L’exploitation de carrières remonte à l’aube de la civilisation et s’est accompagnée du développement de nombreuses techniques de travail.
Une carrière est généralement définie comme une excavation de surface destinée à la production de pierres. Elle diffère en cela des mines à ciel ouvert, puisque la roche elle-même est la matière première recherchée et non un minéral spécifique dans la masse rocheuse.
L’exploitation de carrières vise principalement à produire des matériaux de construction et de bâtiment comme des blocs de pierre ou de la roche concassée pour les granulats ou pour les matières premières de procédés comme la fabrication de ciment. En règle générale, on recourt à l’exploitation de carrières lorsqu’aucun autre moyen ne permet d’obtenir économiquement des matières premières d’une qualité et d’une taille suffisantes. Ainsi, le sable et le gravier naturels ne sont pas toujours facilement disponibles et, de ce fait, une grande partie de la production annuelle mondiale de granulats est issue de l’extraction et du traitement de la roche.
La pierre était déjà extraite pour la construction de bâtiments et de monuments bien avant l’avènement de l’écriture. De nombreux sites à travers le monde permettent certainement d’attester de la production de pierres à la préhistoire, même s’il est difficile de dater précisément à quel moment l’extraction de pierres a commencé à remplacer l’utilisation de blocs rocheux naturels.
En revanche, les traces laissées dans l’histoire écrite nous permettent de mieux comprendre certaines techniques utilisées dans les opérations d’exploitation de carrières. Ainsi, au cours de la période dynastique égyptienne, la roche calcaire extraite à l’aide d’outils à main en cuivre a constitué le principal matériau de construction des premières pyramides, tandis que les dernières sont avant tout construites en briques crues, tout en gardant un parement en pierre de carrière. Le granit était également un matériau de construction de premier plan, en particulier pour les travaux décoratifs, et était directement extrait du substrat rocheux dans des carrières situées à proximité de certains des plus grands monuments du pays. Les carriers de l’ancienne Égypte réalisaient des tranchées tout autour des blocs de granit qu’ils souhaitaient extraire, les isolant ainsi du substrat rocheux, puis détachaient les blocs à l’aide de leviers en bois massifs.
Les Romains ont également exploité des carrières à grande échelle pour leurs projets de construction, que ce soit pour les bâtiments ou les monuments. Ils produisaient davantage de types de pierres, notamment le marbre fin utilisé pour les œuvres d’art comme les sculptures et dans l’architecture publique. Les Romains utilisaient des marteaux de carrière pour isoler les blocs souhaités, puis plaçaient des coins métalliques pour les détacher du substrat rocheux.
En l’absence de technologies modernes comme le forage et l’abattage à l’explosif, le fendage de la roche nécessitait d’autres approches comme le coinçage ou l’abattage par le feu. L’insertion de coins en bois humides dans des fissures naturelles ou dans des trous peu profonds pour fendre la roche par le gonflement du bois remonte aux temps antiques, tout comme la mise en feu. Ainsi, après avoir observé que la roche locale s’altérait naturellement selon des lignes de faiblesse pouvant être exploitées de la sorte, la mise en feu pour fendre les affleurements naturels de granit et en extraire les blocs de construction aurait permis de produire la pierre nécessaire à la construction du Grand Zimbabwe.
Le PowerROC T50 est développé et conçu pour les applications exigeantes comme les carrières de granulats et de calcaire.
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Dans la plupart des carrières de pierre modernes, l’exploitation implique de décaper la couche de sol et de roche altérée pour atteindre la roche dure sous-jacente. Celle-ci est ensuite travaillée en « banquettes », par extraction en couches qui peuvent être poursuivies année après année au rythme du développement de la carrière. La carrière s’approfondit à chaque nouvelle banquette, celles-ci s’étageant depuis la surface initiale.
