Valorisation des roches stériles dans un recouvrement monocouche comme barrière à l’évaporation

Sylvain, Karine (2024). Valorisation des roches stériles dans un recouvrement monocouche comme barrière à l’évaporation. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1653

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Résumé

RÉSUMÉ

Un des objectifs de l’industrie minière est le développement des stratégies durables de gestion des rejets miniers. D’importants volumes de rejets miniers, représentant plusieurs milliards de tonnes à l’échelle mondiale, sont produits chaque année. La gestion de ces rejets miniers, comprenant les roches stériles et les résidus miniers, pose des défis environnementaux, particulièrement en matière de stabilité géochimique et géotechnique. Ces rejets peuvent contenir des minéraux sulfureux qui peuvent s’oxyder en contact de l’oxygène et l’eau, pouvant alors générer du drainage minier acide (DMA). La restauration de ces aires d’accumulation est nécessaire pour réduire les risques environnementaux associés à la génération du DMA.

En milieu humide, la méthode de restauration considérée comme la plus efficace est la barrière à l’oxygène. Une approche prometteuse consiste à utiliser les roches stériles dans la méthode de la nappe phréatique surélevée combinée à une couverture monocouche (NPS-CM) comme couche de protection, ce qui permettrait de réduire les volumes des aires d’accumulation, de limiter l’impact sur l’environnement lié à l’extraction de matériaux naturels et de réduire les coûts économiques et écologiques associés au transport de ces matériaux. Cette approche pourrait être aisément adaptée à un recouvrement bicouche, qui comporterait une couche de matériau fin (barrière à l’oxygène). L’ajout d’une couche de protection permettrait de contrôler l’évaporation, durant les périodes de sécheresse, dont la fréquence augmentera en raison des changements climatiques.

Cependant, l’utilisation des roches stériles dans les méthodes de restauration est souvent restreinte en raison de la disponibilité limitée de matériaux non réactifs. Particulièrement, la couche de protection est exposée aux conditions atmosphériques, c’est-à-dire à l’oxygène et l’eau. L’utilisation des roches stériles réactives était freinée jusqu’à maintenant en raison du risque de contamination des eaux de drainage associé à la présence de minéraux sulfureux qui peut mener à la génération de DMA. De plus, comme la restauration des haldes à stériles est souvent initiée à la fin des opérations, les roches stériles peuvent être également pré-oxydées. La présence de minéraux secondaires peut représenter un défi de valorisation de ces rejets comme couche de protection. Enfin, l’hétérogénéité des roches stériles, associée à la présence de la fraction fine, peut limiter l’efficacité de la méthode de la NPS-CM en raison des flux de remontées capillaires vers la surface et donc réduire l’efficacité de la barrière à l’évaporation.

L’objectif général du projet de recherche est d’évaluer le potentiel de valorisation des roches stériles réactives et non réactives comme barrière à l’évaporation. Particulièrement, le comportement géochimique en fonction de la taille des particules de trois types de roches stériles réactives a été évalué dans le but de déterminer un diamètre de valorisation. Le comportement hydrogéologique d’une barrière à l’évaporation composée de roches stériles a également été évalué dans le but de déterminer l’impact de la fraction fine sur l’efficacité de la méthode en présence d’une nappe phréatique élevée. L’effet de la portion inférieure de la courbe de rétention d’eau des roches stériles a été analysé à l’aide d’un modèle numérique afin d’évaluer l’impact de la proportion de fractions fines sur les flux d’évaporation. Enfin, le dernier objectif de la thèse était d’évaluer à l’échelle du terrain la performance d’une barrière à l’évaporation composée de matériaux grossiers (sable et gravier) à maintenir la nappe phréatique élevée.

Une approche expérimentale au laboratoire a été choisie pour évaluer le potentiel de valorisation des roches stériles, en utilisant trois types de roches stériles de manière à représenter l’hétérogénéité et la variabilité de ces matériaux. Les échantillons étudiés provenaient de trois sites miniers au Québec : la Mine Canadian Malartic, le Complexe LaRonde et la mine Westwood-Doyon. Les roches stériles ont été séparées et analysées, révélant, par exemple, une variabilité des concentrations de soufre total (%S) selon la fraction granulométrique. Des essais statiques et des essais cinétiques réalisés sur 5 fractions complémentaires et la fraction totale ont été effectués dans le but d’évaluer le comportement géochimique et la contribution de ces fractions à la réactivité globale des roches stériles. Un total de 18 essais en colonnes a été réalisé pour suivre l’évolution de la qualité de l’eau des différentes fractions et types de stériles, révélant que la fraction fine [0;1,00 mm] générait des taux de sulfates les plus élevés. Les taux de génération de sulfates ont diminué avec l’augmentation de la taille des particules: [0;1,00 mm] > [1,00;2,36 mm] > [2,36;3,35 mm] > [3,35;4,75 mm] > [4,75;37,5 mm]. L’étude a mis en évidence l’importance du tamisage des fractions [0;4,75 mm] des roches stériles réactives fin de réduire les risques de DMA, particulièrement pour le cas des roches stériles de Malartic où la fraction [4,75;37,5 mm] montrait des taux de génération de contaminants plus faibles que l'échantillon total [0;37,5 mm]. Cependant, la complexité du comportement géochimique des stériles, influencée par des phénomènes tels que de précipitation/dissolution de minéraux secondaires, la distribution des minéraux sulfureux et neutralisants selon la granulométrie, l’altération avancée des roches stériles, remet en question l’hypothèse que la fraction grossière serait intrinsèquement associée à des charges de contaminants plus faibles. Ces résultats soulignent l’importance de réaliser les essais statiques et les essais cinétiques par fraction.

