Integrating multidisciplinary modeling tools to support upstream mine waste management

Toubri, Youssef (2022). Integrating multidisciplinary modeling tools to support upstream mine waste management. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1461

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Résumé

Résumé
Le drainage minier acide (DMA), suivant l’oxydation des sulfures déclenchée par l’oxygène atmosphérique et l’eau libre, occasionne une détérioration de la qualité de l’eau en terme d’acidité et de concentration des métaux et oxyanions. Le DMA constitue un danger environnemental d’ampleur mondiale vu son effet néfaste sur les systèmes aquatiques et les formes de vies fauniques et floristiques. Les contributions scientifiques menées par le gouvernement, l’industrie minière, les universités et les établissements de recherche se concentrent sur l’évaluation, la prévention et le traitement du DMA pour préserver les écosystèmes avoisinant les installations minières. La plupart des contributions scientifiques abordent les aspects avals de la gestion du DMA impliquant les étapes opérationnelles et post-fermeture du cycle minier. Peu de solutions pratiques ont été suggérées pour la phase de développement en raison du manque de rejets solides in-situ et les données expérimentales nécessaires pour envisager lesdites contributions scientifiques. Par conséquent, le concept de gestion en amont a reçu très peu d'attention. De même, les approches de modélisation utilisées pour prévoir le DMA sont largement étudiées. Bien qu'elles offrent de nombreux avantages, la majorité de ces études de modélisation sont réalisées pendant les phases d'exploitation et de fermeture du cycle minier, car elles abordent les stratégies de conception et la performance des scénarios de restauration. En outre, la recherche scientifique basée sur des approches interdisciplinaires pour atténuer le risque environnemental du DMA devrait être davantage mise en évidence et développée.

La revue de la littérature souligne trois concepts principaux ; la géométallurgie, le principe de conception pour la fermeture et la réflexion en amont. La géométallurgie a été principalement développée pour dissoudre les limites interdisciplinaires entre le géologue, le métallurgiste et l'ingénieur minier afin d'optimiser les profits économiques et d'atténuer les risques techniques. Plus récemment, divers chercheurs ont inclus les enjeux environnementaux miniers dans la réflexion holistique de la géométallurgie. Le principe de conception pour la fermeture exige que les problèmes environnementaux potentiels soient pris en compte et planifiés avant et pendant les étapes de l'exploitation minière. De même, la réflexion en amont propose d'introduire des pratiques préventives dans les filières de gestion des rejets miniers. Ces pratiques doivent être entreprises dès les premières étapes possibles du cycle minier, appelées étapes en amont. Bien que de nombreuses contributions scientifiques aient abordé les concepts susmentionnés, elles se sont principalement concentrées sur des expériences en laboratoire et/ou sur le terrain. Aucune recherche n'a abordé la réconciliation entre les approches de modélisation pour soutenir l'atténuation des risques environnementaux du DMA. Le lien entre le géologue et le géochimiste environnemental est une préoccupation croissante qui devrait être abordée pour fournir au gestionnaire des rejets miniers de nouvelles options pour aller au-delà des méthodes de gestion conventionnelles.

