CHAPITRE II. EXHAURE DE KIPUSHI
CHAPITRE II. EXHAURE DE KIPUSHI CORPORATION
L’exhaure de Kipushi est le domaine dans lequel nous allons effectuer
notre étude de simulation et d’automatisation.
Il est donc indispensable de :
Décrire l’endroit où elle est pratiquée, à savoir la mine souterraine de Kipushi ;
Définir l’exhaure et donner sa situation actuelle en fonction des machines et de son degré d’automatisation.
Nous allons présenter la mine de Kipushi en nous basant sur les concepts généraux cadrant avec les mines.
II.1.MINE DE KIPUSHI
II.1.1. PRESENTATION DE LA MINE DE KIPUSHI
II.1.1.1. Historique
Les gisements de Kipushi fût découvert d’abord par les congolais (sujet du chef Kaponda) qui l’exploitèrent sur une faible profondeur (5 à 15 m) à partir du 17e siècle jusqu’au 19e siècle.
Sa découverte par les européens date de 1819 par Mr GREY, chef de mission de la Tanganyika concession LTD.
Vient ensuite l’Union Minière du haut Katanga, qui débuta en 1925, une exploitation à ciel ouvert jusqu’à la profondeur de 40m. En 1926, elle entama une exploitation souterraine par les puits 1 et 2. Depuis l’an 1967, l’UMHK l’a cédée à la Gécamines qui continue son exploitation jusqu’à ce jour.
II.1.2.GENERALITES SUR LA MINE SOUTERRAINE DE KIPUSHI
II.1.2.1.Definition d’une mine souterraine
Une mine souterraine est un ensemble d’ouvrages et infrastructures aménagés dans le sous-sol en vue d’extraire de la roche en place des minéraux utiles qu’elle renferme.
L’accès au gisement et l’abattage du minerai à la mine de Kipushi (de la roche qui renferme un mélange de minéraux dont au moins un peut être traité pour obtenir un produit commercialisable) s’effectuent par forassions et tir à l’explosif. Le minerai est remonté à la surface, où il est traité pour obtenir un concentré riche.
II.1.2.2. Situation géographique de la mine de Kipushi
La mine de Kipushi est située à 30 Km au sud-est de la ville de Lubumbashi, plus ou moins à 500m de la frontière ouest Congo-zambienne.
Ces coordonnées géographiques sont :
Latitude : 11° 45’ Sud ;
Longitude : 27° 14’ Est ;
Altitude moyenne : 1320 à 1330 m.
Figure 24 – Localisation de la mine de Kipushi
II.1.2.3. Les activités de la mine de Kipushi
Dans le temps, la production moyenne annuelle de la mine de Kipushi
était :
633411 tonnes/an pour le minerai zincifère avec terreur de 8,90% ;
223463 tonnes/an pour le minerai de cuivre avec teneur de 3,14% ;
44 tonnes/an pour le minerai de germanium avec teneur de 0,63%.
Actuellement, la mine de Kipushi ne produit pas (cas de noyade)
II.1.2.4.Situation hydrogéologique
Les problèmes d’eau à la mine de Kipushi se sont posés dès le début des
travaux d’exploitation en 1926. Le niveau hydrostatique initial se trouvait alors à 35 m de la surface. Actuellement, on situe probablement le niveau hydrostatique à 1150 m.
Deux principales nappes aquifères aux régimes hydrogéologiques différents
localisées aux alentours de la mine sont les sources des venues d’eaux dans cette mine.
La première nappe aquifère, la plus importante se trouve dans la formation géologique de Kundelungu inférieur et principalement dans la série récurrente.
Par le fait qu’elle se trouve dans le calcaire de Kakontwe et présentant des venues d’eaux importantes, cette nappe aquifère présente un danger permanent dans la conduite des travaux miniers.
La deuxième nappe aquifère se trouve toujours dans le Kundelungu inférieur, au nord de la récurrente.
Ces venues d’eau très peu importantes circulent dans les zones de
fissuration locales.
