Three‐Dimensional Time‐Lapse Geoelectrical Monitoring of Water Infiltration in an Experimental Mine Waste Rock Pile

Open-pit mines often generate large quantities of waste rocks that are usually stored in waste rock piles (WRPs). When the waste rocks contain reactive minerals (mainly sulfides), water and air circulation can lead to the generation of contaminated drainage. An experimental WRP was built at the Lac Tio mine (Canada) to validate a new disposal method that aims to limit water infiltration into reactive waste rocks. More specifically, a flow control layer was placed on top of the pile, which represents a typical bench level, to divert water toward the outer edge. Hydrogeological sensors and geophysical electrodes were installed for monitoring moisture distribution in the pile during infiltration events. A three-dimensional (3D) time-lapse hydrogeophysical monitoring program was conducted to assess water infiltration and movement. Readings from the 192 circular electrodes buried in the WRP were used to reconstruct the 3D bulk electrical resistivity (ER) variations over time. A significant effort was devoted to assessing the spatiotemporal evolution of water ER because the bulk ER is strongly affected by water quality (and content). The water ER was used as a tracer to monitor the infiltration and flow of resistive and conductive waters. The results indicate that the inclined surface layer efficiently diverts a large part of the added water away from the core of the pile. Local and global models of water infiltration explaining both bulk and water ER variations are proposed. The results shown here are consistent with hydrogeological data and provide additional insights to characterize the behavior of the pile

Numerical and analytical solutions for the pore water pressures within barricades made of waste rocks

Résumé: Le remblayage des chantiers est une opération courante dans les mines souterraines. Dans la plupart des cas, le remblai est initialement saturé en eau pour faciliter le transport de la surface vers les ouvertures souterraines. La mise en place d’une barricade à la base du chantier est requise pour maintenir le remblai en place. Une pratique de plus en plus populaire est d’utiliser les roches stériles pour construire la barricade. Des travaux sont cependant nécessaires pour évaluer le comportement hydrogéomécanique des barricades construites avec des roches stériles. Dans ce rapport, la distribution des pressions interstitielles dans de telles barricades est analysée. Une solution analytique, basée sur une condition d’écoulement stationnaire artésien et gravitaire, est introduite et appliquée afin d’estimer la pression interstitielle le long de la base de la barricade. Des résultats de simulations numériques sont ensuite utilisés pour évaluer la validité de cette solution analytique et l’effet de divers facteurs d’influence. Les résultats montrent que la solution proposée prédit généralement bien la distribution des pressions interstitielles obtenue par les simulations numériques. La solution analytique est généralisée pour évaluer la pression interstitielle sur toute la hauteur de la barricade. ---------- Abstract: Stope backfilling is a commonly used in underground mines. In many cases, the backfill is initially saturated with water to facilitate transportation from the surface to the underground openings. A barricade is required at the base of the stope, near the drift entrance, to retain the backfill in place. An increasingly popular practice is to use waste rocks to construct the barricade. Additional work is however needed to investigate the hydro-geomechanical behaviour of such type of barricade. In this report, the distribution of pore water pressure in barricades made of waste rocks is analysed. An analytical solution, based on a combined artesian-gravity steady-state flow condition, is introduced and applied to estimate the pore water pressure along the base of the barricade. Results from numerical simulations are then used to assess the validity of the analytical solution and to evaluate the effect of various influence factors. The results show that the proposed solution generally predicts well the distribution of pore water pressure obtained from the numerical calculations. This analytical solution is extended to evaluate the pressure along the full height of the barricade

