Brevet FR2680201A1 — publié le 19930212

PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXPLOITATION DE GISEMENT SOUTERRAIN PAR TUNNELIER L'invention concerne les procédés et dispositifs d'exploitation de gisement souterrain de nature telle que le coût d'extraction à la tonne passe au second plan. L'invention trouve une application particulièrement importante dans l'extraction de minerais ou de substances dont la toxicité ou la radioactivité sont telles qu'il n'est pas possible de mettre en oeuvre les procédés classi- ques d'extraction minière, surtout lorsque des problèmes géotechniques s'ajoutent à la radioactivité ou à la toxicité. A titre d'exemple particulièrement représentatif, on peut citer l'exploitation de gisements d'uranium à très forte teneur, o le niveau de radioactivité exclu les mé- thodes traditionnelles impliquant la présence de personnel en permanence sur le front de taille mais o un coût d'ex- traction élevé à la tonne n'est pas prohibitif car il est contrebalancé par des teneurs atteignant 100 kg par tonne, voire davantage. Un problème du même genre se pose dans le cas de gisements à très forte teneur d'un produit de haute valeur marchande, relativement épais, mais se présentant dans des conditions géotechnique particulièrement difficiles, telles que sous des pressions lithostatique et hydrostatique très élevées dans des terrains déconsolidés. On peut également citer, à titre d'application de l'invention, l'enlèvement, pour décontamination et/ou stockage dans des conditions sûres, de substances dange- reuses n'ayant pas nécessairement de valeur vénale mais qu'il est impératif d'éradiquer. Ce dernier cas peut par exemple se rencontrer en cas de contamination du sous-sol pollué d'une installation nucléaire. L'invention vise en conséquence à fournir un pro- cédé d'exploitation de gisement souterrain dont l'extrac- tion est rendue difficile par le caractère radioactif et/ou toxique du gisement et/ou par les conditions géotechniques, lorsque la valeur vénale du gisement et/ou la nécessité absolue de l'extraire rendent secondaire le coût de l'opé- ration pour chaque tonne extraite. Dans ce but, l'invention propose notamment un pro- cédé suivant lequel: on constitue, par injection de liant hydraulique et/ou par congélation, un caisson étanche con- finant tout ou partie du gisement et on draine éventuelle- ment le gisement; on traverse de part en part le gisement par creusement direct d'un premier tunnel à l'aide d'un tunnelier; on retourne le tunnelier après traversée du gi- sement et on creuse directement un tunnel adjacent au pre- mier, et ainsi de suite; et, si le gisement contient un produit radioactif, dangereux ou toxique, on réduit le ma- tériau extrait en pulpe au fur et à mesure de l'abattage et on l'évacue par transport hydraulique. Dans le cas d'un terrain difficile, présentant un risque d'éboulement on revêt la galerie par des voussoirs immédiatement derrière le tunnelier Une fois un tunnel complètement constitué, il peut être immédiatement remblayé pour participer à l'absorption de la poussée des terrains. Suivant la nature des difficultés rencontrées dans l'exploitation, le procédé sera plus ou moins complexe. Lorsque les difficultés rencontrées sont essentiel- lement de nature géotechnique (pressions lithostatique et hydrostatique élevées), provoquant des entrées d'eau impor- tantes, la constitution d'une barrière par revêtement à l'aide de voussoirs reliés par des joints d'étanchéité, permet de résoudre le problème Dans le cas de matériaux radioactifs, les mesures ci-dessus écartent déjà de nom- breux problèmes: le rayonnement gamma d'origine externe est absorbé par le béton des voussoirs et la jupe du tunne- lier La mise en surpression du tunnel permet de réduire les entrées de radon Le transport hydraulique peut s'effectuer par une conduite noyée dans un socle de protec- tion contre le rayonnement gamma du matériau extrait. Les conditions d'emploi du tunnelier, pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, sont extrêmement inhabituelles et semblent à première vue un non-sens écono- mique Un tunnelier est en effet prévu pour creuser des ga- leries de très grande longueur en continuité Au contraire, le procédé suivant l'invention implique de longues périodes d'inactivité après achèvement de chaque tunnel Mais cette considération devient