À quelques exceptions près, les carrières modernes utilisent le forage et l’abattage à l’explosif pour fragmenter la roche qui est ensuite chargée sur des camions hors route ou des convoyeurs à bande pour être transportée vers l’installation de traitement. Le chargement est généralement effectué en utilisant des chargeuses sur pneus ou des pelleteuses qui conjuguent capacité de chargement et manœuvrabilité. Cela leur permet de se déplacer dans les différentes zones de la carrière selon les besoins. Un concassage secondaire est nécessaire lorsque le tir d’abattage a produit des blocs rocheux trop grands pour être manipulés par l’équipement de chargement. Pour cela, les blocs rocheux individuels sont soient forés et fendus à l’explosif, soit concassés à l’aide de marteaux hydrauliques montés sur pelleteuse. La production de pierres de taille échappe au procédé forage-abattage à l’explosif, car, dans ce segment, la demande porte sur des morceaux de pierre de grande dimension pour un traitement ultérieur et non sur des matériaux fragmentés.
La production d’une pierre de taille, traitée dans une autre page, implique de détacher avec soin de grands blocs de pierre brute du front de taille de la carrière à l'aide de coins ou de scies à fil diamanté. C’est aussi le cas lorsque la roche est suffisamment tendre pour être séparée à l’aide d’un bouteur de grande taille ou d’une défonceuse à dent montée sur une pelleteuse hydraulique, le bouteur étant alors utilisé pour pousser les morceaux de roche sur une trémie ou un broyeur mobile qui alimente un système de convoyeur à bande. La conception d’une carrière dépend de plusieurs facteurs, notamment la topographie préexistante, le rendement prévu, l’infrastructure et l’empreinte environnementale. Cependant, de manière générale, les carrières peuvent être regroupées en cinq grands types : à flanc de coteau, sommitale, en fond de vallée, côtière et combinée, comme illustré ci-dessous.
L’abattage en carrière est la méthode d’abattage la plus répandue dans l’exploitation de carrières, les mines à ciel ouvert et l’excavation de construction. Il s'agit de forer des trous de mines inclinés, verticaux ou horizontaux, en une ou plusieurs rangées, à des profondeurs allant de quelques mètres à 30 m ou plus en fonction de la hauteur de banquette souhaitée. Lorsque l’excavation est peu profonde, moins de 6 m (19,7 pieds), un seul niveau peut suffire. En revanche, dans les excavations profondes, une série de banquettes basses, décalées de niveau en niveau, est recommandée pour une plus grande commodité. La hauteur de banquette fait souvent deux à cinq fois l’épaisseur, tandis que le rapport entre l’épaisseur et l’espacement est généralement de l’ordre de 1:1,25 à 1:2.
Le matériau doit présenter une certaine résistance et une certaine dureté et les morceaux broyés doivent avoir une forme définie, assez souvent avec une surface rugueuse. Par conséquent, les roches sédimentaires tendres et les matériaux qui se brisent en morceaux plats et floconneux sont souvent des matières premières impropres pour la production de granulats. En revanche, les roches ignées comme le granit et le basalte, ainsi que les roches hautement métamorphosées comme le gneiss, sont bien adaptées à cet usage.
Le forage étant l’une des opérations essentielles de la carrière, la meilleure planification, la meilleure configuration, les meilleurs calculs et les meilleurs explosifs seront inutiles si la zone concernée par l’abattage n’est pas forée correctement et de manière responsable. Fondamentalement, l’ensemble de l’opération d’abattage à l’explosif échouera si le forage se déroule mal et ne respecte pas le plan établi. Quelle que soit la mine ou la carrière à ciel ouvert considérée, l’abattage à l’explosif se déroule invariablement selon un plan conçu pour prendre en compte les caractéristiques naturelles de la roche, dont la dureté et la résistance, la présence de lignes de faiblesse comme des failles ou des fractures, et la fragmentation nécessaire du produit issu du tir d’abattage. Le plan de forage est conçu en fonction de l’espacement des trous (le long de la banquette) et de l’épaisseur (distance par rapport au front de taille libre) pour un diamètre de trou donné et détermine donc la quantité d’explosif nécessaire pour chaque trou chargé.
