Conception d'une verse à stériles : géométrie, capacité et contrôles

Chaque tonne de minerai vient avec des stériles : le recouvrement décapé pour atteindre le gisement et la roche sans valeur abattue avec lui. La verse à stériles, appelée aussi halde à stériles ou dépôt de stériles, est l'endroit où ce matériau est mis en dépôt définitivement.

Le projet doit satisfaire quatre exigences à la fois. La verse doit recevoir tous les stériles que la fosse produira pendant sa durée de vie. Elle doit se trouver près de la sortie de la fosse, car chaque mètre de roulage en plus se paie à chaque voyage. Elle doit reposer sur un terrain capable de la porter sans glisser ni barrer les écoulements. Et elle doit aboutir à une forme que l'on peut fermer et réaménager.

Une verse extérieure est édifiée hors des limites de la fosse, sur le terrain naturel. Une verse intérieure remblaie une partie exploitée de la fosse ; elle raccourcit le roulage, mais n'est possible que lorsque cette partie est terminée et qu'il ne reste rien de valeur en dessous.

La roche déversée ne garde pas l'angle que l'on dessine ; elle se met à son angle de talus naturel. Pour des stériles miniers secs, grossiers et anguleux, il se situe le plus souvent entre 35° et 40°, et 37° est une valeur de planification courante tant que le site n'a pas mesuré son propre matériau. Un matériau fin ou humide tient moins raide.

Une levée de hauteur h dont la face fait un angle α occupe h / tan α à l'horizontale. À 37°, une levée de 10 m avance de 13,3 m. Empilez n levées avec une risberme de largeur b entre chacune : la distance horizontale du pied à la crête supérieure vaut n·h / tan α + (n − 1)·b. L'angle global du talus β découle de la hauteur totale rapportée à cette distance : tan β = n·h / (n·h / tan α + (n − 1)·b).

L'angle de la face est fixé par le matériau ; la risberme est donc le seul levier du projeteur sur l'angle global. Quatre levées de 10 m à 37° avec des risbermes de 10 m donnent un angle global de 25,7°. Avec des risbermes de 20 m, il tombe à 19,5°.

Cela compte à la fermeture. Une face à l'angle de talus naturel est trop raide pour retenir la terre végétale ou être revégétalisée, et les plans de fermeture demandent couramment des talus finaux compris entre 2H:1V (26,6°) et 3H:1V (18,4°) ; la valeur vient de l'administration et du projet de fermeture, pas de la roche. Une verse édifiée par levées, avec des risbermes dimensionnées pour cet angle final, peut être remodelée pour l'essentiel dans sa propre emprise, en poussant chaque crête sur la risberme du dessous.

Prenez un contour de pied de 400 m sur 300 m en terrain plat, quatre levées de 10 m, une face à 37° et des risbermes de 10 m. Ce sont les valeurs avec lesquelles s'ouvre le calculateur ci-dessus.

La distance du pied à la crête supérieure est de 83,1 m sur chaque côté ; la plateforme supérieure restante mesure donc 233,8 m sur 133,8 m et l'angle global est de 25,7°. La verse reçoit 2,86 millions de m³ : 1,11 million dans la levée du bas, puis 0,82, 0,57 et 0,36 million dans les trois suivantes. La levée du bas porte à elle seule 39 % de la capacité.

Portez les risbermes à 20 m pour obtenir un talus final plus doux : le même contour ne reçoit plus que 2,37 millions de m³, soit 17 % de moins, avec une plateforme supérieure de 173,8 m sur 73,8 m. Un talus plus doux se paie en capacité ou en emprise ; il n'y a pas de troisième voie.

Ces 2,86 millions de m³ sont de l'espace, pas de la roche en place. Les stériles foisonnent à l'abattage et au chargement, et ne retrouvent pas leur volume en place dans la verse. Si le matériau mis en dépôt est 25 % plus lâche qu'en place, 2,86 millions de m³ de verse reçoivent 2,29 millions de m³ de stériles en place. Le foisonnement est une propriété de votre roche et de son mode de mise en dépôt ; mesurez-le au lieu de le supposer.

Sur terrain plat, une verse est un empilement de troncs de pyramide et le calcul est une formule fermée. Aucune verse réelle ne repose sur un terrain plat. Sa capacité est le volume compris entre deux surfaces : au-dessus, la surface de projet de la verse ; en dessous, le terrain levé.

L'écart est important. Le même contour et la même cote sommitale reçoivent beaucoup plus dans un vallon que sur une croupe, parce que le terrain plonge sous le corps. C'est pourquoi la capacité se calcule par rapport à un MNT et se donne levée par levée, dans un tableau de tranche d'altitude, de volume et de volume cumulé. Lu en regard du plan minier, ce tableau répond directement à la question de planification : à quelle cote la verse est-elle pleine pour les stériles programmés à ce jour, et quand cesse-t-elle de suffire ?

Chaque levée supplémentaire ajoute aussi du roulage. La capacité en haut de la verse coûte plus cher à la tonne que celle du bas ; la courbe cumulée est donc autant une courbe de coût qu'une courbe de volume.

Beaucoup de ruptures de verses démarrent dans le terrain situé dessous, et non dans la roche déversée. Trois aspects de l'assise doivent entrer dans le projet dès la première esquisse.

