octobre 2015

Contre vents et marées

Les difficultés liées au fonçage du puits d'exploration le plus profond des États-Unis

Par Michael Yang

Un groupe décidé de mineurs a fini par atteindre le fond du puits d'exploration n° 10 du projet Resolution Copper dans le Copper Triangle d'Arizona, à 2 116 mètres sous la surface, en novembre l'an dernier. Il aura fallu plus de cinq années de dur labeur et de génie créatif dans des conditions de chaleur et d'humidité extrêmes pour foncer ce puits d'exploration, le plus profond d'Amérique, qui permet de transporter les mineurs au fond de la mine en un seul trajet ininterrompu. Il s'agit du premier des six puits profonds dont a besoin le projet Resolution Copper pour accéder à l'un des gisements de cuivre les moins développés au monde. Le corps minéralisé, qui se trouve à deux kilomètres sous terre en dessous de la mine historique Magma près de Superior, affiche des ressources présumées de 1,7 milliard de tonnes, à une teneur de 1,52 % de cuivre. Resolution Copper, une filiale de Rio Tinto, prévoit d'exploiter ce gisement porphyrique à l'aide de la technique d'exploitation par blocs foudroyés, qui permettra à plein rendement de produire jusqu'à 120 000 tonnes de minerai par jour.

L'entrepreneur Cementation USA dirigeait les travaux de fonçage du puits, qui ont commencé en janvier 2009. Le cycle de production impliquait des volées de trois mètres et des séries de revêtements de six mètres, ainsi que le forage de trous concentriques, le chargement, l'abattage à l'explosif, le marinage puis l'installation d'un soutènement, d'un cuvelage en béton et des équipements techniques et électriques. Un treuil à deux tambours et deux bennes de fonçage de 14 tonnes transportaient les matériaux et l'équipement le long du puits, et une plateforme élévatrice innovante assurait le transport du personnel.

« La structure globale visait à effectuer chacun de ces cycles efficacement », expliquait Tom Goodell, directeur général du développement des puits pour Resolution Copper, lors d'une présentation l'année dernière. « La pièce la plus importante était la structure Galloway. »

Il s'agit d'une plateforme de travail de 160 tonnes sur laquelle est installé pratiquement tout l'équipement nécessaire sur ses cinq étages, à savoir quatre jumbos de forage alimentés par air comprimé, deux chargeurs de wagonnets pour puits de mine, deux coffrages pour béton pour le revêtement du puits et des outils de soutien pour les équipements techniques et électriques. La plateforme, qui reste toujours à proximité du fond du puits, permettait aux mineurs de compléter les cycles très rapidement et de travailler avec un niveau élevé d'automatisation, les trépans et les chargeurs pouvant être actionnés par un pupitre de commande intégré.

« Pendant les périodes de pointe, nous parvenions à terminer un cycle complet par jour », se rappelait Matthew Swanson, ingénieur en chef de Cementation sur le projet. « Tout avançait très bien, jusqu'à ce que les ennuis arrivent. »

Le fond du fond

Initialement, les arrivées d'eau devaient être minimales pendant le fonçage du puits, et devenir infimes au-delà de 1 200 mètres de profondeur. Ces informations étaient basées sur des données limitées portant sur un seul trou, mais « on savait bien qu'il s'agissait d'un projet d'exploration portant sur le fonçage d'un puits d'exploration à grand diamètre à des profondeurs jamais atteintes auparavant dans la région », expliquait M. Swanson. Ainsi, le système existant de récupération des eaux d'exhaure du puits était capable de gérer jusqu'à 750 litres par minute (L/min) d'eau non contaminée au cas où une arrivée d'eau inattendue se produise. Cependant, pendant le fonçage, l'exhaure dépendait entièrement du treuil pour évacuer l'eau à l'aide des bennes de fonçage. La taille du système frigorifique pour le fonçage avait été déterminée en fonction de la charge thermique de la masse rocheuse, car l'eau ne devait pas présenter de charge thermique importante.

Aussi, lorsque de l'eau à 80° C a commencé à s'écouler des trous forés par sonde sur le gradin situé à 1 969 mètres à 500 L/min, tout le monde s'est affolé. Dans les 50 mètres suivants, les écoulements ont atteint 1 700 L/min, inondant uniformément le fond du puits et élevant les températures atmosphériques à 45° C, avec un taux d'humidité se situant entre 90 et 100 %.

« Nos problèmes ne se limitaient pas aux écoulements d'eau », expliquait M. Swanson. La chaleur et l'humidité avaient atteint des niveaux jugés potentiellement dangereux au titre des normes de Rio Tinto et de Cementation en matière de sécurité. « Nous avons dû créer des chambres froides sur la structure Galloway et dans les bases », se rappelait-il. En conjonction avec des régimes très stricts relatifs au temps de travail et de repos, ces chambres ont aidé à atténuer certains des risques associés à la chaleur et l'humidité.

