Determination of the effect of mineralogy and texture on the geomechanical parameters of metamorphic rocks

In the last few decades, improvements in mining methods, major increases in global demand for metals, and favorable metal prices has led the industry in mining ore deposits at increasingly greater depths below the surface, i.e. up to a few thousand meters in some cases. The probability of rock mass failure, and more particularly violent and potentially dangerous events such as rockbursts, increases when an underground excavation is carried out in deeper excavation. This increased risk of rock instability is due to several factors, including inherent qualities of rock and external conditions, such as the magnitude of in-situ stresses, dynamic disturbances, excavation sequence, and geological structures. The texture of the rocks plays a very important role in their strength parameter, which is one of the most critical factors in the stability of the underground structures. Primary rock types are generally relatively homogeneous, whereas rocks that were metamorphosed and deformed tend to have heterogeneous characteristics that influence their behavior under major stress. The mineralogy of metamorphic rocks changes according to the degree of metamorphism. Therefore, it is crucial to understand the interactions between petrophysical properties and mechanical properties of metamorphic rocks. This work presents an approach to investigating the different effects of metamorphic rock minerals on the state of the geomechanical parameters of rock by employing different statistical methods. The Westwood gold mine, situated in northwestern Québec, was selected as a case study as mining operations extend from near surface down to about 2,400 m below surface, with potential for mining at greater depth. Rockbursts have been recorded at Westwood at different depths in rocks that show contrasting mineralogical and textural characteristics. In this study, firstly, an entirely new method for determining the mineralogy composition of a large number of samples was developed. For this purpose, thin section study was used to establish the mineralogy of a group of selected samples representative of the principal lithologies present at the mine; other groups of samples were statistically grouped based on similar mineralogical characteristics and assigned to specific lithologies. This method made it possible to classify all the samples according to their mineralogy. Following that, principal component analysis (PCA) was used to determine the metamorphic minerals having the greatest influence on rock mechanics. The samples used in the study, were classified into mafic and felsic groups. Geomechanical tests were conducted in the laboratory. Then, more than 1,300 axial and diametrical point load tests (PLT) were done on the samples. Analyses of the impact of metamorphic minerals on point load index (PLI) were carried out through principal component regression (PCR) calculations. In the study of the effect of mineralogy on mafic and felsic rocks, it was found that quartz has the highest effect in axial and diametrical PLI in mafic rocks. The results show that quartz, epidote, amphibole, and feldspar are the minerals that can increase the axial PLI in felsic rocks, whereas sericite and white mica have a negative effect on felsic rocks axial PLI. Epidote, amphibole and feldspar have the positive effect on axial and diametrical PLI of mafic rock. On the other hand, chlorite and white mica have a negative effect on the axial and diametrical PLI in mafic rocks. In addition, minerals that have a positive effect on the axial test have a less positive effect on the diametrical test. The minerals that have a negative effect on the axial test have a more negative effect on the diametrical tests because of the effect of schistosity (strong planar anisotropy due to a preferential alignment of metamorphic minerals) on diametrical PLT. The effect of metamorphic minerals in volcanic rocks on the uniaxial compressive strength (UCS) and tensile strength where high-quality core samples were not available was also evaluated. A new approach in determining the relationship between rock properties and mineralogy has been developed. Geomechanical tests were conducted in the laboratory. After experimental tests on a restricted set of samples, the inverse of cumulative distribution function method (CDF-1) was used to generate sufficient UCS and tensile strength data to perform statistical analysis. This method generates virtual test results based on the probability distribution function and its inverse of the cumulative distribution function. In order to find the relationship between geomechanical parameters and mineralogy of metamorphic rocks, linear regression is examined by using two multivariable statistical methods, principal component analysis (PCA) and principal component regression (PCR) of the UCS and tensile strength generated data. The CDF-1 appears to be an effective method to increase the number of the geomechanical data