Nous constatons donc que les roches de Kundelungu inférieur ont une porosité élevée (perméabilité en grand).Ces niveaux dolomitiques de Kundelungu constituent à eux seuls un important réservoir gardé à des réseaux karstiques et de cassures conjuguées.
Dans ces niveaux, les eaux circulent essentiellement par la base, au sommet de la série récurrente et de la dolomie de Kipushi.
II.1.2.5. La structure de la mine de Kipushi
Le siège de Kipushi de la Gécamines est subdivisé en quatre divisions qui sont :
La division de mine : celle-ci s’occupe de l’extraction minière (forage, traçage, minage) broutage, chargement, extraction vers surface ;
La division de concentrateur (KHC) : s’occupe du traitement des minerais (broyage à sec, broyage humide, flottation pour sortir des concentrés à expédier aux usines de Lubumbashi et même dans le temps à Shituru ;
La division électromécanique (DM) : qui fait la « maintenance » des engins ainsi que des équipements électromécaniques afin d’assurer la production au siège ;
La division de contrôle d’exploitation(DCE) : comme le nom l’indique assure la sécurité, la formation ainsi que le contrôle de la production et des équipements d’exploitation.
En plus, de ses quatre divisions ; il y a quelques services qui sont attachés au siège de Kipushi pour des tâches connexes.
Il s’agit, des services suivants : GEO – TOPO (Directement lié à l’Exploitation), la GI (Garde Industrielle), SAG (Section Administratif de paie), GSP (Gestion du personnel), EC (Etude et construction), GMN (Génie minier et Sondage), EBS (Entretien Bâtiment Sud).
Figure.25 – Schémas simplifié de l’exhaure de la mine de Kipushi
Pompe en service
Débit refoulé
Les venues d’eau
II.2. PRESENTATION DE L’EXHAURE
II.2.1.Defintion de l’exhaure
Pour exploiter les sous-sols riches en minerai, les eaux souterraines devaient être évacuées afin de créer un environnement adéquat pour le personnel et les équipements.
L’exhaure ou l’épuisement des eaux d’une mine à ciel ouvert ou souterraine est l’action de refouler vers la surface les eaux d’infiltration et souterraines retenues dans les roches et mise en évidence au cours d’exécution des travaux d’exploitation, ainsi que la totalité des mesures préventives et passives de protection contre les noyades de la mine.
II.2.2.Importance du système d’exhaure dans la mine de Kipushi
Dans une mine, le service d’exhaure s’occupe de la collecte et de l’évacuation des eaux souterraines.
Par-là, nous entendons le drainage, la décantation, la mise en charge et enfin le pompage de ces eaux qui peut être soit direct, c’est-à-dire du fond à la surface ; soit indirectement, dans ce cas on passe par les niveaux intermédiaires avant d’atteindre la surface (Niveau 0).
Tout cela n’est fonction que de la profondeur à laquelle sont placées les pompes et de la puissance des pompes de la salle d’exhaure.
L’exhaure est une opération prioritaire non seulement pour l’extraction des minerais mais également pour la stabilité des ouvrages.
Elle a pour but du point de vue exploitation de rabattre le niveau
hydrostatique à une profondeur suffisante par rapport au niveau d’exploitation car les venues d’eau dans le fond en production ont pour conséquences.
La diminution de la productivité des chantiers ;
L’augmentation des difficultés de chargement des produits boueux ;
L’augmentation des difficultés d’utiliser les explosifs moins chers ;
L’augmentation des coûts d’implantation ;
L’impossibilité de progresser lors de creusement des ouvrages miniers ;
II.2.3.Situation actuelle de l’exhaure de Kipushi
Pour une extraction facile, l’eau de la mine est canalisée vers des puisards appelés aussi tenues ou galeries de mise en charge. Ces dernières sont orientées vers les différentes salles d’exhaure. Chaque salle contient des pompes centrifuges qui servent à renvoyer l’eau contenue dans les tenues vers le niveau supérieur.
L’exhaure de Kipushi est subdivisée en deux catégories à savoir :
L’exhaure principale ;
L’exhaure secondaire.
