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Performance de recouvrements isolants partiels pour contrôler l'oxydation de résidus miniers sulfureux

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Coulombe, Véronique (2012). Performance de recouvrements isolants partiels pour contrôler l'oxydation de résidus miniers sulfureux. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/498

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Résumé

Un défi environnemental important de l'industrie minière est la restauration des parcs à résidus
miniers, particulièrement lorsque les résidus ont un potentiel de génération de drainage minier
acide (DMA). Le DMA est causé par l'oxydation naturelle de minéraux sulfureux au contact de
l'oxygène de l'air et de l'eau, phénomène pouvant mener à une contamination des eaux de
drainage. Le recouvrement isolant est une méthode de restauration spécialement conçue pour les
conditions nordiques. Cette méthode vise à intégrer les résidus miniers dans le pergélisol afin de
les maintenir dans un état constamment gelé et ainsi éviter la génération de DMA.
L'objectif principal du projet est d'évaluer la performance à limiter l'oxydation des résidus
miniers sulfureux de deux configurations de recouvrements isolants partiels (0,4 m et 1,2 m)
installés sur le parc à résidus de Mine Raglan. Pour ce faire, une approche basée sur la mesure
directe de la réactivité des résidus sous les recouvrements isolants partiels avec le test de
consommation d'oxygène est utilisée. De plus, la température, la teneur en eau volumique et la
succion à la surface des résidus et dans les recouvrements isolants partiels sont mesurés afin
d'évaluer l'effet du comportement thermo-hydrique sur la réactivité des résidus miniers pour ce
site en particulier.
Une caractérisation des propriétés physiques, chimiques, minéralogiques, hydrogéologiques et
thermiques des résidus et du matériel de recouvrement 0-20 mm a été effectuée. Les résultats
montrent que les résidus miniers ont des propriétés hydrogéologiques typiques (conductivité
hydraulique saturée de l'ordre de 1x10-5 cm/s et pression d'entrée d'air d'environ 20-30 kPa) et
un fort potentiel de génération d'acide puisqu'ils contiennent peu de minéraux ayant un pouvoir
neutralisant et des teneurs en pyrrhotite entre 10 et 20%wt. Quant au matériau utilisé comme
recouvrement (0-20 mm), il a une conductivité hydraulique saturée de l'ordre de 1x10-1 cm/s et
une pression d'entrée d'air d'environ 1 kPa; ce matériau n'est pas considéré problématique d'un
point de vue géochimique. De plus, la courbe de réactivité en fonction du degré de saturation des
résidus miniers a été évaluée en laboratoire et la variabilité du test de consommation d 'oxygène
in situ a été évaluée sur le terrain. Des courbes caractéristiques de gel obtenues in situ pour les
résidus miniers et pour le gravier concordent assez bien avec les courbes de rétention d'eau
mesurées en laboratoire pour des valeurs de succion supérieures à 1x10³ cm. Les courbes de
rétention d' eau de terrain concordent bien avec les courbes de laboratoire pour le gravier, mais sous-estiment la rétention d'eau des résidus mmters par rapport aux courbes obtenues au
laboratoire.
Des flux d'oxygène variant entre 0 moles·m-² an-1 et 544 moles m-² an-1 ont été mesurés pour les
stations non couvertes et entre 4 moles·m-²·an-1 et 525 moles·m-² an-1 pour les stations sous les
recouvrements isolants partiels de 0,4 m et 1,2 m. Les résultats de la présente étude montrent que
les résidus entreposés dans le parc à résidus miniers de Mine Raglan sont dans des conditions
hydrogéologiques favorables à leur oxydation (40% < Sr < 60%). Un effet de la température sur
le flux d'oxygène a été observé. Pour le cas de Mine Raglan, il a été montré que la loi
d'Arrhénius représente assez bien l'effet de la température sur la réactivité. Également, on
observe que l'oxydation des sulfures est diminuée de façon considérable à des températures entre
-2°C et -6°C; on peut donc considérer cet intervalle de température comme un objectif à atteindre
si l'on veut contrôler l'oxydation des minéraux sulfureux de Mine Raglan. Les travaux réalisés
ont également montré que la réactivité varie de façon importante selon l'emplacement et la
période de l'année dans le parc à résidus miniers.
Les recouvrements isolants partiels de 0,4 m et 1,2 m sont la majorité du temps non saturés (Sr <
40%) et la température maximale des résidus (à 5 cm sous la surface) est de 7°C, de 1,4°C et de
25,2°C pour les résidus sous les recouvrements isolants partiels de 0,4 m, de 1,2 m et pour les
résidus non couverts respectivement. L'efficacité de ces recouvrements à contrôler l'oxydation
des résidus miniers a été évaluée avec la méthode par profil de température et avec la méthode
par tests de consommation d'oxygène. Les recouvrements isolants partiels ne permettent pas de
réduire la période d'oxydation de façon significative. Ils permettent par contre de réduire la durée
des périodes où les résidus sont très réactifs. L'efficacité des recouvrements isolants partiels de
0,4 m et de 1,2 m à contrôler l'oxydation des minéraux sulfureux est de 52 ± 18% et de 65 ± 25%
respectivement basé sur le flux d'oxygène moyen annuel avec ou sans recouvrement. De plus,
l'étude a montré que l'efficacité des recouvrements isolants partiels varie de façon significative
selon la période de l'année. Ils ont un effet bénéfique la majorité du temps, à l'exception d'une
période entre la fin septembre et la mi-décembre 2011 pour le couvert de 1,2 m et de fin
septembre 2011 à fin octobre 2011.
Les résultats de cette étude sont intéressants pour la gestion du plan de recouvrement progressif
ainsi que pour la compréhension de l'efficacité du recouvrement final de Mine Raglan. Pour l'évaluation de la performance du scénario de restauration final, on suggère l'étude de la
réactivité des résidus miniers en laboratoire dans des conditions contrôlées pour l'identification
