This doctoral thesis investigates the microwave heating process, and its influence upon the physical properties and propagation of fractures in Rocks Under Illumination (RUI).In order to best understand microwave-assisted rock fracturing, it is critical to investigate the different aspects of this process. These range from the electromagnetic study (i.e., dielectric heating and heat generation), to the mechanical aspects (i.e., heat transfer, strength reduction material mechanics and fracture mechanics), and finally to the final fracturing behaviour of RUIs (i.e., fractography). In order to understand the various elements of the microwave fracturing of rocks, this research is divided into three investigations: 1) An investigation of the magnitude of heat generation within a rock body, and the extent to which illumination parameters can influence the efficiency of a microwave rock fracturing system. In addition, this research sought to expand the scope of microwave rock fracturing beyond the basaltic rocks utilized, and to apply this technique to other rock samples. This research investigates the possibility of substantially reducing the required energy input for a microwave-assisted rock fracturing system. This is made possible when operating at the optimal illumination parameters, with regard to each material property of the rock. To study the microwave heating process of rocks over a wide frequency range, the dielectric properties of some rocks are measured over frequencies ranging from 200 MHz to 20 GHz; with various water content, from fully dried to fully saturated; and at elevated temperatures ranging from 23ºC to 80oC.2) An investigation of the mechanical aspects of microwaves. This study sought to evaluate the influence of microwave illumination properties (i.e., input microwave power and exposure duration) on the fracture toughness of basalt samples and fracturing. It also attempted to experimentally quantify the fracture strength reduction of Chinese basalt after microwave illumination, at a variety of power levels and durations of exposure. Finally, the investigation sought to evaluate any correlation between the density of micro-cracks caused by microwave heating and any reduction in fracture toughness. This correlation was then modeled with the aid of numerical modeling (i.e., Discrete Element Modeling).3) A quantitative and qualitative investigation of the fracture development of Basalt Specimens Under Microwave Illuminations (BSUI) at macroscopic and microscopic scales. This research describes results of the visual investigations of the Fracture Growth Path (FGP) and the fracturing behaviour of SCBs after being exposed to microwave illuminations. FGPs are classified via their surface temperature level and the required input of microwave power. The Petrography Standard Test aided this approach, and allowed me to best describe fracture behaviour and the interactions between the fractures and mineralogical composition of Chinese basalt. A comprehensive fractographic investigation using Scanning Electron Microscopy (SEM) investigated microwave induced fracturing (i.e., fracture morphologies, fracture behaviours and the interaction of micro-fractures with rock forming minerals) in Chinese basalt fracture surfaces.Microwaves rock fracturing has potential to be employed for space applications: In Situ Resource Utilization (ISRU), sampling and In Situ material analysis sampling, in addition to mining and full face tunnelling applications on earth. / Cette thèse de doctorat examine le procédé de chauffage par micro-ondes, et son influence sur les propriétés physiques et la propagation de fractures de roche sous illumination micro-onde (RUI). Pour bien comprendre la fracturation de roche avec assistance d'illumination micro-onde, il est essentiel de se pencher sur différents aspects du procédé. Ceux-ci vont de l'étude électromagnétique (chauffage diélectrique et génération de chaleur), jusqu'aux aspects mécaniques (transfère de chaleur, réduction de la résistance mécanique, mécanique de fracturation), et finalement jusqu'au comportement de fracturation final de la roche sous illumination micro-onde (fractographie). En tout, l'étude est divisée en trois parties :1) Une étude sur la magnitude de la génération de chaleur dans un corps rocheux, et dans quelle mesure les paramètres de l'illumination micro-ondes peut influencer l'efficacité d'un système de fracturation de roche avec chauffage par micro-ondes. Cette recherche tente d'élargir l'utilisation de chauffage par micro-ondes au-delà des roches basaltiques en appliquant cette technique à d'autres spécimens de roche. Cette recherche étudie aussi la possibilité de réduire substantiellement l'énergie d'entrée requise pour un système de fracturation de roche avec chauffage par micro-ondes. Ceci est possible lorsque les paramètres d'illumination micro-ondes sont optimisés par rapport aux propriétés de la roche. Pour étudier le processus de chauffage par micro-ondes à travers une ample gamme de fréquences, les propriétés diélectriques de plusieurs roches sont mesurées entre des fréquences de 200MHz à 20GHz. Le contenu d'eau varie entre parfaitement séché et complètement saturé, et la température varie entre la température de la pièce et 80oC.2) Une étude des aspects mécaniques des micro-ondes. Cette étude tente d'évaluer l'influence des propriétés de l'illumination micro-onde (puissance d'entrée micro-onde, durée d'exposition) sur la résistance de rupture de spécimens de basalte. L'étude tente aussi de quantifier expérimentalement la réduction de la résistance de rupture de spécimens de basalte chinois après l'illumination aux micro-ondes, en variant la puissance d'illumination ainsi que la durée d'exposition. Finalement, l'étude cherche à évaluer la corrélation entre la densité des micro-fractures causées par le chauffage par micro-ondes et la réduction de la résistance de rupture de la roche. La corrélation est ensuite modélisée à l'aide de modélisation numérique.3) Une étude qualitative et quantitative du développent de fractures dans des spécimens de basalte sous illumination micro-onde à l'échelle macroscopique et microscopique. Cette recherche décrit les résultats the l'étude visuelle du chemin de rupture (FGP) et le comportement de fracturation des SCBs après l'illumination par micro-ondes. Les FGP sont classifiés par rapport à la température de surface et la puissance d'entrée de micro-ondes requise. Le test standard de pétrographie aide à cette approche, et permet de mieux décrire le comportement de fracturation, et l'interaction entre les fractures et la composition minéralogique du basalte chinois. Une étude fractographique compréhensive sur la surface des ruptures induites dans le basalte chinois par l'illumination micro-onde (morphologie de rupture, comportement de rupture) est conduite en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB). Cette recherche discute la possibilité d'utiliser les micro-ondes pour des applications spatiales : l'utilisation de ressources in-situ, l'échantillonnage et l'analyse d'échantillons in-situ, ainsi que des applications sur terre tel que l'extraction minière et la construction de tunnels.

