La mine Troilus est une mine à ciel ouvert qui est la propriété de la corporation minière Inmet. Elle se situe à 175 km au nord de Chibougamau dans la portion orientale de la ceinture volcano-sédimentaire archéenne de Frotet-Evans. La stabilité des pentes rocheuses de la mine Troilus est importante pour différentes raisons : le massif est fortement folié, recoupé de failles et de réseaux de joints systématiques. Il y a différents modes de rupture possible, soit : la rupture progressive par zones de fracturation, la rupture circulaire, le glissement sur un plan ou d'un dièdre et le développement de zone d'instabilité en kink pour former des zones de rupture en flambage ou à la limite une rupture par fauchage {toppling). Tous ces types d'instabilité peuvent se produire concurremment dans le cadre de la même fosse à ciel ouvert dépendamment de l'attitude spatiale des différentes structures géologiques, de la nature de la roche et de la compétence de la roche. La conception géomécanique de la fosse, dans ces milieux rocheux, doit donc tenir compte de ces divers modes de rupture et d'instabilité des pentes rocheuses jointées et foliées. Ce projet a comme objectif d'analyser les conditions susceptibles de provoquer le développement des divers modes de rupture dans un massif rocheux fracturé dans le but de développer des critères de conception (design) et des modes de soutènement plus adéquats pour assurer la stabilité des pentes de la fosse. La démarche du projet comporte les étapes suivantes : premièrement, réaliser une compilation et une analyse structurale du gisement; deuxièmement, caractériser les propriétés mécaniques des roches et des discontinuités des murs de la fosse à l'aide des travaux antérieurs; et finalement, simuler par ordinateur les divers modes de rupture susceptibles de se développer. Ces travaux permettront de procéder à un zonage structural de la fosse, c'est-à-dire identifier les zones structurales qui contrôlent la stabilité des gradins et des murs finaux de la fosse. Dans le cadre de ce zonage, les propriétés mécaniques seront établies pour les zones homogènes. Par la suite, l'analyse de la stabilité des murs principaux de la fosse sera évaluée en fonction des modes de rupture mentionnés plus haut à l'aide de méthodes de simulation analytique adaptée aux divers modes de rupture susceptibles de se développer. Cette étude a permis de cerner quatre domaines structuraux distincts, soit : A(2A), A(2B), A(2B,2C) et B. À l'intérieur de chacun de ces domaines trois familles de discontinuités ont été identifiées. La famille verticale, la famille horizontale et la foliation se retrouvent dans chacun de ces domaines. La différence entre les domaines A(2A), A(2B,2C) et A(2B) est le pendage de la famille horizontale. Les qualificatifs entre parenthèses représentent le pendage de la fracture horizontale. Le qualificatif 2A indique un pendage entre 0 et 15°, tandis que 2B indique un pendage de 16 à 25°. Finalement, le terme 2C indique un pendage de 26 à 40°. Pour ce qui est du domaine structural B, il est caractérisé par une fracture ayant une patine d'altération verdâtre et un pendage vers la fosse. Cette famille de discontinuité a été appelée zone problématique. C'est le domaine responsable d'un nouveau design au mur ouest. A l'intérieur de chaque domaine structural les possibilités de rupture ont été identifiées à l'aide d'une étude de stéréogrammes et d'équilibre limite. Ceci a permis de cerner les différentes possibilités de rupture planaire, en coin et fauchage. Dans le cadre de cette analyse de stabilité, un facteur de sécurité de 1,3 a été utilisé comme limite entre la stabilité et l'instabilité. Cette analyse a permis de faire ressortir neuf cas de rupture en coin pour les murs secs et à l'échelle du banc individuel. Six de ces neuf cas correspondent à la zone problématique combinée à un joint vertical. Pour ce qui est de l'échelle inter-rampe, c'est le passage de la zone problématique à l'intérieur du domaine B qui crée les sept cas. La présence d'eau a un effet très important sur la stabilité des pentes. En effet, le nombre de cas de rupture en coin passe de neuf à seize avec l'application d'une pression interstitielle dans les logiciels de modélisation. Des cas de rupture planaire ont aussi été identifiés. À l'échelle du banc individuel et avec des murs secs, il est possible de retrouver onze cas de rupture planaire. Les deux familles de discontinuités les plus importantes qui présentent des ruptures de type planaire sont la foliation et la zone problématique. À l'échelle inter rampe, seulement six cas sont présents. Ils sont caractérisés par le passage de la zone problématique. La présence d'eau joue aussi un rôle important pour les cas de rupture planaire. En effet, la présence d'eau diminue grandement le facteur de sécurité de chacune des possibilités de rupture. Les abaques de Zanbak permettent de dire que les possibilités de fauchage sont limitées au couloir de déformation présent au mur ouest de la fosse 87. Ce couloir de déformation est caractérisé par le passage de grands joints de foliation majeurs et continus. Il se situe à l'intérieur des domaines A(2B) et A(2A). Les abaques de Zanbak ne tiennent pas compte de plusieurs facteurs et ceci laisse présager que les cas de fauchage pourraient être plus étendus.

