mars/avril 2014

Construit pour percer

Les nouvelles exigences dans les exploitations minières ouvrent la voie au creusement mécanisé de galeries

Par Correy Baldwin

La tendance à développer des mines plus grandes contenant des minerais à plus faible teneur associée aux améliorations en matière de technologie de creusement de galeries donnent plus d'espace aux tunneliers pour mener leurs opérations.

Since the advent of industrial mining, engineers have relied on drilling and blasting for tunnel development. Although mechanized systems like tunnel boring machines (TBMs) have long been used for civil engineering projects and to some extent in the coal industry, they can only be found at a handful of hard rock mines. This could be changing, however. New requirements at mining operations are opening the door to mechanized tunnelling.

Depuis l'avènement de l'exploitation minière industrielle, les ingénieurs dépendent de la technique de forage et d'abattage à l'explosif pour creuser les galeries. Bien que les systèmes mécanisés tels que les tunneliers (des machines à creuser les galeries) soient utilisés depuis longtemps dans des projets de génie civil, et dans une certaine mesure dans l'industrie du charbon, on n'en trouve qu'une poignée dans les mines de roche dure. Mais cela pourrait bien changer. Les nouvelles exigences dans les exploitations minières ouvrent la voie au creusement mécanisé de galeries.

« Les corps minéralisés sont profondément enfouis sous terre et plus complexes à atteindre, et les teneurs des minéraux de l'industrie diminuent – et c'est le cas pour le cuivre, aussi le besoin de mines souterraines très spacieuses se fait de plus en plus ressentir, rendant indispensable l'augmentation du nombre de galeries et de puits », explique Fred Delabbio, directeur général de l'innovation en matière d'exploitation minière souterraine chez Rio Tinto. « Certaines mines requerront à l'avenir des centaines de kilomètres de galeries et de puits pour une seule exploitation. » Ainsi, les sociétés minières chercheront de plus en plus de nouvelles options de construction pour leurs galeries et puits qui vont au-delà du simple recours aux méthodes de forage et d'abattage.

« L'excavation mécanique ne remplacera jamais vraiment le forage et l'abattage à l'explosif », déclare M. Delabbio, « mais elle donnera aux sociétés minières des options de construction dont elles ne disposaient pas auparavant. Ainsi, l'agencement de la mine et les séquences de construction changeront en fonction des options proposées par les nouvelles technologies. » Il compare cette méthode à l'impact qu'a eu la méthode d'exploitation par longue taille sur l'industrie du charbon.

Les tunneliers actuels peuvent cependant ne pas toujours être adaptés à l'exploitation minière. « Les tunneliers ont été spécifiquement développés pour des applications en génie civil, et non pas pour l'industrie minière », explique M. Delabbio. « Ainsi, on peut les utiliser dans la majorité des excavations, sans qu'ils soient pour autant idéaux. La question est de savoir si l'industrie minière sera en mesure de créer et de soutenir des technologies qui exploitent les aspects des tunneliers et du creusement de galeries dans des travaux de génie civil tout en créant de nouvelles technologies de construction de puits et de creusement de galeries dans les mines ». D'après M. Delabbio, la réponse est oui.

Si on l'utilise judicieusement, les avantages du perçage de galerie sont nombreux. La performance du forage et de l'abattage est généralement de trois à neuf mètres par jour ; les tunneliers, quant à eux, peuvent creuser entre 15 et 50 mètres en fonction des conditions de la roche et permettent de contrôler le profil de la galerie. Les coûts d'investissements initiaux sont plus élevés, certes, mais on s'y retrouve rapidement grâce au creusement de galeries plus longues, généralement au bout de deux kilomètres. Il s'agit également d'une option beaucoup plus sûre que le forage et l'abattage à l'explosif, qui élimine les gaz issus de l'abattage et requiert moins d'opérateurs, ce qui permet de réaliser des économies en termes de main-d'œuvre. Les tunneliers endommagent moins la roche environnante et réduisent donc le besoin de soutènement (en réalité, il est possible avec les tunneliers d'installer un mur de soutènement au moment de l'excavation). Le forage offre un profil de galerie plus homogène et cohérent, rendant cette approche optimale pour l'aérage et le transport d'équipement et permettant ce que M. Delabbio qualifie de procédé presque mécanique dans la mine.

