Soutenance de thèse de Katherine SANCHEZ CABALLERO
Modélisation géostatistique de variables géotechniques prenant en compte la dépendance directionnelle
Résumé de la thèse en français
Avec la modélisation géologique et géométallurgique, la modélisation géotechnique est l'une des composantes essentielles de la planification et du développement de projets miniers à ciel ouvert et souterrains. Une caractéristique particulière de nombreuses variables géotechniques est d'être dépendante de la direction, c'est-à-dire que la mesure d'une carotte de sondage dépend non seulement de sa position géographique mais aussi de son orientation. La pratique courante de la modélisation géotechnique néglige cette caractéristique et extrapole ou fait la moyenne des informations au support d'échantillon (provenant de sondages ou de lignes de balayage) à des supports de blocs tridimensionnels ou à l'ensemble de la masse rocheuse en supposant que cette masse rocheuse est un milieu continu et isotrope. Pour tenir compte de la dépendance directionnelle, il est proposé de régionaliser les variables géotechniques dans un espace à cinq dimensions correspondant au produit sur l'espace géographique à trois dimensions et la sphère à deux dimensions, de sorte que chaque mesure soit indexée par ses coordonnées est, nord, élévation, azimut et pendage. Au lieu de faire des prédictions et des simulations conditionnées à une direction particulière, ce nouveau paradigme permet d'interpoler des variables géotechniques à n'importe quel endroit de l'espace géographique, et pour n'importe quelle direction. La structure de corrélation spatiale peut être inférée et modélisée en utilisant des covariances séparables ou des combinaisons de covariances séparables, sous une hypothèse de stationnarité dans l'espace géographique et d'isotropie sur la sphère. De plus, une simulation conditionnelle peut être effectuée par des méthodes spectrales ou de bandes tournantes, basées sur des produits de champs aléatoires stationnaires dans l'espace géographique et de champs aléatoires isotropes sur la sphère. La méthodologie proposée est illustrée par la modélisation de la fréquence de discontinuité linéaire (P10), de la désignation de la qualité de la roche (RQD) et de la cote de masse de la pente (SMR) dans trois gisements de cuivre. La comparaison des résultats de simulation en l'absence (modélisation 3D traditionnelle) ou en présence (modélisation 5D) d'une composante directionnelle permet de visualiser la variabilité spatiale à prévoir sur le terrain pour une direction donnée. Connaître le comportement des caractéristiques géotechniques dans des directions spécifiques est bénéfique pour évaluer l'impact des orientations de discontinuité pour les tunnels, les pentes ou les conceptions de fondations. Ce dernier est en outre utile pour définir quantitativement les conditions favorables à l'avancement de l'excavation d'un point de vue non qualitatif et compléter l'analyse avec un indice d'anisotropie du degré de jointure pour les masses rocheuses, qui mesure combien la variable cible est susceptible de varier entre une direction et une autre au même endroit géographique. La cote modélisée finale (RQD ou SMR) à chaque emplacement ou bloc cible peut être prise comme celle correspondant à la direction de fracturation maximale (RQD simulée minimale sur toutes les directions). Ce dernier devient critique, sachant que le comportement du massif rocheux est influencé par les structures géologiques régionales ou locales plutôt que par la résistance de la roche intacte, comme le montre la coïncidence de l'orientation des valeurs minimales de RQD avec les failles structurales régionales dans les deuxième et troisième cas d'étude. Les résultats de la thèse mettent en évidence l'intérêt de considérer l'espace directionnel lors de la modélisation des variables géotechniques et soutiennent l'impact bénéfique de cette approche dans le zonage géotechnique, la connaissance du comportement spatial des massifs rocheux et la gestion des incertitudes dans les projets miniers à ciel ouvert ou souterrains. En complément des outils standards utilisés pour la représentation tridimensionnelle des variables régionalisées, la thèse propose également de nouveaux outils de visualisation qui peuvent intéresser les géologues structuralistes et les géotechniciens, tels que les projections azimutales régionalisées qui cartographient les variations directionnelles des propriétés du massif rocheux à des endroits donnés de l'espace géographique.
Résumé de la thèse en anglais
Together with geological and geometallurgical modeling, geotechnical modeling is one of the essential components for the planning and development of open pit and underground mining projects. A particular characteristic of many geotechnical variables is to be direction-dependent, i.e., the measurement of a core sample depends not only on its geographical position but also on its orientation. The common practice in geotechnical modeling overlooks this characteristic and extrapolates or averages sample-support information (from boreholes or scanlines) to three-dimensional block supports or to the entire rock mass by assuming that this rock mass is a continuum and isotropic medium. To account for direction-dependence, it is proposed to regionalize geotechnical variables in a five-dimensional space corresponding to the product on the three-dimensional geographical space and the two-dimensional sphere, so that each measurement is indexed by its easting, northing, elevation, azimuth, and dip. Instead of making predictions and simulations conditioned to a particular direction, this new paradigm allows geotechnical variables to be interpolated at any place in the geographical space, for any direction. The spatial correlation structure can be inferred and modeled by using separable covariances or combinations of separable covariances, under an assumption of stationarity in the geographical space and isotropy on the sphere. Also, conditional simulation can be performed by turning bands or spectral methods, based on products of basic stationary random fields in the geographical space and isotropic random fields on the sphere. The proposed methodology is illustrated with the modeling of the linear discontinuity frequency (P10), the rock quality designation (RQD), and Slope Mass Rating (SMR) in three copper deposits. Comparing the simulation results in the absence (traditional 3D modeling) or presence (5D modeling) of a directional component allows visualizing the spatial variability to be expected in the field for any given direction. Knowing the behavior of geotechnics characteristics in specific directions is beneficial to evaluate the impact of the discontinuity orientations for tunnels, slopes, or foundation designs. The latter is further helpful in quantitatively defining favorable conditions for advancing the excavation from a non-qualitatively point of view and complementing the analysis with an anisotropy index of jointing degree for rock masses, which measures how much the target variable is likely to vary between one direction and another at a same geographic location. The final modeled rating (RQD or SMR) at every target location or block can be taken as the one corresponding to the direction of maximum fracturing (minimum simulated RQD over all the directions). The latter becomes critical, bearing in mind that the rock mass behavior is influenced by regional or local geological structures rather than by the strength of intact rock, as shown by the coincidence of the orientation of minimum RQD values with regional structural faults in the second and third study case. The results of the thesis highlight the advantages of considering the directional space when modeling geotechnical variables and hold up the beneficial impact of this approach in the geotechnical zoning, knowledge of spatial behavior of rock masses, and management of uncertainties in open pit and underground mining projects. In complement to the standard tools used for the three-dimensional representation of regionalized variables, it also proposes new visualization tools that can be of interest to structural geologists and geotechnicians, such as regionalized azimuthal projections that map the directional variations of the rock mass properties at given locations in the geographical space.
Date de soutenance : vendredi 7 octobre 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : 35 Rue Saint Honoré Fontainebleau (77300) – I.108
Directeur de thèse : Jacques RIVOIRARD
Codirecteur : Xavier Emery
En savoir plus
