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Résumé : La bonne compréhension des phénomènes qui régissent l’écoulement au sein d’une fissure unique est souvent primordiale lorsqu’on s’intéresse à l’écoulement dans les massifs rocheux fissurés, en particulier pour les problèmes nécessitant une échelle d’observation inférieure à l’échelle régionale (de 10-2 à 102 m). Ce travail est axé sur l’étude de l’influence des irrégularités des surfaces des fissures (que l’on appelle couramment « rugosité ») sur les pertes de charge subies par un fluide les parcourant. La première partie du travail est donc consacrée à la caractérisation de la rugosité des surfaces des fissures dans les roches. Dans cette étude, nous avons investigué expérimentalement l’applicabilité de quelques paramètres, a priori favorables à la caractérisation de surface des roches, choisis parmi les nombreux paramètres existant dans le domaine de l’ingénieur en général. Des mesures profilométriques ont été réalisées sur 7 types de roches différentes, pour 2 modes de fracturation (cisaillement et traction). A l’analyse de la variabilité des paramètres étudiés (en fonction du type de roche et du mode de fracturation) et des dépendances entre ces différents paramètres, on peut conclure que l’utilisation de la dimension fractale des profils de rugosité s’avère judicieuse car il s’agit de figures auto-affines (mais non auto-similaires) et que ce paramètre ajoute une information complémentaire (non corrélée) aux paramètres plus classiques que sont les moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs de pics. Parmi les méthodes d’estimation de la dimension fractale, l’analyse du semi-variogramme est la plus efficace et la plus fiable. Les paramètres descriptifs semi-quantitatifs comme le Joint Roughness Coefficient (JRC), par exemple, possèdent une gamme de variation trop faible que pour permettre de discerner nettement deux fissures possédant parfois une texture et un comportement hydraulique fort différents. La deuxième partie du travail est une étude expérimentale de l’influence de la rugosité (paramétrée à l’aide des grandeurs mises en évidence dans la première partie) sur les pertes de charges subies par un fluide parcourant une fissure. Les fissures investiguées ont des faces complémentaires presque parfaitement parallèles et une dimension d’approximativement 30 mm par 80 mm, avec des ouvertures variant de 30 à 100 μm et de 0.3 à 1.2 mm. Les résultats obtenus montrent que l’écoulement s’écarte assez nettement de l’écoulement plan de Poiseuille (ou loi cubique, valable en fissure lisse) à cause des pertes supplémentaires par frottements dues aux micro-tourbillons induits par la rugosité, et à la tortuosité qui allonge le trajet du fluide dans le cas d’un écoulement de type laminaire. En outre, les écarts observés sont également dus à l’apparition d’une turbulence, partielle ou totale, pour des nombres de Reynolds d’autant plus petits que la rugosité relative (rapport entre un paramètre de rugosité et le diamètre hydraulique de la fissure) est élevée. Des modèles semi-empiriques de prédiction de perte de charge en fonction de la rugosité, de l’ouverture des fissures et de la vitesse d’écoulement, sont donc proposés sur base d’une analyse statistique des résultats expérimentaux. Il apparaît que le meilleur paramètre de rugosité relative permettant la prédiction de ces pertes de charge est un paramètre fonction de la tortuosité, de la dimension fractale (calculée à l’aide de la méthode d’analyse du semi-variogramme) et de l’ouverture de la fissure. __________________________________________________________________________________ Abstract : A good comprehension of the phenomena governing the flow within a single fracture is often of primary importance for studying the flow in fractured rock masses, particularly for the problems requiring an observation scale smaller than the regional scale (from 10-2 to 102 m). This work is focused on the study of the influence of joint surfaces irregularities (usually called “roughness”) on the pressure losses undergone by a fluid along them. The first part of the thesis is thus devoted to the roughness characterization of rock fractures surfaces. Several parameters, assumed to be meaningful for the characterization of rock surfaces, have been chosen among the many parameters existing in the engineering field in general, and were experimentally investigated. Profilometries were carried out on 7 rock types, for 2 failure mode (shearing and tensile). The analysis of the variability of the studied parameters (according to rock type and failure mode) and dependences between each other, have shown that the use of fractal dimension of roughness profiles is judicious because of two reasons. Firstly, the self-affinity (but no self-similarity) is clearly visible on experimental results. Secondly, the fractal dimension adds complementary information in comparison to more traditional parameters such the arithmetic and quadratic mean values of peaks heights. Among the methods used for estimating fractal dimension, the variogram analysis is the most effective and the most reliable one. Semi-quantitative descriptive parameters like the Joint Roughness Coefficient (JRC) have a too narrow range of variation : two fractures can sometimes have the same JRC but their hydraulic behaviour can be extremely different. The second part of the work is an experimental study of the influence of roughness (using the