secondaire lorsque la valeur vénale du matériau extrait ou la nécessité absolue de l'éliminer impose d'effectuer l'extraction, car aucune des solutions connues, plus économiques, n'est applicable dans les cas évoqués ci-dessus. L'invention propose également un dispositif d'exploitation de gisement souterrain comprenant un tun- nelier à attaque ponctuelle par excavatrice à bras télesco- pique orientable, séparable en au moins trois tronçons lon- gitudinaux, portant un broyeur et une pompe de mise en pul- pe du matériau abattu en vue de l'envoi de la pulpe dans une conduite de transport hydraulique et ayant, dans son tronçon arrière, un dispositif de mise en place de vous- soirs de revêtement du tunnel. Le tunnelier, pour l'extraction de minerais forte- ment radioactifs, comporte une jupe d'épaisseur suffisante pour réduire l'intensité du rayonnement Il est prévu pour pouvoir être retourné dans une chambre après traversée com- plète du gisement, soit par rotation de 1800 autour d'un axe vertical, soit par démontage puis remontage Les trois tronçons peuvent eux-mêmes être fractionnables en secteurs d'environ 1200 chacun, pour faciliter les opérations de transfert dans le dernier cas. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe en perspec- tive, montrant les opérations de préparation d'une fraction du gisement, avant abattage; la figure 2 est une vue schématique en coupe, montrant le creusement d'un premier tunnel horizontal à travers le gisement; la figure 3, similaire à la figure 2, montre la juxtaposition des tunnels forés, revêtus et comblés au cours de l'exploitation; la figure 4 est une vue schématique, en coupe suivant un plan vertical, montrant les constituants prin- cipaux d'un tunnelier constituant un mode particulier de réalisation de l'invention; la figure 5 est une vue en coupe transversale du tunnel revêtu à l'arrière du tunnelier, lors de la mise en oeuvre du procédé selon un mode particulier de réalisation de l'invention. Le procédé qui sera maintenant décrit est notamment utilisable pour l'exploitation d'un gisement souterrain de minerai d'uranium à très forte teneur, se présentant sous forme d'un filon allongé, dans une roche déconsolidée, sous une pression lithostatique et hydrostatique très élevée. A titre d'exemple d'un gisement présentant ces ca- ractéristiques, on peut citer celui de CIGAR LAKE, SASKATCHEWAN, Canada, qui a une teneur de 100 kg par tonne en moyenne, permettant une exploitation à la cadence très faible de l'ordre de 200 tonnes par jour La roche encais- sante est un sablo-gréseux déconsolidé, avec venues d'eau abondantes L'exploitation doit se faire sous une pression lithostatique de l'ordre de 80 bars et une pression hydro- statique de l'ordre de 45 bars Le gisement présente une forme allongée, avec une largeur de l'ordre de la centaine de mètres. La première opération à effectuer, avant attaque du gisement, vise à former, autour d'une fraction longitudina- le du gisement, un caisson étanche qu'il sera possible de drainer, dont les parois sont constituées de roches conso- lidées par congélation et/ou injection de coulis de ciment, chaque caisson enveloppant le gisement d'aussi près que possible, pratiquement à une distance de quelques mètres. Pour cela, on réalise tout d'abord des infra- structures classiques d'accès au gisement, dont la profon- deur est de l'ordre de 450 mètres dans le cas de CIGAR LAKE On creuse les puits d'accès et d'aération et on met en place les installations d'énergie, de ventilation, d'extraction, etc, puis on creuse les galeries horizontales d'accès au gisement ainsi que des galeries horizontales d'infra-structure Parmi ces galeries d'infrastructure, deux au moins 12 s'étendent dans le sens d'allongement du gisement, à peu près parallèlement aux bords de ce dernier. Elles peuvent être à peu près au niveau supérieur du gise- ment Une autre 14 au moins est à quelques mètres au- dessous du gisement. Deux recoupes parallèles 16 sont alors creusées à partir de la galerie 14, à des distances qui dépendront de la nature du terrain mais seront généralement de l'ordre de la dizaine de mètres. A partir des différentes galeries 12 et 14 et re- coupes 16 sont alors forés des trous verticaux 18 destinés à recevoir les faisceaux de congélation et éventuellement des lances d'injection de coulés de ciment Les trous ver- ticaux forés