Exhaure principale
Cette exhaure consiste à implanter les puits dans le terrain à partir desquels le pompage doit créer le rabattement de niveau hydrostatique dans le terrain.
En général, ce type d’exhaure doit précéder l’exploitation. C’est en fait l’ensemble des dispositifs d’écran contre les venues d’eau dans le champ de la mine en réalisant un rabattement, soit un détournement des nappes environnants.
Elle sert à dénoyer un gisement, en baissant le niveau piézométrique.
Exhaure secondaire
L’exhaure secondaire s’occupe des installations et des ouvrages visant la collection des eaux de mine (les travaux miniers de forage, sondage,…) et l’acheminement des eaux vers le bassin de collection où elles sont évacuées par pompage hors de la mine.
II.2.4. Exhaure en souterrain
Origine des eaux qui envahissent le chantier minier :
Les eaux météoriques qui peuvent pénétrer dans la mine à travers les affleurements, les fissures de terrain ;
Les minerais poreux et les roches stériles poreuse qui peuvent contenir les eaux de précipitations.
Il existe deux systèmes à savoir :
Circuit ancienne exhaure ;
Circuit nouvelle exhaure.
a. Circuit ancienne exhaure L’exhaure de l’ancienne (figure.25.), a un circuit d’eau assez long qui commence à partir du niveau 775m venant de la galerie aux eaux de ce même niveau et qui sont drainées vers les sondages.
A partir du niveau 850 m, ces eaux sont drainées vers la galerie d’adduction des eaux du niveau 852m avant d’être envoyées à la salle d’exhaure. De là, les eaux sont refoulées en surface en passant par les salles d’exhaure des niveaux 710 m et 512 m.
Outre le circuit des eaux décrit ci-haut, il y a les eaux qui viennent des salles d’exhaure des niveaux 938, 1166 m ainsi que celles venant du puits v niveau 1200m de reprise de fuite.
Les eaux des vieux chantiers sont drainées vers les sondages des niveaux 1207 et 1233 m dans la galerie de décantation, avant d’être drainées vers les décanteurs de la salle d’exhaure du niveau 1239 m. Elles sont par la suite refoulées vers la galerie 19 du niveau 1138m.
Les eaux qui sont en dessous de 1233 m, sont drainées vers l’inclinée jusqu’au niveau 1302 m .De là ; il y a des sondages qui les envoient au niveau 1327 dans les décanteurs.
En dessous du niveau 1302 m, toutes les eaux sont, aussi canalisées vers l’inclinée principale et dirigées vers les décanteurs de niveau 1327m.
A partir du niveau 1327 m, toutes ces eaux devraient être refoulées au niveau supérieur dans la galerie 19 où elles suivent les circuits des autres eaux.
b. Circuit nouvelle exhaure
Se référant au schéma de la figure.25, le circuit d’exhaure du puits V est plus simplifié que celui de l’ancienne exhaure. Nous ne disposons que d’une salle d’exhaure au niveau 1200 m.
Les eaux au-dessus de 850 et 775 m parcourent le même circuit que précédemment jusqu’au tenue de la salle du niveau 860 m, remplissant ces dernières et se déversent dans le Bou gnou du puits 9 ter. De là, il y a un drain qui le conduit au niveau 867m.
Ces eaux passent dans les sondages de 867 m jusqu’au niveau 1150 m
dans la galerie 19.
De cette galerie cette-fois ci, au lieu que ces eaux suivent l’ancien circuit, elles sont conduites vers la salle d’exhaure de 1200 m à partir de laquelle, elles sont refoulées en surface.
Signalons en outre que cette salle principale est secondée par une petite au niveau 1206 m qui récupère les eaux de fuite et les retournent à l’ancienne exhaure par drainage à partir du niveau 850 m du puits V.
c. Mise en charge d’une pompe
Pour de raison de mise en charge de la pompe, tous les décanteurs et
tenus sont situés à un niveau supérieur par rapport aux salles d’exhaures. Ainsi l’alimentation des pompes est donc en charge, ce qui présente les avantages suivants :
L’amorçage facile ;
Absence de tous phénomènes de cavitation ; Réduction de la hauteur d’aspiration.
