Drainage minier acide et climat nordique

Drainage minier acide et climat nordique

Drainage minier acide en climat nordique

De manière générale, pour les sites miniers situés en climat nordique, l’oxydation des sulfures est diminuée par les basses températures et la présence de pergélisol. Les basses températures réduisent les vitesses de réaction d’oxydation géochimiques et biochimiques des minéraux sulfurés (MEND, 1996a, 1996b; Elberling et al., 2000). Certains sites miniers générateurs de drainage minier acide sont tout de même situés en région nordique (p. ex. MEND, 1996a; Elberling, 1998; Elberling et Damgaard, 2001; Godwaldt, 2001). L’oxydation des sulfures dans la zone active du pergélisol est la principale cause de la présence de drainage minier acide dans l’ Arctique (MEND, 1996a). Le dégel saisonnier de la zone active permet la fonte de la glace, l’ oxydation des sulfures, la libération des métaux et leur transport dans l’ environnement (Elberling, 2001). L’impact environnemental des aires d’entreposage de résidus miniers sulfurés est donc principalement lié à la contamination produite durant l ‘été (Elberling et al., 2007). Cependant, une portion significative de l’ oxydation annuelle des sulfures peut aussi prendre place pendant l’hiver (Elberling, 2001) et peut contribuer à près de 25% de la production totale annuelle de DMA. Le gel permet de limiter, sans toutefois contrôler en totalité, ce phénomène. L’oxydation des sulfures contenus dans les résidus miniers peut ainsi se produire jusqu’à une température de -11 oC (Elberling, 2005).

De manière générale, la cinétique des réactions d’oxydation des sulfures tend à décroître avec une baisse de la température (Elberling et al., 2000; Elberling, 2005). Même si les effets de la température sur les taux d’oxydation des minéraux sulfurés sont complexes, plusieurs études ont confirmé que la loi d’ Arrhénius est une approximation valide des taux de réaction géochimiques et biochimiques (Ahonen et Tuovinen, 1992; MEND, 1996a). La vitesse d’oxydation chimique (prédominante à pH près de la neutralité) des sulfures près du point de congélation ne représente que 15 % des vitesses mesurées à 25 oC (Nicholson, 1984; MEND, 1996a), tandis que l’oxydation biochimique près de 0 °C peut représenter environ 30% du taux maximal observé à 25-30 oC (Langdahl et Ingvorsen, 1997). Il été rapporté par Langdahl et Ingvorsen (1997) que certaines bactéries peuvent augmenter le taux d’oxydation du Fe2+ jusqu’à 8 fois celui obtenu par l’oxydation chimique seule à des températures près de 0°C.

Finalement, une analyse de la solubilité de la calcite et de la dolomite réalisée par modélisation numérique (MINTEQ) montre des augmentations des solubilités respectives de facteurs 1,4 et 1,6 lorsque la température passe de 20 à 4 oC (Allison et al., 1991). L’augmentation de la solubilité des minéraux carbonatés à basse température a une influence sur plusieurs facteurs tels que la disponibilité de l’alcalinité pour la neutralisation, la lixiviation de 1 ‘alcalinité et la solubilité des carbonates de métaux (SRK, 2006). Plus de détails concernant les effets de la température sur la réactivité et le comportement biogéochimique des résidus miniers peuvent être retrouvés, entre autres, dans Éthier (2011) ou SRK (2006).

Méthodes de restauration des parcs à résidus miniers situés en climat nordique

Plusieurs types de recouvrements sont disponibles pour la restauration des parcs à résidus miniers générateurs de DMA. Ces méthodes visent à inhiber la production de drainage minier acide en jouant sur un ou plusieurs éléments contrôlant la réaction d’ oxydation des sulfures soit la disponibilité de l’ oxygène, l’apport en eau ou la température. Des approches de recouvrement visant à limiter l ‘ infiltration d’eau (barrières à l’eau) ou l’apport en oxygène aux résidus miniers sous-jacents (barrières à l’oxygène) ont été envisagées ou mises en oeuvre dans les plans de fermetures de mines situées en milieu nordique (p. ex. MEND, 2004a; 2009, 2010). Cependant, ces deux approches n’ont pas nécessairement été conçues avec une perspective d’application en région froide. À ce jour, l’approche de restauration des parcs à résidus miniers en climat nordique la plus documentée est plutôt l’encapsulation des résidus réactifs sous un recouvrement isolant (barrière thermique) qui permet de conserver les résidus miniers gelés même l’été (p. ex. MEND, 1996a, 2004a; Meldrum et al., 2001; Coulombe, 2012; Coulombe et al., 2012).