The Al-Cu 206 cast alloys have been widely used in automotive and aerospace industries due to the high strength and good elevated temperature properties. However, this family alloys have an extremely low upper limit for the iron content (usually less than 0.15 wt. %) because the presence of more Fe can cause a great loss of the mechanical properties, particularly the ductility. With the increasing use of the recycled aluminum alloys, the requirement for extremely low iron contents has become a main concern in terms of the manufacturing technique and cost. Therefore, manufacturing premium castings with higher iron contents has become a great challenge. In this study, the solidification behavior of the iron-rich intermetallics and the effect of alloy composition, cooling rate and solution heat treatment on the iron-rich intermetallics were systematically investigated in 206 cast alloys at 0.15, 0.3 and 0.5 wt. % Fe. The effect of the iron-rich intermetallics on the tensile properties was also evaluated. An optical microscope, a scanning electron microscope and a transmission electron microscope were used to observe the microstructures and analyze the volume fraction of the iron-rich intermetallics as well as the fracture surface. The solidification sequences of 206 cast alloys at 0.15-0.5 wt. % Fe were well established. The experimental results in the present thesis are divided into four parts. In the first part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.15 wt. % Fe were studied. It was found that Chinese script a-Fe and platelet-like B-Fe can precipitate and coexist in the finally solidified alloy and the individual addition of either Mn or Si promotes the formation of a-Fe and hinders the occurrence of B-Fe. The critical cooling rate to effectively suppress the formation of B-Fe depends on the alloy composition. A casting process map is established to correlate the Mn and Si contents with cooling rate for the 206 cast alloys. In the second part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.3 wt. % Fe were investigated. Platelet B-Fe and Chinese script a-Fe were observed in the solidified samples. Both the a-Fe and B-Fe phases can nucleate on the oxide films. In addition, a-Fe can also nucleate on Al6(FeMnCu) and Al3Ti particles while the earlier formed a-Fe phase can also nucleate the later formed B-Fe phase. In addition, Either Si or Mn favors the transformation of B-Fe into the a-Fe phase. At a combination of both high Mn and high Si, almost all B-Fe platelets can be converted into Chinese script a-Fe. For a cast Al-4.5Cu-0.3Fe alloy, 0.3% Mn and 0.3% Si are required to completely suppress the B-Fe phase. In the third part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.5 wt. % Fe were studied. In addition to the two typical platelet B-Fe and Chinese script a-Fe phases, two extra phases, i.e. Chinese script Alm(FeMn) and platelet Al3(FeMn) were experimentally observed in the solidified alloys for the first time in the 206 cast alloys. Alm(FeMn), a-Fe and Al3(FeMn) are all possible as dominant iron-rich intermetallic phases. The individual addition of Si favors the formation of a-Fe but inhibits the precipitation of B-Fe while the individual addition of high Mn promotes the formation of Al3(FeMn). The combined addition of both Si and Mn enhances the formation of predominate a-Fe. Furthermore, the formation temperature of each iron-rich intermetallic phase decreases and the stable iron-rich intermetallic is gradually replaced by the metastable phase with increasing cooling rate. There exists a threshold cooling rate to obtain the predominant Chinese script Alm(FeMn) or a-Fe phases. Finally, the effect of iron-rich intermetallics on the tensile properties of the 206 cast alloys was performed. It was found that the tensile strengths linearly decrease with increasing iron content but higher strength are obtained for the alloys with dominant Chinese script iron-rich intermetallics than those with dominant platelet ones at similar iron levels. The 206 alloys above an iron level of 0.15% are hard to meet the minimum ductility (7%) in artificial overaging treatment (T7). However, the iron content limitation can be extended to 0.3%, or even to 0.5% to meet the 7% elongation in natural aging treatment (T4) condition under well controlled Mn and Si contents, providing the great potential to cast premium 206 alloys at high iron levels. - L'alliage Al-Cu 206 est largement utilisé dans les industries automobile et aéronautique en raison de sa grande résistance et de ses bonnes propriétés à température élevée. Toutefois, ce type d'alliage possède une faible teneur en fer (généralement une fraction massique inférieure à 0,15%), car la présence davantage de fer peut causer une diminution considérable des propriétés mécaniques. Avec l'utilisation de plus en plus croissante