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Optimisation des mélanges sols-boues (MSBs) à l’aide de la méthode d’empilement, de la théorie des mélanges et de la méthode de compactage

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Ngabu, Elysee Tshibangu (2019). Optimisation des mélanges sols-boues (MSBs) à l’aide de la méthode d’empilement, de la théorie des mélanges et de la méthode de compactage. Mémoire. Rouyn-Noranda, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, École de génie, 175 p.

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Résumé

La restauration des sites miniers peut se faire par plusieurs méthodes, entre autres à l’aide des recouvrements étanches contrôlant les infiltrations d’eau et des barrières à l’oxygène. Ces dernières incluent aussi les couvertures à effets de barrière capillaire (CEBC). Une CEBC comporte au moins une couche de matériau fin placée entre deux couches de matériaux grossiers. Ce matériau fin doit être doté d’une capacité de rétention d’eau avec une pression d’entrée d’air (AEV) d’au moins 20 à 50 kPa et une faible conductivité hydraulique saturée (ksat) dont la valeur doit être inférieure à 10-5cm/s. Lorsque les matériaux fins ayant les caractéristiques requises (données ci-dessus) ne sont pas disponibles (en quantité suffisante) dans les environs des sites à restaurer, ou lorsqu’on veut réduire la quantité de matériaux d’emprunt à excaver, il est possible de recourir à d’autres matériaux alternatifs comme ceux incorporant les boues de traitement du drainage minier acide. Lorsque ces boues sont mélangées de manière optimale avec d’autres matériaux granulaires, les mélanges sols-boues (MSBs) obtenus peuvent avoir des propriétés hydrogéologiques adaptées pour être utilisés comme matériaux fins dans les recouvrements. Ce projet de recherche avait comme principal objectif d’optimiser la quantité de boues de traitement des eaux minières acides dans les MSBs en utilisant la théorie d’empilement et de mélange des particules, et la méthode d’optimisation par compactage, et d’évaluer dans quelles mesures ces MSBs optimisés peuvent servir comme matériaux dans les recouvrements utilisés pour la restauration des sites d'entreposage de résidus miniers. De façon plus spécifique, les objectifs de ce projet de recherche consistaient à : a) Optimiser des proportions des sols et de boues entrant dans les MSBs par la théorie d’empilement des particules et/ou la théorie de mélange ou par la méthode de compactage; b) Déterminer les caractéristiques hydrogéotechniques des mélanges sols-boues optimisés. Les boues de traitement du drainage minier acide de la mine Westwood (WW) de la Corporation IAMGOLD et Waite Amulet (WA) de La Fonderie Horne (Glencore) ont été étudiées ainsi que du sable et du till échantillonnés dans des bancs d’emprunt sur le site Westwood. Les teneurs en eau considérées pour chacun des constituants sont respectivement de 175 et 200% pour les boues WW et WA et de 3,5 et 7,5% pour le sable et le till. Dans un premier temps, la caractérisation des matériaux (physique, chimique et minéralogique) entrant dans les mélanges a été effectuée. Cette caractérisation a permis de classer les matériaux (selon la méthode USCS) comme suit : SP et SC pour le sable et le till, MH pour la boue WW. Les deux boues contiennent d’une part le gypse et d’autres part de la calcite, ce qui leur procure de l’alcalinité à long terme. Une caractérisation hydrogéotechnique des matériaux à l’état lâche a aussi été réalisée. Par la suite, l’optimisation des MSBs a été effectuée à l’aide de modèles basés sur la théorie d’empilement des particules qui permettent d’aboutir à une courbe granulométrique de référence et de modèles basés sur la théorie de mélange qui permettent la détermination d’une courbe de référence montrant la variation de la porosité (indice des vides) du mélange en fonction de la proportion des particules fines et/ou d’obtenir des proportions optimales des particules dans les mélanges. Les porosités à l’état lâche des fractions grossière (sol granulaire) et fine (boue) ont été utilisées. Il est ressorti de ces études que les modèles basés sur la théorie d’empilement des particules proposent des courbes granulométriques de référence ayant des particules trop grossières et irréalisables par rapport aux matériaux étudiés. Les modèles basés sur la théorie des mélanges de Koltermann et Gorelick (1995), Côté et Konrad (2003) et Wickland et al. (2006) donnent des mélanges optimaux dont la teneur en boue (masse de boue humide/masse de sol humide) est élevée (comprise entre 38 et 58% pour les mélanges sable-boues et, entre 27 et 56% pour les mélanges till-boues). Ces mélanges sont difficiles à compacter à cause de leurs teneurs en eau très élevées. Le modèle de Jehring et Bareither (2016) donne des résultats de teneur en boue dans les mélanges (comprises entre 14 et 18% pour les mélanges sable-boues et entre 10 et 13% pour les mélanges till-boues), valeurs inférieures à celles données par les autres modèles. L’optimisation par compactage consistait à déterminer les variations de la masse volumique sèche des MSBs en fonction de la teneur en boue et de la teneur en eau naturelle des mélanges. Ici, la teneur en eau initiale des sols a été variée comme suit : 0 à 7% pour le sable et de 0 à 4% pour le till. L’optimisation par compactage a donnée des valeurs de teneur en boue comprises entre 19 et 8% pour les mélanges de sable lorsque la teneur en eau initiale du sable passe de 0 à 7% et de 10 et 2% pour les mélanges de till lorsque la teneur en eau initiale du till passe de 0 à 4%. La teneur en boue dans le mélange dépend de la teneur en eau initiale des matériaux. Pour une teneur en eau initiale des boues donnée, la teneur en boue dans le mélange augmente avec la diminution de la teneur en eau initiale du sol. Après comparaison des différents résultats, les mélanges retenus pour les essais hydrogéotechniques étaient ceux optimisés par le modèle de Koltermann et Gorelick (1995) et par compactage en considérant le degré de compaction à 98%. Enfin, les essais hydrogéotechniques sur les mélanges retenus ont montré les valeurs des conductivités hydrauliques saturées autour de 10-4 cm/s pour les mélanges de sable-boues et autour de 10-6 cm/s pour les mélanges de till-boues. Les valeurs des pressions d’entrées d’air (AEV) sont supérieures à 20 kPa pour tous les mélanges. Cette étude a permis de montrer que les théories d’optimisations de mélanges initialement développées pour des particules mélangées à l’état sec peuvent être utilisées pour les MSBs générés à partir des composantes humides. La teneur en boues dans le mélange peut être maximisée, mais par contre, le problème des teneurs en eau élevées dans les mélanges n’est pas résolu.

Type de document: Thèse (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse: Mbonimpa, Mamert
Co-directeurs de mémoire/thèse: Belem, Tikou et Maqsoud, Abdelkabir
Mots-clés libres: mélanges sols-boues (MSBs), théorie d’empilement et de mélange des particules, optimisation par compactage
Divisions: Sciences appliquées > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt: 08 nov. 2019 13:52
Dernière modification: 08 nov. 2019 13:52
URI: http://depositum.uqat.ca/id/eprint/851

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