Mining operations are highly affected by risk, where commodity price and geology can be considered as the most relevant ones, as they will define the pit's design and the operation's ability to meet production plans. Considering these uncertainties at an early stage is key for project success, and doing so by including managerial flexibility to annually re-evaluate the project allows a more realistic approach, and increases the operation's ability to react timely to change.The current study presents a real-option based evaluation approach to assess the effects of commodity price and geological uncertainty over the performance of a mining operation and the potential life of mine and consecutive pit limit modifications that may occur. The case study presented shows the value of flexibility when dealing with stochastic scenarios, in contrast with conventional evaluation methods. It was found that the stochastic method better assesses the project's potential to expand and provide useful information that traditional methods ignore. A Geometric Brownian motion with Poisson jumps model is used to forecast price, and direct block simulation is used to model geological uncertainty. The model was optimized using the commercial software ILOG-Cplex. Results show that including the option to stop mining, or expand increase the operation's value, but only if expensive infrastructure relocations are prevented, which makes it necessary to study these options at an initial stage, as they allow management to prepare for changes and provides a clearer image of the project's real potential. / Les opérations minières sont hautement affectées par les risques. Le prix des métaux et la géologie sont considérés comme ayant le plus d'impact puisqu'ils définissent le design de la mine et la capacité des opérations à atteindre les plans de production. La planification sous incertitude est utilisée pour créer un projet performant sous ces risques de sorte que les objectifs de production seront encore atteints. À cette fin, considérer de la flexibilité dans les opérations et dans la gestion ajoute un bénéfice important afin de répondre profitablement aux changements.Cette thèse présente une approche basée sur l'analyse par options réelles pour évaluer les effets de l'incertitude des prix des métaux et de la géologie sur les performances des opérations minières, la durée potentielle de la vie de la mine et les modifications de la taille définitive du site d'excavation. L'étude de cas présentée montre la valeur qu'ajoute la flexibilité lorsque des simulations de géologie sont considérées, par opposition aux méthodes conventionnelles. Il a été constaté que la méthode présentée permet une meilleure évaluation du potentiel d'expansion du projet et fournie des informations importantes que les methodes traditionnelles ignorent. Les résultats montrent qu'inclure l'option d'arrêt ou d'expansion de la mine à chaque année augmente la valeur des opérations, mais seulement si les dépenses de relocalisation d'infrastructures importantes sont prévues. Ceux-ci rendent nécessaire l'étude de ces options dans une étape initiale puisqu'ils permettent aux gestionnaires de se préparer aux changements et produisent une meilleure vue du potentiel du projet.