in the absence of enough test data. The comparison of the results of multiple variables shows that quartz, amphibole, feldspar, and epidote have positive effects on both tensile strength and UCS, while chlorite, sericite, and white mica have negative effects on both tests. So, the interaction between minerals and geomechanical parameters of rock where enough samples didn't exist, was determined. \n \nAu cours des dernières décennies, l'amélioration des méthodes d'extraction, l'augmentation importante de la demande mondiale en métaux et le cours favorable du marché des métaux ont conduit l'industrie minière à exploiter des gisements de minerai à des profondeurs de plus en plus importantes, jusqu'à quelques milliers de mètres sous la surface dans certains cas. La probabilité de rupture des massifs rocheux, et plus particulièrement l’apparition d'événements violents et potentiellement dangereux tels que des coups de terrain, augmente lorsqu'une excavation souterraine est plus profonde. Ce risque accru d'instabilité de la roche est dû à plusieurs facteurs, incluant les caractéristiques inhérentes de la roche ainsi que les conditions externes à savoir, l'ampleur des contraintes in situ, les perturbations dynamiques, les séquences d'excavation et les structures géologiques. La texture joue un rôle très important dans les paramètres de résistance des roches, qui sont parmi les facteurs les plus critiques dans la stabilité des structures souterraines. À l’exception de certaines roches sédimentaires et volcano-sédimentaires, les roches primaires sont en général relativement homogènes, alors que les roches métamorphisées et déformées ont tendance à avoir des caractéristiques hétérogènes qui influencent leur comportement sous des contraintes élevées. La minéralogie des roches métamorphiques change en fonction du degré de métamorphisme alors que la texture varie en fonction de l’intensité de la déformation. Par conséquent, il est crucial de comprendre les interactions entre les propriétés pétrophysiques et les propriétés mécaniques des roches métamorphiques. Cette étude présente des méthodes pour l'analyse de l'impact de la composition, de la texture et de la minéralogie sur les paramètres géomécaniques des roches métamorphiques. Des outils statistiques sont développés pour palier le faible nombre d'échantillons ayant été soumis à la fois à des tests géomécaniques et à une étude pétrographique sur lames minces. La mine d'or Westwood, située dans le nord-ouest du Québec, a été choisie comme étude de cas, car ses opérations s'étendent de près de la surface jusqu'à environ 2 000 m de profondeur, avec un potentiel d'exploitation à plus grande profondeur. Les coups de terrain avec projection de roches (« rockburst ») ont été enregistrés à Westwood à différentes profondeurs dans des roches présentant des caractéristiques minéralogiques et texturales contrastées. Dans cette étude, une méthode entièrement nouvelle a tout d’abord été développée pour déterminer la composition minéralogique d'un grand nombre d'échantillons. A cet effet, une étude de lames minces a permis d'établir la minéralogie d'un groupe d'échantillons représentatifs des principales lithologies présentes à la mine. D'autres groupes d'échantillons ont été statistiquement regroupés en fonction de caractéristiques minéralogiques similaires et assignés à des lithologies spécifiques. Cette méthode a permis de classer tous les échantillons selon leur minéralogie. Ensuite, une analyse en composantes principales (ACP) a été utilisée pour déterminer les minéraux métamorphiques ayant la plus grande influence sur la mécanique des roches. Les échantillons utilisés dans l'étude ont été classées en deux groupes, l’un mafique et l’autre felsique. Des essais géomécaniques ont été réalisés en laboratoire. Plus de 1 300 essais de charges ponctuelle (PLT), l’une axiale et l’autre diamétrale, ont été effectués sur les échantillons. Des analyses de l'impact des minéraux métamorphiques sur l'indice de charge ponctuelle (PLI) ont été effectuées par des calculs de régression en composantes principales (PCR). Dans l'étude de l'effet de la minéralogie sur les roches mafiques et felsiques, il est ressorti que le quartz a l'effet le plus élevé sur le PLI axial et diamétral des roches mafiques. Les résultats montrent également que le quartz, l'épidote, l'amphibole et le feldspath sont les minéraux qui peuvent augmenter le PLI axial dans les roches felsiques. Le contraire est observé pour les minéraux tels que la séricite (mica blanc très fin) et le mica blanc (paillettes de muscovite), qui ont plutôt un effet négatif. L'épidote, l'amphibole et le feldspath ont un effet positif sur le PLI axial et diamétral de la roche mafique. Par contre, la chlorite et le mica blanc ont un effet négatif sur le PLI axial et diamétral dans les roches mafiques. De plus, les minéraux qui ont un effet positif sur les essais axiaux ont un effet moins positif sur les essais diamétraux. Les minéraux qui ont un effet négatif sur les

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