II.2.5.Les moteurs d’entrainement et leurs alimentations électriques
A Kipushi, les moteurs synchrones et asynchrones sont utilisés pour entrainer les différentes pompes.
Les moteurs asynchrones sont à faibles, moyennes et grandes puissances. Les moteurs asynchrones à faibles puissances sont à démarrage direct et ceux à moyenne et grande puissance démarrent à l’aide d’un rhéostat de démarrage.
Les moteurs synchrones sont à grande puissance (4250CV). Moteurs asynchrones synchronisés et sont alimentés par une tension de (6600 Volts). Les asynchrones a faibles, moyenne et grande puissance sont alimentés respectivement par des tensions de (380,550et 6600 Volts).
II.2.6.Presentation des salles d’exhaures
L’exhaure de la mine de Kipushi fonctionne avec cinq stations de pompage en série à savoir les exhaures de niveaux :
1166 ;
938,5 ;
860 ;
710 ; 512.
La quantité d’eau refoulée est 2400 m3 par heure environ.
II.2.6.1.Salle d’exhaure 1166 Cette salle comprend :
Trois pompes Sulzer qui refoulent au niveau 860 et dont les caractéristiques sont :
Diamètre de la roue=530m
Hauteur manométrique=315mm
Entrainées par chaque moteur synchrone de :
Ust=6600 V Ist=298A
Urot = 43 V Irot =540
P=4250 CV n=1500tr/min
Deux pompes 36.5 BL qui refoulent au niveau 938,5 et dont les caractéristiques sont :
Hauteur manométrique =240m
Entrainement par un moteur asynchrone triphasé :
Ust=6600V Ist=149A
Urot=1030V Irot=830A
P=1926,6CV n=1500tr/min
II.2.6.2.Salle d’exhaure 938,5
Cette salle comporte quatre pompes 15BL et deux pompes Jabot. Les pompes 27BL refoulent au niveau 860 avec une tuyauterie de 12 pouces ; les pompes 15BL de reprise des fuites sont utilisées lorsque les venues d’eau sont très grandes et refoulent dans la même tuyauterie de 2 pouces vers 860. Et enfin les deux pompes Jabot elles reprennent uniquement les fuites.
Les pompes 27 BL à 10 roues
Hauteur manométrique=186 m
Entrainement par un moteur asynchrone triphasé de :
Ust=550 V Ist=228 A
Urot=342 V Irot=320 A
P=192 CV n=1,470 trs/min
Les pompes 15BL
Hauteur manométrique=35 m
Vitesse de rotation= 1500 t/min
Puissance=13,18 CV
A part les eaux venant de 1166 cette salle reçoit aussi les venues d’eau de 925 m et le débit normal est de 100 m3 /h refoule au niveau 860.
II.2.6.3.Salle d’exhaure 860
On y rencontre deux types de pompes à savoir :
Quatre pompes Peerless dont les hauteurs manométriques sont : 164 m, 179 m et 230 m ainsi ces pompes sont entrainées par des moteurs asynchrones à cage dont voici les caractéristiques :
U=550 V, n=1500trs/min
P=400 CV
Trois pompes 36,5 BL a 6 roues ; entrainement par le moteur asynchrone a rotor bobiné, dont les caractéristiques :
Ust = 6600V Ist = 48,88 A
Urot=630 V Irot=475 A
P= 650 CV n= 1470trs/min
Et les deux pompes restantes sont de :
Hauteur manométrique=230 m
Moteur d’entrainement à rotor bobiné :
USt=6600 V ISt= 48,88 A
Urot=776 V Irot=351 A
P= 600 CV n= 148trs/min
II.2.6.4.Salle d’exhaure 710
Nous avons dans cette salle 7 pompes 36,5 BL a 6 roues branchées en parallèle et refoulant dans deux tuyauteries de 20 pouces à travers le puis III, depuis le niveau 710jusqu aux décanteurs de l’exhaure 512.
