Caractérisation Géostructurale du Massif Rocheux de la Mine MMG Kinsevere

INTRODUCTION ET OBJECTIFS DE L'ÉTUDE

  • Ce travail de fin de cycle porte sur la caractérisation géostructurale du massif rocheux du flanc Ouest de la mine Tshifufia Centrale, opérée par MMG Kinsevere.

  • L'étude se concentre sur un secteur pilote d'une longueur de 50 m50\,m couvrant 33 gradins d'une hauteur d'environ 10 m10\,m chacun.

  • La problématique centrale consiste à déterminer la nature et la qualité géomécanique du massif, car les discontinuités (joints, fractures, failles) contrôlent son comportement mécanique et la stabilité des talus.

  • Les objectifs principaux sont :

    • Identifier et classer les familles de discontinuités en quantifiant des paramètres tels que l'orientation, l'espacement, la persistance et l'état des épontes.

    • Déterminer la qualité géomécanique du massif via les systèmes de classification Rock Mass Rating (RMR) et Geological Strength Index (GSI).

    • Évaluer les mécanismes de rupture potentiels pour optimiser la sécurité et les opérations minières.

GÉNÉRALITÉS SUR LA MINE À CIEL OUVERT DE MMG KINSEVERE

  • Historique et Présentation :

    • Le gisement était initialement exploité par la GÉCAMINES.

    • En 20052005, un contrat d'amodiation est signé avec la société Mining Company Katanga (MCK) pour les permis PE 528528 (Kinsevere) et PE 539539 (Nambulwa) sur une superficie de 19,54 km219,54\,km^2.

    • En 20062006, le joint-venture AMCK (Anvil Limited 95%95\% et MCK 5%5\%) reprend les activités.

    • Le site comprend trois gisements principaux : Kinsevere, Tshifufia (Pit central) et Tshifufia Mashi.

    • La production de cuivre cathodique via l'usine SX-EW a débuté le 04 mai 201104\,mai\,2011 avec une capacité de 60000 tonnes/an60000\,tonnes/an.

    • Une troisième phase lancée fin 20232023 vise à traiter les minerais sulfurés et mixtes.

  • Cadre Géographique et Climatique :

    • Localisation : 30 km30\,km au Nord-Est de Lubumbashi, entre 27∘30′27^{\circ}30' de longitude Est et 11∘15′11^{\circ}15' de latitude Sud.

    • Altitude : Environ 1200 m1200\,m sur le plateau centrafricain.

    • Climat : Tropical avec deux saisons (saison des pluies d'octobre à avril et saison sèche de mai à septembre).

    • Précipitations : Moyenne annuelle de 1261,9 mm1261,9\,mm (variant entre 650 mm650\,mm et 1500 mm1500\,mm).

    • Températures : Entre 17∘C17^{\circ}C et 26∘C26^{\circ}C, pouvant descendre à 5∘C5^{\circ}C la nuit en juillet-août.

    • Végétation : Savane boisée de type « MIOMBO ».

  • Hydrogéologie :

    • Présence de trois nappes phréatiques rencontrées à des profondeurs variant entre 30 m30\,m et 71 m71\,m.

    • L'exhaure est indispensable pour l'exploitation en zone sèche, utilisant des puits filtrants de 600 m600\,m de profondeur et des pompes de type PERLES.

CONTEXTE GÉOLOGIQUE RÉGIONAL ET LOCAL

  • Géologie Régionale :

    • Le site fait partie de la Ceinture Cuprifère Africaine (CCA) au sein du Supergroupe du Katanguien (Néoprotérozoïque).

    • Le Katanguien est subdivisé en trois groupes :

      • Groupe du Roan : Base du système, associé aux minéralisations de Cu-Co (Dolomies, schistes, grès).

      • Groupe du Nguba : Constitué de tillites (Petit Conglomérat), calcaires et schistes.

