abattage, en l'oc-currence du gel encartouch Gelsur i te 2000. L a rpartition entre charge de pied et charge de colonne est de u n tiers de dynamite pour deux tiers de gel environ. E l l e conduit une charge uni ta ire de 28 k g par t rou pour u n bourrage t e r m i n a l de 2,5 mtres.

Une solution alternative : la simulation U n e autre solution pour valuer l 'aptitude fragmenter l a roche et t de raliser une valuation in i t ia le du rocher par t i r de ces caractristiques mcaniques et structurales . Nous avons ralis une telle approche l'aide du logiciel de s imulat ion T H P - B L A S T et des caractristiques releves sur le site. Cette valuation s'appuie en part icul ier sur l 'est imation de l a ta i l le des blocs en place soit environ 400 m m , mais galement sur une observation des joints du mass i f (ferms et de directions peu dterminantes sur l 'aptitude des charges explosives extraire l a roche).

Les s imulat ions ralises par t i r de cette valua-t ion thorique d u mass i f mettent en vidence : une facilit certaine excaver le mass i f l'explosif ; l a banquette maximale ralisable pour le chargement en explosif prcdent est de 3,2 m. E l l e est plus lie l 'obtention d'une vitesse d'jection convenable des matriaux et donc u n foisonnement satisfaisant qu' des difficults de fracturat ion du pied ; une difficult fragmenter le mass i f dans le respect des conditions de remploi des mat-r iaux ; l a mai l le doit tre rduite 9 m 2 pour l i m i -ter le taux d'lments suprieurs 800 m m 2 % environ. A i l m 2 , ce mme taux s'lve 6 %.

Rsultats des mesures granulomtriques aprs tir Deux chantillons d'environ 60 tonnes chacun, reprsentatifs de deux t irs du type A (maille 11,20 m 2 , amorage fond de trou , 400 g d'explo-sif au m 3) ont t soumis analyse granulom-trique dtaille : analyse par tamisage pour la fraction comprise entre 5 et 80 m m , passage aux gril les de 150, 300 et 800 m m et mesure des dimensions maximales pour les plus gros l-ments et pesage des diffrents lments (fig. 4).

Fig. 4 - Mesure granulomtrique en vraie grandeur, passage la grille de 150 mm.

Tamisais cumuls (%) 100

I I I Fuseau tirs A Fuseau tirs B Fuseau tirs A Fuseau tirs B

* \

I

I

I 300 rr m| I

I

!

10 20 50 100 200 500 10002000 10 000 Dimensions (mm)

Fig. 5 - Comparaison entre mesures granulomtriques des tirs A et B.

Fig. 6 - En haut pour les tirs de type A, les lments sup-rieurs 800 mm (7 16 %) ont d tre tris.

En bas les matriaux d'abattage correspondant aux tirs de type B (voir tableau II) ne prsentent pratiquement pas

d'lments suprieurs 800 mm.

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P o u r chaque t i r de type A on peut remarquer u n pourcentage de gros blocs variable de 7 16 % avec de gros lments pouvant atteindre 800 m m , voire plus de 2 000 m m (fig. 5 et 6). De tels rsultats ne sont videmment pas com-patibles avec une optimisation de la rutilisa-t ion des matriaux.

Modification du schma de tir U n e tentative d'adaptation du schma de t i r aux exigences du chantier aurai t pu tre rali-se exprimentalement. Toutefois, une telle mthode aurai t impos u n nombre d'essais important incompatible avec la dure du chantier exprimental ou des modifications importantes du p lan de t i r sans garantie de trouver rapidement une solution acceptable, voire en prenant des risques vis--vis de l 'environnement (en matire de projections par exemple).