L'objectif principal du présent travail est de dissoudre les limites interdisciplinaires entre les approches de modélisation pertinentes pour améliorer la gestion en amont des rejets miniers solides et la prévention du DMA. Ainsi, trois objectifs principaux ont été définis : (1) lier la modélisation géologique et les attributs environnementaux du DMA pour effectuer une classification spatiale proactive des rejets miniers en fonction de leur risque environnemental inhérent; (2) réconcilier les outils de modélisation cinétique avec les contraintes des stades amonts du cycle minier (ex. le stade de développement) et (3) intégrer la composante spatiale développée selon le premier objectif et la dimension temporelle de la modélisation cinétique pour concevoir une approche de modélisation holistique permettant la classification en amont des rejets miniers et supportant l'atténuation des risques environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, l'approche méthodologique a consisté dans un premier temps à lier les informations géologiques, collectées tout au long des campagnes du logging géologique, à la modélisation numérique. Ce lien a été établi par une approche stochastique qui relie les variables discrètes et continues du logging géologique. Le résultat de la simulation stochastique soutient la modélisation géologique 3D en accomplissant la densité spatiale adéquate des données numériques. Cette partie permettait d'établir des modèles numériques 3D décrivant la distribution spatiale d'un contaminant donné contenu dans la roche hôte. Par la suite, l'approche de modélisation cinétique a été réalisée pour simuler le pH résultant des principales réactions de génération et de neutralisation de l'acidité. Le modèle cinétique prend en compte des conditions hautement oxydantes et des réactions contrôlées par la réactivité minérale et la surface disponible. Par conséquent, la diffusion d'oxygène n'a pas été considérée comme l'étape limitant le processus d’oxydation-neutralisation. Le modèle a été calibré et étalonné par rapport à des tests cinétiques expérimentaux dont les conditions opératoires sont conformes à l'hypothèse du modèle. Enfin, les modèles spatiaux et cinétiques susmentionnés ont été intégrés pour permettre une classification dynamique de la roche abritant le minerai. Le modèle spatio-temporel intégré implique le logging géologique, la simulation stochastique, la modélisation géologique 3D, la modélisation cinétique et la modélisation de l’écoulement non saturé. Cette approche holistique décrit la distribution spatiale des principaux minéraux générateurs et neutralisants d'acide et entreprend une modélisation du transport réactif 1D pour chaque constituant volumétrique élémentaire, nommé voxel. Par la suite, une classification en amont des rejets miniers pourrait être effectuée en fonction de la teneur inhérente d'un contaminant donné dans la roche hôte et en fonction du pH qui pourrait être libéré à l'emplacement X, Y, Z du corps minéralisé si l'assemblage minéral correspondant est soumis à des conditions oxydantes. Les résultats de chaque axe sont résumés ci-dessous.

L’utilisation de la modélisation géologique 3D pour la gestion des rejets miniers a permis de visualiser la distribution spatiale des contaminants dans un corps minéralisé et sa roche hôte. Par la suite, les responsables en matière de gestion pourraient facilement entreprendre la classification des stériles. À cet égard, le site minier Éléonore a fourni une base de données restreinte des teneurs en arsenic, l'élément le plus délétère dans son environnement minier, pour créer un modèle spatial 3D de la teneur en arsenic. Leapfrog Geo a été utilisé pour effectuer la modélisation géologique 3D et le logiciel de modélisation géostatistique de Stanford (SGeMS) a été utilisé pour entreprendre l'analyse du variogramme spatial. Le résultat de ce travail consiste en un modèle spatial 3D en multi-réalisation de la teneur en arsenic à travers le gisement et la roche encaissante. Chaque réalisation a été évaluée à l'aide des analyses chimiques mesurées pour souligner la fiabilité du modèle. Les résultats ont révélé un vaste halo géochimique d'arsenic qui s'étend jusqu'à 500 m du gisement d'or, avec jusqu'à 94 % des teneurs en arsenic dépassant 50 ppm.

Les résultats de la modélisation cinétique à l'aide de PHREEQC ont montré un bon accord avec les données des mini-cellules d'altération. L'objectif principal de simulation du pH à l'aide de la modélisation cinétique des essais en mini-cellules d'altération a été atteint. Cependant, le modèle n'inclut pas les processus de rétention géochimique tels que la coprécipitation et la sorption. Étant conscient de ces limites, le modèle cinétique PHREEQC n'est pas conforme aux objectifs de conception liés à la restauration minière. Cependant, il est conforme aux études préliminaires tout au long de la phase de développement, qui a peu bénéficié des outils de modélisation géochimique. Le principal atout du modèle cinétique proposé est la capacité d'entreprendre une analyse paramétrique pour l'identification en amont des risques en se basant sur une base de données restreinte et un raisonnement de modélisation conservateur. À cet égard, les données d'entrée sont constituées de la caractérisation minéralogique habituelle, les tests de mini-cellule d'altération et les taux de réactivité minérale tirés de la littérature, respectant ainsi deux contraintes principales qui orientent l'étape de développement : la disponibilité des matériaux et le coût d'évaluation.

