Lorsqu’un corps de minerai se trouve à une distance considérable sous la surface, la quantité de déchets qui doit être éliminée pour découvrir le minerai par l’extraction à ciel ouvert devient prohibitive, et les techniques souterraines doivent être envisagées. Compte tenu de l’exploitation minière souterraine, les coûts qui, pour chaque tonne de matériau extrait, sont beaucoup plus élevés sous terre qu’en surface. Il y a un certain nombre de raisons à cela, dont la moindre est que la taille de l’équipement minier souterrain — en raison des conditions du sol, de la géométrie du corps minéralisé et d’autres facteurs — est beaucoup plus petite que dans la fosse à ciel ouvert. En outre, l’accès est beaucoup plus limité. Tout cela signifie que la productivité, mesurée en tonnes produites par travailleur et par quart de travail, peut être 5 à 50 fois plus faible, selon la technique d’extraction, qu’en surface. Par rapport à cela, il y a le fait que seul le minerai souterrain est extrait, alors que dans la fosse à ciel ouvert, il y a souvent plusieurs tonnes de déchets dépouillés pour chaque tonne de minerai.

Une fois qu’une décision a été prise d’aller sous terre, la méthode d’extraction spécifique choisie dépend de la taille, de la forme et de l’orientation du corps minéralisé, de la teneur en minéralisation, de la résistance des matériaux rocheux et des profondeurs impliquées. Par exemple, si le minerai est de très haute qualité ou a un prix élevé, une méthode de coût plus élevé peut être utilisée. Afin de minimiser le mélange du minerai et des déchets, des méthodes d’extraction hautement sélectives sont disponibles, mais si le minerai et les déchets peuvent être séparés facilement plus tard (par exemple, en utilisant des aimants dans le cas de la magnétite), une méthode d’extraction en vrac moins sélective peut être choisie.

L’orientation, en particulier le pendage, du corps de minerai est particulièrement importante dans le choix de la méthode. Si le pendage est supérieur à environ 50 °, des systèmes utilisant la gravité pour déplacer le minerai peuvent être envisagés. Si le plongeon est inférieur à environ 25 °, des systèmes utilisant des équipements fatigués par le caoutchouc pour le transport du minerai peuvent être envisagés. Pour les corps minéralisés ayant des creux entre ceux-ci, des conceptions spéciales sont nécessaires.

Les ouvertures réalisées lors de l’extraction du minerai sont appelées chantiers ou chambres. Il y a deux étapes impliquées dans l’arrêt. Le premier est le développement — c’est—à-dire la préparation des blocs de minerai pour l’exploitation minière – et le second est la production, ou l’arrêt, elle-même. L’exploitation du minerai coûte généralement beaucoup plus cher par tonne que l’arrêt, de sorte que tous les efforts sont déployés pour maximiser la quantité d’arrêt pour une quantité donnée de développement. Pour des corps minéralisés plongeant fortement, comme celui illustré sur la figure, cela signifie avoir une distance aussi grande que possible entre les niveaux de production. Les ouvertures plus grandes qui en résulteraient offriraient la possibilité d’utiliser des équipements plus grands et plus productifs, et moins de machines et de lieux de travail seraient nécessaires pour atteindre un niveau de production donné.

En stoping, la géométrie — c’est-à-dire la taille et la forme – du corps de minerai impose une contrainte sur la taille des ouvertures qui peuvent être construites, et la résistance du minerai et des roches de paroi en impose une autre. La plupart des matériaux rocheux sont intrinsèquement beaucoup plus résistants que le béton utilisé dans la construction d’autoroutes, de ponts et de bâtiments, mais ils contiennent également des défauts structurels de divers types, et ce sont ces défauts qui déterminent la résistance de la structure rocheuse. Si les défauts sont très rapprochés, remplis de matériaux broyés et orientés de manière défavorable, les ouvertures souterraines doivent être petites.

