Soutenance mémoire
CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX
Contexte de l’étude
L’industrie minière est un secteur économique comprenant les activités de prospection et d’exploitation de gisements minéralisés. Le cycle minier complet regroupe toutes les étapes de l’exploration minière à la gestion des rejets d’exploitation et de traitement, en passant par l’extraction et le traitement des minerais. L’exploration minière constitue l’étape de la découverte, de l’identification et de l’estimation des réserves minérales. C’est une étape qui se fait soit en surface par une équipe de prospecteurs ou par la technique de géophysique aérienne. L’extraction minière quant à elle se fait soit à travers un minage à ciel ouvert ou en souterrain et constitue 1 ‘étape de la récupération du minerai à valeur économique. Elle comprend les phases d’ouverture (installation des différentes infrastructures pour l’accès au gisement), de développement (réalisation des travaux préparatoires et découpage du gisement en chantier d’abattage), d’abattage du minerai (opérations consistant à récupérer et transporter les phases minérales) en le séparant des stériles et de la fermeture graduelle de la mine. Les phases minérales utiles contenues dans les minerais sont souvent en faible quantité de nos jours, vu l’ épuisement des gisements à forte teneur. Le traitement ou la valorisation du minerai, constitué de procédés de séparation physiques et/ou chimiques, est la phase de la récupération des substances utiles contenues à faible teneur dans les produits de l’extraction minière. L’industrie minière est un vecteur économique important.
En effet, au Canada le nombre d’ emploi lié à l’industrie minière est estimé à près de 383 000 à temps plein; ce qui correspond à 3. 7% du produit intérieur brut en 2013 (Ministère des ressources naturelles du Canada Bulletin d’information, 2014). Cependant, cette industrie génère d ‘importantes quantités de rejets sous forme solide et liquide. Au Québec, 100 millions de tonnes de rejets sont produits annuellement. Les rejets solides sont constitués de stériles et de résidus fins. Les stériles, issus des travaux de développement et d’exploitation de la mine, sont souvent stockés en surface dans les haldes à stériles quand ils ne servent pas dans les opérations de remblayage sous terre. Les résidus mm1ers, 1ssus des concentrateurs, sont stockés en surface dans des parcs à résidus avec confinement à l’aide de digue de rétention. Les haldes à stériles et les parcs à résidus, recensés au nombre de 310 et 230 respectivement au Québec peuvent engendrer des problèmes d’ordre environnementaux lorsqu’ils sont mal gérés (Ministère des ressources naturelles du Canada Bulletin d’information, 2014).
En effet, les rejets miniers peuvent faire l’objet d’une instabilité physique (chutes de bloc, glissements de terrain, ruptures de digues, etc.) et/ou chimique (oxydation des minéraux sulfurés, drainage minier acide (DMA) ou du drainage neutre contaminé (DNC) (Plante, 20 10). Les directives environnementales sur la restauration minière deviennent de plus en plus exigeantes et les coûts liés à celles-ci sont de plus en plus élevés. En effet, au Québec, la loi sur les mines exige le dépôt d’une garantie financière représentant la totalité des frais nécessaires à la restauration des aires d’entreposage sur une période de trois ans à partir du démarrage. En l’occurrence, 50% du montant à la première année et 25% pour les deux années suivantes. Ceci incite les opérateurs miniers à favoriser une gestion la plus intégrée possible des rejets miniers pour une exploitation minière durable et responsable. Dans cette perspective, de nombreux chercheurs ont proposé plusieurs techniques de gestion intégrée des rejets miniers afin de limiter l’empreinte écologique des exploitations minières (Benzaazoua et al., 2008). Parmi les techniques de gestion/restauration utilisées au Québec, on peut citer l’ennoiement des rejets miniers (de moins en moins privilégié), les couvertures à effet de barrière capillaire, la désulfuration des résidus, le remblayage minier, la co-disposition des stériles et des résidus au niveau des parcs à résidus etc. (Aubertin et al., 2002).