Les résultats du modèle intégrant la modélisation spatiale et la modélisation du transport réactif montrent l'évolution spatio-temporelle du pH tout au long du plan central d'exploitation minière. À cet égard, 527 simulations de transport réactif ont été effectuées tout au long du plan minier composé de voxels de 40х40х40 mètres. Le géomodèle spatio-temporel met en évidence l'effet de la réactivité des minéraux neutralisants sur le pH lors de l'oxydation des sulfures.

L'intégration de la géologie et la géochimie environnementale est la solution clé pour des opportunités de production plus propres. Le présent projet a fait progresser les connaissances sur la classification en amont des rejets miniers et a mis en place des méthodes prometteuses pour intégrer des approches de modélisation multidisciplinaires en vue d'un meilleur contrôle des rejets solides dans les mines métalliques. Les méthodes appliquées ici ne se limitent pas aux études de cas abordées et pourraient être appliquées à d'autres projets miniers atteignant les stades de développement et/ou d'exploitation.

Abstract
Acid mine drainage (AMD), following oxidation of sulphides triggered by atmospheric oxygen and through-flowing water, causes water quality exceedances in terms of water acidity and metals and oxyanions concentrations. AMD is a worldwide ecological-security threat with the ability to toxify freshwaters and impair life forms and their support systems. Scientific research contributions adopted by governments, the mining industry, universities, and research establishments focus on assessment, prevention, and treatment of AMD to safeguard ecosystems neighbouring mine facilities. Most of the scientific research contributions tackle downstream aspects of the AMD management involving operational and post-closure stages of the mine life. Few practical solutions were suggested during the development stage because of the lack of in-situ waste materials and the data-intensive nature of the solutions being used. Consequently, the concept of upstream management has received very little attention. Likewise, modeling approaches used to forecast AMD are extensively investigated. Although they provide many benefits, the majority of these modeling case studies are carried out during the operation and closure stages of the mine life cycle as they tackle design strategies and the performance of reclamation scenarios. Besides, scientific research based upon cross-disciplinary approaches to mitigate AMD environmental risk should be further highlighted and developed.

The literature review underlines three main concepts; the geometallurgy, the design for closure principle and the upstream thinking. The geometallurgy was primarily developed to dissolve the interdisciplinary barriers among the geologist, the metallurgist and the mining engineer to optimize the economic profits and mitigate technical risks. More recently, miscellaneous researchers included the mining environmental issues in the geometallurgical holistic thinking. The design for closure principle requires that potential environmental issues are considered and planned for both before and during the production stages of mining operation. Likewise, the upstream thinking proposes introducing preventive practices into mine waste management streams. These practices should be undertaken at the earliest possible stages of a mine’s life cycle, known as upstream stages. Although numerous scientific contributions tackled the aforementioned concepts, they were mainly focused on lab and/or field experiments. No research has addressed the bridging among modeling approaches to support the AMD environmental risk mitigation. The nexus between the geologist and the environmental geochemist is a growing concern that should be addressed to provide the mine waste manager with novel options to move beyond conventional management methods.