Frothers are commonly used in mineral flotation processes to reduce bubble size, slow bubble rise, and stabilize froth. Frother chemistry (structure) plays an important role in determining these functions. In this thesis, over 50 surfactants (mainly from two frother families, alcohols and polyglycols) were investigated to determine the structure effect on bubble rise velocity. The structural variables were: alkyl chain length in alcohols and polyglycols, the number of propylene oxide (PO) and ethylene oxide (EO) groups in polyglycols and location of methyl branch and hydroxyl group in alcohols. The bubble rise velocity profile was determined over 350 cm in a water column. The concentration to reach minimum velocity at 300 cm (CMV) was estimated for each structure. A lower CMV means a structure is more effective in slowing bubble rise. The relationship between CMV and the structural variables and between CMV and HLB (hydrophile-lipophile balance) was investigated. Increasing alkyl chain length and number of PO or EO units decreases CMV. The hydroxyl group(s) at the terminal position is more effective in reducing CMV than the center position. The effect of methyl branch position is related to the position of the hydroxyl group (OH): The farther the methyl branch from the OH, the lower the CMV. The mechanism slowing bubble rise was related to surfactant surface activity and packing density and the consequent effect on surface tension gradient and surface viscosity. Linear relationships were found between log CMV and the structural variables and between log CMV and HLB that had a common slope for each surfactant family. Modified HLB group numbers to account for methyl branch and OH position in alcohols were derived in order to include the isomers in the relationship. Noting there were common trends between CMV and the critical coalescence concentration (CCC) linear log CCC vs. HLB relationships were shown using literature data. The mechanism apparently linking CMV and CCC is discussed. The CMV/HLB and CCC/HLB relationships are a step towards predicting frother functions from the structure. / Les mousses sont communément utilisées en flotattaison pour réduire la taille et la vitesse de la bulle et stabiliser la buse de flottaison. La chimie structurale de la buse de flottaison joue un rôle majeur dans la détermination de ces fonctions. Dans cette thèse, plus de 50 surfactants (principallement ceux appartenant aux familles d'alcools et de poly glycols ont été étudiés afin d'en determiner l'effet structural lors de la montée de la bulle. Les variables structurales considérées étaient: la longueur de la chaîne alkilée dans les alcools et poly glycols, le nombre de groupes d'oxyde de propylene (PO) et d'oxyde d'éthylène (EO), l'emplacement de la branche méthylique et celui du groupe hydroxylique dans les alcools. La vélocité de la bulle a été établie sur 350 cm dans la colonne d'eau. La concentration correspondant à la vélocité minimale à 300 cm (CMV) était évaluée pour chaque structure. Une valeur basse du CMV indique que la structure est effective dans le retardement de la bulle. La relation entre le CMV et les variables structurales et celle entre le CMV et HLB (budget hydrophile- lipophile) étaient étudiées.En augmentant la longueur de la chaîne alkylée et le nombre de PO et EO, le CMV diminue. Les groupes hydroxyl en position terminale sont plus effectifs dans la réduction du CMV qu'en position central. L'effet découlant de la position du groupe methyl est en relation avec la position du groupe hydroxyl (OH): Le CMV est d'autant plus faible que le groupe methyl est éloigné du groupe OH. Le mécanisme traduisant la montée de la bulle était en relation avec l'activité en surface du surfactant et la densité de l'empaquetage et l'effet résultant du gradient de la tension superficielle et la viscosité de surface.Des relations linèaires étaient obtenues entre le log CMV et les variables structurales d'une part et d'autre part entre logCMV and HLB. Ces relations ont revelé des pentes similaires pour chaque famille de surfactants. Pour tenir compte des groupes methyl et du groupe OH dans les alcools, les coefficients des HLB modifiés étaient calculés. Il est à noter qu'il y a des tendances similaires entre le CMV et la concentration de coalescence critique (CCC) et (log CCC en function de HLB). Les relations de HLB provenaient des données existant dans la literature. L'on discute du mécanisme connectant MMV et CCC. Les relations entre CMV/HLB et CCC/HLB sont une étape dans la prédiction des fonctions structurales.

Energy conservation is an important policy for every nation. Exploiting sustainable energy resources has gained ground due to shortages and increasing prices of fossil fuels. Mining represents a significant portion of Canada's resource-based industry sector and consumes a huge amount of energy for operation and post-mining activities. Therefore, any cut in energy consumption lowers costs and increases profits. Underground mines have excellent potential for implementation of geothermal energy systems using one of two methods. In the first, underground mine water that has flowed through warm layers of the ground and found its way to mine openings is pumped to the surface for use in open loop geothermal cycles. In the second method, underground openings and spaces that provide easy access to low-to-medium temperature rock formations are used in closed loop geothermal cycles. This research primarily focuses on providing guidelines for using geothermal energy in underground mines and comprises two main parts. The first involves surveying 12 underground mines across Canada to evaluate operation of open loop geothermal system in these and similar mines. The second part investigates the potential of heat recovery from backfilled mine stopes. For this purpose, thermal properties of cemented mine backfill are investigated, the significance of influential parameters is quantified and a thermal conductivity prediction model is introduced. In addition, an experimental physical model is built to study heat transfer in mine backfill and evaluate different arrangements and influential parameters. An analytical model is developed based on the cylindrical coordinate system with finite length and the model is validated for heat transfer in backfill. Finally, a case study of a backfilled stope is presented. / L'économie d'énergie est une politique importante pour tout pays. L'exploitation des