U n e autre solution consistait s imuler diff-rentes hypothses de t i r l'aide d 'un logiciel adapt (en l'occurrence T H P - B L A S T , 1988). Les paramtres ncessaires l a s imulat ion sont : les caractristiques du mass i f : caractristi-que mcanique, f issuration ; l a gomtrie du t i r : hauteur d u front, d ia -mtre, inc l inaison , dviation de la foration ; les caractristiques des explosifs : nature , densit, vitesse de dtonation, nergie ; les cots des explosifs, foration, amorage. A par t i r des donnes prcdentes le logiciel peut s imuler u n t i r , c'est--dire, pour une mai l le dtermine, donner une est imation de la granulomtrie, d'abattage. U n autre mode d'accs est le calcul de l a mai l le qu i permet d'obtenir u n objectif choisi , l a gra-nulomtrie dans le cas prsent.

Simulation partir d'un logiciel adapt Dans cette dmarche, les tapes suivantes ont t successivement franchies : saisie des rfrences du mass i f par t i r des premiers t irs raliss et de leurs rsultats ; introduct ion des souhaits en terme de sortie

de pied, foisonnement et surtout granulom-trie ; simulat ions de diffrents schmas de t i rs . Dans u n premier temps, l a mai l le permettant de raliser les objectifs granulomtriques a t value. Cette dernire conduisait sans autre modifica-t ion, des vitesses de projections excessives. L'accroissement du rapport de mai l le rgulari-sant la granulomtrie a permis de rduire les projections dans le respect des objectifs fixs. Les modifications de rpartition des explosifs se sont avres inut i les : aucune amlioration sensible des cots n'a p u tre apporte. Selon les s imulat ions , le respect des objectifs granulomtriques conduit u n accroissement de l a consommation en explosif de 400 g/m 3 540 g /m 3 soit + 35 %, une d iminut ion de la mai l le de foration de 11,20 9 m 2 (tableau II) et une augmentation quivalente du cot sec de l 'abattage.

Les nergies spcifiques passent de 1,42 1,94 M J / m 3 (+ 37 %). L'ensemble des saisies et s imulat ions a t ralis sur une journe. I l ne restait plus qu' vrifier sur le site les prvisions des s imulat ions .

Rsultats granulomtriques Des granulomtries en vraie grandeur ont t effectues dans les mmes conditions que pour les t i rs de phase A , sur environ 60 tonnes de matriaux.

O n remarque que pratiquement aucun des plus gros lments n'est suprieur 800 m m alors que le passant 5 m m relativement fa i -ble pour les t irs A (6 8 %) devient plus impor-tant pour les t i rs B (10 12 %) (cf. fig. 5). Signalons qu'en dbut de chantier l 'entreprise avait propos une solution peu prs quiva-lente celle f inalement retenue. O n peut donc estimer que dans ces conditions de t i r , l a presque totalit des matriaux peut tre directement utilise (cf. fig. 6). L e tableau II ci-aprs rsume les caractristi-ques des t i rs in i t i aux (A) et t irs modifis (B) a ins i que la granulomtrie obtenue.

TABLEAU II Carac t r is t iques et rsul ta ts g r a n u l o m t r i q u e s des tirs initiaux (A) et tirs modi f is (B)

Foration mm Maille m

2

Explosif

A m o r a g e

G r a n u l o m t r i e

Foration mm Maille m

2

Nature Charge

s p c i f i q u e g/m 3

n e r g i e s p c i f i q u e

MJ /m 3

A m o r a g e > 800 mm < 5 mm

TIR A 110 11,20 Gel 2000 (2/3) Pied NC2 (1/3) 400 1,42 FDT 7 16% 6 8 %

TIR B 105 9 Gel 2000 (2/3) Pied F16 (1/3) 540 1,94 FDT 0 2 % 10 12%

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M W

Bilan technico-conomique Les variat ions des paramtres de t i r et de chargement entre les t irs A et B sont donnes dans le tableau III ci-dessous :

TABLEAU III - Variation des principaux p a r a m t r e s des tirs A et B

U n i t Tir A Tir B Variation %

Charge g/m3 400 540 + 35 %

nergie spcifique m/m3 1,42 1,94 + 37%

Longueur fore cm/m3 8,9 11,1 + 24%

Rendement pelle m3/h 140 200 + 43%

Production m3/J 980 1 400 + 43%

L e b i l a n conomique entre t i r A et t i r B s'ta-bl i t de l a manire suivante : . Opt ion G ) avec dbitage secondaire des blocs au brise roche (tableau IV) .