The main aim of the present work is to dissolve interdisciplinary barriers among the relevant modeling approaches to enhance mine waste upstream management and AMD prevention. Accordingly, three main objectives were defined: (1) bridging geological modeling and AMD environmental attributes to perform proactive spatial classification of mine waste based on their inherent environmental risk; (2) using the time dimension of the AMD geochemical modeling modules that should comply with the framework of the upstream stages of the mine life (e.g., the development stage); and (3) integrating the spatial component developed according to the first objective and the temporal dimension mentioned in the second objective to conceive a holistic modeling approach enabling upstream mine waste classification and supporting environmental risk mitigation. To achieve these objectives, the methodological approach consisted firstly of linking the geological information, collected throughout the geological logging surveys, to the numerical modeling. This linkage was established through a stochastic approach that relates the discrete and continuous variables of the geological logging. The outcome of the stochastic simulation supports the subsequent 3D geological modeling as it fulfills the data-density requirement. This part enables the establishment of 3D numerical models describing the spatial distribution of a given contaminant contained in the host rock. Thereafter, the kinetic modeling approach was performed to simulate the pH resulting from the main acid-generating and acid-neutralizing reactions. The kinetic model considers highly oxidizing conditions and surface-controlled reactions. Consequently, oxygen diffusion was not considered as the rate-limiting step. The model was calibrated and benchmarked against experimental kinetic tests whose operating conditions comply with the model hypothesis. Finally, the aforementioned spatial and kinetic models were integrated to enable a dynamic classification of the ore hosting rock. The spatiotemporal integrated model involves geological logging, stochastic simulation, 3D geological modeling, kinetic modeling and unsaturated environment modeling. This holistic approach portrays the spatial distribution of the main acid-generating and acid-neutralizing minerals and undertakes a 1D reactive transport modeling for each elementary volumetric constituent, named voxel. Subsequently, an upstream mine waste classification could be carried out based on the inherent content of a given contaminant in the host rock and based upon the pH that could be released at X, Y, Z location of the orebody if the corresponding mineral assemblage undergoes highly oxidizing conditions. Results of each part are summarized in the following.

Repurposing the 3D geological modeling for mine waste management allowed for the visualization of hazardous metals spatial distribution throughout an orebody and its hosting rock. Subsequently, a mine manager could seamlessly undertake waste rock classification. In this respect, the Éléonore mine site provided restricted grades of arsenic, the most deleterious element within the mine setting, to create a 3D spatial model of arsenic content. Leapfrog Geo was used to perform the 3D geological modeling and the Stanford Geostatistical Modeling Software (SGeMS) was used to undertake the spatial variogram analysis. The outcome of this work consists of multi-realization 3D spatial model of arsenic grade across the ore deposit and the hosting rock. Each realization was assessed using available chemical analyses to underline the model’s reliability. The results revealed a spacious geochemical halo of arsenic that reaches up to 500 m away from the gold deposit, with up to 94% of arsenic grades exceeding 50 ppm.

Results from the kinetic modeling using PHREEQC exhibited a good agreement with weathering cell data. The main objective of simulating the pH using kinetic modeling of weathering cell tests was fulfilled. However, the model does not include geochemical retention processes such as coprecipitation and sorption. Being cognizant of these limitations, the PHREEQC kinetic model does not conform to design purposes related to mine reclamation. However, it complies with the upstream scoping studies along the development stage, which has barely benefited from geochemical modeling tools. The main asset of the present kinetic model is the ability to undertake parametric analysis for upstream risk identification based upon restricted datasets and conservative modeling reasoning. In this regard, the input datasets consist of the usual mineralogical characterization, weathering cell tests, and literature rate laws, thereby abiding by two main constraints that steer the development stage: material availability and assessment cost.
Results from the model integrating the spatial modeling and reactive transport modeling displays the spatio-temporal evolution of the pH throughout the central plane of mining. In this regard, 527 reactive transport simulations were performed throughout the mining plane consisting of 40х40х40 meters voxels. The spatiotemporal geomodel highlights the effect of neutralizing minerals reactivity on the pH during the sulphide oxidation.

Geology and environmental geochemistry integration is the key solution for cleaner production opportunities. The present project progressed the knowledge of upstream mine waste classification and set up promising methods to integrate multidisciplinary modeling approaches for the sake of a better control over solid waste in hard rock mines. Methods applied herein are not limited to the case studies framework and could be applied to other mining projects reaching development and/or operation stages.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Demers, Isabelle
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Nicholas, Beier
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal
Mots-clés libres:	Geological logging, Geological modeling, Stochastic simulation, Mineral kinetics, Mine waste classification, Logging géologique, Modélisation géologique, Simulation Stochastique, Cinétique minérale, Classification des rejets miniers
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	16 mai 2023 20:26
Dernière modification:	16 mai 2023 20:29
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1461

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