à partir des recoupes 16 qui traversent le gi- sement, serviront dans tous les cas à la congélation. A l'issue de ces opérations et de la congélation à partir de deux recoupes, on voit qu'on a constitué un cais- son entourant une tranche du gisement Ce caisson, dont le pourtour est montré en C sur la figure 2, peut alors être drainé, sa partie centrale n'étant pas congelée C'est dans cette partie qu'aura lieu l'extraction. L'abattage à l'intérieur du caisson s'effectue par répétition d'une même séquence A partir des galeries 12 on creuse deux plans inclinés 20 d'accès à des chambres de re- tournement 22, à travers la roche congelée Ces chambres de retournement 22 (figure 2) sont formées à distance du mine- rai lui-même, de façon que le niveau de radioactivité y reste acceptable pour l'intervention humaine Un tunnelier, tel que celui qui sera décrit plus loin, est assemblé dans une des chambres de retournement 22, située juste au-dessus de la base du gisement Le tunnelier est alors mis en oeu- vre et dirigé, horizontalement ou obliquement par rapport à la galerie 12, vers l'autre chambre de retournement Il traverse le rideau de matériau stérile, puis le gisement jusqu'à la chambre de retournement opposée 22 Dans cette chambre, il peut être vérifié et rénové, par remplacement des éléments les plus susceptibles d'usure ou de panne Il est ensuite reculé sur le plan incliné jusqu'à la galerie 12 Le premier tunnel est remblayé Un nouveau plan incliné est formé jusqu'à une chambre de retournement située immédiatement à côté de la précédente Le plan incliné et la chambre précédente sont remblayés par exemple à l'aide des matériaux abattus pour former le nouveau plan incliné. Le tunnelier peut alors être avancé pour creuser un second tunnel. Une fois que tous les tunnels successifs du tronçon au niveau de base B (figure 3) ont été creusés puis remb- layés, des plans inclinés d'inclinaison plus faible sont réalisés pour traiter successivement les niveaux supérieurs du gisement. Grâce au confinement préalable en caisson étanche, les problèmes de venue d'eau sont écartés A condition de revêtir le tunnel au fur et à mesure de l'avance du tunne- lier par des voussoirs, de prévoir des joints entre anneaux successifs et d'utiliser un tunnelier étanche, l'effet de la congélation est complété et permet de travailler en ter- rain fragile, à grande profondeur, présentant de fortes ve- nues d'eau sous pression. Pendant qu'un caisson est ainsi traité, le caisson suivant peut être préparé par allongement éventuel des ga- leries 12 et 14, creusement de recoupes 16 et congélation et/ou injection pour constituer un nouveau caisson. On reviendra plus loin sur la partie du procédé concernant l'attaque proprement dite du minerai. Le tunnelier utilisé peut avoir la constitution de principe montrée en figure 4, comprenant trois tronçons longitudinaux 28, 30 et 32 assemblables et désassemblables. Chacun de ces tronçons peut lui-même être prévu pour être démontable en plusieurs secteurs angulaires, trois par exemple, de façon à réduire la dimension et le poids des composants indissociables lors du transport Pour la même raison, on utilisera généralement un tunnelier compact, ayant un diamètre de jupe réduit, par exemple de quatre mètres environ Chacun des tronçons pourra également avoir une longueur faible, par exemple d'environ 1,50 m. Le tronçon avant comporte une jupe et constitue une trousse orientable par des vérins 34, fermée à l'arrière par une cloison étanche munie de hublots d'observation (cette cloison pouvant aussi bien appartenir au tronçon médian 30) Le tronçon 28 porte un appareil d'abattage à attaque ponctuelle, constitué dans le cas illustré par une excavatrice à bras télescopique 36 terminé par une couronne d'attaque 38 pouvant être amenée en saillie par rapport au tronçon 28 L'excavatrice est doublée d'un appareil brise bloc 39, permettant le cas échéant de les réduire à une taille de quelques centimètres et d'un dispositif d'injec- tion d'eau sous haute pression Le minerai abattu est ainsi amené à l'état de fragments de dimension suffisamment fai- ble pour être entraîné par un convoyeur, comme on le verra plus loin. Le tronçon avant 28 est avantageusement prévu pour recevoir un diaphragme amovible 41, permettant, après ré- traction du bras télescopique 36, d'isoler le dispositif d'abattage du front