des alliages d'aluminium recyclé, l'exigence pour une teneur très basse en fer est devenue une préoccupation majeure en termes de technique de fabrication et de coût. Par conséquent, la fabrication de pièces de haute gamme avec une teneur élevée de fer est un très grand défi. Dans cette étude, le comportement des composés intermétalliques riches en fer au cours de la solidification et les effets de la composition de l'alliage, de la vitesse de refroidissement et de la mise en solution sur les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé à différentes teneurs massique de fer : 0,15, 0,3 et 0,5% a été étudié. L'effet des composés intermétalliques riches en fer sur les propriétés de traction a également été étudié. Un microscope optique, un microscope électronique à balayage et un microscope électronique à transmission ont été utilisés pour observer les microstructures et analyser la fraction volumique des composés intermétalliques riches en fer ainsi que la surface de rupture. Les séquences de solidification de l'alliage 206 coulé à teneur massique en fer comprise entre 0,15 ~ 0,5% ont été mis en place. Les résultats expérimentaux de la présente thèse sont divisés en quatre parties. Dans la première partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une teneur en fer de 0,15% ont été étudiées. Il a été constaté que la phase a-Fe à charactère chinois et B-Fe en forme de plaquettes coexistent et peuvent précipiter dans l'alliage solidifié et l'addition individuelle de Mn ou de Si favorise la formation de a-Fe et empêche l'apparition de B-Fe. La vitesse critique de refroidissement pour supprimer efficacement la formation de B-Fe dépend de la composition de l'alliage. Une carfographie du processes de coulée a été établie pour corréler entre la teneur du Mn et du Si avec un taux de refroidissement pour l'alliage 206 coulé. Dans la deuxième partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une teneur en fer de 0,3% ont été étudiées. Les phases à plaquettes B-Fe et celle à écriture chinoise a-Fe ont été observées dans les échantillons solidifiés. Les deux phases a-Fe et B-Fe peuvent germer sur des films d'oxyde. En outre, a-Fe peut aussi germer sur Al6(FeMnCu) et sur les particules Al3Ti, tandis que les phases a-Fe formées plus tôt peuvent également germer sur la phase B-Fe formée plus tard. En plus, ni Si ni Mn ne favorisent la transformation de la phase B-Fe en celle de a-Fe. À une combinaison du Mn et du Si élevés, presque toutes les plaquettes B-Fe peuvent être converties en phase à caractères chinois a-Fe. Pour une coulée de l'alliage Al-4,5Cu-0,3Fe, 0,3% Mn et 0,3% Si sont requis pour supprimer complètement la phase B-Fe. Dans la troisième partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une fraction de fer de 0,5% du poids ont été étudiées. En plus des deux phases, celle typiquement à plaquettes B-Fe et celle à écriture chinoise a-Fe, deux phases supplémentaires, c'est-à-dire, à écriture chinoise Alm(FeMn) et à plaquettes Al3(FeMn) ont été observés expérimentalement dans les alliages solidifiés pour la première fois dans l'alliage 206 coulé. Alm(FeMn), a-Fe et Al3(FeMn) sont toutes possibles comme phases intermétalliques riches en fer dominantes. L'addition individuelle de Si favorise la formation de a-Fe mais inhibe la précipitation de B-Fe, tandis que l'ajout individuel d'une grande fraction de Mn favorise la formation de Al3(FeMn). L'addition combinée de Si et de Mn améliore la formation prédominante de a-Fe. En outre, la température de formation de la phase intermétallique riche en fer diminue et la phase intermétallique riche en fer stable est progressivement remplacée par la phase métastable avec l'augmentation de la vitesse de refroidissement. Il existe un seuil de vitesse de refroidissement pour obtenir une prédominance de la phase à écriture chinoise Alm(FeMn) ou a-Fe. Enfin, l'effet des composés intermétalliques riches en fer sur les propriétés de traction de l'alliage 206 coulé a été étudié. Il a été constaté que la résistance ultime à la rupture diminue linéairement avec l'augmentation de la teneur en fer, mais une plus grande résistance à la traction est obtenue pour les alliages contenant des composés intermétalliques à écriture chinoise riches en fer que ceux à dominance de plaquettes à des teneurs similaires de fer. Les alliages 206 à teneur de fer suppérieur à 0,15% traités pas vieillissenent artificiel atteignent difficilement la ductilité minimale (7%) comparés à ceux ayant subi un traitment de type (T7). Cependant, la limitation de la teneur en fer peut être étendue à 0,3%, voire à 0,5% pour répondre à l'allongement de 7% dans le traitement de vieillissement naturel (T4) sous la condition de bien contrôler la teneur en Mn et celle en Si, ce qui fournit un grand potentiel de couler l'alliage 206 à des teneurs de fer élevées.