parameters highlighted in the first part) on the pressure losses undergone by a fluid through a rock fracture. Experimental fractures have almost perfectly parallel interlocked faces, and a dimension of about 30 mm by 80 mm, with openings varying from 30 to 100 μm and 0.3 to 1.2 mm. The results show that the flow deviates rather clearly from the Poiseuille plane flow (or “cubic law”, valid for smooth fractures) because of additional losses by frictions due to the micro-swirls induced by roughness, and because of the tortuosity which lengthens the flow path in the laminar case. Moreover, the observed deviations are also due to the onset of partial or total turbulence for smaller Reynolds numbers as higher relative roughness (relationship between a roughness parameter and the hydraulic diameter of the crack). Semi-empirical models predicting pressure loss according to the roughness, to the opening of the cracks and to the flow rate are thus proposed on the basis of a statistical analysis of the experimental results. It appears that the best relative roughness parameters allowing the prediction of these pressure losses depends on the tortuosity, on the fractal dimension (calculated using the variogram analysis method) and on the fracture opening.

La conception des ouvrages miniers souterrains repose sur une caractérisation géotechnique du massif rocheux. Lors des essais en laboratoire sur le roc intact, les données géotechniques sont amassées suivant les recommandations prescrites par la Société internationale de mécanique des roches (SIMR) (Brown, 1981). Bien que les essais en laboratoire sur le roc intact soient effectués selon les recommandations de la SIMR, ils ne sont pas réalisés d’une manière optimale quant au nombre de spécimens testés, à la localisation des essais, à la temporalité des essais, aux critères de rejet de certains spécimens testés et à l’utilisation des résultats dans la définition du critère de Hoek-Brown. Avec le coût élevé des essais en laboratoire, il est primordial d’optimiser les campagnes d’essais en laboratoire et de s’assurer d’utiliser et de maximiser l’information provenant des résultats tout en s’assurant de leur représentativité. À l’aide de deux études de cas réalisées sur des sites miniers québécois, ce mémoire a pour objectif global d’effectuer la caractérisation statistique de paramètres géomécaniques dans le but d’optimiser les campagnes d’essais et de de maximiser l’information obtenue par l’entremise d’essais en laboratoire sur le roc intact. Les analyses statistiques permettront de mieux quantifier la connaissance des propriétés du roc intact dans le cadre d’un projet minier. Elles permettront également d’optimiser le nombre d’essais à réaliser tout en s’assurant de la représentativité des résultats. Finalement, elles permettront d’identifier plus efficacement de nouvelles cibles de caractérisation.

L’accent mis actuellement par l’industrie pétrolière sur l’augmentation de l’efficacité des réservoirs, ainsi que sur l’intérêt grandissant pour l’exploitation d’autres sources d’énergie enfouies profondément sous terre a suscité un regain d’intérêt pour la mécanique de la fracturation des roches en général et la fracturation hydraulique en particulier. La fracturation hydraulique, appelée de manière informelle “fracturation”, est un processus qui consiste généralement à injecter de l’eau, sous haute pression dans une formation rocheuse via le puits. Ce processus vise à créer de nouvelles fractures dans la roche et à augmenter la taille, l’étendue et la connectivité des fractures existantes. Des avancées récentes dans la modélisation et la simulation de fractures hydrauliques ont eu lieu, au confluent de facteurs qui incluent une activité accrue, une tendance vers une complexité accrue et une compréhension approfondie du modèle mathématique sous-jacent et de ses défis intrinsèques. Cependant, certaines des caractéristiques très importantes de ce processus ont été négligées. Parmi les caractéristiques négligées, on peut citer l’incapacité de la grande majorité des modèles existants de s’attaquer à la fois à la propagation de fractures hydrauliques dans la roche intacte, à l’inititation de nouvelles fractures ainsi qu’à la réactivation des fractures existantes. Une autre caractéristique qui a été ignorée est sa dimension intrinsèque en trois dimensions, négligée par la plupart des modèles actuallement proposés. Parmi tous les différents types de méthodes numériques développées pour évaluer le mécanisme du phénomène de fracturation, très peu sont capables de représenter la totalité des mecanismes mis en jeu. Dans la présente thèse, l’initiation et la propagation de fissures induites par les fluides dans des roches isotropes transversales sont simulées à l’aide d’un modèle hydromécanique (HM) couplé basé la méthode XFEM (eXtended Finite Element Method) et un modèle de zones cohésives. Le HM-XFEM développé dans cette thèse est une extension des modèles précédemment développés dans l’équipe hydro-géomécanique multi échelle de GeoRessources. L’accent a été porté plus particulièrement sur la prise en compte de l’anisotropie du milieu et sur son influence sur le chemin de propagation. Ce dernier est défini à partir du le concept d’angle de bifurcation introduit auparavant dans la littérature. En complément des développements réalisés dans le modèle HM-XFEM, effort a été fait pour mieux comprendre l’initiation de la fissure en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) à