de taille pour autoriser une interven- tion mécanique Ce diaphragme peut se raccorder à un casque de sécurité 40 prévu à la partie haute du tronçon. Le tronçon médian 30 constitue le pousseur Il com- porte en conséquence, à l'intérieur de la jupe, une cou- ronne de vérins hydrauliques 42, au nombre de vingt quatre par exemple, dont le plongeur 44 est destiné à prendre appui sur des voussoirs déjà en place Le tronçon porte également un convoyeur de reprise du minerai, constitué dans le cas illustré par une vis d'extraction oblique 46. Cette vis remonte les fragments dans un concasseur 48 qui les réduit à une granulométrie suffisamment faible pour permettre un transport en pulpe Un dispositif malaxeur- pompe de circulation-alimenteur 50 reprend le minerai concassé et l'amène, à travers un clapet anti-retour 52, à l'entrée d'un tube 54 de liaison avec une conduite de transport Le tronçon central 30 peut contenir également une centrale hydraulique 56 fournissant le fluide sous pression requis pour le fonctionnement des vérins, de l'excavatrice de la pompe et éventuellement des vis de transport, du concasseur et de la pompe. Le tronçon arrière 32 comporte lui aussi une jupe d'étanchéité 58 destinée à glisser autour du dernier vous- soir en place et à assurer l'étanchéité Elle peut égale- ment contenir un érecteur de mise en place des voussoirs, qui ne sera pas décrit car il peut avoir une constitution classique. Dans le mode de réalisation illustré, l'érecteur est prévu pour mettre en place successivement, après ré- traction des plongeurs 44, les voussoirs 62 amenés par un palan 64 porté par une poutre fixée aux couronnes de vous- soirs au fur et à mesure de l'avancée Les voussoirs peu- vent avoir une disposition du genre montré en figure 5, c'est-à-dire comporter cinq voussoirs proprement dits, nu- mérotés de 1 à 5, une clé 68 et deux contre-clés 70. Le palan peut être prévu pour mettre également en place des tronçons 72 de dalle, chaque tronçon ayant une longueur égale à celle d'un voussoir, destinés à constituer un plancher plat et à délimiter des passages L'un de ces passages peut recevoir une conduite 74 de transport de mi- nerai, raccordable à un tube télescopique 76 de liaison avec le tube 54 D'autres passages 78 peuvent constituer des caniveaux techniques, par exemple de réception de câbles. Suivant la nature du minerai à extraire, des pré- cautions supplémentaires plus ou moins importantes sont prises En particulier, on peut interposer entre les vous- soirs d'une couronne ou auréole, entre couronnes sucessives et entre la dernière couronne et la jupe 38, un joint étan- che à l'eau, permettant d'éviter les infiltrations et, en cas de mine d'uranium, l'envahissement du tunnel revêtu par du radon dissous dans l'eau Un second joint, par une feuille de plomb, peut être prévu pour absorber le rayonne- ment gamma provenant de la roche encaissante, avec lequel il y a en aucun cas communication directe Des trous d'injection 80 peuvent être prévus dans les voussoirs en place. Un sas est avantageusement prévu à l'entrée de la galerie, dans la roche stérile Cela permet de mettre la galerie en surpression et de contrarier encore l'invasion par du radon provenant du minerai. Au cours de l'avance du tunnelier, la commande, sauf en cas d'incident, ne nécessite pas la présence de personnel à l'intérieur du tunnel Une caméra vidéo peut être prévue dans le tronçon central pour filmer le front de taille Le personnel de commande peut alors rester dans la chambre de retournement La présence de personnel n'est né- cessaire que pour poser les voussoirs, à l'issue d'une avance correspondant à la longueur des voussoirs Cette phase dure moins d'une heure par poste Elle s'effectue alors que le personnel est protégé par les couronnes de voussoirs déjà en place et par l'acier de la jupe du tunne- lier Des voussoirs d'environ trente centimètres d'épais- seur donnent une protection satisfaisante La conduite en acier contenue dans la dalle 72 assure une protection contre le rayonnement du minerai en pulpe entraîné par l'eau dans les tubes 42 et 44 et la conduite 74. Chaque intervention du tunnelier étant de faible durée, une maintenance effectuée à chaque passage dans une chambre de retournement rend le risque de panne très fai- ble En cas de nécessité toutefois, le diaphragme du com- partiment avant peut être