L'alumine est extraite de la bauxite grâce au procédé Bayer. Au cours de l'étape de décantation de ce procédé, les particules de boues rouges sont séparées de la liqueur contenant l'aluminate par des agents de floculation. Ces agents permettent l'agglomération des particules en agrégats plus volumineux, qui sédimentent plus rapidement, permettant ainsi d'améliorer l'efficacité de l'étape de séparation solide/liquide. Cependant, les méthodes actuelles de floculation ne permettent pas d'éliminer complètement les matières particulaires présentes dans la liqueur surnageante. Conséquemment, une étape de filtration est nécessaire pour réduire la quantité de matières particulaires en suspension à une concentration d'environ 10 mg/L. Ce mémoire présente une étude effectuée dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie de l'Université du Québec à Chicoutimi, portant sur les principales variables susceptibles d'améliorer la clarté d'une suspension de boues rouges par floculation. Les variables à l'étude sont le type d'agents de floculation, la séquence d'injection des agents ainsi que le niveau et la durée d'agitation appliqués à la suspension floculée. Ce travail de recherche a été effectué en collaboration avec le Groupe de Recherche Universitaire de Séparation Solide/Liquide (GRUSSL) et le Centre de Recherche et de Développement Arvida (CRDA). L'objectif principal de cette étude consiste à effectuer des essais de floculation en changeant les variables afin d'établir les conditions optimales de séparation solide/liquide, et ainsi réduire la quantité de matières particulaires en suspension dans la surverse à un niveau inférieur à celui retrouvé en usine. Un montage expérimental, basé sur la géométrie Couette, a été élaboré afin de permettre l'étude en continu de la floculation et de déterminer les conditions optimales d'utilisation des agents de floculation. Les essais de floculation ont été réalisés sous des conditions généralement retrouvées dans les circuits de lavage du procédé Bayer. Les résultats obtenus ont démontré que les conditions d'agitation requises pour obtenir une turbidité minimale dépendent de la nature du polymère et/ou des agents de floculation. L'emploi de mélanges doubles de polymère et/ou d'agents de floculation, utilisé sous des conditions d'agitation optimales, permet d'obtenir des niveaux de turbidité exceptionnellement bas. En effet, l'utilisation d'une double addition de polymère a permis de réduire la turbidité résiduelle de la surverse d'environ 47%, comparativement à une simple addition de polymère. Néanmoins, les niveaux de turbidité les plus bas ont été obtenus par des doubles additions d'agents de floculation. Le meilleur résultat de turbidité obtenu est 12 NTU et correspond à une concentration en matières particulaires de 6 mg/L. Par conséquent, le mélange d'agents de floculation est très efficace puisqu'il permet d'obtenir des concentrations inférieures à celles obtenues en usine après filtration. L'efficacité des mélanges doubles résulte probablement d'interactions entre les polymères et/ou les agents de floculation.

La mine Niobec située à Saint-Honoré exploite un gisement souterrain de Niobium. L'exploitation actuelle se situe entre les niveaux 300 et 1450 pieds (100 et 400 mètres). La méthode d'exploitation consiste à dynamiter des grands chantiers ouverts de 25 par 45 mètres et d'une hauteur de 90 mètres. Mine Niobec prévoit l'exploitation de trois autres blocs miniers, mais cette fois-ci avec une méthode de chantiers primaire-primaire sans pilier et avec remblai. Les principaux objectifs de ce projet sont de caractériser les aspects structuraux et géotechniques du pilier qui sera laissé en place sous le niveau 1450. Cette caractérisation rend possible une analyse de stabilité du pilier et des chantiers au-dessus et au-dessous en vue de faire des recommandations sur l'épaisseur du pilier et la dimension des chantiers. Enfin, des suggestions de support sont évaluées pour la stabilisation aux pourtours des ouvrages à court et à long termes. Les méthodes et les procédures utilisées pour accomplir ce projet comprennent, tout d'abord, la caractérisation structurale par des campagnes de cartographie incluant des levés de joints, lesquels sont modélisés sur projection stéréographique puis interprétés. Pour ce qui est de la caractérisation des propriétés géotechniques, des échantillons de carottes de forage ont été sélectionnés pour réaliser des tests en laboratoire. Il s'agit de tests en compression et en tension de façon à déterminer les courbes de critère de rupture, le module d'Young et le coefficient de Poisson du massif de carbonatite de la mine. Les pressions de terrain sont un autre point important pour l'analyse de stabilité du pilier. Une compilation des mesures existantes a été réalisée et des calculs théoriques de pressions ont été effectués pour les nouvelles profondeurs. Enfin, l'évolution des pressions de terrain dans la mine a été analysée à l'aide du logiciel de simulation numérique Map3D. Les limites de la minéralisation des futurs blocs d'exploitation, déterminées par une campagne de forage, permettent de localiser l'emplacement des futurs chantiers sous le niveau 1450. Cela rend possible l'évaluation de l'influence de la fracturation et des contraintes en fonction de l'emplacement, de la dimension, de l'orientation des nouveaux chantiers et de ceux des anciens blocs d'exploitation. Un examen des divers modes d'instabilité a été réalisé. De plus, des rétro-analyses des anciennes ouvertures permet l'étude de la stabilité des nouveaux chantiers. Cette méthode vise à prédire la stabilité des nouveaux ouvrages, pour un certain niveau de contraintes, en se basant sur les chantiers passés et en considérant l'ensemble des ouvertures de la mine. Enfin, des modes de support sont évalués pour assurer leur stabilité. L'analyse structurale indique que les murs ouest et nord des ouvertures présentent le potentiel le plus élevé d'effondrements reliés aux structures. De plus, les résultats démontrent qu'il est très avantageux de diminuer les dimensions des ouvertures afin de réduire la taille des blocs instables. L'analyse du niveau de contrainte permet de constater qu'il est primordial d'assurer la stabilité du toit des ouvertures avec un soutènement adéquat, puisqu'après le dynamitage des premiers chantiers le massif rocheux devrait être en post-rupture. L'épaisseur du pilier entre le troisième et le quatrième bloc d'exploitation devrait être d'un minimum de 150 pieds (46 mètres). Toutefois, il demeure très important de remblayer jusqu'au toit les ouvertures du bloc 4, car bien que d'une bonne épaisseur le pilier sera sans doute endommagé sur toute son épaisseur aux endroits critiques. Enfin, il est très important de suivre la séquence déterminée de façon à répartir les concentrations de contraintes aux endroits souhaités.

