SLOPE STABILITY AND SAFETY DISTANCE FOR MINE WASTE ROCK PILES BUILT BY END/PUSH DUMPING

ABSTRACT: Large volumes of waste rock (WR) are commonly extracted from open-pit mines and stored in high waste rock piles (WRP), which are generally constructed by end and push dumping with a side slope of around 37deg. The safety distance to operate machinery near the edge of a WRP slope can, in principle, be estimated from stability analyses performed with the limit equilibrium method (LEM). However, the corresponding critical slip surface in a large WRP tends to develop in a zone (rather than at a specific location) where the factor of safety (FS) is more or less the same, leading to significant uncertainty. Alternatively, more comprehensive analyses can be conducted by considering the global stress and deformation fields in the WRP and the effects of the construction sequence (i.e., stress history) on its mechanical response. The main objective of this study is to analyze the geotechnical behavior of high WRPs built by end/push-dumping methods in an open-pit mine and to evaluate how the safety distance to the edge of the pile can be established. WR material properties from a hard rock mine were characterized through triaxial tests on 300 mm diameter specimens of relatively coarse material (dmax=50 mm). The experimental results show that the behavior of the loose waste rock is contractive and cohesionless, with a shear strength controlled by a state-dependent internal friction angle that can reach up to 45deg. The parameters of the Hardening Soil (HS) constitutive model have been calibrated using the experimental results, and finite element simulations were performed with this model for different in pit disposal scenarios. The results indicate that the position of the machinery on the pile surface has a limited effect on the calculated value of FS, but it may significantly affect the location of the sliding surface. Keywords: mine waste rock piles, large scale laboratory testing, numerical modeling, slope stability analysis.

RÉSUMÉ: De grands volumes de roches stériles sont extraits des mines à ciel ouvert et stockés dans des haldes à stériles de grande dimension, qui sont généralement construites par déversement à la benne ou par poussée au butoir, ce qui produit une pente latéral’ d'environ 37°. La distance de sécurité pour opérer la machinerie près du bord de la pente de la halde peut, en principe, être estimée à partir d'analyses de stabilité effectuées avec la méthode d'équilibre limite. Cependant, la surface de glissement critique pour les haldes de grande dimension tend à se développer, dans une zone (plutôt qu’à un emplacement spécifique) où le facteur de sécurité (FS) varie peu, ce qui induit une grande incertitude. Alternativement, des analyses plus élaborées peuvent être menées en considérant le champ des contraintes et des déformations dans la halde et les effets de la séquence de construction (i.e. historique des contraintes) sur sa réponse mécanique. L'objectif principal de cette étude est d'analyser le comportement géotechnique des haldes à stériles construites dans une fosse par déversement et poussée et d'évaluer comment la distance de sécurité au bord de la halde peut être établie. Les propriétés des stériles d’une mine de roche dure ont été caractérisées par des essais triaxiaux sur des éprouvettes de 300 mm de diamètre de matériau relativement grossier (𝑑𝑚𝑎𝑥= 50 mm). Les résultats expérimentaux montrent que le comportement de la roche stérile lâche est contractant et pulvérulent, avec une résistance au cisaillement contrôlée par un angle de frottement interne variant avec l’état de chargement, pouvant atteindre jusqu'à 45°. Les paramètres du modèle constitutif Hardening Soil (HS) ont été calibrés à l'aide des résultats expérimentaux, et des simulations par éléments finis ont été menées avec ce modèle pour différents scénarios de remblayage d’une fosse minière. Les résultats montrent que la position de la machinerie sur la surface de la halde a un effet limité sur la valeur calculée de FS, mais qu'elle peut affecter de manière significative l'emplacement de la surface de glissement. Mots clés: haldes à stériles, essais de laboratoire, modélisation numérique, stabilité des pentes.