COMPORTEMENT HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOCHIMIQUE À LONG TERME D’UN DÉPÔT DE RÉSIDUS EN PÂTE 

COMPORTEMENT HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOCHIMIQUE À LONG TERME D’UN DÉPÔT DE RÉSIDUS EN PÂTE 

Essais en boîte de taille intermédiaire:

Le modèle physique a été conçu par Benzaazoua et al. (2004b) afin d’étudier le compottement géochimique et hydrogéologique des résidus en pâte déposés en surface. Ultérieurement, ce modèle a été utilisé par Deschamps (2009) dans la première prutie de cette éb.tde. La boîte du modèle en plastique Lexan transparent, renforcé par un cadre métallique, est de 200 cm de longueur, 50 cm de largeur et de 100 cm de hauteur (figure 3.10-a). La boîte est montée sur une plaque à la base munie d’un système de drainage et couverte par un géotextile afin d’éviter l’échappement des patticules solides. La percolation de l’eau est permise au bas du modèle et permet de récupérer les solutions destinées pour les analyses géochimiques. À la fin de tous les tests de mouillage/séchage, il est possible de démonter les parois latérales du modèle dans le but de prendre des échantillons de résidus en pâte pour effectuer les différentes analyses (voir chapitre 6). Dans cette étude, les résidus sulfureux en pâte ont été déposés en neuf couches minces (environ 4 cm chacune). Comme il est montré sur la figure 3.1 0-b, la couche 10 est la couche supérieure et la couche 1 est la couche inférieure.

Mise en place du tas multicouche de résidus épaissis:

La mise en place des résidus à l’intérieur du modèle physique a été bien documentée dans les travaux de Deschamps (2009). Dans ce qui suit, un rappel de la procédure de mise en place du tas multicouche de résidus en pâte est présenté. La pâte de résidus ayant servi pour le test en modèle physique a été préparée à partir des résidus filtrés mélangés avec de 1 ‘eau du robinet afin d’obtenir la consistance désirée pour la pâte, ce qui a permis du coup une dilution des sulfates de l’eau interstitielle. Basé sur les travaux de Thériault et al. (2003), un affaissement (ou « slump test») de 250 mm a été ciblé. Cette valeur de l’affaissement correspond à un pourcentage solide de 74%.

Dans un prem1er stade, neuf couches ont été déposées à l’ intérieur de la boîte du modèle physique. Juste les deux premières couches contiennent 2 % de ciment Portland (CP10). Dans un deuxième stade, et juste avant le 28e cycle, une dixième couche cimentée (2 % de ciment CP1 0) a été ajoutée comme couverture au sommet de l’empilement de couches. Chaque couche est de 4 cm d’épaisseur environ, et contient une sonde RTD (placée horizontalement à mi-hauteur de la couche) sauf la dixième qui contient en plus une sonde ECH20 EC-5. La séquence des dépôts des couches est présentée sur le tableau 3.9. Ainsi, la deuxième couche a été déposée à 1 ‘intérieur des modèles après 7 jours du dépôt de la première couche. Par la suite, la fréquence du dépôt des autres couches de résidus a été de 2 à 3 jours. Finalement, et après avoir complété 27 cycles de mouillage/séchage une dernière couche (1 Oe couche) a été ajoutée à 1 ’empilement de couches déjà déposées à l’intérieur des modèles.

Mise en place d’un dépôt-couverture de résidus en pâte cimenté:

Les résidus ayant servi pour la préparation de la pâte cimentée étaient les mêmes qui ont été utilisés pour les neuf premières couches (section 3.2.1 et 3.2.2). Pour les modèles contenant des couches cimentées, les résidus filtrés et le ciment (CP10) ont été mélangés avec de l’eau du robinet pour diluer les sulfates de l’ eau interstitielle (figure 3.11-a). Alors pour la colonne CO, le mélange de résidus a été préparé sans aucun ciment ajouté. Le mélange des résidus a été fait par le biais d’un malaxeur à mortier d ‘équipements Mathieu modèle 600E de Capacité (6 pi\ Le temps de malaxage a été de 7 min. Afin d’obtenir la consistance désirée pour la pâte, un affaissement de 250 mm a été ciblé (Thériault et al. 2003). Cette valeur de l’affaissement correspond à un pourcentage solide de 74% et elle est obtenue à l’aide de l’essai d’ affaissement en cône d’ Abrams (figure 3.11-b ).