Le potentiel d’utilisation des roches stériles comme couche de protection dans la méthode de la NPS-CM a ensuite été évalué à l’aide d’une approche expérimentale combinée à une approche numérique. Des essais au laboratoire ont été effectués afin de déterminer les propriétés hydrogéologiques des roches stériles et des résidus miniers. Ensuite, trois colonnes instrumentées ont été mises en place afin de simuler la NPS-CM au laboratoire afin d’en évaluer les flux d’évaporation. Trois fractions granulométriques ont été étudiées : la fraction totale F0 [0;37,5 mm], la fraction F5 [5;37,5 mm] et la fraction F10 [10;37,5 mm]. De manière générale, les modèles numériques ont bien représenté le comportement hydrogéologique des essais de laboratoire. La fraction totale montrait des teneurs en eau volumique plus élevées et un flux d’évaporation plus important que les fractions grossières, ce qui suggère une remontée capillaire dans la fraction fine des roches stériles étudiées. Le bris capillaire donc était moins efficace dans la fraction F0 que dans les fractions F5 et F10. Les modélisations à l’aide de courbe de rétention d’eau synthétique ont relevé l’impact de diverses proportions de fines sur les taux d’évaporation d’une NPS-CM.

Enfin, l’efficacité de la couche de protection de méthode de la NPS-CM a été évaluée à l’échelle du terrain. Quatre stations d’instrumentations ont été mises en place afin de faire le suivi continu du niveau de la nappe phréatique et de l’évolution de la teneur en eau dans la couverture. L’année 2021 a enregistré des précipitations totales les plus faibles depuis 1994 et une période de sécheresse de 15 jours a été enregistrée. La nappe phréatique était maintenue au critère de design malgré d’importante fluctuation, ce qui suggère une résilience de la méthode. Cependant, les changements climatiques pourraient réduire l’efficacité de la méthode lors des périodes de sécheresse plus importantes.

Finalement, ce projet de recherche montre qu’il serait possible de valoriser certains types de roches stériles réactives par la méthode de séparation granulométrique comme couche de protection. La présente étude souligne également l’effet de la fraction fine des roches stériles étudiées sur le bris capillaire, pouvant réduire l’efficacité de la barrière à l’évaporation. Cependant, l'utilisation de cette couche de protection formée de matériau grossier pour la NPS-CM présente l'avantage d'assurer une résilience face aux périodes de sécheresse, renforçant ainsi la viabilité de cette approche pour des applications à grande échelle.

ABSTRACT

One of the mining industry's objectives is to develop sustainable strategies for mine waste management. Large volumes of mine waste, representing several billion tonnes worldwide, are produced every year. Mine waste management, including waste rock and tailings, poses environmental challenges, particularly in terms of geochemical and geotechnical stability. These tailings can contain sulfide minerals that can oxidize in contact with oxygen and water, which can generate acid mine drainage (AMD). The reclamation of the storages areas of those mine wastes is necessary to reduce the environmental risks associated with the generation of AMD.

In humid climate environments, the reclamation method considered to be the most effective is the oxygen barrier. One promising approach is to use waste rock for the reclamation method of the elevated water table combined with a monolayer cover (EWT-MC) as a protective layer, which would reduce the volumes of accumulation areas, limit the environmental impact associated with the extraction of natural materials and reduce the economic and ecological costs associated with transporting these materials. This approach could easily be adapted to a bilayer cover, which would include a layer of fine material (oxygen barrier). The addition of a protective layer would make it possible to control evaporation during periods of drought, which will become more frequent due to climate change. In particular, the reuse of waste rock, which represents large volumes of stockpiles, represents an opportunity for the sustainable management of mine waste.