En règle générale, un engin de forage moins puissant qui produit des trous de petit diamètre devra forer selon un plan plus dense qu’une machine équipée d’un taillant de plus grand diamètre. Le forage s’effectue normalement à l’aide d’engins de forage équipés de marteaux fond de trou (DTH) et de marteaux hors-du-trou robustes. Les engins Epiroc peuvent être équipés du système HNS (Hole Navigation System) qui permet aux opérateurs de forer des trous parallèles avec précision et dans le respect total du plan de forage.
La séquence de forage et d’abattage à l’explosif est présentée schématiquement dans l’illustration ci-dessus. Si l’opérateur de l’engin de forage a reçu l’instruction de suivre un plan spécifique, il doit le respecter et ne pas le modifier sans autorisation. Il doit également tenir le boutefeu informé de tout changement de la roche pendant le forage ou de toute erreur, afin que celui-ci puisse modifier la charge explosive comme nécessaire. L’opérateur de l’engin de forage doit informer le boutefeu des fractures ou d’autres anomalies dans la roche, des changements dans les strates et les couches de sable ou de boue dans la roche, afin qu’il tienne compte de ces facteurs au chargement de l’explosif dans le trou.
Il doit également informer le boutefeu de tous les trous « courts », à savoir les trous qui ne sont pas percés à la profondeur attendue ou prévue. En d’autres termes, le foreur joue le rôle des yeux du boutefeu sur le terrain et assure à ce titre la réussite ou l’échec d’un tir d’abattage. Ces informations peuvent aussi être extraites du journal qualité disponible sur les engins de forage SmartROC. Les exploitants de carrières conçoivent généralement des tirs de fragmentation pour des raisons de sécurité, d’économie, de facilité d’utilisation au niveau du concasseur primaire et même pour des raisons de relations publiques, mais ils oublient souvent la qualité.
L’agencement du tir d’abattage doit être correctement conçu, documenté et respecté pour une régularité maximale. Une variation du plan d’abattage peut entraîner des changements dans la taille du produit au cours de l’opération. Des morceaux de roche de plus petite taille, moins faciles à concasser aux stades secondaire et tertiaire, ne seront pas aussi bien transformés, ce qui peut affecter la qualité minérale et/ou les propriétés physiques du produit. À l’inverse, il ne faut pas oublier que plus le matériau à concasser est petit, plus la comminution devient coûteuse. À certains égards, il peut donc être avantageux de réduire la charge de concassage en augmentant la fragmentation initiale au front de taille de la carrière. Il y a également la question du transport, car les chargeuses, les camions et les convoyeurs à bande présentent une limite de taille au-delà de laquelle les blocs rocheux nécessiteront un concassage secondaire coûteux.
Engin de forage de surface pour l’exploitation de carrières et la construction
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Vous devez prendre en compte plusieurs facteurs pour garantir l’efficience optimale et l’économie globale de vos opérations d’extraction. La différence entre les revenus des produits et les coûts de production doit être maximisée. À noter que le concassage, le criblage et le stockage représentent près de la moitié des coûts, tandis que le forage représente moins de 15 %. Le principal goulet d’étranglement du cycle global se situe le plus souvent au niveau du concassage. Augmenter le budget du forage et de l’abattage à l’explosif peut donc parfois être le seul moyen de garantir l’écoulement libre dans le concasseur et l’utilisation à pleine capacité de l’installation afin d’améliorer l’aspect économique. Une fragmentation régulière et des banquettes uniformes auront également un effet positif sur les équipements de chargement et de transport.
Dans les années 1980, les producteurs de pierre ont commencé à délaisser les trous de grand diamètre, qui produisaient plus de blocs rocheux et plus de fines, pour des trous de taille moyenne (89-165 mm ; 3,5-6,5 po). En outre, un abattage de plus petit diamètre réduit les microfissures et donc la production de fines.
L’inverse se produit dans l’exploitation minière à ciel ouvert où la génération de fines est favorable, car cela permet d’abaisser le coût du broyage.