La pente. Un corps posé sur un terrain raide a tendance à glisser le long du contact. Plus l'assise est raide, plus la hauteur que l'on peut édifier en sécurité est faible, et il vaut mieux laisser hors de l'emprise le terrain qui dépasse une limite propre au site que le compter comme capacité.

Les matériaux. La terre végétale, les couches organiques et les sols mous ou humides font une base faible. La terre végétale est de toute façon décapée avant le dépôt, car c'est le matériau dont la verse fermée aura besoin en surface.

L'eau. Une verse qui ensevelit un talweg sans drain rocheux dimensionné ni canal de dérivation retient l'eau à son amont et sature son propre pied. Les eaux de surface sont conduites autour de l'emprise, et le sommet de la verse est réglé pour que la pluie ne franchisse pas la crête.

Les guides publiés traitent ces points ensemble. Les Guidelines for Mine Waste Dump and Stockpile Design comportent un système de cotation de la stabilité et de classification du danger qui pondère des facteurs tels que les conditions de fondation, la qualité des matériaux, la géométrie et le mode de construction, et qui lie le niveau d'investigation et d'analyse à la classe de danger obtenue.

La plateforme supérieure est un lieu de travail. Elle doit être assez large pour que le plus gros camion tourne et recule, et pour qu'un bouteur travaille le bord ; une verse dont les talus se referment en une crête étroite a sur le papier une capacité qu'aucun camion n'atteint.

C'est au bord que surviennent les accidents. Le matériau proche du bord est lâche et peut ne pas porter un camion chargé. La réglementation des États-Unis impose des merlons, des butoirs, des crochets de sécurité ou des dispositifs similaires aux points de déversement où existe un risque de dépassement ou de renversement (30 CFR 56.9301). Le manuel d'inspection de la MSHA y ajoute les pratiques de travail : donner une pente au sommet de la zone de déversement pour que les camions reculent en montée, déverser en retrait et pousser le chargement lorsque le bord est fissuré, tassé ou sous-cavé, et fermer l'accès au sommet dès que l'on reprend du matériau au pied.

Une plateforme qui monte vers la crête rend un second service : la pluie s'écoule vers l'arrière, sur la plateforme, jusqu'à un exutoire maîtrisé, au lieu de ruisseler sur la face et d'y creuser des ravines.

Une fissure ou une bande tassée près de la crête est un signal d'alerte, pas un défaut d'aspect. La recouvrir ne la rend pas stable.

Un projet de verse est prêt à être construit lorsqu'une courte liste de questions a des chiffres en face.

L'angle global est-il dans la limite fixée pour la verse et pour le modelé final après fermeture ? Chaque risberme a-t-elle au moins la largeur qu'exigent les engins qui y travailleront ? La plateforme supérieure est-elle assez large pour qu'un camion tourne à la cote finale ?

Quelle part de l'emprise repose sur un terrain plus raide que la limite d'assise, et cette surface a-t-elle été retirée de la capacité ? Quel volume de terre végétale faut-il décaper, et où sera-t-il stocké ?

La capacité, convertie en volume en place avec un foisonnement mesuré, couvre-t-elle avec une marge les stériles du plan minier ? Le pied respecte-t-il les distances exigées par rapport à la crête de la fosse, à la limite du permis, aux cours d'eau et aux infrastructures ?

Rien de tout cela n'est une étude de stabilité. Les coefficients de sécurité de la verse et de son assise viennent d'une étude géotechnique menée avec les résistances et les conditions hydrauliques du site. Les contrôles géométriques vous disent si le projet que vous allez analyser est bien celui que vous vouliez dessiner.

Le module de terrassement de STREAM dispose d'un mode verse. Tracez le contour du pied sur le terrain levé et choisissez le sens Vers le haut + intérieur : le corps s'élève depuis le terrain existant vers l'intérieur, et les onglets du panneau passent au vocabulaire de la verse, avec Gabarit de verse, Site, Capacité et Contrôles.

Le gabarit prend la hauteur de levée, la largeur de risberme et l'angle de la face ; vous choisissez laquelle des trois valeurs est déduite des deux autres. Dans l'onglet Site, vous fixez la Cote sommitale à laquelle le corps est arasé et une Limite de pente de base : la part du site plus raide que cette limite est indiquée, car le corps n'y tiendra pas.

La capacité est lue par rapport au terrain : le volume foisonné du corps, le déblai en place qui le remplirait avec le compactage que vous saisissez, le tonnage, le remblai le plus haut, la surface du corps et le périmètre du pied. Une liste des levées, de haut en bas, donne la tranche d'altitude, le volume et le volume cumulé de chacune.

L'onglet Contrôles signale l'angle global face à votre limite, une risberme plus étroite que votre minimum, une plateforme supérieure trop étroite pour qu'un camion tourne et la part du site qui dépasse la limite de pente de base, chacun avec sa valeur et sa limite ; il indique aussi la terre végétale à décaper sous le corps. Le projet peut ensuite être écrit dans le terrain de travail, avec les plans en DXF, les tableaux de quantités en Excel et le rapport en PDF.

Il contrôle la géométrie, pas la stabilité : aucun coefficient de sécurité n'est calculé, et les limites que vous saisissez viennent de votre propre étude géotechnique. Tout s'exécute sur votre machine ; aucun levé n'est téléversé.