      • Groupe du Kundelungu : Sommet du système (grès, schistes, tillites).

  • Stratigraphie Locale de Kinsevere :

    • CMN (Calcaires à Minéraux Noirs) : Divisé en partie supérieure (SDOL : Dolomites silifiées et Siltstones) et inférieure (LMU : Dolomies laminées et magnésite ; IDSH : alternance dolomies/shales).

    • SD (Shales Dolomitiques) : Comprend l'ICSL (Siltstones calcareux) et le LSH (partie inférieure).

    • RAT (Roches Argilo-Talqueuses) : Unité la plus profonde (RAT grise et RAT lilas), généralement massive, très dure et altérée par endroits.

    • Dipeta (R3) : Présente au niveau 11401140, composée de dolomies, marnes rouges et pélites gréseuses.

CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES ET MÉCANIQUES DE LA MATRICE ROCHEUSE

  • Propriétés Physiques :

    • Densité : Dépend de la composition minéralogique, de la porosité et de la fracturation. L'ISRM distingue la densité sèche de la densité saturée.

    • Porosité : Rapport entre le volume des vides et le volume total. On distingue la porosité totale de la porosité efficace (interconnexion des pores).

    • Perméabilité : Capacité de circulation d'un fluide. Une perméabilité élevée indique souvent des discontinuités ouvertes.

  • Résistance Mécanique :

    • Résistance à la Compression Uniaxiale (RCU/UCS) : Contrainte maximale avant rupture. Mesurée sur carottes normalisées.

    • Essai de Charge Ponctuelle (Point Load Test) : Utilisé pour estimer indirectement l'UCS sur des fragments ou des carottes irrégulières.

    • Marteau de Schmidt : Évaluation rapide de la dureté de surface sur le terrain.

    • Essais Triaxiaux et Brésiliens : Mesurent respectivement le comportement sous confinement et la résistance à la traction indirecte.

  • Altération du Massif (Grades ISRM) :

    • Grade I : Saine (aucun signe visible).

    • Grade II : Légèrement altérée (décoloration des surfaces de discontinuité).

    • Grade III : Modérément altérée (décoloration profonde, moins de 50%50\% du massif décomposé).

    • Grade IV : Fortement altérée (plus de 50%50\% transformé en sol, mais structure encore visible).

    • Grade V : Complètement altérée (totalement décomposé en sol, couches encore reconnaissables).

    • Grade VI : Sol résiduel (transformation totale sans structure visible).

CARACTÉRISATION DES DISCONTINUITÉS GÉOMÉCANIQUES

  • Types de Discontinuités :

    • Fractures : Terme générique pour toute cassure d'origine tectonique, thermique ou mécanique.

    • Diaclases (Joints) : Fractures sans déplacement relatif visible, organisées en réseaux.

    • Failles : Fractures avec déplacement relatif mesurable des compartiments.

    • Plans de stratification : Séparent les couches sédimentaires successives.

    • Schistosité : Orientation préférentielle des minéraux due au métamorphisme.

  • Paramètres Fondamentaux :

    • Orientation : Direction (azimut 0∘0^{\circ} à 360∘360^{\circ}) et Pendage (0∘0^{\circ} à 90∘90^{\circ}).

    • Espacement : Distance entre deux discontinuités d'une même famille (influence la taille des blocs).

    • Persistance : Extension ou continuité spatiale de la fracture.

    • Ouverture : Distance perpendiculaire entre les parois d'une fracture.

    • Rugosité : État de surface influençant la résistance au cisaillement.

    • Remplissage : Matériaux secondaires (quartz, calcite, argile) entre les parois.