La technologie de remblayage minier, utilisée dans les mines canadiennes depuis plus de 83 ans, est étroitement liée à l’évolution des méthodes de minage. Le remblai minier peut être de trois types: rocheux (cimenté ou non), hydraulique (cimenté ou non), et en pâte cimenté (RMPC) (Hassani et al., 1998). Le remblayage hydraulique a été introduit vers les années 1950 et sa variante cimentée vers les années 1960. Le remblai en pâte a commencé à être utilisé au Canada vers les années 1990 ; apportant une solution au remblayage de résidus de concentrateur hautement sulfurés. Actuellement, le remblai en pâte est utilisé par la majorité des mines canadiennes ainsi que dans le monde entier pour ses avantages technique, économique, environnemental et sécuritaire (Belem et al., 2003; Benzaazoua et al., 2003; De Souza et al., 2003) (Figure 1-1). Le remblai minier, préparé avec des matériaux d’origines diverses (Figure 1-2), est utilisé à des fins multiples (Figure 1-3) mais le rôle principal est d’être un support secondaire de terrain et permettre une extraction plus complète du minerai laissant ainsi moins de piliers (De Souza et al., 2003).
Problématique de l’étude
Les remblais milliers en pâte cimentés (RMPC) sont utilisés dans la plupart des mmes souterraines québécoises. Ces matériaux sont des mélanges de rejets milliers, d’eau et de liants. Ils servent à remplir les cavités créées dans la mine pendant 1′ extraction du minerai et à mieux supporter le terrain pour une exploitation plus complète (moins de piliers). Cette technologie permet aussi de stocker sous terre jusqu’à 50 % des résidus milliers potentiellement polluants pour l’environnement s’ils étaient déposés en surface (Benzaazoua et al., 2002). Le support des terrains dans les mines souterraines dépend en grande partie de la stabilité physique ou mécanique de 1 ‘ensemble des structures en place sous terre et, en particulier, de celle des remblais en pâte ( autoportance ). Le support souterrain de telles mines est donc influencé par la qualité du remblai préparé en usine et son évolution dans le temps. En effet, les proptiétés mécaniques des RMPC dépendent des caractétistiques physiques, chimiques et minéralogiques des résidus, ainsi que de la qualité et de la quantité du liant et de l’eau servant au mélange et au transpmt de ce matériau (Belem et al., 2000). La présence de minéraux sulfureux ainsi que des sulfates solubles ont un effet néfaste sur la résistance mécanique due à l’attaque sulfatique (Benzaazoua et al., 2002, 2004).
L’emploi du remblai en pâte entraîne toutefois des coûts importants. Le coût global des activités de remblayage peut être subdivisé en diverses composantes, soit les coûts reliés aux liants, à la préparation (frais d’usine et autres intrants ), à la mise en place (construction de barricades, transport et distribution) et une composante autre pour tenir compte des coûts reliés à des additifs divers (adjuvants), à la gestion des eaux de drainage, au monitoring, etc. La Figure 1-4 montre que pour l’ensemble des opérateurs, plus de 67 % des coûts sont attribuables aux liants. On remarquera que cette proportion passe à 73 % pour les mines québécoises de cet échantillon (Gauthier, 2004). Cette proportion a dû augmenter sensiblement durant les dernières années à cause du prix de l’énergie qui fixe en grande partie celui des ciments (environ 80% à l’heure actuelle). En plus des coûts associés aux liants, il y a les coûts des procédés de décontamination des rejets (destruction des cyanures) et de séparation liquide/solide ( épaississage, filtration … ) pour les fins de fabrication de remblai en pâte. L’ajout d’eau en grande quantité a pour but d’assurer le transport du remblai de la surface jusqu’aux chantiers souterrains à remblayer.
Par conséquent, dans une opération de remblayage le défi est de produire des Rl\!IPC, en utilisant le type et la teneur appropriés en liant (paramètre coût) ainsi qu’une quantité d’eau adéquate pour assurer le transport des Rl\!IPC produits jusqu’aux chantiers souterrains et atteindre la résistance mécanique souhaitée sans altérer la durabilité (les pertes de résistances dues à des réactions chimiques nocives telles que l’inhibition de l’hydratation et l’attaque sulfatique ). Cependant, il a été démontré qu’une quantité inappropriée d’eau de mélange était néfaste au gain en résistance mécanique des RMPC (Benzaazoua et al., 2003) et que les défaillances du système de transport des RMPC sont principalement représentées par les blocages de pipeline qui sont souvent dus à une ouvrabilité inadéquate du remblai (De Souza et al., 2003).
