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PROCEDE ET DISPOSI'I'I~F' z?' EXPLOITAT:LON DE GISEMENT' SOUTERRAIN
PAR TUNNELIER
L'invention concerne les procédës et dispositifs
d'exploitation de gisement souterrain ds~ nature telle que
le coût d'extractj.on â la tonne passe au second plan.
L'invention trouve une application particulièrement
importante dans l'extraction de minerais au 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 problémes
géotechniques s'ajoutent é la radioactivité au é la
toxicité.
A titre d'exemple partïculièrement représentatif,
on peut citer l'exploitation de gisements d°uranium é très
forte teneur, où le niveau de radioactivité exclu les mé
thodes traditionnelles impliquant la présence de personnel
en permanence sur le front de taille mais oû un ~aût d'ex-
traction élevé à la tonna n'est pas prohibitif car 31 est
contrebalancé par des teneurs atteignant 100 kg par tonne,
voire davantage.
Un problème du même genre se pose dans le cas de
gisements â très forte teneur d'un produit de haute valeur
marchande, relativement épais, mais se présentant dans des
conditions géotechnique particulièrement difficiles, telles
que saur dos pressions lithostatique et hydrostatique trés
élevées dans des terrains déconsalidés.
On peut également citer, à titre d'apgliCation de
l'invention, l'enlèvement, pour décontamination et/ou
stockage dans des conditions sûres, de substances longe-
yeuses n'ayant pas nécessairement de valeur vénale mais
qu'il est impératif d'éradiquer.
S5 Ce dernier cas pewt par exemple se rencontrer en
pas de contamination du sous-sol pollué d'une installation
nucléaire.
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L' invention vise en conséquence é fourn~.r un pro-
cédé d'exploitat.ion de gisement souterrain dont l'ex~trac-
Lion 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 secondaires le coût de l'opé-
ration pour chaque tonne extraite.
Dans Ce but, ~.' invention propose; notamment un pro
cédé suivant lequel . on eonsti~tue, par injection de liant
hydraulïque et/ou par congélation, un caisson étanche con
fanant tout ou partie du gisement et on draine éventuelle-
ment 1e gisement ; on traverse de part en part le gisement
par creusement direct d'un premier tunnel à l'aide d°un
tunnelier; on retourne 1e tunnelier après traversée ~Iu ga-
l' semant 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 â mesure de l'abattage et
on l'évacue par transport hydraulique.
Dans le cas d'un terrain difficile, présentant un
risque d'éboulement on revèt la galerie par des vaussoirs
immédiatement derrière le tunnelier. Une fois un -tunnel
complètement constitué, il peut étre immédiatement remblayé
pour participer à l'absorption de la poussée des terrains.
Suivant la nature des difficultés rencontrées dans
l'exp~.oitation, le prooédê sera plus ou moins complezxe.
Lorsque les difficultés rencontrées sont essentie3.-
lament de nature géotechnique pressions lithos~tatique et
hydrostatique élevées), provoquant des entrées d'eau impor
tantes, la Constitution d'une barrière par revêtement â
l'aide de voussoirs reliés ~aar des joints d'étanohêité,
permet de résoudre le problème. Dans le cas de matériaux
radioactifs, les mesures cï-dessus écartent dé~è de nom-
breux problèmes . le rayonnement gamma d'origine externe
3~ est absorbé par le béton des voussoirs et la dupe du tonne-
lier. La mise en surpression du tunnel permet de réduire
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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 matö:riau extrait.
Les conditions d'emploi du 'tunnelier, pour 1a mise
en oeuvre du procédé suivant l'invention, sont extrêmement
inhabituelles et semblent a première vue un non-sens ëcono
mique. Un tunnelier est en effet prévu pour creuser des ga
leries de très grande longueur en continuité. Au contraire,
le procêdé suivant l'invewtion implique de longues périodes
d'inactivité après achèvement de chaque tunnel. Mais nette
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
18 évoquës ci-dessus.
L'invention propose également un dispositif
d'exploitation de gisement souterrain comprenant un tun-
nelier à attaque ponctuelle par excavatrice â 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 arriêre, 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. I1 est prévu pour
pouvoir être retourné dans une chambre aprés traversée com-
piète du gisement, soit par rotation de 180° autour d°un
80 axe vertical, soit par démontage puis remontage. Les trois
tronçons peuvent eux-mêmes être fractionnables en secteurs
d'environ 120° chacun, paur faciliter les opérations de
transfert dans le dernier cas.