ressources énergétiques durables est devenue plus importante en raison des pénuries et la hausse des prix des combustibles fossiles. L'exploitation minière représente une partie importante du secteur de l'industrie basée-sur-les-ressources au Canada et consomme une énorme quantité d'énergie pour l'opération ainsi que les activités post-extraction minières. Pour cette raison, toute réduction de la consommation d'énergie réduira les coûts et augmentera les profits. Les mines souterraines ont un excellent potentiel pour la mise en œuvre des systèmes d'énergie géothermique en utilisant l'une des deux méthodes suivantes. Dans la première méthode, l'eau dans les mines souterraines qui coule et passe à travers les couches de sol chaudes trouvant son chemin vers les ouvertures, est pompée vers la surface pour être utilisé dans des cycles géothermiques en boucle ouverte. Dans la seconde méthode, des ouvertures et des espaces souterrains qui offrent un accès facile aux formations rocheuses ayant une basse ou moyenne température sont utilisés dans les cycles géothermiques en boucle fermée. Cette recherche se concentre principalement sur la fourniture des directives pour l'utilisation de l'énergie géothermique dans les mines souterraines en comprenant deux parties principales. La première partie, comprend l'enquête de douze mines souterraines à travers le Canada afin d'évaluer le fonctionnement des systèmes géothermiques en boucle ouverte. La deuxième partie examine le potentiel de récupération de chaleur sur des remblais miniers cimentés. À cet effet, les propriétés thermiques de remblai minier cimenté sont étudiées, la signification des paramètres influents est quantifiée et un modèle de prédiction de la conductivité thermique est introduit. En plus, un modèle physique expérimentale est construit pour étudier le transfert de chaleur dans les remblais miniers et d'évaluer les différents arrangements et les paramètres influents. Un modèle analytique est développé sur la base du système de coordonnées cylindriques avec une longueur finie; et le modèle est validé pour le transfert de chaleur dans le remblai. Finalement, une étude de cas d'un chantier remblayé est présentée.

Mine production scheduling may be long-term or short-term based on the time period considered and the final objective. The optimization goal of short-term production scheduling is to minimize the mining cost expected from a mine while satisfying operational constraints, such as mining slope, grade blending, metal production, mining capacity and processing capacity; however some parameters may be uncertain, such as metal quality and fleet parameters. Traditional short-term production planning is carried out by two sequential optimizations, production schedule is defined at the first step and the available fleet is evaluated for this schedule as a second step, however; the fleet availability, hauling time and mining considerations do not influence the schedule decision. In addition, the fleet optimization algorithms do not consider uncertainty in their parameters and do not take into account the local mineralization of the deposit because a single possibly misleading total aggregated block tonnage is linked to each sector to be mined. The local mineralization or local scale variability between blocks assists in the blending process and metal quality control; however, the traditional short-term production scheduling is based on exploration drilling or a sparse data ore body model, while in practice grade control data or close spacing blasthole drilling classify the material as ore and waste because their short-scale information is not available at the time of the monthly short-term planning. The local variability is relevant in the short-term production scheduling to define the destination of the material.The short-term mine production scheduling in this thesis is developed as a single formulation where mining considerations, production constraints, uncertainty in the orebody metal quantity, as well as fleet parameters, are evaluated together to define a well informed sequence of mining that results in high performance at the mine operation. The formulation is implemented at a multi-element iron mine and the resulting monthly schedules show lower cost, minable patterns and, efficient fleet allocation, that ensures a higher and less variable utilization of the fleet over the conventional schedule approach.Uninformed and ultimately costly decisions can be taken because of imperfect geological knowledge or information effect. The orebody uncertainty may be updated by simulated future ore control data to account for local scale grade variability, and the information used to discriminate ore and waste in practice. Multi-element orebody uncertainty models are updated based on the correlation of exploration data and past ore control data, this orebody uncertainty is then used to optimize the short-term production scheduling that leads to better performance in terms of matching ore quality targets and delivering recoverable reserves. / Le programme de production d'une mine peut se faire à long ou à court terme selon l'horizon de temps choisi et l'objectif final visé. L'objectif d'optimisation du programme à court terme est de minimiser les coûts d'opération attendus d'une mine en tenant compte de contraintes, tel que la pente de talus, le mélange de matériel, la production de métaux ainsi que la capacité de production et de traitement de la mine. Cependant, certains paramètres tels que la qualité du métal de base et les paramètres définissant la flotte minière peuvent être incertains.La planification traditionnelle à court terme des activités de production est assurée par deux optimisations séquentielles. Le programme des activités de production est établi à la première étape et la disponibilité de la flotte est évaluée à la seconde étape. Il faut bien voir cependant que la disponibilité de la flotte ainsi que le temps de transport et les considérations générales de l'exploitation minière n'influencent pas les décisions de programmation. De plus, les algorithmes d'optimisation de la flotte ne considèrent pas l'incertitude comme un de leurs paramètres et ne prennent pas en compte la minéralisation locale du gisement parce que le résultat agrégé prévu du tonnage global pourrait facilement être trompeur compte tenu qu'il est considéré comme un seul grand bloc lié à chaque secteur à être minés. La minéralisation locale, aussi appelée