Le cône d’Abrams présente une hauteur de 30,5 cm, un diamètre de base de 20,4 cm et un diamètre supérieur de 10 cm. La mesure de 1 ‘affaissement (ou « slump test») est effectuée selon la procédure ASTM 143 qui consiste à son remplissage en trois couches, chacune des couches ayant subi un pilonnage de 25 coups d’une barre métallique de 1 cm de diamètre. Le petit cône est ensuite soulevé pour laisser le matériau s’affaisser sous son propre poids puis on mesure la hauteur de 1 ‘affaissement.

Suivi de l’essai en modèle physique: tests de mouillage/séchage:

Les cycles de mouillage/séchage durent 4 semaines chacun et comportent deux périodes principales : une période de mouillage étalée sur 2 jours et une période de séchage qui dure plus longtemps afin de rechercher les équilibres hydriques et le maximum de réactivité. Les durées et les manières du déroulement de ces cycles sont illustrées à la figure 3.13. Le premier mouillage des modèles physiques a été effectué 4 semaines après le dépôt de la 9e couche (Deschamps 2009).

La période de mouillage
Les colonnes ont été arrosées avec un volume total de 2,6 L d’ eau du robinet étalé sur 2 jours : lors du premier jour de mouillage, les colonnes sont arrosées avec un total de 1,3 L d’eau durant 3 heures telles que montrées à la figure 3.13-a. On commence le mouillage avec 0,4 L d’eau. Une heure après, on arrose une deuxième fois avec 0,4 L d’eau. Une heure plus tard, on arrose une dernière fois avec 0,5 L d’eau. Le but recherché est un mouillage progressif tout en évitant les chemins préférentiels. Le deuxième jour de mouillage commence 24h suite au début du premier mouillage et se déroule de la même manière que le premier jour de mouillage.

Les résidus en pâte dans le modèle physique ont été mouillés à chaque cycle avec un total de 40 L d’eau du robinet en deux jours : au premier jour de mouillage, le modèle est arrosé avec un total de 20 L d’eau durant 3 heures (voir figure 3.13-b). Le mouillage est commencé avec 7 L d’eau. Une heure après, on rajoute 7 L d’eau pour une deuxième fois. Une heure plus tard, on arrose avec 6 L d’eau. Le deuxième jour de mouillage commence 24h suite au début du premier mouillage et se déroule de la même manière que le premier jour de mouillage.

Suite au premier cycle de mouillage/séchage des deux modèles physiques, il a été observé une percolation lente de l’eau de mouillage au niveau des colonnes et du modèle physique, sans noter aucun chemin préférentiel de la percolation d’eau. Ainsi, il a été observé une accumulation d’une couche d’eau de mouillage en surface des colonnes (surtout celle cimentée -Cl) et du modèle physique durant toutes les périodes de mouillage, et cette couche d’eau accumulée en surface des modèles persiste jusqu’au 3e jour après le premier jour de mouillage, et elle semble augmenter en volume au fur et à mesure qu’on avance dans les cycles (voir plus de détail dans le chapitre 4, 5 et 6). Juste après le dépôt de la lüe couche (cimentée au niveau du modèle physique et de la colonne Cl et non cimentée au niveau de la colonne CO) à l’intérieur des modèles physiques, le mouillage s’est déroulé en 3 jours au lieu des deux jours utilisés pour le dépôt des couches sous-jacentes. Durant le premier jour de mouillage, le modèle physique a été arrosé avec un total de 14 L en deux heures (d’abord avec 7 Let une heure plus tard, on a arrosé avec 7 L). Le deuxième jour de mouillage, on a arrosé avec juste 6 L. Au troisième jour de mouillage, on a procédé le mouillage de la même manière que se déroule les deuxièmes jours de mouillage ordinaires. Ceci a été visé dans le but d’avoir de meilleurs résultats vis-à-vis la liaison entre la couche 10 fraîchement déposée et les anciennes couches sous-jacentes (notamment couche 9) ce qui va influencer sur la bonne percolation de l’eau de mouillage.