Le comportement mécanique et hydraulique des massifs rocheux fracturés est grandement influencé par la dilatance produite lors du déplacement en cisaillement des fractures. La plupart des travaux de génie civil et minier impliquent le comportement mécanique de massifs rocheux recoupés de plusieurs réseaux de joints et il est primordial d'anticiper les variations de la dilatance lorsque ces milieux discontinus sont sollicités par différents types de forces externes. Une méthode de caractérisation de la dilatance en fonction du déplacement en cisaillement, sous contrainte normale nulle, est proposée. La méthode est basée sur l'analyse de la distribution des angularités des aspérités sur les profils prélevés sur les surfaces d'une fracture à l'étude. L'adaptation de la méthode de Feckers-Rengers de caractérisation de la répartition statistique de I'angularité des faces latérales des différentes irrégularités en fonction de leur largeur a été utilisée comme procédure de base. Les distributions des angles extrêmes, en fonction de la longueur de base des aspérités, ont été calculées en utilisant le logiciel « CalculDilat », spécialement conçu pour cette méthode. Ce logiciel a permis de déterminer les courbes de dilatance en fonction du déplacement en cisaillement, sous contrainte normale nulle, pour une direction de cisaillement donnée. Des essais expérimentaux de cisaillement, réalisés sur une réplique de la fracture à l'étude, avec mesure de la dilatance, ont été effectués afin de valider la méthode de calcul proposée. Les courbes de dilatance expérimentales et calculées ont été réalisées dans quatre directions différentes et, pour chacune des directions, dans les deux sens de cisaillement (dextre et senestre). Les résultats obtenus montrent que les courbes de dilatance calculées et expérimentales coïncident presque parfaitement lorsque le cisaillement est effectué selon une pente générale positive ou pratiquement nulle. Par contre, lorsque le cisaillement est effectué selon une pente générale négative, la courbe de dilatance calculée se situe au dessus de la courbe de dilatance expérimentale. La cause de cette surestimation de la dilatance est probablement attribuable au fait que la méthode ne tient pas compte de la possibilité qu'il y ait contractance lors du déplacement en cisaillement de la fracture. Les différentes courbes de dilatance expérimentales obtenues dans les différentes directions étudiées ont permis de définir l'anisotropie selon la direction de cisaillement. Les courbes de dilatance calculées ont démontré le même phénomène ce qui permet de conclure que la méthode de calcul proposée tient compte de l'anisotropie directionnelle. Les mêmes observations ont également été faites en ce qui concerne l'anisotropie selon le sens du cisaillement. Les courbes de dilatance ont été tracées selon différentes conditions d'analyse. Les résultats ont démontré que la méthode n'est pas sensible au nombre de profils utilisés pour faire les calculs mais plutôt à quels profils sont utilisés. Ce sont les grandes structures qui contrôlent le comportement de la dilatance et ce sont donc les profils passant sur ces grandes structures qui sont importants. L'intervalle d'échantillonnage utilisé sur les profils est de 0,5 mm mais l'analyse des courbes de dilatance a démontré qu'un intervalle d'échantillonnage de 2 ou 3 mm permet de tracer des courbes de dilatance tout aussi précises. En ce qui concerne le cisaillement selon une pente générale négative, la surestimation des courbes de dilatance calculées, engendrée par le fait que la méthode de calcul ne tient pas compte de la possibilité qu'il y ait de la contractance lors du déplacement en cisaillement peut être solutionnée en diminuant la valeur de l'angle de pente négative des profils aux angles maximaux ; alors, la dilatance calculée concorde nettement mieux avec les valeurs de dilatance expérimentales. L'influence d'une contrainte normale non nulle a été étudiée sur une base préliminaire. L'application d'une contrainte normale a pu être simulée par l'élimination des aspérités à faible longueur de base dans la détermination des angles extrêmes. Toutefois, le manque de données expérimentales à contrainte normale non nulle laisse un doute dans l'application de cette technique. Ainsi la relation entre la longueur de base maximale des aspérités à négliger et l'application de la contrainte normale n'a pu être déterminée avec certitude.

