Évaluation du comportement hydrogéologique et géochimique de recouvrements faits de matériaux miniers pour contrôler la contamination provenant de résidus miniers fortement réactifs

Kalonji, Alex Kabambi (2020). Évaluation du comportement hydrogéologique et géochimique de recouvrements faits de matériaux miniers pour contrôler la contamination provenant de résidus miniers fortement réactifs. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1247

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Résumé

D’importants volumes de stériles miniers et de rejets de concentrateur sont générés chaque année à travers le monde. Ces deux types de rejets miniers solides contiennent souvent des minéraux sulfurés qui n'ont pas été récupérés pendant le processus de concentration du minerai. Ainsi, en présence des rejets miniers qui contiennent des mineraux sulfurés residuels, il est essentiel de prendre des mesures appropriées pour inhiber l’oxydation des sulfures et contrôler la génération du drainage minier acide (DMA), ainsi que le relargage des contaminants dans l'environnement. En climat humide (ou tempéré), les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC), sont souvent considérées comme une des options la plus appropriée pour contrôler le DMA. Toutefois jusqu' à ce jour, les CEBC qui ont été étudiées ou appliquées au niveau d'aires d'entreposage de rejets miniers ont principalement été constituées de matériaux naturels ou en partie de matériaux miniers. Les difficultés d’approvisionnement (coût associé au transport et au décapage), lorsque les matériaux d'origine naturelle appropriés ne sont pas disponibles à proximité du site à restaurer, augmentent considérablement le coût de construction des recouvrements. En fonction de la taille du site à restaurer et de l'approche envisagée, les coûts de construction peuvent augmenter de manière importante si les matériaux de recouvrement sont situés loin du site. C’est pourquoi les entreprises minières sont de plus en plus intéressées à mettre sur pied des stratégies de valorisation des rejets (concept de l’économie circulaire), et à étudier davantage l’utilisation des matériaux miniers (roches stériles et résidus de concentrateur) dans les recouvrements.

Cependant, des questions subsistent quant à la géochimie des eaux de lixiviat d'une CEBC composée exclusivement de matériaux miniers peu réactifs et placée sur des résidus hautement réactifs, pour lesquels l'eau interstitielle est alors déjà acide et fortement contaminée. Il existe également des incertitudes concernant la capacité des modèles de transport réactifs traditionnels comme MIN3P à simuler efficacement les principaux mécanismes géochimiques clés dans les résidus hautement réactifs ayant une capacité de neutralisation nulle ou très faible.

L’objectif général de la présente étude est d’évaluer le comportement hydrogéologique et géochimique d’une CEBC constituée de matériaux miniers (résidus et stériles miniers) et placée sur des résidus hautement réactifs dans une perspective de restauration d’un parc à résidus miniers générateur d’acide. Les cinq matériaux miniers utilisés comprennent un résidu générateur d’acide, un résidu non générateur d’acide, un résidu désulfuré, un stérile minier potentiellement non générateur d’acide (NPAG) et un stérile minier potentiellement générateur d’acide (PAG). Plus spécifiquement, ce projet de recherche vise à : (1) déterminer au laboratoire les principales propriétés physiques, hydrogéologiques, minéralogiques, géochimiques et environnementales de résidus réactifs et des matériaux de recouvrement, (2) étudier à l’aide d’éssais de laboratoire et d’un modèle numérique de transport réactif (MIN3P) le comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs seuls et lorsque recouverts par un recouvrement de type CEBC constitué totalement des rejets miniers faiblement réactifs, (3) évaluer en colonnes de laboratoire et en cellule experimentale de terrain le comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs couverts par une CEBC constituée totalement des matériaux miniers et (4) évaluer in situ le comportement hydrogéologique d’un recouvrement incliné fait des matériaux miniers pour contrôler l'infiltration d'eau sur une digue de stériles réactifs.

