Progrès récents dans les technologies clés pour l'exploitation minière souterraine des métaux
L'exploitation minière souterraine des métaux est un système complexe qui comprend le développement, la préparation des chantiers (définition et implantation du minerai) et l'extraction. Le dynamitage est nécessaire à chaque étape. Par conséquent, la mise au point d'un dynamitage à la fois sûr et efficace constitue un objectif de recherche central pour les ingénieurs miniers. Les mines de métaux traversent actuellement une transition critique, passant de l'exploitation superficielle à l'exploitation profonde, de conditions d'extraction faciles à difficiles et de minerais à haute teneur à des minerais à plus faible teneur, ce qui engendre de nouveaux défis en matière de théorie, de technologie et d'équipement. La recherche sur les technologies clés de l'exploitation minière souterraine est donc devenue primordiale. Les progrès actuels se concentrent sur cinq domaines : le forage et le dynamitage, le transport et le levage des matériaux, le renforcement des roches, le remblayage en pâte et la télécommande. Cet article de synthèse présente les développements et les avancées récentes dans chacun de ces domaines.
Le forage et le dynamitage demeurent des technologies essentielles dans l'industrie minière des métaux, mais ont historiquement constitué un point faible. Améliorer l'efficacité du forage et du dynamitage est crucial pour une exploitation minière souterraine sûre et productive. Au fil du temps, le secteur est passé du forage manuel aux foreuses pneumatiques et hydrauliques, puis aux jumbos de forage (y compris les foreuses rotatives et fond de trou), et enfin aux robots de forage. La tendance actuelle s'éloigne de la simple mécanisation pour privilégier l'automatisation, l'intelligence artificielle et la protection de l'environnement.
Divers engins de forage adaptés aux différentes conditions de terrain ont été développés, tant au niveau national qu'international. Ces dernières années, grâce à l'amélioration des équipements de forage, certains pays (notamment les États-Unis et le Canada) ont adapté les méthodes de forage/dynamitage à ciel ouvert à grande échelle aux travaux souterrains : les forages segmentés de profondeur intermédiaire ont, dans certains cas, été remplacés par des forages profonds étagés de grand diamètre, avec des résultats probants. Par exemple, la Suède a mis au point une gamme de jumbos de forage de tunnel offrant une efficacité de forage élevée, une sécurité accrue et une pollution réduite. Au niveau national, des jumbos à trois bras entièrement informatisés, intégrant les opérations de mobilité, de forage et de chargement, ont été développés, garantissant une utilisation simple, une sécurité optimale et des coûts réduits. Ces systèmes améliorent la qualité et l'efficacité du forage tout en réduisant la pénibilité du travail et les risques opérationnels, et en favorisant l'automatisation, l'intelligence et la performance environnementale.
Les méthodes de dynamitage restent diversifiées en raison des conditions souterraines et des exigences variables liées à l'excavation et à l'exploitation minière. Des techniques telles que le dynamitage à faible charge différentielle, le dynamitage par compression et le dynamitage de contour (à face lisse) sont largement utilisées et ont permis d'améliorer les résultats des tirs dans de nombreuses situations.
La technologie du dynamitage évolue vers le dynamitage de précision, le dynamitage écologique et le dynamitage intelligent. Le dynamitage de précision repose sur une conception optimisée de la zone de frappe, des études détaillées de l'énergie explosive et une modélisation de la simulation du tir pour obtenir une fragmentation ciblée de la roche. Le dynamitage écologique utilise des agents de combustion innovants en remplacement des explosifs conventionnels, éliminant ainsi les gaz de tir nocifs et améliorant significativement la qualité de l'air souterrain. Le dynamitage intelligent intègre une conception optimisée du tir, des équipements intelligents, une modélisation prédictive des vibrations et l'identification automatisée des trous non chargés pour créer un système de dynamitage performant.
Au-delà des méthodes explosives, les techniques non explosives de concassage de roches suscitent un intérêt croissant. Les haveuses continues sont utilisées pour l'excavation mécanique des roches moyennement dures et tendres, offrant une productivité élevée et des conditions de contrôle du terrain optimales. Les méthodes de fragmentation physique, telles que le jet d'eau à haute pression et la fragmentation thermique, permettent de pallier certaines limitations de la découpe mécanique pure, en produisant peu de poussière et pas d'étincelles, et en améliorant les conditions de travail. Cependant, leur forte consommation d'énergie, leur coût élevé et l'usure importante des outils ont freiné leur adoption à grande échelle. De plus, le développement des technologies de l'information et de l'intelligence artificielle en Chine a été plus tardif que dans d'autres pays, si bien que les systèmes intelligents clés pour l'exploitation minière continue des roches dures restent largement dépendants de technologies étrangères. Par conséquent, l'exploitation continue des gisements de roches dures n'est pas encore largement répandue en Chine.