Les méthodes destructives des roches dures revêtent une importance capitale pour l'industrie minière. À l'heure actuelle, le forage de type mécanique, où une pièce mobile et tenace entre directement en contact avec la surface rocheuse à désintégrer, est largement utilisé. Cependant, certaines formations géologiques fortement abrasives réduisent la productivité et la rentabilité de ce forage conventionnel. Il est reconnu que certaines roches cristallines s'effritent au contact d'une source de chaleur intense et localisée. Il existe des techniques d'abattage de roc qui tirent avantage d'un tel mode de rupture. Pour être commercialement attrayante, une technique de forage thermique doit atteindre des vitesses de pénétration assez comparables à celles produites par les méthodes mécaniques. À cet effet, les brûleurs à jet supersonique ont démontré une efficacité accrue dans certaines formations géologiques. La puissance de fragmentation de ces brûleurs est redevable à leur capacité à propulser des gaz à hautes températures à de très grandes vitesses qui provoquent l'écaillage de la surface rocheuse. Au fil des décennies, de nombreux types de brûleurs à jet supersonique commerciaux ont été développés. Or, peu de données scientifiques sont disponibles ou publiées quant à leurs puissances réelles et à leurs performances thermiques. La présente recherche s'inscrit dans cette optique et vise à développer une méthode comparative qui permet la caractérisation des brûleurs à jet supersonique. Pour y parvenir, cette recherche propose dans un premier temps de cibler une plage de puissance de travail plus optimale pour chaque type de brûleur. Puis, une analyse comparative des performances thermiques est effectuée par une méthode spécifique permettant d'estimer le transfert de chaleur tout autour de la flamme. Cette procédure requiert l'utilisation d'un calorimètre cylindrique adapté à cet effet, qui permet la mesure des historiques de températures à sa surface en différents points stratégiques. Ces mesures de températures servent de conditions frontières pour le modèle numérique transitoire qui évalue le flux thermique transmis. À titre de validation, des essais de fragmentation en conditions pratiques ont été réalisés. Le projet de recherche comporte également un volet exploratoire où une approche visant le développement d'un brûleur à flux thermique cyclique est considérée. Ce développement pourrait éventuellement mener à une augmentation de l'efficacité de la technologie par fragmentation thermique.

Niobec exploite une mine souterraine de niobium à Saint-Honoré dans la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean. L’exploitation du gisement démarré dans les années 70 doit maintenant se faire plus en profondeur. Aussi, comme le massif rocheux de la mine est d’une bonne qualité, la mine veut évaluer la possibilité de défruiter une partie des piliers lorsque l’on remplit les chantiers avec du remblai en pâte pour aider à la stabilité des ouvrages. L’objectif de ce projet est d’évaluer la stabilité des chantiers primaires dans les niveaux plus profonds de la mine et de vérifier la stabilité des chantiers de la mine selon les nouvelles dimensions proposées et en présence de remblai dans les ouvrages. Cette étude s’est faite à l’aide de modélisation numérique 3D réalisée avec le logiciel FLAC3D. Dans une première étape, les paramètres géomécaniques du massif rocheux doivent être déterminés à partir des résultats des essais en laboratoire et de la classification géomécanique du massif rocheux. À partir des résultats des essais de laboratoire déjà réalisés sur des échantillons de roche provenant de la mine Niobec, les paramètres de la roche intacte, comme la résistance en compression uniaxiale et en tension, le module de Young et le coefficient de Poison, ont été déterminés selon chaque lithologie et selon la profondeur à laquelle les échantillons ont été prélevés. La variabilité des résultats selon le type de roche et la localisation n’est pas assez significative pour les traiter différemment. Une valeur moyenne de tous les résultats des essais valides a été considérée pour ces paramètres. Également, des essais au laboratoire ont été réalisés pour déterminer les paramètres mécaniques du remblai en pâte, comme la résistance en compression et les paramètres des critères de ruptures; deux gammes de résultats selon l’aspect du remblai ont été observées. En ce qui concerne les données des discontinuités présentes dans le massif rocheux, une famille de discontinuités sub-horizontales importante est présente à tous les niveaux étudiés pour la modélisation numérique, alors qu’une famille sub-verticale beaucoup moins importante orientée est-ouest est aussi présente sur ces niveaux. Une famille sub-verticale orientée nord-sud est observée dans les chantiers et galeries du bloc 4 (niveaux 1600 et 1850) et une forte concentration de discontinuité sub-verticales orientées NE-SO est observée sur tous les niveaux, mais la faible quantité de données structurales pour le niveau 2400 ne confirme actuellement pas la présence d’une famille distincte. La plupart des discontinuités ont été regroupées dans des familles selon leur orientation, mais près de la moitié d’entre elles sont considérées d’orientation aléatoire. Les paramètres géomécaniques du massif rocheux sont déterminés à l’aide des essais effectués sur les échantillons de roche intacte et en considérant la qualité structurale pour le massif rocheux. Le critère de rupture de Hoek et Brown est le plus approprié pour le massif rocheux, alors que c’est le critère de Mohr-Coulomb qui semble le mieux adapté au remblai en pâte. D’autres données d’entrée importantes pour la modélisation numérique sont les contraintes in situ. Pour cela, une analyse détaillée a été menée des résultats des essais déjà réalisés pour estimer ces contraintes. Trois différents scénarios pour l’estimation des contraintes en profondeur ont été analysés selon les données des campagnes de mesures de contraintes in situ ayant été fait dans le passé par Niobec. Les contraintes qui ont été utilisées lors de la modélisation sont celles qui ont été obtenues à partir du scénario 3. Ce scénario, fait à partir des courbes de régression selon les données de chaque niveau, donne des résultats qui se rapprochent le plus de la réalité selon les connaissances du massif rocheux. Afin d’évaluer la stabilité des chantiers de la mine, la modélisation numérique a été réalisée pour une partie de la mine où plusieurs chantiers seront exploités dans les blocs 4 à 6. Les résultats indiquent qu’avec les dimensions actuelles, les chantiers primaires du bloc 4 pourront être exploités sans problèmes, mais qu’il risque d’y avoir des instabilités dues à la tension dans les piliers entre les chantiers primaires des blocs 5 et 6. De plus, l’excavation des chantiers secondaires risque de ne pas être sécuritaire avec les dimensions qui sont actuellement proposés par Niobec. Des ruptures en tension risquent d’être problématiques dans certains piliers qui soutiennent les chantiers secondaires. Aussi, on peut dire que les piliers horizontaux laissés en place entre les chantiers des blocs 4 et 5 qui est de 36 mètres est d’une dimension correcte. L’épaisseur du pilier entre les blocs 4 et 5 est la même que celle entre les blocs 3 et 4 et entre les blocs 2 et 3.