Au fur et à mesure que l’on s’enfonce dans la Terre, l’épaisseur et, par conséquent, le poids de la roche sus-jacente augmentent. La pression des côtés augmente également avec la profondeur; la quantité de cette pression dépend du type de roche et de la situation géologique, mais elle peut aller d’environ un tiers de la pression verticale à jusqu’à trois fois la verticale. Dans les mines les plus profondes du monde, situées à plus de 4 km (2,5 miles) sous la surface, la pression devient si intense que la roche explose littéralement. Ces éclats de roche sont des limites majeures à l’exploitation minière en profondeur. Un domaine spécialisé de l’ingénierie connu sous le nom de mécanique des roches traite de l’interaction entre la masse rocheuse et les ouvertures de mines.

Développement minier

Avant la production de minerai, un certain investissement en capital dans les travaux de développement minier est nécessaire. Dans les mines à ciel ouvert, cela consiste à construire des routes d’accès et à dépouiller les déchets sus-jacents afin d’exposer le minerai et d’établir les géométries initiales du banc. Pour une mine souterraine, la phase de développement est beaucoup plus compliquée. Certaines des composantes du développement d’une mine souterraine sont illustrées dans la figure.

Ouvertures verticales: puits et levages

Le principal moyen d’accès à un corps de minerai souterrain est une ouverture verticale appelée puits. Le puits est creusé, ou coulé, de la surface vers le bas jusqu’à une profondeur légèrement inférieure à l’horizon minier prévu le plus profond. À intervalles réguliers le long du puits, des ouvertures horizontales appelées dérives sont entraînées vers le corps de minerai. Chacun de ces horizons de travail majeurs est appelé un niveau. Le puits est équipé d’ascenseurs (appelés cages) par lesquels les travailleurs, les machines et le matériel pénètrent dans la mine. Le minerai est transporté à la surface dans des moyens de transport spéciaux appelés bennes.

Les arbres ont généralement des compartiments dans lesquels sont contenues les conduites de média (par exemple, de l’air comprimé, de l’énergie électrique ou de l’eau). Ils constituent également un élément du système global de ventilation de la mine. L’air frais peut entrer dans la mine par le puits de production et en sortir par un autre puits, ou vice versa.

Une autre façon d’accéder au sous—sol est de passer par une rampe, c’est-à-dire un tunnel conduit vers le bas depuis la surface. Les rampes internes allant d’un niveau à l’autre sont également assez courantes. Si la topographie est montagneuse, il peut être possible d’atteindre le corps de minerai en creusant des ouvertures horizontales ou quasi horizontales du côté de la montagne; dans l’exploitation des métaux, ces ouvertures sont appelées adits.

Le minerai extrait sur les différents niveaux est déversé dans des ouvertures verticales ou quasi verticales appelées passages de minerai, par lesquelles il tombe par gravité au niveau le plus bas de la mine. Là, il est broyé, stocké dans un bac à minerai et chargé dans des bennes à une station de remplissage de bennes. Dans le cadre de la tête sur la surface, les bennes déchargent leurs charges, puis reviennent pour répéter le cycle. Certaines techniques alternatives courantes pour le transport du minerai sont les bandes transporteuses et le transport par camion. Des ouvertures verticales ou quasi verticales sont également parfois pratiquées pour le transport des stériles, bien que la plupart des mines essaient de laisser les stériles sous terre.

Les connexions verticales ou subvertiques entre les niveaux sont généralement entraînées à partir d’un niveau inférieur vers le haut par un processus appelé élévation. Les élévations de diamètres de 2 à 5 mètres (7 à 16 pieds) et de longueurs allant jusqu’à plusieurs centaines de mètres sont souvent forées par de puissantes aléseuses. Les ouvertures ainsi créées peuvent être utilisées comme passes de minerai, passes de déchets ou ouvertures de ventilation. Une ouverture verticale souterraine entraînée d’un niveau supérieur vers le bas s’appelle une winze; il s’agit d’un arbre interne.