Le transport et l'extraction des matériaux sont essentiels à la production souterraine ; ils intègrent le processus minier dans un système continu et garantissent son bon fonctionnement. Le transport du minerai a évolué des méthodes manuelles aux systèmes ferroviaires, puis aux systèmes sans rails (sur pneus). La tendance actuelle est à l'utilisation des engins sans rails comme mode de transport principal, les systèmes chenillés devenant secondaires, grâce au développement et à la maturation des équipements souterrains sans rails depuis les années 1960.
Le transport sur de courtes distances à l'intérieur des chantiers d'exploitation utilise généralement des chargeuses, qui offrent une utilisation pratique, une grande fiabilité, une productivité élevée et une bonne maniabilité. Le transport souterrain sur de longues distances fait couramment appel à des camions-bennes ; ces derniers sont largement utilisés à l'étranger, mais moins en France. À mesure que la profondeur d'extraction augmente, les distances de levage s'allongent et les technologies de levage sont confrontées à des défis croissants, parallèlement à la hausse des coûts d'extraction du minerai. Le développement de technologies de levage du minerai en puits profonds revêt donc une importance grandissante. La tendance générale est à la conception de systèmes à plus grande échelle, capables de supporter des charges plus importantes et dotés d'une automatisation accrue.
Dans les mines profondes, de nombreuses exploitations combinent le transport ferroviaire, les convoyeurs à bande ou les chargeuses sans rails avec le hissage par puits à plusieurs étages. Par exemple, la mine d'or de TauTona en Afrique du Sud utilise un système de hissage par puits à trois étages avec transfert inter-puits par convoyeur ou engin sans rails. Les convoyeurs à bande ouverts classiques sont de conception simple, mais sujets à la production de poussière et aux déversements, ce qui pollue l'air souterrain et réduit la sécurité ; leurs performances en montée sont également médiocres. Les nouveaux systèmes de convoyeurs à bande fermés, tels que la solution à conception fermée développée par SiCON, préviennent les déversements et la poussière, atteignent des vitesses de transport supérieures à 3 m/s et gèrent des pentes jusqu'à 36°. Correctement adaptés, ces systèmes sont prometteurs pour le transport du minerai dans les mines profondes.
Le levage hydraulique est principalement utilisé en eaux profondes, et certains chercheurs ont exploré son application dans les mines profondes en raison de sa capacité à fonctionner en continu et à faciliter l'automatisation. Cependant, son utilisation souterraine nécessiterait des systèmes de broyage et de concassage sur site, ce qui rend sa mise en œuvre pratique difficile à l'heure actuelle. Des concepts novateurs, tels que les ascenseurs à sustentation magnétique pour le transport du minerai, ont également été proposés, mais nécessitent des recherches plus approfondies. Ces nouvelles technologies et ces nouveaux concepts insufflent un nouvel élan au transport et au levage dans les mines, stimulant l'innovation en matière de méthodes et d'équipements.
Le renforcement des roches dans les mines métalliques cible les strates fragiles, fracturées et soumises à de fortes contraintes. Les systèmes de soutènement sont classés en deux catégories : passifs et actifs. Les soutènements passifs (bois, maçonnerie, arches métalliques) ne modifient pas la structure interne de la roche et se contentent de résister à la déformation. Les soutènements actifs modifient la masse rocheuse pour accroître sa résistance intrinsèque ; on peut citer comme exemples les boulons d’ancrage et les câbles d’ancrage, les ancrages scellés au ciment ou à la résine, le béton projeté avec treillis et les systèmes composites tels que les boulons associés au béton projeté et au treillis. Parmi ces techniques, les ancrages scellés au ciment et le béton projeté sont devenus les méthodes privilégiées de renforcement des terrains dans les mines métalliques.
L'association de boulons pleine longueur et de boulons collés pour former des systèmes collés pleine longueur a considérablement amélioré la résistance de l'ancrage et présente un fort potentiel pour les applications sur le terrain. La technologie du béton projeté a évolué, passant de la projection à sec à la projection à l'état liquide, ce qui a amélioré les conditions de travail et réduit l'écaillage de la roche. L'association du béton projeté avec des boulons d'ancrage limite efficacement la déformation libre de la roche environnante, redistribue les contraintes et prévient le décollement de surface et les chutes de pierres.
