Approche de développement d'un critère de non-ségrégation statique des résidus miniers à l'échelle du laboratoire

Dima, Alain Donald (2026). Approche de développement d'un critère de non-ségrégation statique des résidus miniers à l'échelle du laboratoire. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1883

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Résumé

RÉSUMÉ

La ségrégation est un phénomène naturel rencontré, entre autres, dans les dépôts hydrauliques de résidus miniers en pulpe ou épaissis. Les résidus entreposés dans les parcs paraissent homogènes à première vue, mais la ségrégation agit en organisant les particules selon leur taille et leur densité sans une manifestation évidente en surface. Cette redistribution silencieuse peut engendrer une hétérogénéité interne des propriétés physiques, hydrogéotechniques et minéralogiques. Dans le cas de résidus potentiellement générateurs de drainage minier acide, il en résulte une complexité au niveau du design des méthodes de restaurations des parcs à résidus. Si la déposition de résidus nonségrégant conduit à des dépôts homogènes, peu de critères existent pour prédire dans quelles conditions les résidus sont non-ségrégants.

La présente étude jette les bases pour le développement d’un tel critère en étudiant la ségrégation verticale à l’aide d’expériences de sédimentation effectuées au laboratoire en colonnes sur des résidus ayant les pourcentages solides massiques initiaux (Cw-ini) de 60%, 65% et 70%. Après des temps de sédimentation, sept échantillons ont été pris le long de chaque colonne d’une hauteur de 90 cm (≈ 36 pouces) et d’un diamètre intérieur de 15 cm (≈ 6 pouces). Des caractérisations de ces échantillons ont permis d’établir les profils verticaux des propriétés physiques (distribution granulométrique, densité relative des grains solides, masse volumique) et rhéologiques.

Trois comportements principaux ont été identifiés pour les résidus étudiés, une forte ségrégation pour Cw-ini = 60%, une ségrégation intermédiaire pour Cw-ini = 65% et une pâte cohésive non ségrégant pour Cw-ini = 70%. Le niveau de ségrégation a pu être quantifié à l’aide d’un indice de ségrégation (IS) dérivé des profils verticaux des pourcentages solides massiques. Les résultats indiquent que IS diminue lorsque le pourcentage solide initial des résidus Cw-ini augmente pour un temps de caillement donné. Pour une valeur Cw-ini donnée, IS augmente d’abord avec le temps de sédimentation jusqu’à atteindre une valeur maximale et il diminue ensuite jusqu’à atteindre un équilibre dépendamment du Cw-ini considéré. Près des temps de sédimentation de 24h, l’équilibre était presque atteint (à une valeur IS24h) même pour Cw-ini = 60%.

Des relations exponentielles décroissantes ont pu être développées entre IS24h et les paramètres physiques et rhéologiques des résidus. Avec un critère critique de non-ségrégation établi à IS24h ≤ 0,05, les caractéristiques initiales des résidus ont pu être établies comme conditions de nonségrégation pour les résidus étudiés : Cw-ini ≥ 63,5%, une masse volumique initiale ρp≥ 1,72 g/cm3, un seuil de cisaillement initial τ0-HB ≥ 6,85 Pa et une viscosité dynamique initiale à taux de cisaillement nul ƞ0 ≥ 3,2 Pa.s. L’approche proposée des critères de non-ségrégation uniparamétriques pourrait aider à développer un critère multiparamétrique qui inclut tous ces paramètres.

ABSTRACT

Segregation is a natural phenomenon observed, among other contexts, in hydraulic deposits of mining tailings in slurry or thickened form. At first glance, tailings stored in tailings storage facilities (TSF) may appear homogeneous, but segregation operates by organizing particles according to their size and density along the flow path. This silent redistribution can lead to internal heterogeneity in physical, hydrogeotechnical, and mineralogical properties. In the case of tailings that may generate acid mine drainage, this results in complexity in designing restoration methods for TSF. While the storage of non-segregating tailings leads to homogeneous deposits, few criteria exist to predict under which conditions tailings remain non-segregating.

This study lays the groundwork for developing such a criterion by examining vertical segregation through laboratory sedimentation experiments conducted in columns on tailings with initial solids mass concentrations (Cw-ini) of 60%, 65%, and 70%. After sedimentation periods, seven samples were collected along each column, which measured 90 cm (≈36 inches) in height and 15 cm (≈ 6 inches) in intern diameter. Characterization of these samples made it possible to establish vertical profiles of physical properties (particle size distribution, relative density of solid grains, bulk density) and rheological properties. Three main behaviours were identified for the studied tailings : strong segregation for Cw-ini = 60%, intermediate segregation for Cw-ini = 65%, and a cohesive, non-segregating paste for Cw-ini = 70%. The degree of segregation was quantified using a segregation index (IS) derived from vertical profiles of solids mass concentration. Results indicate that IS decreases as the initial solids concentration (Cw-ini) increases for a given settling time. For a given Cw-ini value, IS first increases with sedimentation time until reaching a maximum, then decreases until reaching an equilibrium that depends on the considered Cw-ini. Near a sedimentation time of 24 hours, equilibrium was almost reached (at a value IS24h) even for Cw-ini= 60%.

Decreasing exponential relationships were established between IS₍24h₎ and the physical and rheological parameters of the tailings. Using a critical non-segregation criterion defined as IS₍24h) ≤ 0.05, the initial characteristics of the tailings could be identified as conditions for non-segregation for the studied materials: Cw-ini ≥ 63.5%, initial bulk density ρp ≥ 1.72 g/cm³, initial yield stress τ₀- HB ≥ 6.85 Pa, and initial dynamic viscosity at zero shear rate η₀ ≥ 3.2 Pa·s. The proposed uniparameter non-segregation criteria approach could help develop a multi-parameter criterion incorporating all these parameters.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Mbonimpa, Mamert
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Belem, Tikou et Maqsoud, Abdelkabir
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Indice de ségrégation, rhéologie, contrainte seuil, sédimentation, parc à résidus
Divisions:	Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	24 sept. 2026 13:59
Dernière modification:	24 sept. 2026 13:59
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1883

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