mis en place rapidement et de façon mécanique, sous la surveillance d'un ouvrier qui reste dans le tronçon médian Le diaphragme isole alors le compartiment contenu dans le tronçon avant du front de taille Après décontamination des équipements et aspiration du radon contenu dans le compartiment, un opérateur peut pénétrer dans ce compartiment à travers une porte étanche prévue dans la cloison et effectuer l'intervention néces- saire. Lorsqu'il sort du minerai, le tunnelier traverse une partie stérile avant d'arriver à la chambre de retour- nement L'abattage stérile provoque déjà un nettoyage des structures avant et des jupes Ce nettoyage peut être complété par une décontamination à l'eau. Une fois le tunnelier dans la chambre de retourne- ment, on le tourne de 1800 pour forer un nouveau tunnel en sens inverse Le retournement peut s'effectuer de façon simple, en prévoyant une plaque tournante dans la chambre de retournement Le retournement peut également s'effectuer par démontage en tronçons, puis remontage inversé A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un tunnelier de quatre mè- tres de diamètre à attaques ponctuelles par couronne dia- mantée permet aisément selon les terrains un abattage de 10 tonnes par heure et une vitesse d'avancée de 0,20 m/heure. Les tronçons de dalle peuvent avoir eux-mêmes une largeur de deux mètres cinquante et recevoir une conduite de il transport de cent cinquante millimètres de diamètre. Le strict empilement de tunnels circulaires laisse en place 9 % environ du gisement En réalité l'appareil d'abattage bat une zone supérieure à la section du tunne- lier et le surcreusement est suffisant pour exploiter le gisement à peu près complètement. REVENDICATIONS 1 Procédé d'exploitation de gisement souterrain par tunnelier, caractérisé en ce que: on traverse de part en part le gisement par creusement direct d'un premier tun- nel à l'aide d'un tunnelier; on retourne le tunnelier après traversée du gisement et on creuse directement un tunnel adjacent au premier, et ainsi de suite; et, si le gisement contient un produit radioactif, dangereux ou toxi- 1 O que, on réduit le matériau extrait en pulpe au fur et à mesure de l'abattage et on l'évacue par transport hydrauli- que. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on revêt le tunnel par des couronnes de voussoirs derrière le tunnelier. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on relie par des joints étanches les voussoirs entre eux et avec une jupe du tunnelier. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'on isole le tunnel par un sas et on met le tunnel en surpression. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce qu'on évacue le matériau extrait par transport hydraulique dans une conduite à un tube rétractable ( 76) prévu dans le tunnelier et des tron- çons de conduite ( 74) contenus dans des dalles ( 72) mises en place sur les voussoirs de base. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'après traversée du gisement, on retourne le tunnelier sur une plaque tournante dans une chambre de retournement ( 22) ou par démontage puis remontage. 7 Dispositif d'exploitation de gisements souter- rain, comprenant un tunnelier à attaque ponctuelle par excavatrice à bras télescopique orientable, séparable en au moins trois tronçons longitudinaux ( 28,30,32), portant un broyeur ( 48), une pompe de mise en pulpe du matériau abat- tu et d'envoi dans une conduite de transport hydraulique ( 42,44,74) et un dispositif de mise en place de voussoirs ( 62) de revêtement du tunnel. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tronçon avant ( 28) contient l'excavatrice et est séparé par une cloison étanche du tronçon médian ( 30) qui comporte un convoyeur de relevage, le concasseur ( 48) et la pompe et en ce que le tronçon arrière ( 32) contient un érecteur de mise en place de voussoirs préfabriqué. 9 Dispositif selon la revendication 7 ou 8, carac- térisé en ce que le tronçon médian contient une couronne de vérins hydrauliques de passage ( 42); un convoyeur ( 46) de reprise de minerai vers le concasseur ( 48), ladite pompe et un tube ( 54) télescopique de liaison avec ladite conduite. Dispositif selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que le tronçon avant ( 28) est prévu pour recevoir un diaphragme et est séparé du tronçon médian par une cloison étanche.