Les carbonatites sont reconnues pour leur pétrogenèse énigmatique, mais aussi pour leurs minéralisations économiques en P, Nb, Ta et les éléments de terres rares. La carbonatite de Saint-Honoré est l’une des trois exploitations majeures de niobium, mais la seule à l’extraire d’une carbonatite cristalline, c’est-à-dire non latéritisée. Plusieurs minéraux porteurs de Nb ont été identifiés dans la carbonatite de Saint-Honoré, mais seulement deux minéraux sont abondants: le fluorcalciopyrochlore [(Ca,Na)2(Nb,Ti)2O6(O,OH,F)] (pcl) et la columbite-(Fe) [(Fe,Mn)(Nb,Ti)2O6] (clb). La proportion de columbite-(Fe) est moins abondante dans la partie supérieure de la carbonatite, mais augmente graduellement en profondeur et vers le nord. L’exploitation se faisant de plus en plus profondément, sa proportion est désormais de 35% et sa présence influence la récupération du Nb lors du traitement métallurgique. De plus, deux modèles s’affrontent pour la genèse de la columbite-(Fe) : magmatique et hydrothermale. L’étude des minéraux a montré que la columbite-(Fe) est un produit d’altération du pyrochlore. L’altération se caractérise par un lessivage des éléments du site A (p.ex. Ca, Sr, Na, et ETR) et du fluor du site Y du pyrochlore. Le Fe et le Mn remplacent ainsi les vides laissés au site A. La pétrographie au microscope polarisant et à la cathodoluminescence montre effectivement des inclusions de calcite et de fluorite à l’intérieur de la columbite-(Fe), suggérant que les éléments lessivés sont rapidement recristallisés. Le microscope électronique à balayage a permis d’identifier des grains de pyrochlore en processus d’altération, confirmant ainsi la columbitisation. La stoechiométrie du site A des pyrochlores montre une altération d’origine hydrothermale. Les données en LA-ICP-MS révèlent un enrichissement en Cl et en ETR lourdes dans les columbites-(Fe) appuyant l’idée d’un fluide hydrothermal riche en ETR lourdes. De plus, l’enrichissement en Cl pourrait expliquer la présence de chlorures dans la carbonatite. Il est notamment suggéré que le Na lessivé du pyrochlore, couplé au Cl provenant du fluide hydrothermal, contribue à la formation de halite. En effet, des grains de halite de moins de 10 μm ont été observés dans les cavités de pyrochlores faiblement altérés. Autrement, la halite s’observe en remplissage de fractures jusqu’à quelques centimètres d’épais par endroits. La libération du sodium contribue probablement à la fénitisation des encaissants. Finalement, les relations minéralogiques ont permis de cerner une association intrinsèque entre la columbite-(Fe) et une apatite orangée. Les observations supposent que cette apatite est d’origine hydrothermale. Elle pourrait ainsi servir de traceur géologique pour différencier les lentilles dominées par le pyrochlore ou la columbite-(Fe).