Influence of internal layers on water flow inside a large waste rock pile

La méthode utilisée pour la construction d’une halde à stériles sur un site minier affecte sa structure interne. Les méthodes couramment utilisées conduisent souvent à la présence de couches de matériau compacté à l'intérieur des haldes, qui sont surtout constituées de matériaux grossiers et lâches. Ces couches, usuellement formées de matériaux plus fins et plus denses, influencent le mouvement et la distribution de l'eau à l'intérieur de la halde. Des simulations numériques à long terme de l'écoulement non saturé de l’eau dans une grande halde à stériles ont été menées pour étudier l'effet des caractéristiques structurales et du régime des précipitations. Ces simulations, réalisées avec le code d’éléments finis HYDRUS-2D, conduisent à diverses observations qui aident à comprendre le comportement hydrogéologique de la halde modélisée (sur la base d’un cas réel). Les résultats montrent comment la distribution d'eau et le flux dans la halde sont influencés par la présence de couches de matériaux fins et par l'ampleur des précipitations (ou de la recharge). L'effet de la dimension de la halde est également étudié en comparant la réponse de la grande halde (hauteur de plus de 100 m) avec celle d'une halde plus petite (environ 25 m). Ce rapport (avec les annexes) présente les principaux résultats des simulations, avec des commentaires sur leurs implications pratiques pour la conception des haldes et leur comportement environnemental. ---------- The method used to construct a waste rock pile on a mine site affects its internal structure. Commonly used construction methods often lead to the creation of compacted material layers inside the pile, within the loose, coarse-grained waste rock. These dense layers, which typically show a finer grain size, influence the movement and distribution of water in the pile. Long term numerical simulations of unsaturated flow in a large size pile have been conducted to investigate the effect of such structural features. The simulations, conducted with the finite element code HYDRUS-2D, lead to various observations that provide a better understanding of the hydrogeological behavior of the investigated pile (which is based on an actual field case). The results show how the water distribution and flux within the pile are influenced by the presence of fine grained material layers, and also by the magnitude of precipitation (or recharge). The effect of the pile size is also investigated by comparing the response of the large pile (more than 100 m in height) with that of a smaller pile (about 25 m in height). The report (with Appendices) presents the main results of the calculations, with some comments on their practical implications for pile design and environmental behavior

An investigation of the stress state in inclined backfilled stopes using flac-2D

Résumé : L'évaluation de contraintes dans un chantier remblayé constitue une étape critique pour assurer la sécurité et la production des mines souterraines. Depuis plusieurs années, les auteurs ont développé des méthodes d'investigation analytiques et numériques pour estimer l'état de contraintes dans les chantiers remblayés. Les résultats ont démontré l'existence d’un effet d'arche dû au transfert des contraintes le long des parois des chantiers. Dans ce rapport, des résultats d'une investigation numérique seront présentés. L'emphase est placée sur l'influence de la géométrie, des propriétés du remblai et de la séquence de remblayage. Les résultats indiquent que l'effet d'arche se développe aussi dans des chantiers inclinés. Les facteurs d'influence les plus significatifs sur la distribution des contraintes sont les paramètres de résistance au cisaillement (cohésion c' et angle de frottement φ'), le coefficient de Poisson μ, et l'angle de dilatance ψ'. Certains de ces paramètres affectent non seulement la grandeur des contraintes, mais aussi la forme de la distribution, qui peut également être liée à la séquence de remblayage. Cette étude indique que le comportement mécanique du remblai passe de celui d'un matériau particulaire à celui d'un milieu consolidé, où chaque couche répond comme une poutre en flexion sous charges verticales. Les résultats sont comparés avec d'autres obtenus lors d'investigations précédentes, et discutés en relation avec l'effet des facteurs d'influence et de leur implication pour une analyse des chantiers remblayés. ---------- Abstract : Evaluating the stresses in backfilled stopes constitutes a critical step for insuring underground mine safety and production. In recent years, the authors have presented methods to conduct numerical and analytical investigations to assess the stress state in backfilled stopes. The results have shown the existence of arching effects due to the stress transfer along stope walls. To date, most work applies to (sub)vertical openings and only limited studies relate to inclined stopes. In this report, the results of an extensive numerical investigation are presented. Emphasis is placed on the influence of stope geometry and backfill properties, and also on the effect of the filling sequence. Results indicate that arching effects also develop in inclined stopes. The most influential factors on the stress distribution are backfill shear strength parameters (cohesion c' and friction angle φ'), Poisson’s ratio μ, and dilatation angle ψ'. Some of these not only affect the stress magnitude, but also the distribution pattern which can also be linked to the filling sequence. One of the original outcomes from this study indicates that when increasing the value of c', the mechanical behavior of backfill tends to change from that of a particulate material to that of a consolidated medium, with each layer responding somewhat like a beam to vertical loads. The results are compared to others obtained in previous investigations and discussed in relation to the effect of the influence factors and their implications for the analysis of backfilled stopes