5 de ces pompes présentent les caractéristiques suivantes :
Hauteur manométrique 230m,
Entrainement par des moteurs asynchrones triphasés a rotor bobiné.
USt=6600 V ISt= 48.8 A
Urot=630 V Irot=475 A
P= 650 CV n= 1470trs/min
Et les deux pompes restantes sont de :
Hauteur manométrique=230 m
Moteur d’entrainement à rotor bobiné : USt=6600 V ISt= 48,88 A
Urot=776 V Irot=351 A
P= 600 CV n= 148trs/min
II.2.6.5.Salle d’exhaure 512
La salle d’exhaure 512 est la dernière étape du schéma d’exhaure. Elle refoule dans deux tuyauteries de 20 pouces, l’une déversant l’eau dans un tank pour alimenter le concentrateur et l’autre dans un drain.
Cette salle est équipée de 6 groupes ACEC36, 5BL et d’une pompe Sulzer. Et chaque groupe est constitué de deux pompes en série entrainées par un même moteur dont la première pompe est en basse pression à quatre roues et la seconde en haute pression a 9 roues.
Groupes des pompes 36,5 BL
Hauteur manométrique=230 m
Entrainement par u moteur asynchrone triphasés :
USt=6600 V ISt= 149 A Urot=1030 V Irot=830 A
P= 1926,6 CV n= 1500trs/min
Pompe Sulzer a 5 étages
Hauteur manométrique=542 m
Entrainement par u moteur à asynchrone synchronisés triphasés :
USt=6600 V ISt= 298A Urot=43 V Irot=540 A
P= 4250 CV n= 1500trs/min
Avec les petites venues d’eau et le grand débit venant de 710, l’exhaure 512 débite en moyenne 2400m3/heure.
II.3.NIVEAU D’AUTOMATISATION ACTUELLE DE L‘EXHAURE
Le circuit d’exhaure présente un faible niveau d’automatisation en ce sens que la majorité des machines de certaines sous-stations sont commandées par l’operateur chargé de la surveillance. Il intervient pour démarrer le nombre des pompes correspondant aux différents seuils de niveau d’eau des galeries de mise en charge qu’il peut lire sur un manomètre différentiel. Les actions correctives qu’il apporte se font en boucle ouverte et les inconvénients qui peuvent y résulter sont les suivantes :
Correction insuffisante par manque de recueil des informations du processus à contrôler ;
Absence de contrôle de certains paramètres qui interviennent dans la chaine d’exhaure ;
Inefficacité de l’exhaure par rapport aux attentes ;
Perte des certaines machines voir même de la salle suite à une distraction de l’opérateur ;
Manque de précision des actions correctives ;
Travail fatiguant et répétitif suite aux variations des débits entrant dans la galerie des mise en charge.
L’automatisation est presqu’inexistante dans les différentes salles d’exhaure. Nous avons remarqué que toutes les pompes ainsi que les vannes (D’aspiration et de refoulement) sont commandées manuellement par l’operateur. Et la commande manuelle des moteurs induit celle des vannes automatiquement après une certaine temporisation.
La régulation se fait ainsi en boucle fermée pour maintenir le niveau d’eau à une valeur de consigne et ainsi protéger les installations. Les automatismes se font par le biais des sondes de niveau et des relais qui enclenchent et déclenchent ; les contacteurs pour le démarrage et l’arrêt des moteurs. Mais il manque d’autres mesures de protections telles que le contrôle de température aux paliers, le contrôle d’heure de marche des moteurs, le contrôle des paramètres électriques
(présence trois phases de tension, limiteur du temps de démarrage, surtension, etc.) qui constituent les éléments d’une gestion autonome complète. Et nous avons constaté que le nombre des pompes est très réduit.
En général, les mesures sécuritaires ne sont pas à un niveau qui garantirait un bon fonctionnement des installations.
Le processus permettant la gestion autonome des pompes et des vannes sont donc importantes dans toutes les sous-stations pour éviter un éventuel dysfonctionnement.
