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Étude expérimentale et conceptuelle de la technique du recouvrement monocouche avec nappe phréatique surélevée incluant l’utilisation de résidus désulfurés

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Rey, N. (2019). Étude expérimentale et conceptuelle de la technique du recouvrement monocouche avec nappe phréatique surélevée incluant l’utilisation de résidus désulfurés. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/971

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Résumé

L’exposition aux conditions atmosphériques de la matière minérale extraite lors des activités minières comporte un risque important de contamination de l’environnement naturel des sites exploités. Le drainage minier acide en constitue un aspect essentiel. Il est le résultat de l’oxydation des minéraux sulfureux initiée par l’oxygène, en présence d’eau. La réaction chimique entraîne la libération de fer, de sulfates et d’une acidité susceptible de provoquer la dissolution de contaminants métalliques associés dans la matrice minérale. La prise de conscience des dégâts environnementaux occasionnés par cette activité a entrainé la mise en place progressive d’un cadre législatif conçu pour en atténuer les impacts. Bien que les dispositifs de traitement des effluents soient des outils essentiels aux opérations minières, ils ne peuvent, pour des raisons économiques, constituer que des solutions temporaires. Le développement d’approches préventives de la pollution par la restauration des sites constitue donc un enjeu impératif. Les résidus de concentrateur issus du processus d’extraction des valeurs économiques du minerai constituent un sous produit majeur de l’exploitation, tant par leur volume que par leur potentiel de contamination. Ce matériel composé de grains de taille s’échelonnant du silt au sable, se présente sous forme de boue, de pulpe ou d’une pâte en fonction de la teneur restante en eau. Lorsqu’ils ne sont pas directement employés au remblayage des excavations, les résidus, de par leur faible résistance mécanique, doivent être déposés dans des bassins constitués à la faveur du relief ou à l’aide de digues artificielles. Cependant, ainsi disposés, les résidus possédant un potentiel de génération d’acide sont vulnérables à l’oxygène susceptible de se diffuser dans la porosité et d’oxyder les sulfures. Afin de pallier à ce problème, un certain nombre d’approches sont disponibles. Elles doivent faire l’objet d’un choix motivé par les caractéristiques climatiques et hydrogéologiques du lieu. Pour les sites soumis à un climat suffisamment humide, et où des bassins aux fondations imperméable sont aménageables, la technique du recouvrement monocouche avec nappe phréatique surélevée peut constituer une approche avantageuse. En maintenant le nappe d’eau à un niveau adéquat, il est possible d’assurer, via notamment le processus de remonté capillaire, le maintien des résidus dans des conditions proches de la saturation, limitant ainsi significativement le flux d’oxygène. La compagnie IAMGOLD a sélectionné cette approche pour la restauration des parcs #2 et 3 de l’ancien site Doyon contigu de la mine Westwood actuellement en opération. Pour ce faire, il est prévu de désulfurer les résidus de concentrateur issus de la production Westwood pour constituer la couverture des parcs Doyon. Cette approche innovante permet entre autre de limiter les coûts de transports, de réduire les volumes de résidus à restaurer, ainsi que d’éviter un stress environnemental supplémentaire attaché au prélèvement d’un matériel naturel dans les environs du site.

L’objectif général de cette thèse est d’évaluer l’influence de différents paramètres de conception, à savoir la hauteur de la nappe phréatique, l’épaisseur et la granulométrie du recouvrement, et de façon annexe, la présence d’une couche supplémentaire antiévaporation sur la performance de la technique. Cet objectif est décliné suivant cinq aspects spécifiques : (1) l’étude du comportement hydrogéologiques du système en termes de teneur en eau et de succion ; (2) l’évaluation de la diffusion de l’oxygène au travers des recouvrements et caractérisation de la consommation engendrée par l’oxydation des sulfures résiduels ; (3) le suivi de la qualité chimique des lixiviats ; (4)la caractérisation de l’évolution de la géochimie des matériaux dans le temps, et en particulier de la déplétion en sulfure des recouvrement, marqueurs de la consommation d’oxygène ; (5) détermination de l’épaisseur optimale de couverture à considérer pour assurer la résilience hydrogéologique du système en condition de sécheresse.

Le chapitre 1 ouvre le document sur une introduction générale à la gestion environnementale des sites miniers, tandis que le chapitre 2 établit une revue de littérature concernant les recouvrements monocouches avec nappe phréatique surélevée et les divers travaux de recherche réalisés sur le site Doyon-Westwood.