La section présente a pour but de présenter une brève description des principes de fonctionnement des principales méthodes de restauration des parcs à résidus miniers situés en climat nordique soit (1) les barrières à l’eau, les (2) les barrières à l’oxygène et (3) les barrières thermiques. Il est à noter que des recouvrements par ennoiement sont aussi utilisés dans ces environnements. Toutefois, ils ne seront pas traités ici puisque ce mémoire est orienté sur des recouvrements construits de matériaux granulaires. Éthier (2013) et MEND (2012) présentent une synthèse des principales approches de restauration des sites d’entreposage des rejets miniers en milieu nordique.

Barrières à l’eau

Le concept du recouvrement imperméable à 1 ‘eau a d’abord été développé pour les sites d’enfouissement sanitaire (p. ex. Alther, 1987; Weeks et al., 1992; Koemer et Daniel, 1997) et a ensuite été appliqué aux parcs à résidus miniers (Aubertin et al., 1995). Ce type de recouvrement est composé d’une ou de plusieurs couches de matériaux de faible conductivité hydraulique saturée qui permettent de réduire significativement l’infiltration et le transport de l’eau percolée. Ceci permet de limiter la disponibilité de 1′ eau et donc de limiter 1’ oxydation des sulfures et la lixiviation des métaux. Des valeurs de conductivité hydraulique plus faibles que 1 o-6 cm/s à 1 o-8 cm/s sont typiquement exigées pour les matériaux à faible conductivité hydraulique saturée (Chapuis, 1990b). Ces recouvrements peuvent être constitués de géomatériaux fins naturels (p. ex. silt, argile ou till), de géomatériaux modifiés (p. ex. mélanges sol-bentonite), de géocomposites (p. ex. géomembranes bitumineuses, géocomposite bentonitique) ou de géomembrane.

Des exemples d’application où des recouvrements imperméables ont été utilisés en région nordique peuvent être trouvés aux mines Discovery et Port Radium aux Territoires du Nord-Ouest et à la mine Vénus au Yukon (MEND, 2009). Une alternative au recouvrement imperméable est le recouvrement de type évapo-transpirant. Ce type de recouvrement permet de limiter la percolation d’eau aux résidus sous-jacents en misant sur le stockage de l’eau d’ infiltration (en climat nordique -principalement lors de la fonte de la neige) dans le recouvrement et à sa libération lors de la période d’évaporation estivale (MEND, 2009, 2010). L’échange d’eau entre la couche de stockage et les résidus miniers sont, dans la plupart des cas, limités par un bris capillaire (p. ex. Bossé, 2014). Un exemple d’application de recouvrements évapo-transpirants sur des résidus miniers localisés en régions froides peut être retrouvé à la Mine Giant aux Territoires du Nord-Ouest (MEND, 2009).

Barrières à l’oxygène

En climat tempéré, les méthodes les plus efficaces pour limiter la génération de drainage minier acide visent à limiter 1 ‘apport en oxygène aux résidus miniers (Collin et Rasmuson, 1988; Nicholson et al., 1989; Elberling et Damgaard, 2001). Parmi ces méthodes, on retrouve les systèmes monocouches avec nappe surélevée (p. ex. Aubertin et al., 1999; Ouangrawa et al., 2006, 2009; Demers, 2008; Éthier et al., 2013, 2014). Ce type de recouvrement est habituellement constitué d’une couche de matériau ayant une bonne capacité à contrôler l’évaporation et à favoriser 1 ‘infiltration, ce qui encourage la remontée du niveau phréatique. Le niveau phréatique peut aussi être contrôlé en limitant 1 ‘écoulement latéral de 1 ‘eau souterraine. Un maintien du niveau phréatique près (ou au-dessus) de 1 ‘interface recouvrement-résidu permet de réduire significativement l’oxygène disponible à l’oxydation des minéraux sulfureux. En climat nordique, seulement un cas d’application d’un système monocouche avec nappe surélevée a été répertorié à la Mine Lupin aux Territoires du Nord-Ouest (MEND, 2004a).