Les travaux de caractérisation des matériaux montrent que les résidus réactifs sont fortement générateurs d'acide avec un lixiviat d’essai cinétique ayant un pH proche de 2, des concentrations élevées de métaux et de sulfates. Les matériaux de recouvrement, soient des rejets de concentrateur faiblement sulfureux, et des stériles peu ou pas réactifs, ne sont pas générateurs d'acide ou ne lixivient pas des métaux. Les propriétés hydrogéologiques des matériaux testés étaient similaires à celles trouvées dans la littérature pour les résidus et les stériles et sont appropriées comme matériaux d’une CEBC. Les résidus à faible teneur en sulfure ont une valeur de conductivité hydraulique saturée (ksat) de l'ordre de 10-5 cm/s et une valeur d’entrée d’air, AEV de 2,5 m d'eau; ces valeurs sont similaires aux valeurs des matériaux utilisés dans le passé dans les CEBC efficaces. Les stériles testés dans cette étude ont de propriétés hydrogéologiques typiques de celles attendues pour les couches de matériaux grossiers d'une CEBC, avec une valeur ksat élevée (10-2 cm/s) et une faible capacité de rétention d'eau (AEV = 0,002-0,003 m d'eau).

Les résultats de l’étude du comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs seuls et lorsque couverts par une CEBC à l’aide des essais de laboratoire et des modélisations numériques montrent que le modèle de transport réactif MIN3P peut prédire le comportement géochimique des résidus hautement réactifs. Les prédictions montrent que, même après 10 ans, les résidus réactifs non couverts génèrent encore beaucoup d’acidité. Les prédictions sur 10 ans ont montré que l’épuisement des principaux sulfures (pyrite, pyrrhotite et sphalérite) obtenus dans le cas de résidus réactifs non couverts soumis aux cycles de mouillage-drainage et saturés est respectivement d’environ 50 et 20%. La mise en place d’une CEBC permet de contrôler la génération de
contaminants. La simulation intégrale de la CEBC avec MIN3P n’a pas été possible mais une approche simplifiée où l’on utilise un flux d’oxygène provenant de l’oxygène dissous dans l’eau d’infiltration équivalent à celui qui aurait passé à travers la CEBC a permis de prédire le comportement géochimique des résidus réactifs couverts. Les résultats géochimiques du système simplifié indiquent une diminution de la concentration de sulfate et de la plupart des métaux dans le lixiviat comparativement aux résidus réactifs non couverts.

Le comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs couverts par une CEBC constituée totalement de matériaux miniers a été suivi pour une période de 504 jours pour la colonne de laboratoire et trois années (2017-2019) pour la cellule de terrain. Les comportements hydrogéologiques de la colonne et de la cellule montrent que le degré de saturation moyen de la couche de rétention d'humidité (CRH) de la CEBC se situe entre 89 et 96%. Les résultats montrent aussi qu’une CEBC constituée de matériaux miniers à l’échelle de laboratoire et de terrain serait efficace à réduire le flux d'oxygène et limiter la production de DMA provenant de résidus hautement réactifs. Les flux d'oxygène à la base de la CRH ayant effectivement atteint les résidus réactifs sont de l'ordre de 1 x 10-3 et 5 x 10-3 moles/m2/an respectivement pour les essais en laboratoire et sur le terrain. Ces flux d'oxygène correspondent à une efficacité d'environ 99% par rapport aux résidus réactifs non couverts. L'efficacité moyenne de la couverture à limiter la production de contaminants solubles dans l'environnement par rapport aux résidus réactifs non couverts est comprise entre 95 et 100%, respectivement en laboratoire et sur terrain. Le niveau d'efficacité ne permet pas de réduire les concentrations de Fe et Zn au niveau exigé par la réglementation québécoise et canadienne actuelle. Les résultats géochimiques montrent 1 à 3 ordres de grandeur de différences des concentrations de métaux et de sulfates dans les lixiviats entre les deux échelles de test. Généralement, les concentrations de laboratoire étaient plus élevées que celles de terrain. Les résultats de cette étude indiquent également que les objectifs de conception de recouvrement en terme de flux d’oxygène précédemment élaborés pour les résidus non oxydés frais ou les résidus pré-oxydés (flux d’oxygène < 2 moles d’oxygène/m²/an) ne peuvent pas être directement appliqués aux résidus frais ou pré-oxydés hautement réactifs. Par conséquent, il est nécessaire de mieux sélectionner les cibles de flux d'oxygène pour les résidus hautement réactifs.