Les diverses campagnes d'injection sous pression ne permettant pas de réduire les rentrées d'eau, des ajustements ont dû être faits pour poursuivre le fonçage dans ces nouvelles conditions. Un système d'exhaure de fortune pour le fond du puits a été installé provisoirement à l'aide de l'infrastructure existante. La méthode de fonçage a été modifiée de manière à ce que chaque volée ne bloque que la moitié du gradin. Cela représentait une grande amélioration en termes de sécurité et de production étant donné que la partie inférieure pouvait servir de bassin à boue pour recueillir l'eau pendant les travaux sur le terrain sec surélevé. Cependant, pour installer les services nécessaires pour le puits ou le cuvelage en béton, il fallait éloigner la plateforme de travail du fond du puits, ce qui impliquait d'arrêter provisoirement l'exhaure du fond du puits. Ceci entraînait l'inondation du gradin et impliquait des heures d'exhaure avant de pouvoir reprendre les activités de fonçage. Des niveaux élevés de matières solides dans l'eau ont été générés par le cycle de fonçage, ce qui a entraîné des difficultés supplémentaires pour l'exhaure et a eu un impact négatif sur la performance et la fiabilité des pompes.

À mesure que le fonçage avançait, il est devenu évident que des contrôles supplémentaires étaient nécessaires pour poursuivre les travaux en toute sécurité et efficacement. Le fonçage a finalement été interrompu en septembre 2013 après que l'avancement des travaux ne dépasse plus 50 centimètres par jour. « Si vous m'aviez demandé il y a cinq ans si l'on pouvait foncer un puits avec une infiltration d'eau aussi importante, je vous aurais répondu que ce n'était pas envisageable », indiquait M. Goodell.

Des mesures d'atténuation permanentes

Dans les mois qui ont suivis, les travaux ont davantage porté sur l'installation de systèmes de refroidissement et d'évacuation de l'eau afin de pouvoir achever le projet. Une station de pompage supplémentaire a été développée à 1 987 mètres sous terre ; il s'agissait d'une station polygonale équipée de deux pompes volumétriques pouvant gérer jusqu'à 1 150 L/min d'eaux usées chacune. Des pompes submersibles envoyaient les eaux usées jusqu'au fond de cette station à l'aide de tuyaux en acier existants intégrés dans le revêtement du puits. L'eau était ensuite transportée vers une station de pompage existante et permanente à 1 731 mètres utilisée pour l'exhaure des chantiers de l'ancienne mine Magma. « Cette station est devenue notre principal système d'évacuation de l'eau, et le reste du système de pompage étagé nous servait en cas d'urgence », expliquait M. Swanson.

Pour gérer la charge thermique dans le puits, qui avait atteint 6,61 mégawatts et avait plus que doublé la capacité existante de refroidissement, Resolution Copper a décidé d'achever bien plus tôt que prévu la construction et la mise en service de la centrale de refroidissement permanente à la surface. Dans le cadre de ces améliorations, Cementation a adapté 610 mètres d'une gaine d'extraction de deux mètres de diamètre entre le fond du puits et le niveau de la pompe principale à 1 396 mètres. L'équipe a également installé six serpentins refroidisseurs géants de 5 900 kilogrammes (kg) et cinq ventilateurs de 186 kilowatts (kW).

Une autre difficulté est survenue avec les systèmes électroniques lorsque le fonçage du puits a repris au cours de l'été 2014. « Du brouillard se formait au fond du puits à l'endroit où l'air froid entrait en contact avec l'air humide et chaud », indiquait M. Swanson. La visibilité était réduite à tel point que les travaux devaient sans cesse être interrompus.

Le contrôle du brouillard impliquait de varier les activités constamment de manière à le maîtriser plutôt qu'à adopter une solution statique. « C'était un véritable exercice d'équilibriste où nous devions parfois réduire le refroidissement, parfois limiter l'utilisation de notre matériel à air comprimé et ainsi de suite afin d'atténuer la formation de brouillard », indiquait M. Swanson. « Mais nous sommes arrivés au fond du puits. »

Nombre des mineurs, pour la plupart embauché(e)s et formé(e)s dans la région, étaient présent(e)s depuis la construction de l'orifice du puits, au début du projet en 2007. Pour eux, terminer cette tâche gargantuesque ne constitue que la première des six étapes de construction de l'exploitation minière souterraine massive de Resolution Copper.

« Les travaux que nous avons menés ne reposaient pas toujours sur des solutions classiques conformes aux règles », expliquait M. Swanson. « C'est pourquoi on les a qualifiés de technique de force brute. C'était une véritable lutte, un exercice parfois terrible et requérant des travaux de force, mais nous sommes arrivé(e)s au bout et c'est un exemple pour l'avenir. »

Traduit par Karen Rolland

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