L'alumine est extraite de la bauxite grâce au procédé Bayer. Au cours de l'étape de décantation de ce procédé, les particules de boues rouges sont séparées de la liqueur contenant l'aluminate par des agents de floculation. Ces agents permettent l'agglomération des particules en agrégats plus volumineux, qui sédimentent plus rapidement, permettant ainsi d'améliorer l'efficacité de l'étape de séparation solide/liquide. Cependant, les méthodes actuelles de floculation ne permettent pas d'éliminer complètement les matières particulaires présentes dans la liqueur surnageante. Conséquemment, une étape de filtration est nécessaire pour réduire la quantité de matières particulaires en suspension à une concentration d'environ 10 mg/L. Ce mémoire présente une étude effectuée dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie de l'Université du Québec à Chicoutimi, portant sur les principales variables susceptibles d'améliorer la clarté d'une suspension de boues rouges par floculation. Les variables à l'étude sont le type d'agents de floculation, la séquence d'injection des agents ainsi que le niveau et la durée d'agitation appliqués à la suspension floculée. Ce travail de recherche a été effectué en collaboration avec le Groupe de Recherche Universitaire de Séparation Solide/Liquide (GRUSSL) et le Centre de Recherche et de Développement Arvida (CRDA). L'objectif principal de cette étude consiste à effectuer des essais de floculation en changeant les variables afin d'établir les conditions optimales de séparation solide/liquide, et ainsi réduire la quantité de matières particulaires en suspension dans la surverse à un niveau inférieur à celui retrouvé en usine. Un montage expérimental, basé sur la géométrie Couette, a été élaboré afin de permettre l'étude en continu de la floculation et de déterminer les conditions optimales d'utilisation des agents de floculation. Les essais de floculation ont été réalisés sous des conditions généralement retrouvées dans les circuits de lavage du procédé Bayer. Les résultats obtenus ont démontré que les conditions d'agitation requises pour obtenir une turbidité minimale dépendent de la nature du polymère et/ou des agents de floculation. L'emploi de mélanges doubles de polymère et/ou d'agents de floculation, utilisé sous des conditions d'agitation optimales, permet d'obtenir des niveaux de turbidité exceptionnellement bas. En effet, l'utilisation d'une double addition de polymère a permis de réduire la turbidité résiduelle de la surverse d'environ 47%, comparativement à une simple addition de polymère. Néanmoins, les niveaux de turbidité les plus bas ont été obtenus par des doubles additions d'agents de floculation. Le meilleur résultat de turbidité obtenu est 12 NTU et correspond à une concentration en matières particulaires de 6 mg/L. Par conséquent, le mélange d'agents de floculation est très efficace puisqu'il permet d'obtenir des concentrations inférieures à celles obtenues en usine après filtration. L'efficacité des mélanges doubles résulte probablement d'interactions entre les polymères et/ou les agents de floculation.

La mine Niobec située à Saint-Honoré exploite un gisement souterrain de Niobium. L'exploitation actuelle se situe entre les niveaux 300 et 1450 pieds (100 et 400 mètres). La méthode d'exploitation consiste à dynamiter des grands chantiers ouverts de 25 par 45 mètres et d'une hauteur de 90 mètres. Mine Niobec prévoit l'exploitation de trois autres blocs miniers, mais cette fois-ci avec une méthode de chantiers primaire-primaire sans pilier et avec remblai. Les principaux objectifs de ce projet sont de caractériser les aspects structuraux et géotechniques du pilier qui sera laissé en place sous le niveau 1450. Cette caractérisation rend possible une analyse de stabilité du pilier et des chantiers au-dessus et au-dessous en vue de faire des recommandations sur l'épaisseur du pilier et la dimension des chantiers. Enfin, des suggestions de support sont évaluées pour la stabilisation aux pourtours des ouvrages à court et à long termes. Les méthodes et les procédures utilisées pour accomplir ce projet comprennent, tout d'abord, la caractérisation structurale par des campagnes de cartographie incluant des levés de joints, lesquels sont modélisés sur projection stéréographique puis interprétés. Pour ce qui est de la caractérisation des propriétés géotechniques, des échantillons de carottes de forage ont été sélectionnés pour réaliser des tests en laboratoire. Il s'agit de tests en compression et en tension de façon à déterminer les courbes de critère de rupture, le module d'Young et le coefficient de Poisson du massif de carbonatite de la mine. Les pressions de terrain sont un autre point important pour l'analyse de stabilité du pilier. Une compilation des mesures existantes a été réalisée et des calculs théoriques de pressions ont été effectués pour les nouvelles profondeurs. Enfin, l'évolution des pressions de terrain dans la mine a été analysée à l'aide du logiciel de simulation numérique Map3D. Les limites de la minéralisation des futurs blocs d'exploitation, déterminées par une campagne de forage, permettent de localiser l'emplacement des futurs chantiers sous le niveau 1450. Cela rend possible l'évaluation de l'influence de la fracturation et des contraintes en fonction de l'emplacement, de la dimension, de l'orientation des nouveaux chantiers et de ceux des anciens blocs d'exploitation. Un examen des divers modes d'instabilité a été réalisé. De plus, des rétro-analyses des anciennes ouvertures permet l'étude de la stabilité des nouveaux chantiers. Cette méthode vise à prédire la stabilité des nouveaux ouvrages, pour un certain niveau de contraintes, en se basant sur les chantiers passés et en considérant l'ensemble des ouvertures de la mine. Enfin, des modes de support sont évalués pour assurer leur stabilité. L'analyse structurale indique que les murs ouest et nord des ouvertures présentent le potentiel le plus élevé d'effondrements reliés aux structures. De plus, les résultats démontrent qu'il est très avantageux de diminuer les dimensions des ouvertures afin de réduire la taille des blocs instables. L'analyse du niveau de contrainte permet de constater qu'il est primordial d'assurer la stabilité du toit des ouvertures avec un soutènement adéquat, puisqu'après le dynamitage des premiers chantiers le massif rocheux devrait être en post-rupture. L'épaisseur du pilier entre le troisième et le quatrième bloc d'exploitation devrait être d'un minimum de 150 pieds (46 mètres). Toutefois, il demeure très important de remblayer jusqu'au toit les ouvertures du bloc 4, car bien que d'une bonne épaisseur le pilier sera sans doute endommagé sur toute son épaisseur aux endroits critiques. Enfin, il est très important de suivre la séquence déterminée de façon à répartir les concentrations de contraintes aux endroits souhaités.