Predicting the coefficient of permeability of soils using the Kozeny-Carman equation

Résumé: La conductivité hydraulique saturée d'un sol peut être prédite par des relations empiriques, des modèles capillaires, des modèles statistiques et des théories de rayon hydraulique. Une relation bien connue entre perméabilité et propriétés des pores fut proposée par Kozeny et modifiée par Carman. L'équation résultante est largement connue sous le nom Kozeny-Carman (KC), bien que ces auteurs n'aient jamais publié ensemble. Dans la littérature géotechnique, il existe un large consensus à l'effet que l'équation de Kozeny-Carman s'applique aux sables mais pas aux argiles. Cependant, cette opinion n'est appuyée que par une démonstration partielle. Cet article examine les fondements et la validité de l'équation KC à l'aide d'essais de perméabilité en laboratoire. Les résultats d'essais proviennent de diverses publications qui ont fourni toute l'information requise pour faire une prédiction : indice des vides et soit la surface spécifique mesurée pour les sols cohérents, soit la courbe granulométrique pour les sols pulvérulents. L'article montre comment calculer la surface spécifique d'un sol pulvérulent à partir de sa courbe granulométrique. Les résultats présentés ici indiquent qu'en général, l'équation de Kozeny-Carman prédit assez bien la conductivité hydraulique saturée de la plupart des sols. Plusieurs des divergences constatées peuvent être reliées soit à des raisons pratiques (e.g. valeur imprécise de la surface spécifique, régime permanent pas établi, échantillons non saturés, etc.) soit à des raisons théoriques (une partie de l'eau est immobile, et l'équation de prédiction est isotrope alors que la conductivité hydraulique est une propriété anisotrope). Ces aspects sont discutés dans l'article en relation avec la capacité de prédiction de l'équation de Kozeny-Carman. --------- Abstract: The saturated hydraulic conductivity of a soil can be predicted using empirical relationships, capillary models, statistical models and hydraulic radius theories. A well-known relationship between permeability and properties of pores was proposed by Kozeny and later modified by Carman. The resulting equation is largely known under the name of Kozeny-Carman, although these authors never published together. In the geotechnical literature, there is a large consensus that the Kozeny-Carman (KC) equation applies to sands but not to clays. Such opinion, however, is supported only by partial demonstration. This report evaluates the background and the validity of the KC equation with laboratory permeability tests. Considered test results were taken from publications that provided all information needed to make a prediction: void ratio, and either the measured specific surface for cohesive soils, or the gradation curve for non-cohesive soils. This report shows how to estimate the specific surface of a non-cohesive soil from its gradation curve. The results presented here show that, as a general rule, the KC equation predicts fairly well the saturated hydraulic conductivity of most soils. Many of the observed discrepancies can be related to either practical reasons (e.g. inaccurate specific surface value, steady flow not reached, unsaturated specimens, etc.) or theoretical reasons (some water is motionless, and the predictive equation is isotropic whereas hydraulic conductivity is an anisotropic property). Theses issues are discussed in relation to the predictive capabilities of the KC equation

Development of a 3D analytical solution to evaluate stresses in backfilled vertical openings

RÉSUMÉ: La réponse mécanique du remblai placé dans des ouvertures étroites est largement influencée par son inteaction avec les paroies adjacentes. Les travaux antérieurs portant sur les tranchées et les chantiers remblayés montrent que la théorie de l’effet d’arche peut être utilisée pour estimer la pression dans les ouvertures étroites. Dans cet article, une solution analytique tridimensionnelle est proposée pour évaluer l'état de contraintes dans le remblai le long des parois de l’ouverture. La solution, basée sur une généralisation de l’approche de Marston, est comparée avec des résultats numériques et expérimentaux de laboratoire tirés de la littérature. L’article se termine par une discussion sur certaines caractéristioques et limitations de la solution analytique. ---------- ABSTRACT: The mechanical response of backfill in narrow openings is significantly influenced by its interaction with the surrounding walls. Previous work conduc ted on backfilled trenches and mining stopes indicates that the theory of arching can be used to estimate earth pressures in na rrow, vertical backfilled openings. In this report, a 3D analytical solution is proposed to evaluate the state of stress along the boundaries of the openings. The proposed solution, based on a generalized version of the Marston approach, is compared to numerical modeling and laboratory experimental results taken from the literature. A discussion follows on some particular features and limitations of the analytical solutions