La période de séchage
La deuxième période des cycles de mouillage/séchage des modèles physiques correspond à la phase du séchage qui dure 26 jours. Elle correspond à une période durant laquelle l’ eau s’infiltre et draine à travers le tas. Bien sûr, cela met le dépôt à rude épreuve en sachant qu’en réalité, le ruissellement prend de 1 ‘ampleur aidée par la perméabilité faible des DPS et une topographie adaptée.

Pour mieux comprendre l’effet de cette prolongation de la période de séchage sur le comportement hydrogéologique et géochimique de la pâte, l’étude des propriétés du dépôt sera mieux détaillée dans les chapitres qui suivent.

COMPORTEMENT HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOCHIMIQUE À LONG TERME D’UN DÉPÔT DE RÉSIDUS EN PÂTE:

Dans ce chapitre, on mettra l’accent sur le comportement hydrogéologique et géochimique à long terme de résidus miniers sulfureux en pâte, placés dans un modèle  physique (200 cm de longueur par 50 cm de largeur par 100 cm de hauteur), en vue de simuler leur comportement hydrogéologique et géochimique dans le temps. Les paramètres granulométriques des résidus, une fois mélangés, sont montrés sur le tableau 3.5 (chapitre 3) : le D10 est de 2,9 ).lill, le D50 est de 27 ).lill et le D90 est de 105 ).lill, ce qui reflètent une granulométrie typique à celles rapportées dans la littérature pour les résidus issus des mines traitant des minerais en roches dures avant leur déposition dans le parc à rejets de concentrateur (Aubertin et al., 2002 ; Benzaazoua et al., 2003 ; Bussière, 2007). La densité relative moyenne est Gs = 3 .12, reflétant la teneur en sulfure qui est de 6,1 %. Le potentiel net de neutralisation analysé (PNN = PN-PA de -126 CaC03 kg/t) démontre que le résidu est générateur d’acide. L’eau interstitielle (tableau 3.6) a une conductivité élevée ( 4150 )J.mhos ), un pH de 8,17 et une concentration en sulfates de 25 86 mg/L. La composition minéralogique du mélange de résidus déterminée par DRX est la suivante : quartz (35,59 %), muscovite (18,52 %), chlorite (9,62 %), pyrite (9,55 %), paragonite (7,82 %), albite (6,60 %), dolomite (5,79 %), calcite (5,01 %) et gypse (1,51 %). Pour plus de détails sur les caractéristiques de ces résidus, le lecteur pourra consulter le chapitre 3.

Résultats du suivi du test cinétique en modèle physique:

Cette section du chapitre présente l’évolution du volume d’eau récupéré en bas du modèle physique après chaque cycle de mouillage (du 1er au 27e cycle). On montre également 1′ évolution des teneurs en eau au niveau des différentes couches de résidus dans le modèle et des fissures de dessiccation en surface de la dernière couche déposée à l’intérieur du modèle (couche 9). Enfin, on présentera les résultats des analyses des eaux drainées en bas du modèle à chaque cycle de mouillage/drainage, en termes de pH, de Eh, de conductivité, et les concentrations des éléments en solution par ICP-AES.

Évolution des propriétés hydrogéotechniques du dépôt:

Volumes d’eau récupérés en bas du modèle physique
À la suite de chaque cycle de mouillage, on mesure le volume d’eau drainée en bas du modèle physique. À la figure 4.3, on présente ainsi, l’évolution de la quantité des eaux de lixiviation à partir du modèle jusqu’au 27e cycle de mouillage (juste avant l’ajout de la lûe couche cimentée). Durant les premiers cycles de mouillage/séchage, le volume d’eau récupéré à partir du modèle physique, à la suite de chaque mouillage, était très variable (figure 4.3). Une augmentation progressive du volume d’eau drainé a été observée du 7e cycle jusqu’ au 14e cycle (de 1 Là 12 L). À la suite de cette phase, une chute drastique en termes de volumes d’eau récupérée a été observée au 15e cycle. En effet, il a été décidé, juste après le 14 e mouillage, de prolonger la période de séchage de deux semaines supplémentaires, dans le but de simuler une période de séchage plus longue et d’étudier son effet sur le comportement du tas de résidus dans le modèle physique. À la suite du 15e rinçage, et à la fin de la période de mouillage, aucune goutte d’ eau n’ a été collectée en bas du modèle physique, donc aucune analyse de ph, de Eh, de conductivité et d’analyse chimique ICP-AES n ‘a été effectuée durant ce cycle. Pour mieux comprendre l’effet de cette prolongation de la période de séchage sur le comportement hydrogéologique et géochimique de la pâte, 1’ étude des autres propriétés du dépôt, entre autres, de la teneur en eau et du degré de saturation, sera mieux détaillée plus bas.