Parmi les autres types de barrières à l’oxygène, les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) se sont avérées une approche efficace pour la restauration des parcs à résidus miniers générateurs de DMA (Bussière et al., 2003, 2006, 2007; Dagenais, 2005). Les effets de barrière capillaire sont créés lorsqu ‘un matériau avec une forte capacité de rétention d’eau (couche de rétention d’eau) est placé par-dessus un matériau de plus faible capacité de rétention d’eau. Le contraste en termes de propriétés hydrogéologiques des matériaux favorise un haut degré de saturation de la couche de rétention d’eau qui permet de limiter la migration de l’oxygène de l’atmosphère vers les résidus réactifs (p. ex. Nicholson et al., 1989; Aubertin et al., 1997; Aubertin et al., 1999; Bussière et al., 2003, 2004, 2006, 2007). Des degrés de saturation supérieurs à 85-90% permettent de réduire significativement les flux d’oxygène à travers la CEBC (p. ex. Yanful, 1993a; Aubertin et al., 1999). Jusqu’à présent, en climat nordique, les CEBC n’ont toujours pas été appliquées à grande échelle. Ce type de recouvrement est présentement à 1′ étude à 1′ échelle intermédiaire (cellule expérimentale de terrain) au site de Mine

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 Drainage minier acide et climat nordique
1.1.1 Processus de génération du drainage minier acide
1.1.2 Drainage minier acide en climat nordique
1.2 Méthodes de restauration des parcs à résidus miniers situés en climat nordique
1.2.1 Barrières à 1′ eau
1.2.2 Barrières à l’ oxygène
1.2.3 Barrières thermiques
1.3 Contexte et objectifs du projet de recherche
1.4 Organisation du mémoire et contributions scientifiques
CHAPITRE 2: REVUE CRITIQUE DE LITTÉRATURE
2.1 Les mélanges sol-bentonite
2.1.1 La bentonite
2.1.2 Structure des mélanges sol-bentonite
2.1.3 État de la pratique et bases de conception
2.2 Propriétés hydriques des mélanges sol-bentonite
2.2.1 Potentiel et pression de gonflement
2.2.2 Conductivité hydraulique saturée
2.2.3 Courbe de rétention d’eau
2.3 Propriétés thermiques des mélanges sol-bentonite
2.3.1 Conductivité thermique
2.3.2 Chaleur spécifique et capacité thermique
2.4 Influence des cycles de gel-dégel sur les propriétés des mélanges sol-bentonite
2.5 Couvertures avec effets de barrière capillaire
2.5.1 Principes hydrogéologiques
2.5.2 Mouvement des gaz
2.5. 3 Transferts de chaleur
2.6 Recouvrements miniers constitués de mélanges sol-bentonite
2.6.1 ITEC Mineral, QC
2.6.2 Myra falls, BC
2.6.3 Premier Gold Project, BC
2.6.4 Whistle Mine, BC
2.7 Besoins en recherche
CHAPITRE 3 : ARTICLE 1: LABORATORY EVALUATION OF CRUSHED ROCKBENTONITE HYDRO-GEOTECHNICAL PROPERTIES
Abstract
Résumé
3.1 Introduction
3.2 Materials and methods
3.2.1 Materials
3.2.2 Basic properties
3.2.3 Rock-bentonite sample preparation
3.2.4 Saturated hydraulic conductivity
3.2. 5 Water retention curve
3.2.6 Freeze-thaw cycles hydraulic conductivity tests
3.2.7 Thermal conductivity
3.3 Results
3.3.1 Permeability tests results
3.3.2 Water retention curve
3.3.3 Freeze-thaw permeabilitytests results
3.3.4 Thermal conductivity tests results
3.4 Discussion
3.5 Conclusion
Acknowledgements
References
CHAPITRE 4: ARTICLE 2 : INFLUENCE OF FREEZE AND THAW CYCLES ON THE PERFORMANCE OF COVERS WITH CAPILLARY BARRIER EFFECTS MADE OF CRUSHED ROCK-BENTONITE MIXTURES TO CONTROL OXYGEN MIGRATION
Abstract
4.1 Introduction
4.2 Oxygen diffusion in soil co vers
4.3 Materials and methods
4.3.1 Main physical and geotechnical properties
4.3.2 Column design
4.3.3 Oxygen diffusion test
4.3.4 Experimental approach
4.4 Column testing results
4.4.1 Volumetrie water content profiles and evolution
4.4. 2 Oxygen diffusion tests
4.4.3 Column dismantlingresults
4.5 Discussion
4.5.1 Effective oxygen diffusion coefficient determination
4.5.2 Steady-state oxygen flux through cover
4.5.3 Freeze/thaw influence on CRBM
4.6 Conclusion
Acknowledgements
References
CHAPITRE 5 : DISCUSSION GÉNÉRALE
5.1 Colonne test et développement méthodologique
5.1.1 Épaisseur de compactage
5.1.2 Méthode de saturation
5.1.3 Performance de la colonne test
5.2 Profils de gel-dégel.
5.3 Perspectives d’ avenir..
5.3.1 Distribution granulométrique du concassé utilisé
5.3.2 Type et teneur en bentonite
5.3.3 Mise en place et performances initiales
CHAPITRE 6 : CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
6.1 Conclusions
6.2 Recommandations
LISTE DE RÉFÉRENCES
ANNEXES

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