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Évaluation de la performance de recouvrements miniers pour contrôler le drainage minier acide en climat arctique

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Boulanger-Martel, Vincent (2019). Évaluation de la performance de recouvrements miniers pour contrôler le drainage minier acide en climat arctique. (Thèse de doctorat). Polytechnique Montréal. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/962

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Résumé

En présence de conditions froides et de pergélisol, les mécanismes de génération du drainage minier acide (DMA) dans les rejets miniers sont ralentis par les basses températures. La présence de conditions froides (eau gelée) contribue aussi à limiter le transport des contaminants dans l’environnement. Cependant, malgré ce constat, du drainage minier acide peut être généré en conditions froides durant la période de dégel d’où la nécessité de restaurer ces sites. Plusieurs types de recouvrements existent pour limiter la génération de DMA par les résidus miniers contenus dans les parcs à résidus miniers dans l’Arctique, notamment le recouvrement isolant. Le recouvrement isolant utilise favorablement les conditions climatiques de l’Arctique afin de limiter l’oxydation des sulfures en intégrant les résidus miniers au pergélisol et en contrôlant leur température. Pour être performant, le recouvrement isolant doit maintenir les résidus miniers sous une température à partir de laquelle l’oxydation des résidus miniers est négligeable. Puisque le recouvrement isolant ne vise qu’à contrôler la température des résidus miniers, sa performance à long terme peut être source d’incertitude.
La performance des recouvrements isolants doit donc être démontrée pour chaque site minier en fonction des projections climatiques anticipées. La couverture isolante avec effets de barrière capillaire (CIEBC) présente une approche alternative aux recouvrements isolants qui pourrait s’avérer plus robuste dans un contexte de changements climatiques. Ce type de recouvrement se base sur les propriétés isolantes du recouvrement pour réduire la période où les résidus miniers sont au-dessus de la température cible de réactivité et sur les propriétés hydrogéologiques des matériaux afin de favoriser de hauts degrés de saturation dans une couche du recouvrement (couche de rétention d’eau) pour limiter les flux d’oxygène disponibles pour les réactions d’oxydation lorsque la température cible n’est plus atteinte. Même si théoriquement l’approche semble intéressante, plusieurs aspects liés à la performance de la CIEBC doivent être validés avant l’application à grande échelle. Ces aspects incluent notamment les effets du temps sur les propriétés des matériaux et leur capacité à atteindre la performance réelle lorsqu’exposé aux conditions in situ.

Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l’efficacité à court et long termes de différentes configurations de recouvrements construits à la mine Meadowbank pour limiter l’oxydation des sulfures. Les configurations de recouvrements testées comprennent des recouvrements isolants de 2 et 4 m d’épaisseur faits en stériles miniers non potentiellement générateurs d’acidité (NPAG) et d’une CIEBC de 2 m faite d’un bris capillaire et d’une couche de protection de stériles NPAG lâches et d’une couche de rétention d’eau de stériles NPAG compactés. Plus spécifiquement, ce projet de recherche vise à déterminer au laboratoire les principales propriétés thermo-hydro-géotechniques des matériaux de recouvrement et des résidus miniers, évaluer la performance des différentes configurations de recouvrement à partir de données obtenues au laboratoire et par le biais de cellules expérimentales de terrain, évaluer au laboratoire la durabilité des matériaux de recouvrement face aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage, analyser à l’aide d’outils numériques le comportement thermique des recouvrements isolants à long terme et à développer une approche de conception généralisée des recouvrements isolants.

Les travaux de caractérisation des matériaux montrent que les stériles lâches et compactés ont des propriétés hydrogéologiques adéquates pour être utilisés comme matériaux de couches de bris capillaire et de rétention d’eau, respectivement. Une différence de conductivité hydraulique saturée de quatre ordres de grandeur est observée entre les deux matériaux (1 × 10-1 versus 1 × 10-5 cm/s) et la succion résiduelle (125 cm d’eau) des stériles lâches est atteinte avant la valeur d’entrée d’air des stériles compactés (250 – 300 cm d’eau). Les essais de diffusion de l’oxygène réalisés sur les stériles compactés démontrent que les stériles compactés adoptent un comportement coefficient de diffusion de l’oxygène – saturation similaire aux matériaux granulaires. Les essais de consommations de l’oxygène réalisés au laboratoire à différentes températures ont permis d’identifier que le taux de réaction des résidus miniers de Meadowbank devient négligeable à 0 °C; la température cible d’entreposage des résidus de Meadowbank est donc établie à cette valeur. Les caractérisations thermiques montrent que la conductivité thermique des solides est de 4,80 et 5,80 W/m K pour les matériaux de recouvrement et les résidus miniers, respectivement. Un modèle de prédiction de la conductivité thermique a été calibré pour représenter les données obtenues au laboratoire. Aucun effet d’échelle et de structure significatif sur la conductivité thermique n'a été observé pour les unités de stériles miniers. Ainsi, les modèles calibrés peuvent être étendus aux conditions de terrain avec confiance.

