La stabilité des excavations dans les roches fracturées est influencée, entre autres, par le régime structural, qui est inhérent à la roche. Divers outils sont disponibles pour les analyses de stabilité, mais la qualité des résultats dépend considérablement des données d’entrée disponibles et des outils utilisés. Dans ce mémoire, deux études de cas sont présentées, qui étudient l'influence de la représentation de données structurales sur l'analyse de stabilité. La première étude de cas traite de la stabilité d'une pente de roche le long d'une route près de Fleurimont, qui a subi des effondrements de dièdre. L’objectif était de découvrir si les effondrements pourraient avoir été prédits et d'évaluer la probabilité de la rupture de dièdre le long de la pente. Plusieurs analyses d'équilibre limite ont été effectuées, y compris une analyse déterministe rétrospective de deux ruptures de dièdres, et une analyse probabiliste des dièdres individuels. De plus, une analyse probabiliste de système de joints a été effectuée en utilisant les modèles 3D de système de joints, qui ont été générés avec des données de terrain. Les données nécessaires pour les analyses ont été recueillies sur place. Les résultats d’analyse rétrospective ont indiqué l'instabilité potentielle des dièdres observés, et les approches probabilistes ont confirmé l'occurrence des effondrements de dièdre le long de la pente, mais ils ont également démontré que la probabilité d'effondrements semblables est faible. Les résultats ont démontré qu'une analyse de données exhaustive en utilisant plusieurs outils d'analyse est requise pour obtenir une évaluation fiable du comportement de la roche. La deuxième étude de cas discute de la stabilité des galeries à la mine souterraine LaRonde de l'Agnico Eagle, qui sont concernées par de grandes déformations à cause de la convergence des parois. L'analyse de la convergence observée s'est concentrée sur la génération d'une série de modèles numériques 2D selon la méthode des éléments finis, visant à reproduire le mécanisme d'effondrement et les déformations résultantes. La foliation in situ a été reproduite par des joints, qui ont été introduits explicitement dans le modèle. Les données structurales requises ont été rassemblées sur place. Les modèles ont été calibrés avec les données de convergence disponibles. Les résultats de modélisation numérique ont atteint une bonne concordance avec les observations sur place. Les deux profils caractéristiques observés et l’ordre de grandeur des déformations mesurées ont pu être reproduits. Il a été démontré que le modèle numérique appliqué est un outil utile pour modéliser les conditions complexes observées à la mine. Plus d'expériences de validation devraient être effectuées, mais la méthode peut potentiellement être employée pour élaborer de meilleures stratégies pour les travaux de développement minier dans des conditions semblables. Les deux études de cas ont démontré l'influence de la représentation des données structurales sur l'analyse de données. En outre il a été montré que le choix des outils d'analyse influence les résultats obtenus. / The stability of excavations in fractured rock is influenced among others by the structural order inherent in the rock mass. Various analysis tools are available for stability analysis, but the quality of results depends considerably on the available analysis data and the tools used. In this thesis two case studies of excavations in fractured rock are presented that investigate the influence of structural data representation on the stability analysis. The first case study focused on the stability of a rock slope along a road cut near Fleurimont that has experienced wedge failures. The aim was to find out, if the failures could have been predicted, and to evaluate the probability of wedge failures along the slope. Different limit equilibrium wedge analyses were carried out, including a deterministic back-analysis of two wedge failures and a probabilistic analysis of individual wedges. Furthermore a probabilistic joint system analysis was carried out using 3D joint system models generated out of field data. As part of this work the required analysis data was collected on site. The back-analysis results suggested potential instability of the observed wedges, and the probabilistic approaches confirmed the occurrence of wedge failures along the slope, but also indicated the only low probability for these failures. The results demonstrated that a comprehensive data analysis using various analysis tools is required to reach a reliable assessment of the rock behaviour. The second case study discusses the stability of drifts at Agnico Eagle’s LaRonde underground mine that are affected by large deformations due to rock squeezing. The analysis of the observed drift convergence focused on the generation of a series of numerical 2D finite element models, aiming to reproduce failure mechanism and resulting deformations. The in situ foliation was reproduced by explicitly introducing joints into the model. The required structural data was collected on site. As reference data for the model calibration available convergence data was used. The modelling results reached a good agreement with the observations on site. Both observed characteristic deformation profiles as well as measured deformation magnitudes could be adequately reproduced. It could be demonstrated that the applied numerical model is a useful tool to model the complex squeezing ground conditions observed at the mine. More validation experiments should be carried out, but the method can potentially be used to develop better mine development strategies in similar conditions. Both case studies demonstrated the influence of structural data representation on the data analysis. Furthermore it could be shown that the choice of analysis tools influences the obtained results.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 février 2024) / Les activités minières dans les régions arctiques se développent de plus en plus en raison de la demande croissante de ressources minérales. Cependant, l'exploitation minière en conditions arctiques présente une série de défis géomécaniques. Des variations de température peuvent se produire tout au long de l'année dans les régions arctiques, ce qui peut influencer le comportement du massif rocheux et sa stabilité autour de l'excavation. Cependant, la compréhension des mécanismes de rupture du massif rocheux dans les excavations souterraines en conditions arctiques reste limitée. Ce mémoire se concentre sur le rôle des grandes structures géologiques, identifiées comme des facteurs clés affectant la stabilité des excavations développées en conditions arctiques. Une approche multidisciplinaire a été adoptée pour aborder le sujet. Le travail initial comprenait une revue de la littérature complète qui a établi le cadre théorique pour comprendre le comportement de massif rocheux dans le pergélisol. Des études de terrain menées par la suite à la Mine Raglan, au Canada, ont permis d'identifier une étude de cas pour examiner un phénomène de rupture de dièdre. Les études de