Étude du comportement hydrogéochimique des rejets d’une mine de graphite

Lord, Véronik (2021). Étude du comportement hydrogéochimique des rejets d’une mine de graphite. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1338

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Résumé

L’exploitation du graphite par l’industrie minière est appelée à s’intensifier dans les prochaines années. Historiquement, le graphite a peu été exploité au Québec et le comportement environnemental des rejets issus des mines de graphite est peu documenté. Des études récentes informent que les gisements de graphite sont souvent associés à des teneurs considérables en sulfures. La présence de sulfures dans les gisements est généralement associée à la génération de drainage minier acide (DMA) qui est un des principaux enjeux en environnement minier. Le DMA est formé par l’oxydation des sulfures en l’absence de suffisamment de minéraux neutralisants. Le potentiel de génération de DMA des rejets miniers doit être prédit avant le début des activités minières au moyen d’essais de prédiction statiques et cinétiques. La génération de DMA peut être limitée par la gestion responsable des rejets miniers. La gestion des rejets par la co-disposition des stériles et des résidus peut être utilisée en vue de limiter leur oxydation. Les résidus miniers peuvent également être désulfurés afin de réduire le volume de résidus générateurs de DMA à gérer.

L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier le comportement hydrogéochimique des rejets du projet minier Matawinie de la compagnie minière Nouveau Monde Graphite (NMG). Les matériaux étudiés correspondent aux lithologies de roches stériles (paragneiss mix, paragneiss graphitique, paragneiss à biotite, méta-gabbro et charnockite) ainsi qu’aux 2 types de résidus générés (résidus concentrés sulfures (PAG) et résidus désulfurés (NAG)).

Les compositions chimiques et minéralogiques initiales ont été mesurées pour tous les matériaux. Les résultats de composition chimique ont montré que les résidus PAG ont les teneurs en métaux (Co, Cu, Fe, Ni et Zn) les plus élevées et en sulfures (± 30 % de pyrrhotite). Dans le paragneiss graphitique, des concentrations notables en métaux et en sulfures (± 5 % de pyrrhotite) ont été mesurées. Les autres matériaux à l’étude contenaient uniquement des traces de métaux et de sulfures. Les résultats ont montré que, dans tous les matériaux, le potentiel de neutralisation de l’acidité est principalement associé aux silicates (feldspaths et micas).

Un essai de prédiction statique (ABA) a été réalisé sur chacun des 7 matériaux. Les résultats ont montré que les matériaux suivants sont non-générateurs d’acidité. : paragneiss à biotite, méta-gabbro, charnockite et résidus NAG. Les lithologies de paragneiss graphitique et de paragneiss mix ont un potentiel de génération de DMA considéré comme incertain et les résidus PAG sont considérés comme potentiellement générateurs de DMA. Un essai en cellule humide et un essai en colonne ont été réalisés sur chacun des 7 matériaux. La majorité des valeurs de pH mesurées aux deux échelles se situent près de la neutralité. Les valeurs de pH mesurées dans les résidus PAG sont de l’ordre de 4 dans les essais en cellules humides et de 3 dans les essais en colonne. Les valeurs de pH mesurées dans le cas du paragneiss graphitique sont près de la neutralité dans les essais en cellules et humides et sont décroissantes jusqu’à une valeur d’environ 5 dans les essais en colonne. Les concentrations en métaux lixiviées aux deux échelles pour la majorité des matériaux sont près de la limite de détection. Les résidus PAG ont lixivié des concentrations notables de Co, Cu, Fe, Ni et Zn aux deux échelles. Le paragneiss graphitique a lixivié des concentrations notables en Co, Fe et Ni, dans les essais en colonne. Les résidus NAG ont lixivié des concentrations notables en Cu et Zn lors des essais en colonne. Les courbes d’oxydation-neutralisation ([Ca+Mg+Mn] en fonction de SO42- exprimées en mg/kg) ont montré que tous les matériaux sont non générateurs de DMA à long terme à l’exception du paragneiss graphitique et des résidus PAG. Les qualités d’eau obtenues dans les essais cinétiques ont été soumises à des calculs thermodynamiques dans le logiciel Visual MINTEQ 3.1 (mise à jour en 2019). Les résultats ont montré que les oxyhydroxydes de fer sont les espèces minérales secondaires qui sont les plus susceptibles de précipiter dans les matériaux qui contenaient initialement de la pyrrhotite. Les calculs ont également montré que la précipitation des minéraux sulfatés n’est généralement pas favorisée.

