Importance des différents mécanismes de migration pour un matériau granulaire fin

Le drainage minier acide

Le drainage minier acide (DMA) est un problème important pour l’industrie minière. Ses impacts sur l’environnement incluent la destruction de la flore et de la faune aquatique dans les cours d’eau contaminés ainsi que la contamination de l’eau souterraine (Down et Stocks 1977; Paine 1987; Gray 1997). Le DMA provient principalement des aires d’entreposage des résidus, soient des haldes à stériles ou des parcs à résidus. Les stériles sont les roches extraites de la mine pour donner accès au gisement. Ces roches ne contiennent pas suffisament de valeurs économiques pour être exploitées. Les stériles sont composés de roches grossières et l’empilement est normalement à un faible degré de saturation et a une conductivité hydraulique saturée élevée. Les résidus miniers (aussi appelés rejets de concentrateur) sont de la roche finement broyée dans laquelle les valeurs économiques ont été récupérées durant le traitement au concentrateur. Les résidus miniers sont composés de particules fines, généralement avec un P80 de l’ordre de 80%. Au Québec, on dénombrait 653 aires d’entreposage en 2002, pour une superficie estimée de 14 815 hectares (Marcotte 2002). Certaines d’entres elles (environ 30% de la superficie totale des aires d’entreposage) sont susceptibles de produire du DMA. Les haldes à stériles et les parcs à résidus ont des caractéristiques très différentes en termes de géométrie, propriétés hydriques et géotechniques, ce qui engendre des mécanismes de transport de 1′ eau et des gaz différents. Dans ce document, il sera question uniquement de parcs à résidus, et des particularités qui s’y rattachent.

En Abitibi, les principaux minéraux sulfureux contenus dans les résidus miniers sont la pyrite (FeS2), la pyrrhotite (Fe1_xS, O<x<0,20) et l’arsénopyrite (FeAsS). Lorsqu’ils sont exposés à l’air et à l’eau, ces sulfures s’oxydent; les réactions simplifiées peuvent être décrites de la façon suivante (cas de la pyrite) (Aubertin, Bussière et Bernier 2002): Oxydation directe : Oxydation indirecte: 2FeS2 + 702 + 2H20 -7 2Fe2+ + 4S04 2-+ 4W FeS2 + 14Fe3+ + 8H20 -7 15Fe2+ + 2SO/-+ 16H+ (1) (2) La production d’ions W diminue le pH de l’eau, ce qui permet à certains métaux, comme le zinc, le cuivre, le nickel et le plomb, de se dissoudre dans l’effluent acide. Les résidus miniers contiennent tout de même une quantité variable de minéraux neutralisants. Ces minéraux, qui incluent les carbonates, les hydroxydes et les silicates, peuvent se dissoudre en présence d’acide et peuvent ainsi neutraliser une partie de l’acidité produite par l’oxydation des minéraux sulfureux. Cet effet tampon est possible tant qu’il y a des minéraux neutralisants disponibles pour réagir avec l’acide. La contamination causée par le drainage minier acide provient donc de l’acidité et de la présence de métaux dissous. Au Québec, la directive 019 indique quelles sont les concentrations maximales permises à l’effluent final d’un site minier. Présentement, ces concentrations sont de 0,3 ppm pour le cuivre, 0,5 ppm pour le zinc, 0,5 ppm pour l’arsenic, 3 ppm pour le fer, ainsi que 1,5 ppm de cyanures totaux. La somme des concentrations de cuivre, zinc, plomb et nickel ne doit pas dépasser 1 ppm. Le pH de l’effluent doit se situer entre 6,5 et 9,5 (MDDEP 2005).