Le chapitre 3, qui constitue le premier article de la thèse porte sur le suivi hydrogéologique et les mesures de flux d’oxygène réalisés sur douze colonnes de laboratoire, comprenant huit scénarios de restauration (matériel Doyon avec recouvrement) et 4 essais de contrôle (pour chacun des matériaux), ainsi que sur trois cellules terrain simulant également des scénarios de restauration (Doyon avec recouvrements Goldex). Différentes hauteurs de nappe d’eau ainsi que d’épaisseur de recouvrement ont été testés (incluant dans un cas une couche de sable antiévaporation). De plus, deux types de résidus désulfurés ont été employés comme recouvrements dans le cas des colonnes résidus désulfurés : des résidus fins (silt) issus de la mine Westwood, et des résidus plus grossiers (sable) provenant de la mine Goldex. Dans les cellules de terrain, seulement les résidus Goldex ont été employé comme recouvrement. Les données utilisées afin d’évaluer la performance du système de couverture comprenaient la teneur en eau volumique, succion, concentration en oxygène, et consommation d’oxygène. Parmi les résultats obtenus on peut observer que les deux types de matériaux de couverture peuvent être utilisés avec succès pour assurer le maintien des résidus sulfureux à une saturation ≥ 85-90% pourvu que la nappe d’eau se situe à une distance de maximum un mètre sous la surface des résidus. Par ailleurs le matériel fin issu de Westwood a montré une meilleure capacité à limiter le flux d’oxygène avec un flux maximum de 5,7 mol.m-2.an-1 à 10 cm la base de la couverture, par rapport à 60,6 mol.m-2.an-1 dans le cas de Goldex.

Le chapitre 4 est quant à lui consacré aux aspects hydrogéochimiques des essais en colonnes. Un suivi de la qualité des lixiviats collectés mensuellement à l’occasion du rinçage des colonnes est présenté, ainsi qu’une comparaison des analyses géochimiques menées sur les différents matériaux avant et après les essais en colonnes. Les résultats obtenus confirment l’importance du paramètre de niveau de la nappe phréatique, mais montrent aussi que les résidus Westwood apparaissent moins oxydé que ceux plus grossiers de la mine Goldex. Par ailleurs, et il apparaît que bien que les sulfures résiduels aient consommé l’essentiel du flux d’oxygène, cet avantage s’avère de faible durée (jusqu’à 4,7 ans). Enfin, un risque de contamination des lixiviats au fer et au zinc a été mis en évidence.

Le 5ème chapitre propose une approche méthodologique faisant intervenir de la modélisation numérique 1D dans le but de déterminer l’épaisseur de recouvrement optimale capable d’assurer la résilience du système soumis à divers régimes d’évaporation en fonction des autres paramètres de conception (hauteur de nappe initiale, et granulométrie des matériaux). De manière générale, les résultats de cette étude ont montré que pour une performance équivalente en termes d’évaporation, un matériel plus grossier nécessite une épaisseur moindre. De plus, lorsque la nappe phréatique est maintenue un mètre en dessous de l’interface, une plus grande épaisseur de couverture est nécessaire. Le modèle a également montré que pour les intensités de sécheresse simulées, et pour le matériau Westwood considéré pour la restauration des parcs #2 et 3 par IAMGOLD, une épaisseur de 0,60 m devrait être suffisante pour empêcher la désaturation des résidus Doyon si le niveau initial de la nappe se situe à l’interface.

Ce travail a permis avant tout de montrer que les résidus Westwood utilisés comme recouvrement monocouche combinés à une nappe phréatique surélevée permettaient d’atteindre des critères de performance satisfaisant, en particulier lorsque la nappe phréatique est maintenue dans l’intervalle compris entre zéro et un mètre sous l’interface avec les résidus Doyon sous-jacents, et également qu’une couverture de 60 cm devrait permettre la résilience du système quel que soit le régime d’évaporation(réaliste) imposé. Par ailleurs, les analyses géochimiques des matériaux ont montré que la consommation de l’oxygène par les sulfures résiduels de la couverture était un phénomène transitoire, dont on ne peut pas attendre un bénéfice à long terme. De plus, l’étude hydrogéochimique du système a montré la possibilité d’un risque de contamination au fer et au zinc qui devrait être surveillé lors de la restauration du site Doyon. Enfin cette étude a permis d’élaborer une discussion sur les marges d’erreur que l’on peut attendre sur les valeurs de flux calculés via les essais de consommation d’oxygène, la méthode des gradients ainsi que par l’approche chimique (par l’analyse des sulfates en solution dans les lixiviats, ou bien par des mesures de concentration des sulfures dans les matériaux avant et après les essais en colonne).

Type de document: Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse: Demers, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse: Bussière, Bruno et Mbonimpa, Mamert
Mots-clés libres: drainage minier acide, restauration, recouvrement monocouche, nappe phréatique surélevée, résidus désulfurés
Divisions: Forêts > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt: 19 mars 2020 13:06
Dernière modification: 19 mars 2020 13:14
URI: https://depositum.uqat.ca/id/eprint/971

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