Lors du démantèlement des essais en colonne, des échantillons post-démantèlement ont été prélevés pour le paragneiss graphitique, les résidus PAG et les résidus NAG. Les compositions chimiques et minéralogiques des matériaux post-démantèlement ont été mesurées. Les résultats ont montré que la lixiviation des métaux dans les essais cinétiques peut être liée à la présence de sphalérite ((Zn,Fe)S), de chalcopyrite (CuFeS2) ainsi que de pyrrhotite (Fe1-xS) qui peut également contenir des inclusions de Ni et Co. Les résultats ont aussi montré que les grains de pyrrhotite dans le paragneiss graphitique et les résidus PAG étaient fortement altérés et que ces altérations prenaient la forme d’une matrice de cimentation principalement composée d’oxyhydroxydes de fer ainsi que d’auréoles striés autour des grains de pyrrhotite principalement composées de soufre natif, de sulfates et de thiosels. Les résidus NAG post-démantelés contenaient des grains de pyrrhotite altérés, mais ne contenaient pas de matrice de cimentation. La présence d’espèces minérales avec des états d’oxydation plus faibles que les sulfates informe que l’oxydation de la pyrrhotite a parfois été incomplète et que la réactivité réelle de la pyrrhotite est plus faible que sa réactivité théorique anticipée.

Finalement, une cellule expérimentale instrumentée, visant à vérifier l’efficacité du concept de co-disposition des rejets de NMG (recouvrements des résidus PAG déposés au-dessus des stériles avec des résidus NAG) à limiter l’oxydation des matériaux potentiellement générateur de DMA, a été construite sur le site de NMG. Les résultats ont montré que les teneurs en eau volumique passent de 0,1 à 0,2 entre la surface et la base des résidus NAG et de 0,07 à 0,2 entre la surface et la base des résidus PAG. Les concentrations en oxygène tendent à diminuer dans les résidus NAG (passage de ± 250 g/m3 à 150 g/m3 entre la surface et la base des résidus NAG) et sont nulles à la base des résidus PAG. La sensibilité de l’efficacité du concept de co-disposition a été vérifiée pour plusieurs paramètres de conception en réalisant des modélisations au moyen du logiciel SEEP/W couplé à CTRAN/W (GeoSlope International Ltd.). Les fonctions d’écoulement hydraulique et gazeux des résidus PAG et NAG ont été estimées au moyen de caractérisations réalisées en laboratoire et in situ. Dans le cas des stériles, ces fonctions ont été estimées au moyen de caractéristiques typiques. Les résultats ont montré que la diminution de la porosité (augmentation de la compaction) des résidus PAG et NAG, que l’augmentation de la réactivité des résidus NAG ainsi que l’augmentation de l’épaisseur des résidus NAG permet de réduire la quantité d’oxygène atteignant la surface des résidus PAG et améliore donc l’efficacité du concept de co-disposition. Les résultats ont également montré que la saturation des résidus PAG est essentielle pour empêcher la migration de l’oxygène à travers eux. En déposant une épaisseur de résidus PAG supérieure à 2 m, la valeur de pression d’entrée d’air (AEV ou ψa) de ces derniers est dépassée et la saturation des résidus PAG n’est pas assurée sur toute leur élévation, permettant leur oxydation par l’oxygène gazeux.

Les résultats des présents travaux ont contribué à l’avancement des connaissances en lien avec la réactivité de la pyrrhotite dans des rejets issus de l’exploitation d’un gisement de graphite. Les conclusions issues de ces travaux pourront également être appliquées par NMG afin d’établir les critères de conception relatifs à la co-disposition de leurs rejets. Il serait pertinent de réaliser des travaux supplémentaires se concentrant sur la caractérisation exhaustive de la réactivité de la pyrrhotite dans les résidus NAG afin qu’un critère de conception permettant d’optimiser ce paramètre soit établi. Les futurs travaux devraient également inclure l’analyse de la qualité des eaux de drainage s’écoulant dans la cellule de co-disposition ainsi que l’évaluation du potentiel de génération de drainage neutre contaminé (DNC) par les résidus NAG.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse:	Plante, Benoît
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Demers, Isabelle
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal
Mots-clés libres:	rejets d'une mine de graphite; essais de prédiction géochimiques; co-disposition; désulfuration; drainage minier acide; lixiviation de métaux; barrière capillaire; modélisations numériques
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	28 mars 2022 15:11
Dernière modification:	28 mars 2022 15:11
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1338

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