Prévention du DMA

Les méthodes de prévention du drainage minier acide sont basées sur le fait qu’il y a trois éléments essentiels à la formation du DMA; soient les minéraux sulfureux, l’eau et l’oxygène (voir équation 1). Lorsqu’au moins un des trois éléments est absent ou réduit à des faibles concentrations, il n’y aura pas (ou très peu) de génération de DMA. Les méthodes traditionnelles de prévention du DMA regroupent l’utilisation de recouvrements sur les parcs à résidus générateurs d’acide. En climat humide, comme au Québec, ces recouvrements servent normalement de barrière à la pénétration de l’oxygène vers les résidus sulfureux puisqu’il est habituellement reconnu que les barrières à l’oxygène sont les solutions les plus efficaces pour limiter le DMA (ex: SRK 1989; MEND 2001). Plusieurs types de recouvrements peuvent être utilisés, les principaux étant le recouvrement en eau (ennoiement) et les recouvrements en sol (ou autres matériaux géologiques). L’efficacité des recouvrements en eau à limiter le DMA est bien acceptée. De nombreuses études ont démontré sa performance autant en laboratoire que sur le terrain ( e.g. Davé et Vivyurka 1994; Davé et al. 1997; Kam et al. 1997; Laliberté, Ludgate et Knapp 2003). Ce type de recouvrement est souvent utilisé pour la restauration de parcs à résidus miniers canadiens et à travers le monde. Cependant, cette méthode de restauration n’est pas applicable à tous les sites d’entreposage de résidus. En effet, la topographie doit permettre d’approvisionner le parc avec une quantité d’eau suffisante pour maintenir la couverture d’eau à une épaisseur minimale pour assurer son efficacité à limiter la génération de DMA (Aubertin, Dionne et Marcoux 1997). De plus, les digues ceinturant le parc ennoyé doivent être conçues spécifiquement de façon à maintenir un grand volume d’eau et de résidus complètement saturés dans des conditions météorologiques, sismiques, et temporelles extrêmes (Aubertin, Dionne et Marcoux 1997). Cela représente évidemment des risques à long terme non négligeables pour les compagnies minières.

Les recouvrements en sol de type monocouches ou multicouches ont eux aussi faits leurs preuve sur plusieurs sites canadiens, dont les plus connus sont sans doute les sites Les Terrains Aurifères (Bussière et al. 2006) et Equity Silver (Weeks et Wilson 2005). Ces types de recouvrements sont appropriés lorsque les gestionnaires du parc à résidus ne désirent pas utiliser le recouvrement en eau, entre autres pour les rmsons citées plus haut. Les recouvrements en sol utilisent normalement différents matériaux d’origine naturelle comme couverture placée sur les résidus générateurs d’acide. De façon générale, un recouvrement en sol sert soit de barrière à la migration de 1′ oxygène vers les résidus sulfureux ou bien de barrière à l’infiltration d’eau (e.g. Aubertin, Bussière et Bernier 2002). Selon la performance visée, le choix des matériaux de recouvrement se fait par rapport aux propriétés hydriques et géotechniques des matériaux à utiliser. Le type de recouvrement le plus simple consiste à étendre sur les résidus sulfureux un matériau qui agit alors comme barrière à l’oxygène de l’air. Ce type de recouvrement, nommé recouvrement monocouche, est illustré à la Figure 1.1. Pour être efficace, le matériau de recouvrement doit permettre de maintenir un degré de saturation élevé dans les résidus générateurs d’acide par montée capillaire et par protection contre l’évaporation. En ayant un degré de saturation élevé, la diffusion de l’oxygène est diminuée de façon significative, alors peu d’oxygène se rend jusqu’aux particules de minéraux sulfureux pour les oxyder. Les barrières à l’infiltration d’eau sont normalement utilisées dans des climats plutôt arides. Ces recouvrements préviennent le contact entre les résidus sulfureux et 1′ eau afin de prévenir la production de DMA (Williams, Wilson et Currey 1997; Zhan et al. 2001; Wilson, Williams et Rykaart 2003). Il est aussi possible d’utiliser des géomembranes pour prévenir l’inflitration d’eau dans un climat humide; un tel type de recouvrement a été installé au site Poirier en Abitibi (Maurice 2002).