L'invention sera mieux comprise â la lecture de la
description qui suit d'un mode particulier de réalisation,
donné a titre d'exemple non limitatif. La description se
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réfère aux dessins qui l'aacampagr~ent, clans lesquels
- la figure 1 est un sohëma de prine~ipe 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 â
travers le gisement a
- la figure 3, similaire à 1a aigure 2, mantre la
juxtaposition des tunnels forês, revêtus et comblés au
cours de l'exploitation ;
- la figure 4 est une vue schématique, en coupe
suivant un plan vertical, montrant les canstituants prin-
cipaux d'un tunnelier canstituant un mode particul.:Ler de
réalisation de l'invention r
- la figure 5 est une vue en coupe transversale du
tunnel revêtu à 1"arrière du tunnelier, lors de la mise en
oeuvre du procédé selon un mode particulier de rëalisa~tion
de l'invention.
Le procédé qui sera maintenant décrit est notamment
utilisable pour l'exploitation d'un gisement souterraïn 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
ractëris~tiques; on peut citer celui de CTC13R LAKE,
SASKATCHE~1~1N, Canada, qui a une teneur de 100 ~g par tonne
en moyenne, permettant une exploitation à la cadence trës
faible de l'ordre de 200 tonnes par four. La roche encais
sante est un sablo-gréseux dëconsolïdë, avec venues d'eau
abondantes. L'exploitation doit se faire sous une pressibn
lithostatique de l'ordre de 80 bars et une pression hydro-
statique de l'ordre de 45 bars. Le gisement présente une
(arme allongée, avec une largeur de T ordre de la centaine
de mètres.
S5 La premiére opération â effectuer, avant attaque du
gisement, vise â former, autoLar d'une fraction longitudina-
le du gisement, un caissan étanche qu'il sera possible de
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drainer, dont les parois sont constituëes de roches conso-
lidëes par congélation e~t/ou infection de coulis de ciment,
chaque caisson enveloppant le gisement d'aussi prés que
possible, pratiquement a une distance de: quelques mètres.
Pour cela, on réalise tout d"abord des infra-
structures classiques d°accés au gisements dont Ia profon-
deur est de l'ordre de X50 mêtres dans 1e cas de CïGAF~
LAKE. On creuse les puits d'accés et d''aération et on met
en place les installations d°énergie, de ventila~tâon,
dyxtraction, etc, puis on creuse les galeries horizontales
d°accês au gisement ainsi que des galeries horizontales
d'infra--structure. Parmi ces galerïes d'infrastruotur~,
deux au moins I2 s'étendent dans le sens d'allongement du
gisement, à peu prés parallèlement aux bords da ce dernier.
filles peuvent âtre . peu prés au niveau supêrieur du gise-
ment. Une autre I~ au moins est é quelques mètres au-
dessous du gisement.
Deux recoupes parallèles 16 sont alors creusées à
partir de Ia galerie I4, é des distances qui dépendront de
Ia nature du terrain mais seront généralement de l'ordre de
la dizaine de mètres.
A partir des différentes galeries 12 et 14 et re-
caupes I6 sont alors forês des trous verticaux 18 destinés
é recevoir les faisceaux de congélation et éventuellement
des lances d'in~eotion de coulés de ciment. Les trous ver-
ticaux forés à partir des recoupes 16 qui traversent Ie gi-
sement, serviront dans tous les cas à la congélation.
A l'issue de ces opérations et de Ia congélation à
partir de deux recoupes, on voit qu'on a constitué un cals
son entourant une tranche du gisement. Ce caisson, dont le
pourtour est montré en C sur Ia figure 2, peut alors être
drainé, sa partie centrale n'étaya pas congelée. C'est dans
cette partie qu'aura Iïeu l'extraction.
L°abattage ~ l'intérieur du caisson s'effectue par
répétition d'une même séquence. A partir des galeries 12 on
~~,~c~_~.'
creuse deux plans inclinés 20 d'accês à des chambres de r~-
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, horizontalemewt ou obliquement par .rapport â ..
la galerie 12, vers l'autre chambre de retournement. I1
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: I1
est ensuite reculé sur le plan incliné jusqu'à la galerie
12. he 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 poux former le nouveau plan ïncliné.
he 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 problëmes de venue d'eau sont écartés. A condition de
revêtis le tunnel au fur et à mesure de 1°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 fartes ve- .
nues d'eau sous pression.
pendant qu ° un caisson est ainsi traité, 1~ caisson
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suivant peut ö~tre préparé pair allongement éventuel des ga-
leries 12 et 14, creusement de recoupes 1C~ e~t congélation
et/ou injection poux cons'ti'tuer un nouveau caisson.