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Table des matières
DÉDICACE
REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS
LISTE DES ANNEXES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Contexte de 1′ étude
1.2 Problématique de l’étude
1.3 Objectifs de 1 ‘étude
1.4 Défis scientifiques et hypothèses de recherche
1.5 Structure du mémoire
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Types et descriptions des remblais miniers
2.1.1 Remblais rocheux
2.1.2 Remblais hydrauliques
2.1.3 Remblais miniers en pâte cimentés (RMPC)
2.2 Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des RMPC
2.2.1 Propriétés rhéologiques
2.2.2 Propriétés physiques
2.2.3 Propriétés mécaniques et effets de la chimie de la pâte
2.3 Design, optimisation des recettes et fabrication des RMPC
2.3.1 Design
2.3.2 Optimisation des recettes
2.3.3 Fabrication
2.4 Transport et mise en place
2.5 Généralités sur les adjuvants utilisés dans les bétons
2.5.1 Introduction
2.5.2 Accélérateur de prise
2.5.3 Retardateur de prise
2.5.4 Agents entraineurs d’air
2.5. 5 Superplastifiants
2.5.6 Les floculants
2.6 Effet d’ajout d’ adjuvant sur les performances des RMPC
2.6.1 Les divers addit ifs ut ilisés lor s de la préparation des RMPC
2.6.2 Effet d’ ajout d’adjuvant sur la demande en eau
2.6.3 Effet d’ ajout d’adjuvant sur les propriétés rhéologiques
2.6.4 Effet d’ ajout d ‘adjuvant sur la résistance mécanique
2.7 Discussion
CHAPITRE 3 MATÉRIELS ET MÉTHODES
3.1 Matériaux
3.1.1 Résidus miniers
3.1.2 Liants
3.1.3 Adjuvants
3.2 Méthodologie
3.2.1 Méthodes de caractérisation
3.2.2 Substitution des liants tradit ionnels par les liants alternatifs
3.2.3 Essais d’ajout de superplastifiants dans les formulations de RMPC
CHAPITRE 4 RÉSULTATS DE LA CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX
4.1 Résultats de la caractérisation physique
4.1.1 Résidus
4.1.2 Liants
4.2 Résultats de la caractérisation chimique
4.2.1 Résidus
4.2.2 Liants
4.3 Résultats d’analyse minéralogique
4.3.1 Résidus
4.3.2 Liants
CHAPITRE 5 ARTCLE 1: DEVELOPMENT OF NOVEL TECHNIQUES TO ENHANCE THE MECHANICAL PERFORMANCES OF P ASTE BACKFILL ….
5.1 Abstract.
5.2 Introduction
5.3 Materials and methods
5.3.1 Materials
5.3.2 Characterization
5.4 Results and discussion
5.4.1 Characterization
5.4.2 Mechanical strength development and economie comparison
5.5 Conclusion
5.6 References
CHAPITRE 6 ARTICLE 2: INFLUENCE OF SUPERPLASTICIZERS ON MECHANICAL PROPERTIES AND WORKABILITY OF CEMENTED PASTE BACKFILLS
6.1 Abstract.
6.2 Introduction
6.3 Materials and methods
6.3.1 Tailings sampling
6.3.2 Binders, CPB preparation and mix design
6.3.3 Characterization ofCPB properties
6.4 Results and discussion
6.4.1 Slump and water demand evolution
6.4.2 Mechanical strength development
6.4.3 Mechanical strength prediction
6.4.4 Discussion
6.5 Conclusion
6.6 Acknowledgment
6.7 References
CHAPITRE 7 DISCUSSION GÉNÉRALE
7.1 Effet du point d’échant illonnage des résidus sur la résistance mécanique des remblais
7.2 Pouzzolanicité des liants alternatifs
7.3 Effet d ‘ajout des superplastifiants
CHAPITRE 8 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
8.1 Conclusion
8.2 Recommandations
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
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