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Étude du comportement hydrogéochimique à long terme d’un dépôt de rejets miniers sulfureux et des effets d’amendements cimentaires : simulations expérimentales au laboratoire

Hadimi, Ichrak (2014). Étude du comportement hydrogéochimique à long terme d’un dépôt de rejets miniers sulfureux et des effets d’amendements cimentaires : simulations expérimentales au laboratoire. Mémoire. Rouyn-Noranda, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Génie minérale, 250 p.

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Résumé

La gestion des rejets miniers constitue un des plus grands défis environnementaux liés à l’exploitation minière. L’activité minière génère des quantités considérables de rejets miniers dont les plus importants sont les stériles (fragments de roche de granulométrie variable) et les rejets de concentrateur (minerai très finement broyé duquel toute valeur économique a été extraite). La façon la plus conventionnelle de gérer les rejets de concentrateur consiste à les stocker en surface dans des parcs à résidus. Ces derniers nécessitent la construction d’importantes digues de rétention d’eau souvent coûteuses et générant des risques d’instabilité. Les parcs à rejet deviennent donc difficiles à gérer sur le long terme et à entretenir. Par ailleurs, le drainage minier acide (DMA) est l’un des problèmes environnementaux le plus importants auquel doit faire face l’industrie minière. Il se produit lorsque des minéraux sulfureux s’oxydent en présence de l’eau et de l’air. Ce qui conduit par la suite à la génération d’une acidité et des concentrations en métaux plus ou moins élevées. Une nouvelle technique de gestion de résidus de concentrateur a été proposée durant les dernières années par certaines compagnies minières pour remplacer celle conventionnelle des parcs à résidus. Le principe de cette technique consiste à retirer de l’eau (par épaississement et/ou filtration) des résidus miniers et les déposer en surface sous forme de pâte (p. ex. avec un pourcentage solide autour de 70-75 % par masse de solide) à l’aide de tours de décantation. La technique de dépôt de pâte en surface (DPS) pourrait donc être une alternative avantageuse à la méthode de dépôt dans les parcs à résidus traditionnels en particulier dans le but de la réduction probable du potentiel de génération de DMA. Elle ne nécessite pas de construction de digue de rétention d’eau, parce que l’eau libre est trop limitée, voire inexistante. Cela permet par la suite d'éviter le risque de rupture catastrophique de digues (défaut de construction, séismes, etc.). Elle permet la réutilisation de l’eau par la densification des rejets (facteur intéressant dans les régions à climat aride) et de débuter la restauration de la mine avant la fin de la vie de celle-ci. L’objectif du présent mémoire est d’étudier le comportement hydrogéologique et géochimique dans le temps d’un dépôt de résidus sulfureux simulant la méthode des DPS. Le résidu utilisé durant ce travail est un mélange homogène, pour cibler une composition chimique incertaine du point de vue du potentiel de génération d’acide. Les rejets sont issus de deux mines polymétalliques en roches dures utilisant des remblais en pâte cimentés pour le remblayage de leurs chantiers souterrains respectifs (Copper-Rand : 7/8 de résidus totaux utilisés et LaRonde : 1/8 de résidus totaux utilisés). Afin d’améliorer les propriétés de la pâte, on a ajouté de faibles quantités de ciment (2 % (p/p) de ciment type CP10), basées sur des résultats antérieurs obtenus à partir de diverses configurations de tests en colonnes (Deschamps et al., 2007). Pour cela, des essais en modèles physiques (boîte de taille intermédiaire et en colonnes) ont été réalisés. Le modèle physique en boîte est composé d’une boîte en Lexan de 200 cm (longueur) x 50 cm (largeur) x 100 cm (hauteur) équipée d’une plaque drainante, recouverte d’un géotextile à la base. Le modèle est aussi équipé de sondes RDT (réflectométrie dans le domaine du temps) pour suivre la teneur en eau dans le temps à différentes hauteurs. Les résidus en pâte ont été déposés à l’intérieur du modèle physique en neuf couches. Seulement les deux premières couches de la base ont été cimentées avec 2 % du ciment type CP10. Le résidu a été arrosé toutes les quatre semaines avec 40 L d’eau, suivi d’une période de drainage/séchage. L’eau récoltée, dont le volume est mesuré et analysé chimiquement. Les cycles de mouillage/séchage ont été poursuivis durant 27 mois. À la fin du 27e cycle, une 10e couche de résidus cimentés a été déposée à l’intérieur du modèle physique. Au milieu du 34e cycle de séchage, le démantèlement du modèle a été réalisé suivi d’un examen des échantillons au travers une caractérisation multidisciplinaire approfondie. Les essais en colonnes ont eu pour objectif principal d’étudier l’effet d’échelle, en plus de l’effet d’ajout du ciment et ce, en comparant les résultats des tests de lixiviation obtenus à partir du modèle physique en boîte et ceux issus de deux colonnes. Les deux colonnes avaient la même configuration que le modèle physique et ont été remplies avec les mêmes résidus, sauf que dans l’une des deux colonnes (C0), les couches de base ne