Mais tous les avantages qu'offrent les tunneliers s'accompagnent d'une concurrence acharnée avec la technique rentable et éprouvée du forage et de l'abattage. « L'industrie minière souterraine sur roches dures creuse des galeries depuis des centaines d'années à l'aide des méthodes de forage et abattage à l'explosif », explique M. Delabbio. D'une part, le forage et l'abattage à l'explosif permettent aux sociétés minières de créer la forme d'excavation qu'elles souhaitent sans limite au niveau du rayon de braquage, et ce pour des biens d'investissement relativement faibles. Les tunneliers, d'autre part, ont un grand rayon de braquage, les manœuvres sur des pentes accentuées et la marche arrière sont complexes, il est difficile de créer des voies d'évitement et des points de retour et l'investissement initial est conséquent.

Dans les conditions voulues, cependant, les tunneliers améliorent le fonctionnement de l'exploitation, explique Benjamin Künstle, chef de division adjoint à l'exploitation minière chez Herrenknecht. « Les systèmes d'excavation mécaniques sont destinés à renforcer le niveau de santé et de sécurité, à fournir un environnement de travail plus moderne et de meilleure qualité, à améliorer la production et à avoir un impact positif sur le développement global de la mine, notamment une plus grande valeur actualisée nette (VAN). »

Tout ceci suscite l'intérêt de l'industrie. M. Künstle explique qu'il a observé une demande croissante de la part de l'Australie, du Chili, des États-Unis, du Canada, de la Russie et de l'Afrique du Sud, et plus récemment de la Chine. Il fait remarquer que les tunneliers sont de plus en plus utilisés pour les activités de foudroyage par blocs et pour l'exploitation par coupe et remblai pour créer des rampes d'accès inclinées qui, selon lui, deviennent une option privilégiée par rapport aux puits verticaux profonds. Même les grandes mines à ciel ouvert envisagent d'utiliser les applications des tunneliers afin de ramener directement à la surface le minerai et les roches stériles par le biais d'un système de galeries et de passages verticaux.

M. Delabbio suggère que les futures exploitations imposeront de nouvelles exigences quant à la technologie et l'équipement utilisés, lesquels nécessiteront plus d'innovation. « Comme pour toute nouvelle technologie, l'utilisation commencera par des créneaux spécifiques. Une fois les concepts et prototypes d'excavation mécanique éprouvés, l'usage dépendra probablement de la vitesse du creusement de galeries, de la réduction des dommages causés aux roches, de la sécurité et de l'amélioration de la VAN. »

Les tunneliers ont été utilisés pour la première fois dans des exploitations minières à la fin des années 1950, notamment à la mine de fer Steep Rock dans le nord-ouest de l'Ontario, et on a continué de les utiliser dans les années 1960 et 1970. Leurs taux d'excavation dans les roches tendres étaient élevés, mais leur applicabilité était limitée et ils coûtaient trop cher.

Depuis, les progrès technologiques ont amélioré cette applicabilité. Certaines des machines sont conçues pour le creusement de galeries dans différentes conditions de sol, des roches plus dures aux roches compétentes et hétérogènes, y compris les machines en mode ouvert, divers boucliers améliorés, et la technologie de pression de terre (EPB - earth pressure balance). Des progrès ont été réalisés en matière d'automatisation et d'exploitation minière continue, ainsi qu'au niveau des systèmes hydrauliques et électriques ; les autres innovations visaient à augmenter la puissance et la performance en modifiant la conception de la haveuse. Tout ceci a permis d'augmenter les tours/minute (T/M) de la tête de forage ainsi que la traction et le couple.

On a également accordé beaucoup d'attention à l'amélioration de la manœuvrabilité, spécifiquement pour réduire les rayons de braquage et permettre des inclinaisons plus marquées pour les plans inclinés et les descenderies. Les prototypes actuels repoussent les frontières de la manœuvrabilité et testent les innovations pour le creusement de galeries verticales, le creusement non circulaire, le soutènement et une plus grande automatisation. « Les contractants étaient plus audacieux dans les années 1960 et 1970, lorsque les profits étaient plus grands et la concurrence moins forte », explique Joe Roby, vice-président à la prospection chez le fabricant de tunneliers Robbins. « Certains de ces concepts radicaux ont réellement fait progresser la technologie, mais bien d'autres ont été relégués aux oubliettes. Aujourd'hui, les changements sont plutôt évolutifs que révolutionnaires. Les contractants veulent un tunnelier qui soit conçu de manière très conventionnelle. Ils veulent une haute performance, mais avant tout la fiabilité. »