Discussions des résultats en lien avec le comportement du DPS pendant le test:

Ce travail a été pour objectif -principal- d’ étudier le comportement géochimique et hydrogéologique des résidus en pâte, simulant un dépôt en surface à l’échelle du modèle physique au laboratoire. Le modèle a été rempli dans un premier lieu avec 9 couches de résidus en pâte. Juste les deux premières couches inférieures ont été cimentées avec 2 % du ciment type CP1 0. Les résidus ont été rincés toutes les 4 semaines avec 40 L d’ eau du robinet. L’étude était divisée en cinq étapes : (i) le dépôt de la pâte, (ii) les cycles de mouillage et de séchage de la pâte, (iii) carottage et analyse des échantillons après le 10e cycle de mouillage et de séchage, (iv) dépôt de la 10e couche (cimentée) à la fin du 27e cycle du séchage et, (v) démantèlement du modèle physique au milieu du 34e cycle de séchage et analyses des échantillons. Les trois premières parties de ce travail ont été réalisées par Deschamps (2009).

CONCLUSIONS:

Une des techniques proposées durant les dernières années pour la gestion des rejets miniers est le dépôt de pâte en surface (DPS). Cette technique pourrait être une bonne alternative à la déposition conventionnelle des résidus de concentrateurs dans les parcs. Bien que la technique des DPS soit une technique prometteuse, il n’y a encore que très peu d’études portant sur les différents paramètres pouvant affecter leur comportement environnemental à long terme. Le principe de la technique des DPS consiste principalement à épaissir et à filtrer les résidus de concentrateur et à les transporter par la suite par pompage et finalement, les déposer sous forme de pâte plus ou moins dense en surface. Ainsi, il n’y a plus ou très peu d’eau libre, il n’est alors pas nécessaire de construire des digues de rétention d’eau. Cela permet donc de récupérer une partie importante de l’eau en amont de la déposition et qui peut être réutilisée dans les procédés de traitement.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1 Problématique
1.2 Les différentes techniques de gestion des résidus miniers
1.3 Déposition des résidus à 1′ état épaissis en surface
1.4 Objectifs du projet
1.5 Contenu du mémoire
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE AU SUJET DES DÉPÔTS DE RÉSIDUS
ÉPAIS SIS ET EN PÂTE DE SURF ACE 
2.1 Généralités sur les dépôts de résidus épaissis en surface : cas des dépôts de résidus en pâte
2.2 Principales propriétés géotechniques et hydriques des résidus en pâte
2.3 Comportement hydrogéologique des résidus en pâte de surface
2. 3.1 L’évaporation dans les résidus en pâte déposés en surface
2. 3.2 L’évolution de la succion du matériel
2.3.3 La fissuration dans les résidus en pâte déposés en surface
2.3.4 Influence des conditions climatiques sur le comportement hydrogéologique des résidus
en pâte déposés en surface
2.4 Comportement géochimique des résidus en pâte de surface
2.5 Utilisation des liants hydrauliques avec les résidus miniers : cas des remblais en pâte
2.5.1 Fabrication et principales caractéristiques des remblais miniers en pâte cimentés
(RMPC)
2.5.2 Hydratation des ciments au sein des remblais miniers en pâte cimentés
2.5.3 Comportement environnemental des remblais miniers souterrains
2. 5.4 Similarité et différences entre les DPS et les RMPC