contenaient pas de ciment. L’autre colonne (C1) contenait 2 % du ciment type CP10 ajouté aux mêmes endroits (couches de la base) que le modèle physique en boîte, étant ainsi une réplique fidèle à la configuration de ce dernier. Les colonnes ont été arrosées avec 2,6 L d’eau du robinet en même temps que l’arrosage du modèle physique est effectué. Les tests de lixiviation en colonnes ont été poursuivis jusqu’au 34e cycle. Les résultats de cette étude ont montré que le volume d’eau récupéré en bas du modèle physique a eu des variations durant toute la période du test, des augmentations et des baisses progressives qui pourraient être attribuables plus aux changements des conditions de température et de l’humidité dans le laboratoire dictées par les cycles saisonniers, relevant ainsi la sensibilité vis-à-vis des effets climatiques sur des infrastructures DPS sur le terrain. La couche cimentée déposée en haut du modèle physique semble jouer un rôle de couche protectrice contre l’évaporation à partir des couches sous-jacentes. L’évolution des teneurs en eau volumique montre que les résidus ont subi une désaturation plus lente du tas de résidus. En outre, plus les cycles avancent, plus la teneur en eau volumique résiduelle pour toutes les couches de résidus évolue vers une teneur en eau volumique légèrement supérieure à celle mesurée à la fin du cycle du séchage précédent. En effet, durant toute la période du test, les couches 3, 4 et 5 (non cimentée) ont montré la teneur en eau volumique la plus élevée. Ceci est donc expliqué par une percolation lente de l’eau suite à l’arrosage et son accumulation attribuables aux deux couches cimentées du bas dotées d’une plus faible perméabilité. Par ailleurs, les fissures de dessiccation développées en surface de la dernière couche cimentée déposée en haut du modèle physique en boîte (couche 10), semblent provoquer la désaturation rapide de celle-ci, ainsi que l’oxydation des résidus sulfureux suite à la diffusion de l’oxygène, qui est assurée par ces fractures de dessiccation exprimées. Ce qui pourrait être une source de génération du DMA (à long terme) si la neutralisation est épuisée. Cependant, la couche couverture cimentée du DPS semble jouer un rôle de couche protectrice contre l’évaporation permettant de garder plus de saturation en eau dans les couches sous-jacentes en rendant la désaturation des résidus (par évaporation) durant les cycles de séchage plus lents en comparaison des cycles antérieurs. Suite aux analyses des eaux de lixiviations recueillies en bas du modèle physique en boîte, à la suite des cycles des mouillages/séchage durant toute la période du test, on a pu constater que le pH des eaux est resté autour de la neutralité. Même s’il a été noté de l’oxydation diffusée qui progresse selon les chemins préférentiels. L’évolution de la composition chimique de l’eau de lixiviation a démontré que les résidus avec le temps confirment l’oxydation des sulfures (relargages de sulfate et de métaux), avec une contre-réaction de neutralisation par les carbonates contenus dans les résidus (taux de relargage du Ca et Mg linéaire par rapport aux sulfates). L’interprétation par extrapolation du test placerait les résidus cimentés et les non cimentés étudiés dans la zone d’incertitude par rapport au potentiel de génération d’acidité. Par ailleurs, l’étude de l’effet d’échelle entre le modèle physique en boîte et la colonne C1 a révélé une évolution du comportement géochimique très similaire entre les deux types de tests. Le démantèlement du modèle physique a révélé une altération diffusée dans les couches non cimentées supérieures (9, 8 et 7) avec un aspect plus altéré et friable de leur matrice, et une oxydation le long de fissures verticales suivant des chemins préférentiels de fracturation pour les couches centrales et basales. La teneur en soufre-sulfate a été observée comme étant plus élevée au niveau des couches de résidu non cimentées supérieures 9, 8 et 7 qu’au niveau des couches cimentées. Cette oxydation a été confirmée par le potentiel de neutralisation (PN) mesuré au niveau de ces couches. En effet, le PN mesuré à la fin du test a été plus bas au niveau des couches supérieures de résidus non cimentés en comparaison avec les résidus de référence non altérés. Par contre, la valeur du PN des couches cimentées a été quasi-similaire à celle de l’échantillon initial. Des analyses par microscopie électronique à balayage (MEB) et par porosimétrie à intrusion de mercure (PIM) sur des échantillons solides prélevés à partir des résidus dans le modèle physique en boîte, ont démontré que la matrice cimentée a subi une dissolution partielle, ce qui a permis une expression de la porosité qui a été par la suite -en grande partie- un lieu de précipitation du sulfate secondaire en particulier du gypse.

Type de document: Thèse (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse: Benzaazoua, Mostafa
Mots-clés libres: comportement hydrogéochimique, rejets miniers sulfureux, amendes cimentaires.
Divisions: Sciences appliquées > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt: 03 juin 2014 15:07
Dernière modification: 03 juin 2014 15:07
URI: http://depositum.uqat.ca/id/eprint/582

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