la variabilité de l'échelle entre les blocs de matière première, aide dans le processus de gestion des mélanges et le contrôle de la qualité des métaux. Cependant, la planification à court terme des activités de production est basée sur les forages d'exploration ou sur un modèle de corps minéralisé qui s'appuie sur des données ayant un certain degré d'incertitude. Alors qu'en pratique le contrôle de qualité du minerai ou la courte distance entre les trous de forage pré-dynamitage classifie le matériel comme économique ou stérile étant donné que l'information à courte échelle n'est pas disponible au moment de la préparation de la planification à court terme des activités de production. La variabilité locale est importante dans la planification à court terme pour définir la destination du matériel.Le modèle du programme à court terme des activités de production d'une mine tel que proposé dans cette thèse présente une formulation où les considérations minières, les contraintes de production, l'incertitude liée à la quantité de métal présente dans le corps minéralisé ainsi que les paramètres de la flotte minière sont évalués ensembles afin d'obtenir une séquence bien documentée des activités minières qui favorise une performance optimisée des opérations minières. La formulation a été implantée dans une mine de fer avec multiéléments et les résultats de la planification mensuelle ont démontré des coûts moindres et une utilisation efficiente de la flotte minière qui assurent une utilisation élevée et moins variable de la flotte en comparaison de l'approche d'un programme conventionnelle.Des décisions mal documentées et coûteuses peuvent être prise à cause de connaissances géologiques imparfaites ou d'autres facteurs informationnels. L'incertitude concernant le corps minéralisé peut être mise à jour en simulant des données futures de contrôle des métaux afin de tenir compte de la variabilité du niveau de contrôle dans la qualité du métal présent et de l'information utilisée pour mieux faire la différence entre minéral économique et stérile. Les modèles d'incertitude des corps minéralisés a multiéléments sont mis à jour en se basant sur la corrélation des données d'exploration et les données d'exploration et les données passées de contrôle de métal. Ces incertitudes liées aux corps minéralisées permettent alors d'optimiser le programme à court-terme des activités de production qui mène à une meilleure performance en termes d'atteinte d'objectifs quant à la qualité du métal dans le minerai et de la réserve de matériel utilisable.

Pipeline wear in the Kidd Mine pastefill distribution system has become one of the main challenges of this state of the art, 400 t/h paste backfill plant commissioned, in 2004, at the Xstrata Kidd Mine, in Timmins Ontario. The pastefill produced is a mixture of sand, tailing and binder which is non-settling when transported in the pipeline due to its high percent solids concentration and fines content. The transportation of this material underground, by 250NB (8 inch) diameter pipeline, resulted in high pipe wear rates which increased maintenance costs, operational downtime and affected the flow profile of the paste in the system. Wear theory shows that the pipe wear rate is not a parameter of a particular slurry or pipe material, but is a result of the overall wear system which includes the pipe, the material transported and the flow regime. A review of the factors affecting wear indicates that velocity is considered to be the dominant factor, with other key factors including slurry concentration, corrosion and particle shape and size. Since most slurry transport is done at low solids concentration, there is little literature about pipe wear involving high density slurries, such as pastefill. The wear profile of the Kidd Mine pastefill system was developed by examining the wear system as a whole, focusing on the key wear factors. In-situ wear data was analysed to understand the wear pattern throughout the piping system and over time. Flow analysis was performed through hydraulic modeling. A PSI Pill was used to determine the friction losses throughout the system and to incorporate these in the system flow model. Material characterization and laboratory investigation using a rotary wear tester support the characterisation of the wear found in the in-situ test work. / L'usure de la tuyauterie dans le système de distribution de remblai en pâte pour la mine Kidd est devenue un des principaux défis pour l'usine avant-garde de remblayage de 400 t/h, construit en 2004 par Xstrata - Kidd Mine à Timmins en Ontario. Le remblai en pâte produit est un mélange de sable, de résidus miniers et de liant; sans sédimentation lors du transport dans la tuyauterie en raison de sa forte concentration en matières solides et sa teneur en fines. Le transport souterrain de ce matériel par tuyauterie de 8 pouces a donné lieu à un taux d'usure élevé des tuyaux ce qui a augmenté les coûts de maintenance, créé des interruptions opérationnelles et influencé le régime d'écoulement de la pâte dans le système. La théorie sur l'usure montre que le taux d'usure du tuyau n'est pas dû à un paramètre particulier du remblai ou de la tuyauterie, mais est le résultat de l'ensemble du système qui inclut le tuyau, le matériel transporté et le régime d'écoulement. Un examen des facteurs d'influence indique que le facteur dominant soit la vitesse d'écoulement. D'autres facteurs clés incluent la concentration de la pâte, la forme et la taille des particules, ainsi que le niveau de corrosion. Parce que la plupart des systèmes de transport de pulpe sont faite à une faible concentration de solides, il y a très peu de littérature sur l'usure des systèmes à haute densité, comme le remblai en pâte. Le profil d'usure du système de remblai en pâte pour la mine Kidd a été développé par l'examen du système dans son ensemble, en mettant l'accent sur les facteurs d'usure clés. Les données d'usure in situ sont analysées pour comprendre les tendances d'usure dans le système de tuyauterie et par rapport au fil du temps. L'analyse des débits a été réalisée grâce à la modélisation hydraulique. Une PSI Pill a été utilisé pour déterminer les pertes de charges dans le système et de les incorporer dans le modèle d'écoulement du système. La caractérisation des matériaux et les analyses de laboratoire à l'aide d'un système de mesure d'usure rotatif soutiennent la caractérisation de l'usure trouvée à travers les tests in situ.

