Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

The increasing demand for natural minerals has driven underground mining to greater depths, where the challenges of maintaining excavation stability become significantly more complex. Among these challenges, rockbursts— defined as sudden and violent failures of rock—represent a critical hazard. These phenomena are driven by elevated stress conditions and strongly influenced by geomechanical parameters and in-situ stress, both of which exhibit inherent uncertainty. Despite extensive research, the mechanisms underlying rockburst occurrences remain partially understood. This thesis investigates the effects of geomechanical parameters and in-situ stress on rockburst occurrences, addressing key knowledge gaps and proposing advanced methodologies for enhanced risk evaluation in deep excavations. To address the uncertainties in geomechanical parameters, a robust three-step methodology was developed. This approach incorporates statistical data treatment techniques to ensure reliable parameter quantification, detailed analysis of schistosity effects on rock behavior, and petrographic studies to capture the influence of mineralogical compositions. This integrated approach can improve understanding of variability inherent in geomechanical properties and its implications for excavation stability. Particular emphasis was placed on reviewing outlier detection methods and selecting optimal data treatment techniques to develop reliable input parameters for predictive models. This research also conducted an in-depth characterization of in-situ stress, a crucial factor for underground excavation analysis. By combining statistical methods with geological insights, the research refined existing stress-depth relationships for the Canadian Shield. This process involved a critical evaluation of traditional approaches and the incorporation of new data to address the limitations of previous models. The resulting stress-depth relationships provide a more accurate basis for evaluating rockburst risks and form a key contribution to the field of underground rock mechanics. Employing the quantified geomechanical parameters and refined stress-depth relationships, this study systematically analyzed the applicability and limitations of existing rockburst prediction criteria. Advanced numerical simulations revealed significant variability in predictive accuracy across various indices. Criteria incorporating major principal stress, such as the Tao and Zhang indices, demonstrated better performance in identifying high-risk zones, particularly near spandrel areas and tunnel crowns. Boundary-specific assessments further highlighted the critical role of spatial variability in rockburst susceptibility, demonstrating that risks intensify with distance from the tunnel boundary and vary significantly between rock units with distinct geomechanical properties. This thesis bridges gaps in the understanding of rockburst mechanisms by integrating geological, statistical, and engineering perspectives. By addressing uncertainties associated with geomechanical parameters and in-situ stress, this study provides a comprehensive framework for predicting rockburst occurrences in deep underground projects.

RÉSUMÉ La demande croissante en métaux et autres substances minérales a conduit l'exploitation minière souterraine à des profondeurs plus importantes, où les défis liés au maintien de la stabilité des excavations deviennent considérablement plus complexes. Parmi ces défis, les coups de terrain — définis comme des ruptures soudaines et violentes de la roche — représentent un danger majeur. Ces phénomènes sont provoqués par des conditions de contraintes élevées et sont fortement influencés par les paramètres géomécaniques et les contraintes in-situ, qui présentent tous deux une incertitude inhérente. Malgré des recherches approfondies, les mécanismes sous-jacents aux occurrences de coups de terrain demeurent partiellement compris. Cette thèse examine les effets des paramètres géomécaniques et des contraintes in-situ sur les occurrences de coups de terrain, en comblant des lacunes importantes dans les connaissances et en proposant des méthodologies avancées pour une évaluation améliorée des risques dans les excavations profondes. Pour traiter les incertitudes liées aux paramètres géomécaniques, une méthodologie robuste en trois étapes a été développée. Cette approche intègre des techniques de traitement statistique des données pour garantir une quantification fiable des paramètres, une analyse détaillée des effets de la schistosité sur le comportement de la roche, ainsi que des études pétrographiques pour saisir l'influence des compositions minéralogiques. Cette approche intégrée permet d'améliorer la compréhension de la variabilité inhérente aux propriétés géomécaniques et de ses implications pour la stabilité des excavations. Une attention particulière a été accordée à l'examen des méthodes de détection des valeurs aberrantes et à la sélection des techniques de traitement des données optimales pour développer des paramètres d'entrée fiables pour les modèles prédictifs. Cette recherche a également mené une caractérisation approfondie des contraintes in-situ, un facteur crucial pour l'analyse des excavations souterraines. En combinant des méthodes statistiques avec des connaissances géologiques, l'étude a affiné les relations existantes contrainte-profondeur pour le Bouclier canadien. Ce processus a impliqué une évaluation critique des approches traditionnelles et l'intégration de nouvelles données pour remédier aux limites des modèles précédents. Les relations contrainte-profondeur résultantes fournissent une base plus précise pour l'évaluation des risques de coups de terrain et constituent une contribution clé au domaine de la mécanique des roches souterraines. En utilisant les paramètres géomécaniques quantifiés et les relations contrainte-profondeur affinées, cette étude a systématiquement analysé l'applicabilité et les limites des critères existants de prédiction des coups de terrain. Des simulations numériques avancées ont révélé une variabilité significative de la précision prédictive entre les différents indices. Les critères intégrant la contrainte principale majeure, tels que les indices de Tao et Zhang, ont montré de meilleures performances pour identifier les zones à haut risque, en particulier près des zones de spandrel et des couronnes de tunnel. Les évaluations spécifiques aux frontières ont mis en évidence le rôle critique de la variabilité spatiale dans la susceptibilité aux coups de terrain, démontrant que les risques augmentent avec la distance par rapport à la paroi du tunnel et varient considérablement entre les unités rocheuses ayant des propriétés géomécaniques distinctes. Cette thèse comble les lacunes dans la compréhension des mécanismes de coups de terrain en intégrant des perspectives géologiques, statistiques et d'ingénierie. En abordant les incertitudes associées aux paramètres géomécaniques et aux contraintes in situ, cette étude fournit un cadre complet pour prédire les occurrences de coups de terrain dans les projets souterrains profonds.