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Étude du comportement thermique d'une halde à stériles en milieu nordique

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Poirier, A. (2019). Étude du comportement thermique d'une halde à stériles en milieu nordique. (Mémoire de maîtrise). Polytechnique Montréal. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/964

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Résumé

Un défi important pour l'industrie minière est la restauration environnementale des haldes à stériles potentiellement génératrices de drainage minier acide (DMA). Le DMA se produit notamment lorsque les minéraux sulfureux composant les stériles miniers sont exposés à l’eau et à l’oxygène atmosphérique. La réaction d’oxydation qui en résulte entraîne la libération d’acide, de fer et de sulfate. Le lixiviat acide ainsi formé est alors susceptible de percoler dans la halde, de s’y enrichir en divers contaminants, puis de se déverser dans le milieu naturel sur de vastes étendues, entraînant une dégradation des écosystèmes à long terme. La formation de DMA peut être contrôlée en agissant sur un ou plusieurs de ces agents selon diverses techniques. Le contrôle de la température à l’aide de recouvrements isolants est une méthode spécifique aux régions nordiques. Cette méthode vise à incorporer les rejets miniers dans le pergélisol. À faibles températures, les cinétiques de réactions géochimiques et biochimiques sont presque nulles. Par conséquent, les réactions d’oxydation des rejets miniers réactifs sont ralenties, ce qui réduit la production de contaminants. De plus, le gel contrôle le mouvement des fluides dans la halde, ce qui limite la migration des contaminants.

Meadowbank est une mine aurifère située dans la région de Kivalliq au Nunavut (65°N). Un recouvrement isolant est mis en place pour la restauration des haldes à stériles de Meadowbank. La particularité du recouvrement de Meadowbank est qu'il est constitué de stériles non réactifs (NPAG). Afin d’évaluer l’efficacité du recouvrement à maintenir les stériles potentiellement générateurs d’acide (PAG) sous le point de congélation, 14 thermistances ont été installées sur une des haldes à stériles, entre 2013 et 2015.
L’objectif de la présente étude est d'évaluer le comportement thermique d'un système de recouvrement isolant construit sur la halde à stériles de Meadowbank. Les objectifs spécifiques du projet sont : (1) caractériser les matériaux du recouvrement et des stériles potentiellement réactifs; (2) échantillonner et analyser les mesures des températures in situ; (3) développer un modèle numérique calibré selon les propriétés des matériaux et les conditions de terrain; et (4) identifier les principaux mécanismes de transfert de chaleur dans la halde à stériles de Meadowbank à partir des mesures in situ et des résultats d’analyses numériques.

Pour atteindre ces objectifs, des travaux de caractérisations des propriétés hydrogéologiques, minéralogiques et thermiques ont été entrepris, et ce, pour les deux types de stériles, NPAG et PAG. Les résultats montrent que les matériaux ont des propriétés hydrogéologiques typiques de stériles miniers (conductivité hydraulique saturée de 1,3 x10-1 cm/s pour le NPAG et de 1,1 x10-1 cm/s pour le PAG) avec des pressions d’entrée d’air inférieures à 5 cm. Les propriétés hydrogéologiques sont aussi très semblables entre les 2 types de stériles, à l’exception que le NPAG (CU = 284 et un D10 = 0.04 mm) contient une plus grande proportion de particules fines que le PAG (CU = 13 et un D10 = 1.01 mm). Le NPAG est principalement composé de talc (31%) et les chlorites (26%), tandis que les deux principaux minéraux identifiés pour le PAG sont le quartz (44%) et les chlorites (14%). La caractérisation des propriétés thermiques a permis d’évaluer la conductivité thermique des solides à 5,27 W/m K pour le PAG et à 4,80 W/m K pour le NPAG. De plus, selon les essais réalisés sur différentes granulométries, aucun effet d’échelle des propriétés thermiques n’est attendu pour les 2 matériaux. L’étude plus poussée des propriétés thermiques des solides pour le NPAG a démontré l’importance de prendre en considération la composante directionnelle de la conductivité thermique pour certains minéraux, tels que le talc, lorsque la méthode de la sonde à aiguille était utilisée.

L’évaluation des profils de températures in situ a démontré que la halde n’avait pas encore atteint l’équilibre thermique. À l’interface entre le recouvrement et les stériles potentiellement réactifs, la température moyenne globale est de -6,2 °C. Les profondeurs de la couche active ont été évaluées entre 1,9 m et 7,9 m, avec une moyenne de 3,9 m. En 2016 et 2017, 3 chaînes de thermistances ont révélé des profondeurs de dégel sous l'interface NPAG/PAG. Toutefois, une diminution des profondeurs a été observée entre les années de l’étude. Les profils de températures ont aussi montré des indices de chaleur latente dans les huit premiers mètres de la halde pour quatre stations.
La modélisation numérique a été utilisée pour mieux comprendre les processus de transfert de chaleur dans la halde. Le modèle numérique unidimensionnel en conduction avec changement de phase a été calibré selon les propriétés des matériaux et les conditions de terrain. Le calibrage du modèle a démontré que les propriétés des matériaux avaient peu d’influence sur les températures. Les paramètres météorologiques au cours des calibrages n'ont révélé aucune tendance selon l’orientation des pentes ni des différences significatives des températures maximales près de l’interface NPAG/PAG avec une variation du rayonnement net. En général, les modèles calibrés selon différents scénarios présentaient des températures plus froides que les températures mesurées pour toutes les années, mais la tendance était sensiblement la même que les températures mesurées. La modélisation en 2D a montré la présence d’effet de bord, mais l’effet était prononcé du côté des températures froides et avait peu d’influence sur les températures chaudes près de la surface, donc sur la profondeur de la couche active. Les profils de température de la modélisation 2D comparés à la modélisation 1D étaient très similaires et montrent que l’analyse des températures en 1D peut être considérée comme adéquate pour prédire le comportement thermique global d’une halde à stériles comme celle de Meadowbank.

Finalement, le travail de recherche a permis de mieux comprendre les transferts de chaleur dans la halde à stériles de Meadowbank. À la suite de ces travaux, il est recommandé de poursuivre la collecte de données avec une attention particulière pour les chaînes de thermistances où le dégel se propageait sous le recouvrement. Il serait aussi intéressant d’évaluer la température critique afin de faire le lien entre les températures et le potentiel de génération d’acide des stériles. Finalement, il serait pertinent de mesurer les teneurs en eau et d’étudier la formation de glace près de la base de la couche active afin de voir l’effet sur les mouvements d’eau et les transferts de chaleur.

Type de document: Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse: Bussière, Bruno
Co-directeurs de mémoire/thèse: Côté, Jean
Mots-clés libres: stériles miniers, transfert de chaleur, recouvrement isolant, modèle numérique, drainage
Divisions: Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt: 18 mars 2020 12:15
Dernière modification: 18 mars 2020 12:15
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/964

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