L'avenir du perçage de galerie dans l'exploitation minière pourrait s'avérer heureux, mais pour l'instant, les fournisseurs d'équipement sont encore à la recherche d'une percée. D'après M. Roby, la majeure partie de la résistance est de nature historique : « Dans les années 1960 et 1970, les tunneliers utilisés dans les mines ne donnaient pas de très bons résultats sur les roches dures. Ces machines ont aujourd'hui bien plus de puissance et de traction que les anciens tunneliers, et les systèmes de soutènement sont également bien meilleurs. »

M. Künstle convient que la méfiance envers les tunneliers n'est pas justifiée. « Les choix étaient parfois basés sur des chiffres incomplets ou faux, sans doute guidés par un certain scepticisme envers une méthode inconnue et en raison des expériences positives avec d'autres méthodes », explique-t-il. « Il est de notre responsabilité d'informer les parties impliquées des capacités et limites réelles de la technologie de tunneliers. »

Les fournisseurs expliquent que les tunneliers sont des produits arrivés à maturité ; en effet, les machines pour roches dures existent depuis 60 ans. « La majorité de l'équipement existant n'est fondamentalement pas très différent des unités que l'on utilisait il y a 40 ans », déclare M. Delabbio, « mis à part que les engins sont plus grands et ont subi des améliorations supplémentaires en termes de consommation de carburant et d'ergonomie. » Les machines proviennent souvent du secteur du génie civil, et ont été adaptées de manière à répondre aux exigences de l'industrie minière, par exemple les limites en termes de poids et de volume ainsi que l'importance d'une plus grande manœuvrabilité pour les courbes serrées et les alignements aux pentes abruptes.

La prochaine révolution en matière de technologie de tunnelier pourrait avoir lieu au niveau de l'excavation verticale pour le fonçage des puits qui, avec les méthodes actuelles, pénètre vers le bas à un rythme de trois mètres par jour environ. Les engins de fonçage de puits ont été développés pour le secteur du génie civil, mais aucun d'eux ne permet de créer des diamètres suffisamment larges ou de descendre suffisamment profond pour pouvoir servir dans les projets miniers, qui requièrent de façon optimale des diamètres de 10 à 12 mètres et des profondeurs de plus de 2 000 mètres. D'autres concepts de fonçage de puits tels que le forage de montage ou les tunneliers verticaux ont des applications spécifiques mais sont limités en termes de taille de galerie.

« Le problème est qu'il faut éliminer rapidement les matériaux de déblai de la tête d'abattage à attaque globale de manière à ne pas rebroyer et provoquer l'usure conséquente de la tête de forage », déclare M. Roby. « Quand quelqu'un aura résolu ce problème , on observera alors un intérêt croissant de la part de l'industrie minière. »

La solution de Herrenknecht est un prototype dont la roue de coupe a subi une rotation de 90 degrés. Rio Tinto collabore avec Aker Wirth pour tester les systèmes de fonçage de puits et de perçage de galerie dans sa mine de cuivre et d'or de Northparkes en Australie, dans le cadre du programme « Mine of the Future » (Mine du futur) de la société. Robbins travaille également sur l'excavation des puits ainsi que sur les développements de sa technologie de tunneliers, dont le système de soutènement continu des roches McNally, un programme à distance de suivi des haveuses et des systèmes de stabilité pour les tunneliers à pression de terre. Tout ceci engendrera un grand intérêt dans l'applicabilité plus vaste de la technologie des tunneliers.

« Récemment en Australie, on a observé une augmentation du nombre de tunneliers envisagés dans des applications relatives à la construction des mines de charbon. La mine Grosvenor d'Anglo American en est un exemple », explique M. Delabbio.

M. Roby explique que des tunneliers Robbins sont utilisés dans la mine Stillwater de PGM dans le Montana et dans le développement de la descenderie pour le projet de mine de cuivre et d'or Carrapateena d'Oz Minerals en Australie.

« Les tunneliers peuvent percer des descenderies, creuser des galeries d'accès le long d'un corps minéralisé ou assurer le roulage bien plus rapidement », déclare M. Roby. « J'aimerai beaucoup travailler avec une mine utilisant la méthode d'exploitation par blocs foudroyés pour concevoir un point de soutirage entièrement creusé à l'aide d'un tunnelier. On pourrait, je pense, construire une machine qui puisse creuser à un rythme sans précédent toutes les galeries à un point de soutirage. On pourrait ainsi commercialiser bien plus rapidement une plus grande quantité de métaux, offrant ainsi beaucoup d'argent à certaines mines . »

« C'est une question de temps », conclut-il. « La question est de savoir qui fera le premier pas. »

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Traduit par Karen Rolland

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