Le comportement hydrogéologique in situ du recouvrement incliné fait de matériaux miniers pour contrôler l'infiltration d'eau sur une digue de stériles réactifs a été suivi pour une période de trois années (2017-2019). Les résultats montrent que la configuration du système de couverture limite la percolation de l'eau à des valeurs inférieures à 1% des précipitations incidentes (moins de 5 mm de précipitations) dans des conditions climatiques naturelles. Les valeurs du taux de percolation net atteingnent un maximum de 10% (60 mm de précipitations) lorsque des événements de mouillage (un en 2018 et un en 2019) simulant des précipitations importantes (avec une période de retour entre 50 et 100 ans) ont été appliqués à la cellule expérimentale inclinée. Le bilan hydrique de la cellule expérimentale inclinée montre que le contrôle de l'infiltration est principalement dû à l'évaporation, avec une contribution atteignant 75%, suivie du ruissellement et de la percolation latérale. L'eau est détournée à l'interface entre les stériles et les résidus pendant les événements de mouillage sur une certaine distance qui varie pendant le test. A l'issue des deux tests de mouillage artificiel, le point d'infiltration (ou point DDL) était situé entre 12 et 20 m du haut de la pente. Le comportement hydrogéologique observé de la cellule expérimentale inclinée montre que la couverture était capable de revenir à son comportement hydrogéologique initial en environ une semaine après un évènement de mouillage important et de retrouver par la suite sa capacité à détourner l'eau du prochain événement de mouillage.

L’ensemble des données obtenues lors de la caractérisation des matériaux, des modélisations hydrogéochimiques, du suivi des colonnes de laboratoire et des cellules de terrain ont été utilisé pour discuter davantage de : l’influence de la minéralogie des résidus miniers et des flux d’oxygène sur la performance géochimique globale de recouvrements; la différence des résultats géochimiques de résidus réactifs seuls ou recouverts par une CEBC à différentes échelles et de la validation du comportement hydrogéologique du modèle physique de la cellule inclinée par la modélisation numérique. Les resultats montrent que le niveau de performance des recouvrements à atteindre en terme de flux d’oxygène pour la restauration d’aires d’entreposage des rejets miniers générateurs d’acide est fonction de la réactivité de résidus miniers à restaurer et n’est pas une valeur unique pour tous les sites. Les taux de réaction moyens des résidus réactifs seuls sont habituellement du même ordre de grandeur et que selon l’élément, les concentrations moyennes peuvent être plus élevées dans la colonne que dans la cellule ou l’inverse. Les principales causes des différences des taux de libération des contaminants entre l’échelle laboratoire et terrain sont la précipitation de minéraux secondaires, la température, les conditions hydrogéologiques (rapport liquide-solide, temps de contact, etc.) et les paramètres géochimiques et minéralogiques. Le comportement hydrogéologique observé dans le modèle physique de la cellule inclinée sur le terrain représente bien le comportement attendu d’un point de vue théorique (par modélisation numérique). Cependant, les résultats numériques suggèrent une moins grande évaporation et une plus grande déviation de l’eau par ruissellement de surface et percolation laterale.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Bussière, Bruno
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Demers, Isabelle
Informations complémentaires:	Institutions en extension : Polytechnique Montréal
Mots-clés libres:	drainage minier acide, matériaux miniers, résidus hautement réactifs, stériles miniers réactifs, modélisation du transport réactif, modélisation hydrogéologique, couverture avec effets de barrière capillaire, tests en colonne de laboratoire, tests en cellule expérimental de terrain, infiltration d'eau
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	20 nov. 2020 14:58
Dernière modification:	20 nov. 2020 14:58
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1247

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