Geothermal energy is an important emerging renewable technology that has the potential to provide power from a virtually unlimited reserve worldwide. The downside to exploiting geothermal energy is the capital intensive drilling of the borehole needed to access relatively hot resources located deep under the ground. However, abandoned petroleum wells present an interesting opportunity to circumvent the capital costs associated with drilling. This thesis proposes a sophisticated heat transfer model that is capable of realistically simulating the heat flow through a double pipe heat exchanger and the surrounding rock mass. The sophisticated model is compared with the analytical cylindrical source model, and two numerical models and reaches comparable results. The purpose of this model is to provide an accurate and realistic representation of heat flow and temperature distribution for a heat exchanger retrofitted to an abandoned well. The effects that inlet fluid temperature, insulation, thermal conductivity of the rock mass, mass flow rate of the working fluid, and vertical movement of groundwater have on the sustainability and performance of the double pipe heat exchanger are investigated. A constant power model is also proposed in order to assess the sustainable rate of heat extraction from a geothermal resource. / L'énergie géothermique est une technologie renouvelable émergente importante qui a le potentiel de fournir de l'énergie d'une source pratiquement illimitée. Le désavantage de l'énergie géothermique est l'ampleur du capital des forages qui sont requis pour accéder aux ressources plus chaudes. Utiliser les forages de pétrole abandonnés est une opportunité originale pour circonvenir ce désavantage. Cette thèse propose un modèle sophistiqué qui est capable de simuler le flux de chaleur à travers un échangeur de chaleur à tube double et le flux de chaleur à travers la masse rocheuse autour du forage. Le modèle sophistiqué est comparé avec le modèle analytique de source cylindrique, et deux autres modèles numériques et arrivent aux résultats comparables. Le but de cette modèle sophistiqué est de fournir une représentation précise et réaliste du flux de chaleur et la distribution de la température pour un échangeur de chaleur situé dans un forage de pétrole abandonné. Les effets de la température d'entrée de fluide, l'isolation, la conductivité thermique de la masse rocheuse, le taux de débit massique du fluide actif, et le mouvement vertical de l'eau souterraine sur la durabilité et performance de la conception sont enquêtés. Un modèle de puissance constante est aussi proposé pour l'extraction de l'énergie géothermique encore plus durable.

In this thesis, a new methodology for the design of CRF under static and dynamic loading conditions is developed. First a comprehensive literature review of the backfill material is accomplished which included a review of CRF operations and laboratory testing programs. This is followed by a review of numerical modelling studies performed on CRF. Based on the findings from literature review, two numerical models for CRF are developed using FLAC3D code. One of the models considers stopes to be inclined at about 67 degrees and the other considers vertical stopes. The numerical models are then used to study different aspects of CRF practice including the loading conditions, blast-induced vibrations from adjacent production stopes, vertical block mining method, CRF properties, CRF placement method and segregation. A case study mine CRF model is then constructed in accordance with site conditions and the geomechanical data provided by the mine. The case study mine numerical model is calibrated with in-situ stress measurements previously conducted at the case study mine. Mining and backfilling sequence is simulated with the calibrated model and the secondary stope is mined out in three lifts. In-situ blast vibration monitoring experiment in CRF is performed at the case study mine. Two geophones are installed: one inside CRF and the other on the surface of the CRF, and all three production blasts of the adjacent secondary stope are recorded. The detailed procedure, installation and results are presented in the thesis. The results are also used for numerical model calibration. To calculate damping coefficient for the model and blast load magnitude an equivalent cavity model is constructed. The equivalent cavity model is applied with reduced borehole pressure and the model is compared with charge-weight scaling law. The blast load and damping coefficients are extracted from equivalent cavity model and applied as input parameters for the CRF model. The numerical model is calibrated using blast load and damping coefficients obtained from the equivalent cavity model by computing the blast vibrations at a location similar to the one on site. The model is calibrated for all three blast lifts and results are presented. Finally, a CRF failure control study is carried out which encompasses the base case scenario of a planned stope at the case study mine, selective mining strategy for mining high grade ore, strategy of leaving an ore skin, tactically varying CRF properties vertically in CRF. In addition a parametric study is conducted to improve CRF stability by varying CRF properties and possible trends are presented. All results compare static loading versus blast loading scenario on CRF. The results include comparison of backfill stresses and profiles of peak particle velocity. Results of all analyses are presented