Les progrès en matière de mécanisation et d'équipement accélèrent l'adoption des systèmes modernes de boulonnage et de béton projeté. À l'échelle internationale, divers types de boulonneuses jumbo, d'engins de projection de béton humide et de machines de pose de treillis ont été mis au point. Au niveau national, des boulonneuses jumbo sur pneus et sur chenilles, des engins de projection de béton humide de qualité minière et des engins de projection de béton humide à deux bras ont été développés, améliorant l'efficacité, réduisant la pénibilité du travail et renforçant la sécurité – faisant progresser la mécanisation et constituant les premiers pas vers une exploitation intelligente. Après plusieurs itérations technologiques, le renforcement des roches est passé de méthodes passives à support unique à des méthodes composites actives ; les développements futurs devraient privilégier la mécanisation et l'intelligence artificielle afin d'améliorer encore la sécurité et la productivité.
Le remblayage par pâte est une technique prometteuse pour atténuer les problèmes environnementaux liés à l'exploitation minière. Les déchets solides, la pollution de l'eau et de l'air, ainsi que l'occupation des sols générés par l'extraction minière constituent des enjeux majeurs. Ce procédé transforme les résidus miniers et autres déchets solides en une boue structurale saturée, non exsudative et d'une consistance similaire à celle du dentifrice. Cette boue peut être utilisée pour remblayer les chantiers d'exploitation et les bassins de résidus, répondant ainsi à deux risques importants : le stockage des résidus et les chantiers d'exploitation non aménagés. Cette technique favorise également une exploitation minière durable.
Comparé au remblai hydraulique traditionnel en sable, le remblai en pâte présente trois avantages majeurs : absence de stratification, de ségrégation et de ressuage. Une plateforme d’essais de remblai en pâte à l’échelle industrielle a été mise en place. Couvrant environ 2 000 m² et équipée de plus de 200 équipements, elle offre une grande précision, une fonctionnalité complète et un contrôle intelligent. Elle permet de réaliser des essais sur l’ensemble du processus, de mesurer les paramètres et de fournir des recommandations pour les pratiques d’ingénierie. Notamment, les systèmes d’essais en boucle à diamètres et orientations multiples et à flux multiples fournissent des résultats qui reflètent mieux les conditions réelles que de nombreuses méthodes traditionnelles.
Le fondement théorique commun à toutes les étapes du procédé de remplissage par pâte est la rhéologie de la pâte. La recherche se concentre sur les modèles constitutifs de cette rhéologie, utilisant des calculs théoriques, des expériences rhéologiques et des simulations numériques pour répondre aux besoins d'ingénierie à travers quatre étapes du procédé : épaississement (concentration), mélange, transport et remplissage/durcissement. L'épaississement permet d'obtenir une concentration stable du sous-écoulement pour préparer une pâte conforme aux normes ; le mélange assure un mélange homogène des matériaux pour garantir la fluidité et des propriétés mécaniques homogènes dans les canalisations ; le transport vise une faible consommation d'énergie et une usure réduite ; le remplissage vise une distribution uniforme de la résistance et un taux élevé de remplissage des chantiers ainsi qu'une bonne adhérence aux parois. Ces quatre technologies correspondent aux principaux défis techniques du remplissage par pâte. La technologie de remplissage par pâte, caractérisée par la sécurité, l'économie, la protection de l'environnement et l'efficacité, est un pilier technique important pour des systèmes d'exploitation minière durables.
L'exploitation minière a évolué du manuel au mécanisé, puis vers des opérations automatisées et intelligentes. La technologie de télécommande est un élément clé de cette automatisation et de cette intelligence et jouera un rôle irremplaçable dans les mines modernes. À l'échelle mondiale, la télécommande est une solution éprouvée pour les mines souterraines et comprend notamment le contrôle à distance du forage, du chargement et de la manutention du minerai. Cependant, son déploiement à grande échelle dépend du niveau de maturité industrielle et technologique global du pays ; son adoption à grande échelle n'est pas encore effective au niveau national.
Les principales technologies de télécommande reposent sur trois piliers : la télédétection de l’environnement minier, le pilotage à distance des opérations d’extraction et la gestion à distance des systèmes miniers. Ensemble, elles permettent la perception et l’analyse automatisées, l’exploitation sans personnel, la répartition à distance des tâches, l’alerte précoce automatique et la prise de décision à distance. Le développement et l’intégration continus des systèmes de détection, de communication, de contrôle et d’intelligence artificielle sont indispensables pour parvenir à une exploitation minière souterraine des métaux entièrement autonome et gérée à distance.
Conclusion : Les progrès conjugués des technologies de forage et de dynamitage, de transport et d’extraction, de renforcement des roches, de remblayage et de télécommande transforment l’exploitation minière souterraine des métaux. Les avancées réalisées en matière d’équipements, de matériaux, de contrôle des procédés et de systèmes numériques permettent une extraction plus sûre, plus efficace et plus durable. La poursuite des recherches, les essais sur le terrain et l’intégration de systèmes intelligents seront essentiels pour relever les défis posés par les gisements métalliques plus profonds, plus complexes et à plus faible teneur.