However, the reuse of waste rock in reclamation methods is often limited due to the availability of non-reactive materials. In particular, the protective layer is exposed to atmospheric conditions, i.e. oxygen and water. The reuse of reactive waste rock has been restricted until now because of the risk of contamination of drainage water associated with the presence of sulfide minerals, which can lead to the generation of AMD. Furthermore, as the reclamation of waste rock piles is often initiated at the end of operations, the waste rock may also be pre-oxidized. The presence of secondary minerals can present a challenge for the reuse of waste rock as a protective layer. Finally, the heterogeneity of the waste rock, combined with the presence of the fine fraction, can limit the effectiveness of the NPS-CM method due to capillary rise flows towards the surface and therefore reduce the effectiveness of the evaporation barrier.

The general objective of the research project is to assess the potential of valorization of reactive and non-reactive waste rock as a protection layer in the EWT-MC. Specifically, the geochemical behaviour as a function of particle size of three types of reactive waste rock was assessed with a view to determining a diameter minimum for reuse. The hydrogeological behaviour of an evaporation barrier composed of waste rock was also evaluated to assess the impact of the fine fraction on the effectiveness of the method in the presence of a shallow water table. The effect of the lower portion of the water retention curve for waste rock was analyzed using a numerical model to assess the impact of the proportion of fine fractions on evaporation fluxes. Finally, the last objective of the thesis was to evaluate, on a field scale, the performance of an evaporation barrier composed of coarse materials (sand and gravel) in maintaining the water table at the designed elevation.

An experimental approach was chosen to assess the potential of valorization of the waste rock, using three types of waste rock to represent the heterogeneity and variability of these materials. The samples studied came from three mining sites in Quebec: Canadian Malartic Mine, LaRonde Complex and Westwood-Doyon mine. The waste rock was separated and analyzed, revealing, for example, variability in total sulphur concentrations (%S) depending on the particle size fraction. Static and kinetic tests were carried out on 5 complementary fractions and the total fraction to assess the geochemical behaviour and the contribution of these fractions to the overall reactivity of the waste rock. A total of 18 column tests were carried out to monitor the evolution of the water quality of the different fractions and types of waste rock, revealing that the fine fraction [0;1.00 mm] generated the highest sulfate release rates. Sulfate release rates decreased with increasing particle size: [0;1,00 mm] > [1,00;2,36 mm] > [2,36;3,35 mm] > [3,35;4,75 mm] > [4,75;37,5 mm]. The study highlighted the importance of sieving the [0;4.75 mm] fractions of reactive waste rock to reduce the risk of AMD, particularly in the case of Malartic waste rock, where the [4.75;37.5 mm] fraction showed lower contaminant rates than the total sample [0;37,5 mm]. However, the complexity of the geochemical behaviour of waste rock, influenced by phenomena such as the precipitation/dissolution of secondary minerals, the distribution of sulfide and neutralizing minerals according to particle size, and the advanced weathering of waste rock, challenges the assumption that the coarse fraction inherently is associated with lower contaminants loads. These results underline the importance of carrying out static tests and kinetic tests by fractions.

The potential for reusing waste rock as a protective layer in the ETW-MC method was then assessed using an experimental approach combined with a numerical approach. Laboratory tests were carried out to determine the hydrogeological properties of waste rock and tailings. Then, three instrumented columns were set up to simulate the EWT-MC in the laboratory to evaluate the evaporation fluxes. Three particle size fractions were studied: the total fraction F0 [0;37.5 mm], the fraction F5 [5;37.5 mm] and the fraction F10 [10;37.5 mm]. In general, the numerical models represented the hydrogeological behaviour of the laboratory tests well. The total fraction F0 showed higher volumetric water contents and greater evaporation flux than the coarse fractions, suggesting capillary rise in the fine fraction. Therefore, the capillary break was less effective in the F0 fraction than in the F5 and F10 fractions. Modelling using synthetic water retention curves revealed the impact of various proportions of fines on the evaporation rates of an EWT-MC.

The effectiveness of the protection layer in the EWT-MC was assessed on a field scale. Four instrumentation stations were set up to continuously monitor the water table position and changes in volumetric water content in the cover. Particularly, in 2021, total rainfall was the lowest since 1994, and there was a 15-day drought. However, the water table was maintained at the design criterion despite fluctuations, which suggests the resilience of the method, but also that climate change could reduce the effectiveness during more severe periods of drought.

Finally, this research project shows that it would be possible to reuse certain types of reactive waste rocks a protective layer, by sieving and separating the fine fraction. This study also highlights the effect of the fine fraction of the waste rock on the capillary break, which could reduce the effectiveness of the evaporation barrier. However, the use of this protective layer has the advantage of ensuring resilience in the face of periods of drought, thus reinforcing the viability of this approach for large-scale applications.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Demers, Isabelle
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Pabst, Thomas
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal
Mots-clés libres:	Valorisation des roches stériles, Environnement minier, Restauration minière, drainage minier acide Waste rock valorization, Mining environment, Reclamation method, acid mine drainage
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	21 mars 2025 19:09
Dernière modification:	21 mars 2025 19:09
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1653

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