along with the findings, conclusions, suggestions for future work and statement of contribution. / Dans cette thèse, une nouvelle méthodologie pour la conception de CRF sous des contraintes statiques et dynamiques est développée. Premièrement, un examen de la littérature existante à été accompli. Les opérations minières employant le CRF sont examinées ainsi que les programmes d'essai en laboratoire et les études de modélisation numérique effectuées pour le CRF. Basés sur l'examen de la littérature existante, deux modèles numériques pour le CRF on étés développé en utilisant FLAC3D. Le premier modèle considère un pendage de 67 degrés pour les chantiers, lorsque l'autre considère des chantiers verticaux. Ces modèles numériques sont ensuite utilisés pour l'étude de différents aspects de la pratique du CRF tels que les conditions de chargement, les vibrations de tir, les propriétés du CRF, la méthode de placement du CRF, ainsi que la ségrégation du CRF. Un modèle pour la mine de l'étude de cas est ensuite construit en tenant en compte les conditions du site ainsi que les données geo-mecaniques fournies par la mine. Le modèle pour la mine de l'étude de cas est calibré selon les mesures des contraintes in-situ effectués à la mine. La séquence d'abattage et de remblayage est ensuite simulée avec le modèle numérique calibré et les chantiers secondaires sont extraits en trois étapes. Les vibrations de tir in-situ sont mesurées à la mine de l'étude de casé. Deux géophones sont installés : un à l'intérieur du CRF et l'autre à la surface du CRF, et les trois sautages de production du chantier adjacent sont enregistrés. La procédure de l'installation et les résultats obtenus avec le géophone sont présentés dans la thèse. Les résultats sont utilises pour valider le modèle numérique. Le chargement de tir ainsi que les coefficients d'amortissement sont extraits d'un modèle de cavité en calculant les vibrations de tir à la même position que celle du site. Le modèle est validé pour les 3 étapes de l'abattage du chantier et les résultats sont présentés. Finalement, une étude sur le contrôle de stabilité du CRF est effectuée. Cette étude englobe un scenario de base d'un chantier planifié à la mine de l'étude de cas, une stratégie d'abattage sélectif du minerai de haute teneure, une stratégie ou une couche de minerai est laissée dans le chantier, et une variation verticale planifiée des propriétés du CRF. De plus, une étude paramétrique est conduite pour améliorer la stabilité du CRF en variant les propriétés du CRF. Les tendances possibles sont présentées. Tous résultats comparent le chargement statique avec le chargement dynamique sur le CRF. Les résultats incluent une comparaison des contraintes du remblai ainsi que le profile de la vitesse de crête des particules. Les résultats de toutes les analyses sont présentés avec les constatations et conclusions.

Limiting the amount of ore dilution prior to entering the process stream is the goal of any mining operation. Narrow vein longitudinal retreating mining methods are especially susceptible to hanging wall and footwall dilution due to the wall overbreak. Understanding the factors which influence the stability of these walls can help a mining engineer design stopes that minimize dilution. This thesis presents the results of a study to examine these influential factors and reveals the process used to construct an empirical model capable of estimating dilution for a specific stope. This work is centered on a case study of Agnico Eagle Mines Ltd. Lapa mine located in Preissac, Quebec.Possessing a means to properly measure and quantify dilution is an essential part of this study. An in depth review of the various techniques is presented with the concept of Dilution Density being chosen as a means to quantify dilution. In order to determine which factors influence dilution, a review of existing literature, including modelling studies is undertaken. With careful review of the mining practice and geological environment, the most important of these factors are identified. One of these factors, stope strike length in narrow vein retreat mining, is not thoroughly explored by existing publications; and, in order to better understand this factor a numerical model is constructed.Before constructing this numerical model it is necessary to find an adequate means to organize and interpret the copious amounts of data retrieved from the mine site. Data such as geotechnical drill holes, stope reconciliation data, and stope construction details are integrated into a purpose-built geomechanical database. Named the "Data Integrator for Mine Analysis and Design (DIMAND)" the database software package provides easy access to important data and eases the construction of numerical models.In order to fully understand the influence of stope strike length on unplanned ore dilution, a numerical model is constructed. Due to the geometry of the problem, it is necessary to perform the analysis in three dimensions. The finite difference code FLAC3D is employed to construct a model based on rock mass properties and stope constructions present at Lapa mine. With strain softening behaviour common in rock masses and the Lapa rock mass being one regularly subjected to large strains, a strain-softening constitutive model is employed in the FLAC3D model. This model reveals that larger stope strike lengths are prone to generate larger volumes of dilution into a newly opened stope whereas shorter strike lengths are less prone to dilution. The model