Des systèmes de recouvrement plus complexes comportant plusieurs couches de matériaux différents sont aussi utilisés. L’objectif de ce type de recouvrement (appelé recouvrement multicouche) est de limiter la diffusion de l’oxygène en maintenant au moins une des couches du recouvrement à un degré de saturation élevé. Le principal avantage de ce type de recouvrement par rapport au recouvrement monocouche est qu’il peut être efficace même si le niveau phréatique est relativement bas dans le parc à résidus. Les effets de barrière capillaire permettent en effet de limiter l’ impact du niveau phréatique en éloignant le profil de succion dans le recouvrement de l’équilibre hydrostatique (voir Bussière 1999 pour plus de détails sur le comportement hydrique des CEBC). Un exemple de recouvrement multicouche avec effets de barrière capillaire est présenté à la figure 1.2. Les deux premières couches, A et B, servent à protéger les trois couches suivantes contre l’ érosion, les intrusions biologiques et humaines, les effets des cycles de mouillageséchage et gel- dégel sur les matériaux des couches inférieures (Bussière, Aubertin et Julien 2001 ). Les composantes importantes pour le fonctionnement du recouvrement sont les couches C, D et E. La couche C est la couche drainante; celle-ci a plusieurs fonctions. Comme elle a normalement une granulométrie grossière et une conductivité hydraulique élevée, elle permet de contrôler les écoulements d’eau des couches supérieures en les dirigeant latéralement pour réduire l’infiltration dans la couche D. La couche drainante diminue les pressions interstitielles dans le recouvrement, ce qui lui donne une meilleure stabilité. Finalement, le choix judicieux du matériau crée une barrière contre la montée capillaire de l’eau de la couche D, ce qui permet de conserver l’humidité dans la couche D (Bussière, Aubertin et Julien 2001).

La couche D est la couche de rétention d’eau (ou de faible perméabilité), celle qui permet de limiter l’infiltration d’oxygène vers les résidus sulfureux. Cette couche est faite d’un matériau fm avec un contraste granulométrique avec les couches C et E suffisant pour que les effets de barrière capillaire s’établissent. De cette façon, la teneur en eau reste élevée dans ce matériau. La conductivité hydraulique est relativement faible dans ce type de matériau (habituellement < 10·5 emis), ce qui limite aussi l’infiltration d’eau. Donc le degré de saturation élevé et la faible infiltration d’eau diminuent significativement la production de drainage minier acide des résidus sulfureux placés sous la couverture (Bussière, Aubertin et Julien 2001). La couche E a une granulométrie grossière pour permettre aux effets de barrière capillaire de s’établir dans la couche D. Sa conductivité hydraulique élevée fait que cette couche se draine rapidement et demeure sèche. De plus, elle doit limiter la montée du lixiviat des résidus sulfureux vers la couverture et avoir les caractéristiques géotechniques adéquates pour subir la mise en place du recouvrement par les équipements lourds. Lorsque les matériaux d’origine naturelle appropriés ne sont pas disponibles à proximité du site à restaurer, le coût de construction du recouvrement augmente considérablement (Bussière et al. 1999). Dans cette optique, des travaux ont été effectués pour déterminer la performance de recouvrements faits de matériaux alternatifs, tels les résidus de l’industrie forestière et des pâtes et papiers (e.g. Cabral et al. 2000; Germain, Tassé et Cyr 2003), d’autres résidus organiques (Peppas, Komnitsas et Halikia 2000), et des résidus miniers non générateurs d’acide (e.g. Aubertin et al. 1999a; Aubertin et al. 1999b). Ces résidus pourraient provenir d’un site adjacent situé à une distance raisonnable ou encore être produits directement à l’usine de concentration du minerai. Cette option est discutée plus en détails dans ce qui suit.