2.6 Leçons tirées des applications actuelles de dépôts de résidus épaissis en surface
2.7. Besoins en recherche
CHAPITRE 3 MATÉRIELS ET MÉTHODES
3.1 Description des méthodes de caractérisation des résidus étudiés
3.1.1 Méthodes de caractérisation des échantillons de résidus miniers
3 .1.1.1 Mesure de propriétés physiques des résidus
3.1.1.1.1 Distribution granulométrique
3.1. 1.1.2 Surface spécifique
3.1.1.1.3 Densité relative des grains
3.1.1.1.4 État de saturation du matériel utilisé
3.1.1.2 Analyses chimiques multiéléments par ICP-AES
3.1.1.3 Analyses minéralogiques
3.1.1.3.1 Diffraction des rayons X.
3 .1.1.4 Potentiel de génération d’acide
3.1.2 Méthodes d’analyses de la qualité des eaux de lixiviation
3.1.2.1 Analyses du pH, du Eh et de la conductivité
3.1.2.2 Analyses multiéléments par ICP-AES
3.2 Matériels utilisés dans l’étude
3.2.1 Résidus miniers étudiés
3.2.2 Ciment Portland ordinaire
3.3 Modèles physiques utilisés dans 1 ‘étude
3.3.1 Essais en colonnes
3.3.2 Essais en boîte de taille intermédiaire
3.3.2.1 Mise en place du tas multicouche de résidus épaissis
3.3.2.2 Mise en place d’un dépôt-couverture de résidus en pâte cimenté
3.3.2.3 Suivi de l’essai en modèle physique :tests de mouillage/séchage
CHAPITRE 4 COMPORTEMENT HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOCHIMIQUE À LONG TERME D’UN DÉPÔT DE RÉSIDUS EN PÂTE 
4.1 Introduction
4.2 Résultats du suivi du test cinétique en modèle physique
4. 2.1 Évolution des propriétés hydrogéotechniques du dépôt
4.2.1.1 Volumes d’eau récupérés en bas du modèle physique
4.2.1.2 Évolution de la teneur en eau lors des cycles de mouillage/séchage
4.2.1.3 Fissures de dessiccation en surface de la couche 9
4.2.2 Évolution de la qualité des eaux drainées
4.2.2.1 pH, conductivité et Eh
4.2.2.2 Évolution des concentrations des éléments chimiques
4.3 Discussion
4. 3.1 Évolution du degré de saturation des différentes couches de résidus
4.3.2 Réactivité chimique des rejets dans le modèle physique
4.4 Conclusions
CHAPITRE 5 AUTRES CONSIDÉRATIONS D’IMPORTANCE 
5.1 Introduction
5.2 Effet de l’ajout d ‘une couche couverture de DPS cimentée
5.2.1 Évolution des propriétés du dépôt
5.2.1.1 Fissures de dessiccation en surface de la couche 10
5.2.1.2 Volumes d’ eau récupérés en bas du modèle physique.
5 .2.1.3 Évolution de la teneur en eau lors des cycles de mouillage/drainage
5.2.2 Qualité des eaux drainées
5.2.2.1 pH, conductivité et Eh
5.2.2.2 Évolution des concentrations des éléments chimiques
5.2.3 Évolution du degré de saturation des différentes couches de résidus
5.2.4 Réactivité des rej ets compacts dans le modèle physique
5.3 Effet d’échelle
5.3.1 Évolution des volumes d’ eau récupérés en bas des modèles physiques
5.3.2 Qualité des eaux drainées
5.3.2.1 pH, conductivité et Eh
5.3.2.2 Évolution des concentrations des éléments chimiques
5. 3.3 Réactivité des rej ets compacts dans les deux colonnes Co et Cl
CHAPITRE 6 CARACTÉRISATION POST TEST DU DÉPÔT DE RÉSIDUS EN PÂTE 
6.1 Introduction et résultats mi -péri ode
6.2 Procédures de démantèlement final du test et principales observations
6.3 Caractéristiques microstructurales
6.4 Caractéristiques chimiques et minéralogiques, profils en profondeur
6.5 Discussions des résultats en lien avec le comportement du DPS pendant le test
CHAPITRE 7 CONCLUSIONS

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