plus précise d'une température où l'oxydation des résidus est nulle. Il sera ensuite crucial de
relier les flux d'oxygène à la qualité d'eau de l'effluent puisque c'est sur cette dernière que l'on évaluera la performance du scénario de restauration choisi. Une modélisation thermo-hydrogéochimique
permettrait également de mieux comprendre le comportement à moyen et long
terme du parc à résidus miniers de Mine Raglan et d'inclure les scénarios de changements
climatiques. An important challenge for the mining industry is the reclamation of tailings storage area,
especially when tailings can generate acid mine drainage (called AMD). AMD is caused by the
reaction of sulfide minerais in tailings exposed to air and water. Integrating tailings within the
permafrost by the use of an insulation cover is a reclaiming method designed and used especially
for Nordic conditions.
The main objective of this project is to evaluate the performance of partial insulation covers (0.4
m and 1.2 m thick) built on the Raglan Mine tailings storage facility. The method used to assess
the performance of the partial insulation covers includes oxygen consumption tests (OC tests) for
measuring tailings reactivity under the partial insulation covers. Moreover, temperature,
volumetric water content and suction measurements at various depths in the cover material and in
sulfide tailings allow to study the effect of the partial covers' hydro-thermal behavior on tailings
reactivity for this particularly site.
Cover and tailings materials were characterized for their mineralogical, physical, hydrogeological
and thermal properties. Results show that the tailings hydrogeological properties are typical for
that kind of material (saturated hydraulic conductivity around 1x10-5 cm/s and air entry value
around 20-30 kPa). Tailings have a good potential for acid generation with their high sulfide
content (10 to 20% wt) and low neutralization potential. Tailings reactivity at different degrees of
saturation was evaluated in laboratory, and oxygen consumption test variability was assessed in
situ in the Raglan Mine tailings storage facility. Cover material (0-20 mm) has a saturated
hydraulic conductivity near 1x10-1 cm/s and an air entry value around 1 kPa; its geochemical
behavior is not considered problematic. In situ characteristic soil freezing curves for tailings and
cover material agree well with water retention curves obtain in laboratory for suction greater than
1x10³ cm. In situ water retention curves agree well with the laboratory water retention curve for
cover material but underestimate water retention for tailings.
Oxygen fluxes between 0 moles·m-² ·an-1 and 544 moles·m-²·an-1 were measured for non-covered
tailings and between 4 moles·m-²·an-1 and 525 moles·m-²·an-1 for tailings with 0.4 m and 1.2 m
partial insulation covers. Results of the study show that tailings hydrogeological conditions in the
tailings storage facility are favorable for their oxidation (40%< Sr < 60% ). Effect of temperature
on tailings reactivity had previously been observed and this effect is well described with the Arrhenius law for the Raglan Mine case. Tailings reactivity is considerably decreased for
temperature between -2°C and -6°C; this temperature interval can be considered as an objective
for controlling mineral oxidation of Raglan Mine tailings. Tailings reactivity will vary according
to the emplacement in tailings stack and the period of the year.
Partial insulation covers (0.4 m and 1,2 m) are unsaturated for most of the time (Sr < 40%) and
maximal tailings temperature (5 cm under surface) is 7°C, 1.4°C, and 25.2°C for tailings covered
with 0.4 m, 1.2 m, and non-covered tailings. The partial insulation covers performance for the
control of tailings oxidation was assessed with the temperature profile and oxygen consumption
test methods. Partial insulation covers do not affect the oxidation period length, but reduce the
period where tailings are highly reactive. Performance of 0.4 m and 1.2 m partial insulation
covers is 52 ± 18% and 65 ± 25% respectively, based on the mean annual oxygen flux with and
without cover. The study has shown that the efficiency of partial insulation covers to control
tailings oxidation varies according to the period of the year. They have a beneficial effect most of
the year, except for the period between from the end of September 2011 and mid-December
2011, and from the end of September 2011 to the end of October 2011 for the 1.2 m and 0.4 m
respectively.
The results of this study are interesting for the management of the progressive reclamation plan,
and for the understanding of the efficiency of the proposed final insulation co ver for the Raglan
Mine tailings storage facility. For the performance evaluation of the final cover scenar1o, a
laboratory study of the tailings reactivity in controlled conditions should be undertaken to
identify the temperature at which tailings oxidation is stopped. Furthermore, the performance of
reclamation scenario is evaluated on the effluent water quality; the next challenge will be to relate
the oxygen flux with the water quality effluent. A thermo-hydro-geochemical modelling would
allow the understanding of the mid-long term behavior of Raglan Mine tailings stack and to
include the climate change scenarios in the cover performance evaluation.

Type de document: Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse: Bussière, Bruno
Co-directeurs de mémoire/thèse: Côté, Jean
Informations complémentaires: Maîtrise présentée à l'UQAT, programme en extension avec l'Université de Montréal, École Polytechnique. Comprend un résumé en français et un en anglais.
Mots-clés libres: drainage minier acide, recouvrement isolant, residu minier, comportement thermo-hydrique, oxydation des sulfures
Divisions: Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt: 20 févr. 2013 18:06
Dernière modification: 25 févr. 2013 18:15
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/498

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