l’aide du logiciel open source YADE Open DEM. La nature différente des deux méthodes, DEM étant une méthode discontinue et XFEM, une méthode continue, révèle les potentiels des deux méthodes et permet de comparer correctement la méthode qui convient le mieux au problème à résoudre, compte tenu des objectifs de la conception / Current emphasis in petroleom industry toward increasing the reservoirs efficiency, along with the interest in exploitation of other sources of energy buried deep underground created a renewed interest in rock fracture mechanics in general and hydraulic fracturing specifically. Hydraulic fracturing, informally referred to as “fracking,” is an oil and gas well development process that typically involves injecting water, under high pressure into a bedrock formation via the well. This process is intended to create new fractures in the rock as well as increase the size, extent, and connectivity of existing fractures. However some of the very important features of this process have been overlooked. Among these neglected features one can name of inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in fractured rocks-masses where a competing dipole mechanism exists between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another feature that has been ignored is its intrinsically three dimensionality which is neglected by most models. Among all different types of numerical methods that have been developed in order to assess the mechanism of fracturing phenomenon very few, if any, can handle the entire complexity of such process. In the present thesis, fluid-driven crack initiation and propagation in transverse isotropic rocks is simulated using a coupled model comprising of eXtended Finite Element Method (XFEM) and cohesive zone models. The HM XFEM developed in this thesis is an extension to previous models developed introduced in multiscale hydrogeomechanics team of GeoRessources. An emphasis is put on considering the anisotropic nature of the medium and on studying its influence on the propagation path. This latter is investigated by the concept of bifurcation angle previously introduced in literature. In complementary efforts was made to have a better understanding of crack initiation in transversely isotropic media, we also used the discrete element method (DEM) in order to gain insights into the mechanisms at stake. Both methods exhibit their advantages and disadvantages in modeling fracturing phenomenon. The different nature of two methods, DEM being a discontinuous and XFEM being a continuous method, reveals potentials of both methods and renders a good comparison of which method suits the problem in hand the best, considering the the objectives of the design

Le travail porte sur une meilleure connaissance du comportement " global " du massif fracturé, à travers la prise en compte raisonnée des données de fracturation permettant une modélisation réaliste du massif étudié. En s'appuyant sur les dispositifs expérimentaux du laboratoire de Toulouse, une réflexion sur les paramètres à prendre en compte dans la modélisation géométrique et mécanique est menée. Trois axes majeurs sont développés en parallèle : 1. la description du massif par la prise en compte raisonnée des données de terrain : Une bonne description du massif s'appuie à la fois sur l'analyse des moyens d'investigation dont nous disposons (informations obtenues en regard du coût). Différents travaux ont été menés pour comparer des discontinuités visibles par diagraphie et mesurées directement sur carottes de forage, ou bien les familles de discontinuités retrouvées par levé systématique sur paroi, diagraphie et levé global par " expert ". Un travail d'analyse statistique sur la répartition dans l'espace a été réalisé conjointement avec l'université de Bordeaux (GHYMAC). Il a conduit à des études de cas précises. Enfin, sur l'extrapolation des mesures en vu de la modélisation du massif, un travail a été ébauché mais mérite d'être approfondi dans le futur. 2. la caractérisation en laboratoire : essais sur la matrice et les discontinuités La caractérisation de l'endommagement de la matrice rocheuse est étudié par méthode ultrasonique (travail exploratoire au cours des cycles de gel/dégel, d'essais uniaxiaux et triaxiaux ; décrit dans des rapports d'opération de recherche mais non publiés) et par émission acoustique (en collaboration. L'analyse du comportement des discontinuités rocheuses s'est fortement développée. Différents axes sont proposés, autour des liens entre la morphologie de la discontinuité et le comportement mécanique d'une part, et sur des chemins de chargement expérimentaux particuliers, d'autre part. 3. le comportement des ouvrages. Pour pouvoir anticiper les modifications du massif dues à la création d'un ouvrage, des modélisations sont nécessaires ainsi qu'une rétro-analyse après réalisation de l'ouvrage. J'ai choisi de développer mon travail sous l'angle de la prise en compte raisonnée des données de fracturation afin de conduire à une modélisation géométrique à privilégier. Cette approche a été menée en se basant sur des cas concrets, tel le creusement du tunnel de St Béat, les fondations du viaduc sur le Viaur ou la création des grands déblais autour d'Ax-les-Thermes. La rétro-analyse par mesure sur site est essentielle pour comparer les prévisions à la réalité. L'existence de sites d'études instrumentés, dont le LRPC de Toulouse s'occupe est donc particulièrement intéressante.