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Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES
RÉSUMÉ
CHAPITRE WTRODUCTION
1.1 Le drainage minier acide
1.2 Gestion du DMA
1.2.1 Traitement du DMA
1.2.2 Prévention du DMA
1.3 Gestion intégrée des résidus miniers
1.4 Objectifs du projet
1.5 Avancement et contributions originales
1.6 Organisation de la thèse
CHAPITRE II REVUE DE LITTÉRATURE MIGRATION DE L’OXYGÈNE À TRAVERS LES MATÉRIAUX DE RECOUVREMENT
2.1 Mécanismes de migration de 1′ oxygène
2.1.1 Advection
2.1.2 Diffusion
2.1.3 Importance des différents mécanismes de migration pour un matériau granulaire fin
2.2 Équations de base de la diffusion
2.2.1 Milieu non réactif
2.2.2 Milieu réactif
2.2.3 Coefficient de diffusion effectif
2.2.4 Coefficient effectif du taux de reaction Kr·
2.3 Flux à travers les matériaux de recouvrement
2.3.1 Méthodes expérimentales
2.3.2 Solutions analytiques
2.3.3 Solutions numériques
2.3.4 Comparaison de modèles numériques et de solutions analytiques
2.4 Évaluation de l’efficacité de recouvrements
2.5 Besoins en recherche
2.6 Dernières remarques
CHAPITRE III OXYGEN DIFFUSION AND CONSUMPTION IN LOW SULPHIDE TAILINGS COVERS
3.0 Résumé 1 abstract
3.1 Introduction
3.2 Experimental procedure
3.2.1 Methods
3.2.2 Materials properties
3.2.3 Columns configurations
3 .2.4 Column testing
3.2.5 Oxygen flux evaluation methods
3.3 Results
3.3.1 Hydrogeological behaviour
3.3.2 Oxygen concentration profiles
3.3 .3 Oxygen flux
3.4 Discussion
3 .4.1 Model description
3.4.2 Modelling results
3.5 Conclusions
3.6 Acknowledgements
3.7 References
CHAPITRE IV COLUMN TEST INVESTIGATION ON THE PERFORMANCE OF MONOLAYER COVERS MADE OF DESULPHURIZED TAILINGS TO PREVENT ACID MINE DRAINAGE
4.0 Résumé 1 Abstract
4.1 Introduction
4.2 Experimental
4.2.1 Characterization methods
4.2.2 Materials
4.3 Results
4.3.1 Control columns
4.3 .2 Desulphurized tailings columns
4.3.3 Water cover and CCBE
4.4 Results analysis
4.4.1 Metal depletion and secondary mineral precipitation
4.4.2 AMD potential of the mono layer co ver systems
4.4.3 Co ver efficiency
4.5 Conclusions
4.6 Acknowledgements
4.7 References
CHAPITRE V PRELIMINARY OPTIMISATION OF SINGLE-LAYER COYER MADE OF DESULPHURIZED TAILINGS: APPLICATION TO THE DOYON MINE TAILINGS IMPOUNDMENT
5.0 Résumé 1 Abstract
5.1 Introduction
5.1.1 Background
5.1.2 Site description
5 .1.3 Previous work
5 .1.4 Objectives and content
5.2 Procedure
5 .2.1 Materials characterization
5.2.2 Column tests
5.2.3 Numerica1 modeling with Vadose/W
5.3 Results
5.3 .1 Model validation using laboratory results
5.3.2 Field conditions: parametric study
5.3.3 Effect of dry spells on oxygen fluxes
5.3.4 Effect of protection layer on oxygen fluxes
5.4 Discussion
5.5 Conclusions
5.6 Acknowledgements
5.7 References
CHAPITRE VI DISCUSSION
6.1 Importance du coefficient de diffusion effectif De dans l’évaluation des flux
d’oxygène
6.1.1 Méthode e- ‘l’ (chapitre 3)
6.1.2 Méthode des teneurs en eau massiques (chapitre 4 et 5)
6.1.3 Comparaison des méthodes
6.1.4 Modélisation numérique avec Vadose/W
6.1.5 Comparaison des flux estimés selon différentes méthodes
6.1.6 Autres remarques sur l’influence du De
6.1.7 Remarques sur les gradients d’oxygène
6.2 Évaluation d’un critère acceptable de flux d’oxygène
6.3 Effet des conditions frontières extrêmes sur la performance du recouvrement
CHAPITRE VII CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
7.1 Sommaire
7.2 Chapitre 3
7.3 Chapitre 4
7.4 Chapitre 5
7.5 Dernières remarques
RÉFÉRENCES

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