also explores the effects of a retreat sequence on overbreak; revealing that primary stopes are slightly more prone to overbreak than secondary stopes. These studies aided in the development of an empirical model that provides estimates for stope overbreak tonnages. The development of the empirical model is explored in detail from early models with small sample groups and simple mathematical constructions, to the final model which employed 86 stopes and statistical software to identify important relationships between seemingly independent factors. Through the use of this model engineers can now plan stopes with knowledge of how each parameter influences overbreak and production and scheduling personnel can plan production goals with increased confidence. / Limiter le montant de dilution dans le flux de processus est l'objectif de toute exploitation minière. Les méthodes d'exploitation minière en veine mince par retraite longitudinal sont particulièrement sensible à la dilution en raison de la forme élancée des chantiers. Comprendre les facteurs qui influencent la stabilité de ces murs peuvent aider un ingénieur des mines a réduire au minimum la dilution. Cette thèse présente les resultants d'une étude visant à examiner ces facteurs d'influence et révèle les processus utilizes pour construire un modèle empirique permettant d'estimer la dilution pour un chantier spécifique. Ce travail est centré sur une étude de cas de la mine Lapa de Agnico Eagle Mines Ltd, situé à Preissac, Québec. Avoir en sa possession un moyen de bien mesurer et de quantifier la dilution est une partie essentielle de cette étude. Un examen approfondi des différentes techniques est présentée avec le concept de Densité de Dilution choisi comme un moyen de quantifier la dilution. Afin de déterminer les facteurs qui influencent la dilution, une revue de la littérature existante, et les études de modélisation est effectuée. Avec un examen attentif de la pratique des mines et de l'environnement géologique, les plus importants de ces facteurs sont identifiés. Une de ces facteurs, la longueur du chantier dans le secteur minier veine mince retraite, n'est pas exploré par la publication en vigueur, en vue de mieux comprendre ces facteurs un modèle numérique est construit. Avant de construire ce modèle numérique, il est nécessaire a trouver un moyen approprié pour organiser et interpréter la grande quantité de données extraites de la mine. Les données telles que les trous de forage géotechnique, la réconciliation des données du chantier, et les détails de construction du chantier sont intégrés dans une base de données. Nommé le "Data Integrator for Mine Analysis and Design (DIMAND)" le logiciel permet d'accéder facilement à des données importantes et facilite la construction de modèles numériques.Pour bien comprendre l'influence de la longueur du chantier sur la dilution, un modèle numérique est construit. A cause de la géométrie du problème, il est nécessaire d'effectuer l'analyse en trois dimensions. Le code FLAC3D différences finies est utilize pour construire un modèle basé sur les propriétés de la masse rocheuse et constructions chantier présents à la mine Lapa. Avec des comportements adoucissement commune dans les roches et la masse rocheuse Lapa régulièrement soumis à une grande souches, une modèle d'adoucissement de comportement est utilisé dans le modèle FLAC3D. Ce modèle révèle que les grandes longueurs du chantier sont susceptible d'introduire des volumes plus élevés de dilution dans un chantier récemment ouvert alors que la grève des longueurs plus courtes sont moins sujettes à la dilution. Le modèle examine également les effets d'une séquence de retraite sur la profil du dilution, révélant que les chantiers primaires sont légèrement plus enclins au dilution que les chantiers secondaires.Ces études ont contribué au développement d'un modèle empirique qui donne des estimations de dilution. Le développement de ce modèle est étudié en détail à partir des premiers modèles avec des petites groupes de chantiers et des simples constructions mathématiques, le modèle final, qui employait 86 chantiers et des logiciels statistiques pour identifier les relations importantes entre les facteurs en apparence indépendants. Grâce à l'utilisation de ce modèle ingénieurs peuvent maintenant planifier les chantiers avec une connaissance de la façon dont chaque paramètre influence la dilution et de la cote production et planification ils peuvent planifier les objectifs de production avec une confiance accrue.

The first part of this thesis reviews in detail the state of stress due to pore water pressure, and effective stress methods in wet grounds in an attempt to present a global perspective on the subject. Through the second part of the thesis, a 2-dimensional finite element program has been developed for stress and stability analysis of wet rock and soil masses. The program uses the effective stress method which allows for a unified approach for dry and wet analysis. It computes the displacements, effective stresses and excess pore water pressure. Safety levels are then calculated in the postprocessor using rock and soil ultimate strength parameters. Three failure criteria are available. These are: Mohr-Coulomb and Hoek-Brown. The effective stress method used allows for the computation of pore water effect due to both volumetric and deviatoric changes. A case study of an open mine slope has been carried out to demonstrate the application of the developed program to practical problems.