Cette thèse aborde le problème de la rupture localisée dans les roches, qui caractérise un grand nombre d'applications dans le domaine du génie civil, tels que la rupture du barrage, effondrement des fondations, la stabilité des excavations ou les tunnels, les glissements de terrain et les éboulements. Le risque de rupture localisée devrait être mieux appréhendé pour mieux l'éviter. La rupture localisée dans les roches est généralement caractérisée par une une rupture soudaine et quasi-fragile sans avertissement sous forme de grandes déformations et visibles avant la rupture elle-même. Cela se produit également sous l'influence des hétérogénéités matériels, des fissures existantes et d'autres défauts initiaux.Les trois nouveaux modèles numériques, intégrant les mécanismes de ruptures localisées, l'hétérogénéité de la roche et des fissures existantes et d'autres défauts, sont présentés dans cette thèse. Le premier modèle propose une représentation en 2D de roche composite à deux phases, où la phase solide représente la roche intacte et la faible phase indique les défauts initiaux. Le deuxième modèle représente l'extension du modèle précédent vers un espace 3D, où est considéré un ensemble complet de mécanismes de ruptures en 3D. Les propriétés hétérogènes sont considérées ici par une distribution aléatoire en accord avec la variation statistique de Gausse. Ce modèle est également utilisé pour l'analyse de la roche intacte par spécimens possédant des écarts de formes géométriques qui influencent la résistance à la compression uni-axiale. Le troisième modèle est un modèle en 2D, traitant l’interaction volumétrique entre un fluide et la structure sous l’influence de l’écoulement du fluide à travers le milieu de la roche poreuse.L'approche des lattices discrètes est choisie pour construire un cadre général pour les trois modèles, où les cellules de Voronoï représentent les grains de roche tenus ensemble par les poutres de Timoshenko comme des liens de cohésion. La cinématique améliorée est caractérisée par l'approche intégrée des discontinuités comme un supplément à la cinématique standard de liens cohérents. Cela sert pour la propagation de la macro fissure dans tous les modes de ruptures et de leurs combinaisons, entre les grains de la roche. La formation de la zone du processus de rupture suivie par des microfissures coalescentes, précédant la rupture localisée, est aussi considérée dans les modèles. L’écoulement du fluide est régi par la loi de Darcy, tandis que les conditions de couplage obéissent à la théorie de poroélasticité de Biot.Les résultats des modèles numériques ont été vérifiés par des exemples de la littérature dans le cas des modèles en 2D. Le modèle en 3D a été validé suite aux résultats expérimentaux effectués sur 90 échantillons de roches, où sont considérées de légères déviations géométriques des spécimens.La présentation de ces modèles, ainsi que leurs aspects de mise en œuvre sont présentés en détail. L’approche avec une discontinuité intrinsèque et le caractère local des améliorations nécessaires à la simulation des discontinuités de déplacement orientent vers la condensation statique des degrés de liberté améliorés sont efficacement intégrés dans l’architecture des éléments finis. / This thesis deals with the problem of localized failure in rocks, which occurs often in civil engineering practice like in dam failure, foundation collapse, stability of excavaations, slopes and tunnels, landslides and rock falls. The risk of localized failure should be better understood in order to be prevented. The localized failure in rocks is usually characterized by a sudden and brittle failure without warning in a sense of larger and visible deformations prior to failure. This happens also under the strong influence of material heterogeneities, preexisting cracks and other defects.The three novel numerical models, incorporating the localized failure mechanisms, heterogeneity of rock and preexisting cracks and other defects, are presented in this thesis. First model deals with 2D plane strain two-phase rock composite, where stronger phase represents the intact rock and weaker phase initial defects. Second model represents the extension of the previous model towards the 3D space, where full set of 3D failure mechanisms is considered. Heterogeneous properties are taken here through the random distribution and Gauss statistical variation of material properties. The latter model is also used for the analysis of intact rock core specimens geometrical shape deviations influencing the uni-axial