SYSTÈMES DE CLASSIFICATION GÉOTECHNIQUE

  • Indice RQD (Rock Quality Designation) :

    • Calculé par la formule : RQD=∑longueur des morceaux ≥10 cmlongueur totale foreˊe×100RQD = \frac{\sum \text{longueur des morceaux } \ge 10\,cm}{\text{longueur totale forée}} \times 100

    • Interprétation : < 25%25\% (très médiocre), 25–50%25\text{--}50\% (médiocre), 50–75%50\text{--}75\% (moyenne), 75–90%75\text{--}90\% (bonne), 90–100%90\text{--}100\% (excellente).

  • Système RMR (Rock Mass Rating de Bieniawski, 1973/1989) :

    • Basé sur 55 paramètres : R1R1 (Résistance UCS), R2R2 (RQD), R3R3 (Espacement des joints), R4R4 (État des joints), R5R5 (Venue d'eau).

    • Un ajustement est appliqué selon l'orientation des joints par rapport à l'ouvrage.

    • Score total (0–1000\text{--}100) classant le rocher de « Très bon » (I) à « Très médiocre » (V).

  • Indice GSI (Geological Strength Index) :

    • Évalue la réduction de la résistance selon les conditions structurelles et l'état des surfaces.

    • Relation analytique en milieu sec : GSI=RMR89−5GSI = RMR_{89} - 5.

ÉTUDE DU FLANC OUEST DE LA MINE TSHIFUFIA CENTRALE

  • Méthodologie :

    • Utilisation du scan-line mapping (lignes de scan de 50 m50\,m).

    • Relevés effectués aux niveaux 11001100 et 11101110 (lithologie SDOL) et au niveau 11401140 (lithologie Dipeta).

    • Traitement des données via le logiciel DIPS (projections stéréographiques de Schmidt).

  • Analyse du Niveau 1140 (Dipeta) :

    • Familles de joints identifiées :

      • J1 (Dominante) : Pendage 84∘84^{\circ} / Direction 281∘281^{\circ} (NW). Correspond à la foliation sub-verticale.

      • J2 : Pendage 67∘67^{\circ} / Direction 023∘023^{\circ} (NE).

      • J3 : Pendage 24∘24^{\circ} / Direction 099∘099^{\circ} (Est). Plan sub-horizontal.

  • Analyse Cinématique (Stabilité des talus) :

    • Paramètres du talus : Pendage 70∘70^{\circ}, Azimut de pendage 120∘120^{\circ}, Angle de frottement interne (ϕf\phi_f) 30∘30^{\circ}.

    • Glissement Plan : Touche 7,50%7,50\% des pôles globaux (30%30\% dans J3). Possible mais peu probable en conditions sèches.

    • Glissement en Coin : 5,38%5,38\% d'intersections critiques, impliquant principalement J1∩J3J1 \cap J3.

    • Basculement par flexion (Flexural Toppling) : Mode dominant. 57,69%57,69\% des plans de J1 sont en zone critique. J1 satisfait les conditions de Goodman & Bray (84^{\circ} > (90^{\circ} - 70^{\circ} = 20^{\circ})).

    • Basculement direct : 6,15%6,15\% d'intersections critiques. J3 sert de plan de base facilitant le versement des colonnes J1.

  • Résultats des Classifications Géomécaniques (Niveau 1140) :

    • Calcul du RMR :

      • R1R1 (UCS 75 MPa75\,MPa) = 77

      • R2R2 (RQD 77–78%77\text{--}78\%) = 1313

      • R3R3 (Espacement 0,21 m0,21\,m) = 1010

      • R4R4 (Conditions des joints) = 2121

      • R5R5 (Conditions sèches) = 1515

      • Total RMR = 66. Classé en Classe II (Bonne roche).

    • Calcul du GSI :

      • Estimation visuelle (structure « très blocailleuse », surfaces « correctes à bonnes ») : 55–6555\text{--}65.

      • Calcul analytique : GSI=66−5=61GSI = 66 - 5 = 61.

    • Conclusion du Niveau 1140 : Le massif est de qualité acceptable, mais structurellement vulnérable au basculement du fait de la verticalité de la famille J1.