Le comportement thermique et hydrogéologique des deux cellules expérimentales de terrain de recouvrements isolant a été suivi pour une période de 4,5 années. Les résidus miniers et 50 cm de matériaux à la base du recouvrement sont saturés. Ces conditions d’humidité ont un impact sur la conductivité thermique des matériaux et donc, sur la distribution des températures internes. Le suivi des températures internes montre que la conduction est le principal mécanisme contrôlant le comportement thermique des recouvrements étudiés. Le recouvrement de 2 m a montré des températures à l’interface résidus-recouvrement supérieures à 0 °C pour 94 à 124 jours par année, tandis que la température des résidus miniers sous le recouvrement de 4 m a toujours été sous 0 °C. Les essais de consommation d’oxygène montrent une réduction de 70 à 90% des flux d’oxygène consommés par les résidus recouverts comparativement aux résidus non recouverts. Les calculs de flux d’oxygène annuel totaux indiquent que les flux d’oxygène sont inférieurs à 2 mol/m2/an, ce qui confirme l’efficacité des recouvrements isolants à contrôler l’oxydation des résidus miniers de Meadowbank.
Le comportement thermique et hydrogéologique de la cellule expérimentale de terrain CIEBC construite à Meadowbank a été suivi pour 3,5 années. Les résultats montrent que la profondeur de dégel a périodiquement atteint les résidus miniers et que la température à l’interface résidus-recouvrement a été supérieure à 0 °C pour 39 à 57 jours par année. Lorsque la température à l’interface résidus-recouvrement était supérieure à 0 °C, le degré de saturation moyen de la couche de rétention d’eau était de 84 %. Dans ces conditions, des flux d’oxygène annuel total passant à travers la couche de rétention d’eau inférieurs à 2 mol/m2/an ont été calculés, confirmant l’efficacité du système de recouvrement CIEBC à titre de barrière à l’oxygène. Dans un contexte de changements climatiques, le concept de CIEBC représente une alternative intéressante aux recouvrements isolants, spécialement lorsque les résidus miniers sont très réactifs.

Les travaux d’évaluation de la durabilité de l’unité de stériles miniers indiquent que les pertes de masses observées suite aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage sont caractéristiques de matériaux résistants. Des variations acceptables des propriétés physiques et mécaniques des carottes de roches intactes testées ont aussi été observées après 20 et 80 cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage. La durabilité de l’unité de stériles est principalement attribuée à sa haute densité, à ses faibles capacités d’absorption d’eau et sa faible porosité apparente. Les résultats suggèrent qu’aucune complication reliée à l’intégrité physique des matériaux de recouvrement ou à qualité des eaux de drainage ne devrait être attendue à long terme. Les résultats des essais de durabilité montrent que l’unité de stériles NPAG de Meadowbank n’est pas significativement affectée par les cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage et qu’elle constitue un excellent matériau pour la construction du recouvrement isolant de Meadowbank.
L’ensemble des données obtenues lors de la caractérisation des matériaux et du suivi des cellules expérimentales de terrain ont été utilisées pour développer des modèles numériques qui évaluent le comportement thermique à long terme de recouvrements isolants de configurations similaires à ceux testés à Meadowbank. En considérant une augmentation de la température de l’air de 6,0 °C sur 100 ans et des conditions thermiques post-opérations, les températures des résidus miniers sous les recouvrements de 2 et 4 m diminuent dans les premières 25 – 35 années dues au processus de gel. Ensuite, la température de l’interface résidus-recouvrement augmente graduellement à cause de l’impact de l’augmentation de la température de l’air dans le temps. La température des résidus miniers sous le recouvrement de 2 m est constamment sous 0 °C à partir de 4 ans, tandis que la température à l’interface résidus-recouvrement devient momentanément supérieure à 0 °C à l’année 82 et est supérieure à 0 °C pour 120 jours à l’an 100. Sous le recouvrement de 4 m, la température des résidus miniers devient constamment sous 0 °C après 9 ans et la température des résidus miniers est toujours maintenue sous 0 °C une fois la période de gel passée. L’analyse paramétrique indique que l’épaisseur du recouvrement, l’épaisseur de la couche des résidus miniers, les variations de l’augmentation de la température de l’air et les conditions de saturations sont les principaux facteurs qui affectent le comportement thermique et la performance des recouvrements isolants à limiter l’oxydation des sulfures. Ultimement, un cadre de conception général des recouvrements isolants en huit étapes est proposé. Cette approche de conception généralisée fournit un cadre utile à l’industrie minière pour la conception de recouvrements isolants dans l’Arctique.

Type de document: Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse: Bussière, Bruno
Co-directeurs de mémoire/thèse: Côté, Jean
Mots-clés libres: drainage minier acide, recouvrement isolant, couverture isolante avec effet de barrière capillaire, changements climatiques, restauration minière, géotechnique minière, conditions nordiques
Divisions: Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt: 17 mars 2020 19:33
Dernière modification: 17 mars 2020 19:33
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/962

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