compressive strength. Third model is a 2D, dealing with volumetric fluid-structure interaction and localized failure under the influence of fluid flow throughthe porous rock medium.The discrete beam lattice approach is chosen for general framework for three models, where Voronoi cells represent the rock grains kept together by Timoshenko beams as cohesive links. The enhanced kinematics characterized for embedded discontinuity approach is added upon standard kinematics of cohesive links. This serves for the macro crack propagation in all failure modes and their combinations, between the rock grains. The fracture process zone formation followed by micro-cracks coalescence, preceding the localized failure, is considered as well. Fluid flow is governed by a Darcy law, while coupling conditions obey Biot's theory of poroplasticity. The results of the numerical models were verified by the benchmarks available from literature in 2D case. The 3D model was validated against the experimental results conducted on 90 rock specimens, where even slight geometrical deviations of specimens are considered.Presentation of these models, as well as their implementation aspects are given in full detail. Embedded discontinuity concept and the local nature of enhancements required to capture the displacement discontinuities leads to the very efficient approach with static condensation of enhanced degrees of freedom and technique that can be efficiently incorporated into finite element code architecture.

Les argilites, sont définies comme étant des roches comportant une large fraction de minéraux argileux. Leurs propriétés physiques et mécaniques présentent un intérêt pour l’étude du comportement hydro-mécanique des failles dans la partie supérieure de la croûte mais aussi pour la compréhension des roches couvertures de réservoirs d’hydrocarbures ou pour l’expertise de la pérennité du stockage de déchets radioactifs.Cette thèse propose deux approches afin de comprendre l’organisation de la déformation dans ce type de matériau, une première purement mécanique sur des échantillons intacts et la seconde s’intéressant aux propriétés physiques de matériaux déformés. Pour cela, nous avons étudié les argilites de Tournemire (Tunnel expérimental de l'IRSN, Aveyron, France).La première partie consiste en une série d’essais triaxiaux. Nous avons déterminé les enveloppes de rupture de trois groupes d’échantillons carottés avec des orientations différentes par rapport au litage (0°, 45°, et 90°). Pour chaque orientation, sept expériences ont été réalisées à différentes pressions de confinement (2.5, 5, 10, 20, 40, 80, 160 MPa). L’influence de la vitesse de déformation a été établie en comparant des expériences réalisées avec des vitesses de déformation différentes (10-7 s-1 et 10-5 s-1). Pendant les expériences, les vitesses d’ondes P et S ont été enregistrées selon différents angles par rapport au litage afin de quantifier l’évolution de l’anisotropie des propriétés élastiques.Cette partie permet de mettre en évidence l’importance de l’orientation du litage par rapport à la contrainte principale sur la résistance mécanique de nos échantillons. De plus, un modèle micromécanique basé sur le « wing crack » permet d’expliquer l’anisotropie mécanique de nos argilites par l’anisotropie de la ténacité KIC.Par ailleurs, on constate que l’évolution de l’anisotropie des propriétés élastiques dépend elle aussi de l’orientation considérée. Lors de la compression, l’orientation 90° présente d’importantes variations pouvant aller jusqu’à une inversion de l’anisotropie, alors que les vitesses n’évoluent que très peu pour l’orientation 0°. Ces variations ont été quantifiées par les paramètres de Thomsen. L’étude des vitesses élastiques et celle des microstructures, permettent de mettre en évidence l’importance des processus plastiques comme la réorientation des minéraux au cours de la déformation.La seconde partie consiste en une étude pétrophysique (vitesses des ondes P, ASM, densité, saturation, porosité) d’échantillons provenant d’un forage traversant une zone de faille. Le but est de quantifier la variation de ces propriétés à l’approche du cœur de faille.Un protocole d’échantillonnage et de mesure a été mis en place. Le protocole comporte une première série de mesures directement sur le terrain afin de s’affranchir des problématiques liées à la préservation des échantillons (notamment pour les mesures de porosité/densité/saturation). Par la suite, des échantillons ont été prélevés pour réaliser des mesures à la fois dans le cadre de cette