terrain ont porté sur l'impact de la température sur l'étendue des surbris lors du développement de galeries souterraines dans des conditions arctiques variables. La résistance au cisaillement des discontinuités rocheuses naturelles a été évaluée par des essais de cisaillement direct sur des échantillons de péridotite dans des conditions non gelées et gelées. Les résultats sur la résistance au cisaillement des discontinuités rocheuses ont été introduits dans un modèle tridimensionnel à l'échelle du terrain utilisant la méthode des éléments discrets (DEM). Le modèle DEM intègre la géométrie complexe de l'excavation et le régime structural, qui entraîne la formation de dièdres, afin d'étudier la stabilité des excavations souterraines dans des conditions arctiques variables. Les résultats de ce mémoire révèlent que les conditions arctiques affectent considérablement la résistance au cisaillement des discontinuités, ce qui à son tour a un impact sur la rupture des dièdres souterrains par le mécanisme de glissement. Ce mémoire nous permet de mieux comprendre comment les grandes structures au sein du massif rocheux influencent la stabilité des excavations souterraines dans des conditions arctiques changeantes. / Mining activities are significantly expanding near arctic regions due to the growing demand for mineral resources. Mining in arctic conditions presents a series of geomechanical challenges. Temperature variations can occur over the year and influence the rockmass behaviour and the stability of excavations in rock. However, there has been limited understanding of the rockmass failure mechanism in underground excavations developed in permafrost regions. This thesis focuses on the role of large and persistent geological structures, identified as key factors affecting the stability of underground excavations developed under these conditions. A multi-disciplinary approach was adopted to explore the subject. A comprehensive literature review set the theoretical framework for understanding the rockmass behaviour in permafrost. Field investigations at Raglan Mine, Canada, led to the identification of a wedge failure event that was used to examine the impact of large structures on the rock mass stability in arctic conditions. The impact of temperature on overbreak extent during the development of underground drifts in varying arctic conditions was also investigated in a series of case studies. The shear strength of natural rock discontinuities was assessed through direct shear testing on peridotite samples from the mine under non frozen and frozen conditions. The results on the shear strength of rock discontinuities were introduced in a field-scale 3D Discrete Element Method (DEM) model that simulated the structurally driven mechanism of the fall of ground at the mine. The DEM model integrated the complex geometry of the excavation and the structural regime that results in wedge formation to investigate the stability underground excavations under varying arctic conditions. The results of this thesis reveal that arctic conditions significantly influence the shear resistance of rock discontinuities. Temperature variations can control the stability of underground wedges formed around underground excavations in rock. This research increases our understanding of how large structures within the rockmass govern the stability of underground excavations under varying arctic conditions.

Titre de l'écran-titre (visionné le 20 novembre 2023) / Dans des conditions de faible contrainte, l'absence de confinement peut causer des chutes de blocs, un type d'instabilité critique des excavations souterraines. Il est essentiel de considérer à la fois le réseau de fractures du massif rocheux et la géométrie de l'ouverture dans les analyses de stabilité. Toutefois, les outils actuels d'analyse de stabilité des instabilités structurales se limitent à des représentations simplifiées de la géométrie des excavations et ne prennent pas en compte les caractéristiques géométriques détaillées ni la distribution spatiale des discontinuités. De ce fait, ces outils ne sont donc pas intégrés aux processus de conception des excavations minières. Ce mémoire développe une approche numérique améliorée pour l'évaluation des aléas de chutes de blocs tétraédriques formés à la surface des ouvertures minières souterraines. Elle considère la complexité du régime structural en implémentant la modélisation de fractures, mieux connu sous le nom de Discrete Fracture Network (DFN). L'approche développée utilise comme intrant une surface triangulée détaillée de l'excavation souterraine avec des dimensions et inclinaisons variables. Elle permet d'intégrer les résultats de l'analyse aux outils de conception assisté par ordinateur (CAO) minière utilisés dans l'industrie. Une analyse détaillée a montré que la simplification excessive de la géométrie de l'excavation peut entraîner une évaluation inadéquate de la formation des blocs rocheux. Une analyse plus approfondie a également permis d'identifier des blocs allongés non critiques pour la stabilité et des blocs potentiellement instables partiellement formés due à un pont rocheux intact à l'apex. La méthodologie développée a été appliquée avec succès à un cas d'étude de chute de bloc au toit d'une excavation minière souterraine de géométrie complexe en contexte minier en opération. / Geological discontinuities have a large impact on the rock mass behavior in underground excavations. Under low-stress conditions, structurally controlled wedge failure is one of the most critical types of rock instability. The stability analysis must integrate both the rock mass fracture network and the geometry of the opening. However, current wedge stability analysis tools do not typically examine the detailed geometrical characteristics of the rock discontinuities and are limited to simplified representations of excavation geometry, not allowing analysis of excavation surfaces with complex geometries. Consequently, these analysis tools are not integrated into the excavation design processes in the mining industry. This thesis reports on the development of a comprehensive and more rational numerical approach to assess wedge formation around underground mine openings. The approach considers the structural rock mass complexity using Discrete Fracture Network (DFN) modelling and the detailed 3D underground excavation profile obtained from surveying. The approach allows for integrating the analysis results into the Computer-Aided Design (CAD) mine design tools used in the industry. A detailed investigation of the 3D profile and shape of the excavation indicated that an oversimplification of the excavation geometry in the stability analysis can result in an inadequate assessment of wedge formation. Further analyses have allowed us to identify elongated wedges that may not be critical from a stability perspective and wedges that were not entirely formed in the DFN model but may still be critical for the stability of the excavation. The developed methodology was successfully applied to estimate wedges' formation around an underground mine excavation.