Numerical implementation of an elasto-plastic model based on the MSDPu multiaxial criterion

Résumé : Le critère MSDPu a été développé pour représenter les états de transition associés avec certains types de réponse mécanique tels que l'écoulement inélastique, la rupture, et résistance résiduelle. Ce critère multiaxial peut être appliqué à une grande variété de géomatériaux et de conditions de chargements. Jusqu'à présent, son utilisation a été limitée aux applications basées sur des solutions analytiques relativement simples. Dans ce rapport, on montre la méthode utilisée pour introduire ce critère dans un code commercial bien connu, en utilisant un cadre élasto-plastique. Le rapport commence avec une brève revue de la formulation de MSDPu, suivie d’un développement additionnel pour inclure une composante d’écrouissage dans les équations originales. Par la suite, on décrit l'approche utilisée pour implanter les composantes principales dans le code. Des résultats de modélisation obtenus avec ce nouveau modèle élasto-plastique sont montrés et comparés avec des résultats d'essais de laboratoire représentatifs et des résultats analytiques développés pour une ouverture cylindrique. Finalement, les avantages, les capacités, et les limitations du modèle sont brièvement discutés. On résume enfin certains autres travaux en cours destinés à analyser le comportement des ouvertures souterraines dans des massifs rocheux. ---------- Abstract: The MSDPu criterion has been developed to represent transitional states associated with particular types of mechanical response such as yielding, failure, and residual strength. This multiaxial criterion can be applied to a wide variety of geomaterials and loading conditions. To date, its use has been limited to applications relying on relatively simple analytical solutions. In this report, the authors present the method that has been used to introduce the criterion into a well-known, commercially available finite difference code using an elasto-plastic framework. The report starts with a brief review of the MSDPu formulation, followed by an additional development which includes a hardening component into the original equations. Then, the authors describe the approach that has been used to introduce its main components into the code. Illustrative modelling results obtained with this new elasto-plastic model are shown, and compared to representative laboratory test and analytical results on a circular underground opening. Finally, the main advantages, capabilities, and limitations of the model are briefly discussed, together with ongoing work aimed at analyzing the behavior of underground openings in rock mass

A general plasticity and failure criterion for materials of variable porosity

Résumé: Plusieurs formulations ont été développées pour décrire les conditions d'écoulement, le potentiel plastique et la résistance à la rupture des matériaux utilisés en ingénierie tel les métaux, les bétons, les roches, les sols et les remblais. Dans ce rapport, les auteurs revoient d'abord quelques critères communément utilisés pour définir la limite élastique et la rupture des matériaux poreux. On montre ensuite que les caractéristiques de plusieurs critères existants peuvent être représentées avec un seul système d'équations. Ce critère multiaxial est applicable à une grande variété de matériaux et de conditions de sollicitation. Une particularité du critère proposé, appelé MSDPu, est le fait qu'il inclut une dépendance explicite sur la porosité. La validité de la formulation générale est démontrée en utilisant des résultats expérimentaux obtenus sur plusieurs types de matériaux. ---------- Abstract: Many criteria have been developed to describe the yielding condition, plastic potential, and failure strength of engineering materials such as metal, concrete, rock, soil, and backfill. In this report, the authors first recall some relatively common criteria used to describe yielding and failure of porous materials. It is then shown that the main features of a large number of these criteria can be represented by a unique set of equations. The ensuing multiaxial criterion is applicable to a wide diversity of materials and loading states. A pa rticularity of the proposed criterion, named MSDPu, is that it includes an explicit porosity-dependenc y. The validity of this general criterion is demonstrated using experimental results obtained on various types of materials