thèse (vitesses des ondes P et ASM) mais aussi dans d’autres laboratoires (étude de la composition minéralogique, CT-scan).A partir des observations, on caractérise :• Une zone saine caractérisée par des échantillons ne présentant pas ou très peu de fracturation• Une zone endommagée qui présente un grand nombre de fractures calcifiées• Une zone de cœur caractérisée par une déstructuration totale (pas de bedding apparent) et des variations de couleur.Notre étude met en évidence une signature physique propre à chaque zone de cette faille avec notamment une diminution de l’anisotropie des échantillons en zone endommagée fortement marquée. De plus, des mécanismes de rotation de la stratigraphie similaires à ceux observés à l’échelle des microstructures lors de la déformation expérimentale ont été observés. / Shales or clays are defined as rock having a large proportion of clay minerals. Their physical and mechanical properties are of interest for the study of the hydro-mechanical behavior of faults in the uppermost crust but also for the understanding of the cap rocks of hydrocarbon reservoirs or for the expertise of the durability of radioactive waste storage.This thesis proposes two complementary approaches to understand the organization of the deformation in this type of material, a first purely mechanical on undisturbed samples and the second focusing on the physical properties of deformed materials. During this thesis, we studied Tournemire shales (IRSN tunnel, Aveyron, France).The first part consists in triaxial tests. We determined the failure envelopes of three sets of core samples with different orientations with respect to bedding (0 °, 45 ° and 90 °). For each orientation, seven experiments were performed at different confining pressures (2.5, 5, 10, 20, 40, 80, 160 MPa). The influence of the strain rate was determined by comparing experiments with different strain rates extending over two orders of magnitude (between 〖10〗^(-7) s^(-1) and 〖10〗^(-5) s^(-1)). During the experiments, the P and S wave velocities were recorded from different angles with respect to the bedding to quantify the evolution of the anisotropy of the elastic properties according to the imposed stress.This section allows to highlight the importance of the orientation of bedding relatively to the principal stress applied on our samples. It is noted for example that the weakest orientation is 45 ° and 90 ° the strongest orientation. In addition, a micromechanical model based on the "wing crack" theory helps to explain the mechanical anisotropy of our argillites by the anisotropy of the fracture toughness K_Ic.Moreover, it is found that changes in the anisotropy of the elastic properties also depends on the bedding orientation. During compression, the 90 ° orientation has significant variations up to a reversal of the anisotropy, whereas the elastic wave velocities show little changes for 0 ° orientation. These variations were quantified by Thomsen parameters. The study of elastic velocities and of microstructures of our samples highlight the importance of the plastic processes such as reorientation of minerals during deformation.The second part consists of a petrophysical study (P wave velocities, ASM, density, saturation, porosity) of samples from a borehole drilled through a fault zone. The goal here is to quantify the variation of these properties as we approach the fault core.A protocol of sampling and measurement was established to realize a complete study of drillings. The protocol includes a first serie of measures directly in the field in order to overcome the problems linked to the preservation of samples (especially for porosity measurements / density / saturation). Subsequently, samples were taken for measurements both in the context of this thesis (P wave velocities and ASM), but also in other laboratories (study of the mineralogical composition, CT-scan).Three fault zones were identified from field observations:• An intact zone characterized by samples with no or very little fracturing• A damaged zone that includes a large number of calcified fractures• A fault core zone characterized by a complete breakdown (no apparent bedding) and color variations.Although these areas were determined on observation criteria, our study demonstrates an own physical signature for each zone of this fault with an important decrease in the anisotropy of the samples from fault core. In addition, bedding rotation with similar mechanisms to those observed at the microstructural scale during the experimental deformation was observed.