On reviendra plus loin sur la partie du procédé
concernant l'attaque proprement dite du minerai.
Le tunnelier utilisé pewt avoir la cons'ti'tution 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
dêmontable en plusieurs secteurs angulaïres, 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,
a~amt 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 é
attaque ponctuelle, constitué dans le cas illustré par une
excavatrïce à bras télescopique 36 terminé par une couronne
d'attaque 38 pouvant être amenée en saillie pas 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°injeo-
fion d'eau sous haute pression. Le minerai abattu est ainsi
amené â 1°état de fragments de dimension suffisamment fai-
ble pour être entrainé par un convoyeur, comme on le verra
glus loin.
Le tronçon avant 28 est avantageusement prévu pour
recevoir un diaphragme amovible 41, permettant, après ré-
traction du bras télescopique 3b, d°isoler le dispositif
d'abattage du front de taille pour autoriser une iwterven--
taon mécanique. Ce diaphragme gent se raccorder à un casque
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de sécurité 40 prévu d la partie haute du tronçon.
Le tronçon médian 30 constitue le pousseur. ïl com- "
parte en conséquence, à l'intérieur de la jupe, une cou-
ronne de vérins hydrauliques ~2, au nombre de vingt quatre
par exemple, dont le plongeur 44 est destiné é prendra
appui sux des voussoirs déjé 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 ~8 qui
les réduit à une granulomêtrie suffisammewt faible pour
permettre un transport en pulpe. Un dispositif malaxeur-
pompe de circulation-alimenteur 50 reprend le minerai
concassé et 1°améne, 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 êgalement
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 peaa~t égale
ment contenir un érecteur da mise en glace des voussoirs,
qui ne sera pas décrit car il peut avoir une constitution
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classique.
Dans le mode de réalisation illustré, 1'éreoteur
est prévu pour mettre en place successivement, aprés 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 1°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-clês 70.
Le palan peut être prévu pour mettre également en
place des tronçons 72 de dalle, chaque tronçon ayant une
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longueur égale à celle d°un voussoix', destiraës à constituer
un plancher plat et â délimiter des passages. L'un de ces
passages peut recevoir une conduite i~ de ~transpor~t de mi-
nerai, raccordable à un tube télescopa'Lque 7ô dm liaison
avec le tube 54. D'autres passages 78 peuvent constituer
des caniveaux techniques, par exemple; de réception de
càbles.
Suivant 1a 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 infil-tracions 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'infection 80 peuvent être prévus dans les voussoirs en
place.
Un sas est avantageusement prévu à 1' 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 Gour$ de l'avance du tunnelier, la commande,
sauf en cas d'incident, ne nécessite pas la prësence de
personnel à l'intérieur du tunnel. Une caméra vidéo peut
âtre prévue dans le tronçan central pour filmer 1e 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'issus 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 protêgé par les couronnes d~
lo
voussoirs déjà en place et par l'acier de 1a jupe du tunne-
lier. Des voussoirs d'environ trewte centimètres d'êpals-
seur donnent une protection satisfaisante. La conduite en
acier contenue dans la dalle "72 assure une protection
contre le rayonnement du chinerai en pulpe entra3né par
l'eau dans les tubes 42 et ~~ et la conduite '7~.
Chaque intervention du tunnelier étant de faible
durée, une maintenance effectuée è chaque passage dans une
chambre de retournement rend le risque de panne trës fai-
ble. En cas de nécessité toutefois, 1e diaphragme du com-
partiment avant pewt âtre 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 dëcontamination 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
uns 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 âtre
complété par une décontamination à l'eau:
Une fois le tunnelier dans la chambre de retourne-
ment, on le tourne de 1g0° 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
~0 par démontage en tronçons, puis remontage inversé. A titre
d'exemple, on peut indiquer qu'un tunnelier de quatre mè-
Ires 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-mémes une largeur
de deus mètres cinquante e-t recevoir une conduite de
11
transport de aewt cinquante millimëtres de diamètre.
Le strict empilement d~ tunnels circulaires laissa
en place 9~ environ du gisement. En :rëalitë l'appareil
d'abattage bat une zone supërieure ~ la section du tunne-
lier et le surcreusement est suffisant pour exploiter le
gisement à peu près complëtement.