TABLEAU IV - Comparaison c o n o m i q u e entre tirs A et B dans le cas de d b i t a g e

U n i t Tir A

Tir B

Variation F-m 3

Total des variations

F/m'

Cot explosif + amorage F/m3 8 9,8 + 1,80

Cot main d'oeuvre 3 4 + 1

+ 3,37

Foration - 2,23 2,80 + 0,57 -i

Cot chargement 3,48 2,44 - 1,04 Dbitage secondaire 5 0 - 5

- 6,28

Reprise 10% des matriaux 0,24 0 - 0,24

Les pr ix indiqus sont des pr ix 1992 avec dbitage secondaire des gros blocs a u brise roche hydraul ique sur une base de cot horaire de 600 F/heure et u n rendement de l'ordre de 100 m 3 / jour. L e cot horaire de l a pelle est de 487 F/heure. . Opt ion avec mise en dpt des matriaux (tableau V ) .

TABLEAU V - Comparaison c o n o m i q u e entre tirs A et B dans le cas de mise en d p t des blocs

U n i t Tir A Tir B

Variation F/m 3

Total des variations

F/m 3

Reprise des blocs F/m3 0,35 0 - 0,35

Transport (trs variable) pm

Emprunt supplmen-taire # 20 F/m3 2 0 - 2

- 3,39

Surcot chargement 3,48 2,44 - 1,04

Dans cette option les pr ix sont donc quivalents ceux d'un abattage classique avec production de 10 % de gros blocs, a u pr ix de transport prs. Dans l a pratique u n ventuel choix d'une solu-t ion avec production de blocs peut avoir des consquences importantes : dsquilibre d u mouvement de terres. Ce phnomne est d'autant plus sensible que les quantits de matriaux concerns sont impor-tantes. I l peut mme tre ncessaire dans cer-tains cas d'avoir recours des emprunts sup-plmentaires dont les cots peuvent alors tre multiplis par deux ou trois ; plus grande usure d u matriel de reprise et transport ; ncessit de pr ix supplmentaires pour le poste de transport de blocs non prvus a u march ; augmentat ion des dlais. A t i tre ind icat i f nous donnons ci-aprs (tableau VI) une est imation financire pour u n t i r moyen de 2 500 m 3 .

TABLEAU VI - Estimation f inanc i re et variation des c o t s entre tirs A et B pour un tir de 2 500 m3

U n i t Tir A

Tir B I

D i f f -rence Total

Explosif-amorage F 20 000 24 500 4 500 Surcot Main d'oeuvre 7 500 10 000 2 500

tir B : + 8 425

Foration 5 575 7 000 1 425

Option

Chargement

Dbitage secondaire

8 700

12 500

6 100

0

2 600

12 500 conomie

tir B : - 15 700

Reprise 600 0 600

Cette comparaison conduit ncessairement se poser u n certain nombre de questions. Lorsque le m i n e u r et le terrassier sont dans l a mme entreprise le choix parat s imple et l a rentabilit de l ' investissement fait dans le minage est vidente. Dans le cas contraire o le m i n e u r interv ient en tant que sous-traitant, auquel des cots m i n i m a sont le plus souvent imposs, les choix conomi-ques ne vont pas ncessairement dans le bon sens. O n doit, dans ce cas, prciser au m i n e u r les conditions dans lesquelles i l doit m i n e r et les exigences avoir en matire d'explosif, d'amor-age, de m a i n d'oeuvre et de foration. E n rsum, pour le site considr, l 'extraction des matriaux dans des conditions de minage classiques conduit l a production d 'un m i n i -m u m de 10 % de gros blocs. L 'opt imisat ion des conditions de minage permet de rduire, voire suppr imer totalement les gros blocs. I l en rsulte u n surcot sensible a u niveau de l'opration de minage qui doit tre pris en compte dans u n b i l a n technico-conomique, mais qui peut tre largement compens par les conomies faites, entre autres, sur le charge-ment et le dbitage secondaire.

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RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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