Dans le contexte de la conception minière dans un environnement en transition vers de hautes contraintes et actif sismiquement, comprendre les paramètres géomécaniques et opérationnels influençant la sismicité est essentiel. Les tirs à l’explosif de production, ainsi que lesstructures géologiques, sont des contributeurs importants à la sismicité. Une meilleure compréhension des interactions entre ces différents paramètres avec la sismicité permettrait aux opérateurs miniers d’optimiser la planification des travaux afin de protéger les travailleurs et d’éviter des délais de production. Une campagne géotechnique a été effectuée à la mine Éléonore en mars 2017 afin d’identifier les familles de discontinuités principales et caractériser la qualité du massif rocheux. L’hypothèse selon laquelle la sismicité après un tir à l’explosif de production à la mine Éléonore est contrôlée par les structures géologiques locales, a été testée à l’aide d’une nouvelle méthode quantitative. De cette étude, la sismicité après un tir à l’explosif de production semble fortement associée à la famille principale subhorizontale. Une analyse par une méthode des moindres carrés partiels a été utilisée afin d’identifier parmi 78 paramètres opérationnels et géomécaniques lesquels corrélaientavec la réponse sismique associée avec un tir à l’explosif de production. De cette analyse, les principaux facteurs corrélés à la sismicité après un tir à l’explosif de production à la mine Éléonore sont les structures géologiques majeures, la dimension des chantiers et le patron de forage. Par la mise en commun de ces deux études, les structures géologiques locales et régionales ressortent comme les principaux facteurs associés à une plus forte réponse sismique après un tir à l’explosif de productionà lamine Éléonore. Les paramètres opérationnels identifiés comme des facteurs contributeurs à la réponse sismique sont la taille des chantiers et le patron de forage. / Seismicity in the mining environment is controlled by factors including stope and development blasting, the presence of geological features, and stress conditions. The Goldcorp Eleonore mine is located in the James Bay region, Quebec, Canada. Its 800-metre depth makes Eleonore a relatively shallow mine when compared to other seismically active Canadian mines. Despite the mine’s depth, seismicity is a geotechnical hazard that may be arguably attributed to a particular stress regime and complex geology. An improved understanding of the seismic responses following blasting can decrease seismic risk and is beneficial to mine planning and productivity. Seismic responses to blasting were spatially delineated using a density-based clustering approach. The spatial characteristics of clusters were assessed using Principal Component Analysis (PCA). The best-fit planar representation of seismic event clusters was identified. The orientation of the best-fit planar representations was then compared to the mine’s local jointing to investigate the causative seismic source mechanism for these events. The results of this study show that seismicity is linked to local jointing.

Cette recherche examine les possibilités d’optimisation économique et géotechnique des mines à ciel ouvert. Elle porte sur un cas d’étude : la fosse Portage de la mine Meadowbank, propriété exclusive d’Agnico-Eagle. Ce travail de recherche visait trois objectifs. En premier, la réalisation d’une campagne de caractérisation des murs de la fosse Portage. Cette caractérisation a permis de récolter des nouvelles données géotechniques qui ont été d’abord comparées avec les données existantes. Par la suite, ces nouvelles données ont permis de bonifier le modèle géotechnique existant de la fosse Portage. En second, le travail visait l’évaluation de la stabilité des murs de la fosse Portage selon la configuration suggérée par le plan minier 2011, en tenant compte des travaux de caractérisation exécutés par Agnico-Eagle en 2010 et ceux réalisés dans le cadre de cette recherche en 2011. Une approche intégrée a été utilisée pour analyser la stabilité des pentes de l’ensemble des fosses emboitées de la séquence planifiée d’exploitation. Enfin, cette étude visait l’élaboration des bases d’un outil d’aide à la décision qui repose sur l’optimisation économique et le potentiel d’instabilité des fosses. Cette approche a été utilisée pour la fosse Portage.

Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle méthodologie qui quantifie les chances de succès d’un tir confiné à grande échelle de relâchement des contraintes dans un pilier de mine souterraine, pour une masse rocheuse et un régime de contraintes donnés. L’approche est basée sur huit paramètres qui sont considérés comme contrôlant ultimement le processus, et dont l’influence et les interactions ont été quantifiées dans un premier temps avec la méthode des Systèmes d’ingénierie du roc (“Rock Engineering Systems”). Ces interactions et degrés d’influence ont ensuite été utilisés pour élaborer la nouvelle méthodologie, qui est basée sur un nouveau paramètre appelé l’Indice de relâchement, qui peut être ‘Faible’, ‘Moyen’, ‘Bon’ ou ‘Excellent’. Il est conclu que cette méthodologie a une valeur pratique élevée de par sa capacité à concevoir adéquatement un tir confiné à grande échelle de relâchement des contraintes dans un pilier de mine, en prenant simplement des mesures qui résultent en une augmentation de l’Indice de relâchement et, donc, des chances de succès du tir