Influence des recouvrements sur la réactivité des résidus miniers

Techniques de restauration des parcs à résidus miniers générateurs de DMA en climat tempéré

Barrière à l’oxygène

Pour contrôler l’apport en oxygène, on peut installer des recouvrements ayant une perméabilité au gaz extrêmement faible ou encore un recouvrement qui consomme l’oxygène; on appelle ces méthodes les barrières à l’oxygène. L’eau, les sols, les matériaux synthétiques et des combinaisons de ces matériaux peuvent être utilisés pour créer un recouvrement à faible perméabilité au gaz, alors que les matériaux organiques sont généralement utilisés comme composante des recouvrements à consommation d’oxygène. De façon plus spécifique, les techniques les plus courantes pouvant être utilisées pour contrôler les flux d’oxygène sont le recouvrement en eau, les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) et le recouvrement monocouche avec nappe surélevée.

Le recouvrement en eau consiste à ennoyer les résidus de façon à empêcher la migration de l’oxygène vers ces derniers en profitant du fait que la diffusion de l’oxygène à travers l’eau est faible (10 000 fois plus faible que dans l’air). Même si l’eau contient de l’oxygène dissout, les flux sont habituellement suffisamment faibles pour ne pas générer de l’acidité de façon importante. Cependant, d’autres phénomènes tels que la remise en suspension et l’ infiltration à travers des rejets peuvent réduire leur performance. Une revue de littérature sur ce type de recouvrement a été réalisée récemment dans la thèse d’Awoh (2012).

Barrière à l’infiltration d’eau

L’eau est un des réactifs essentiels à la formation de DMA. En excluant l’apport en eau aux résidus miniers sulfureux, on peut réduire ou même éliminer la production de DMA. Pour ce faire, on doit aménager des barrières peu perméables, qui empêchent l’infiltration des eaux de surface et souterraines. Ces barrières peuvent être faites de sols à faibles conductivités hydrauliques saturées (ex. argiles compactées) ou de matériaux synthétiques peu perméables (géomembrane ou géocomposite bentonitique ). Les recouvrements visant à réduire l’infiltration dans les aires d’accumulation de rejets miniers générateurs de DMA sont du même type que ceux développés pour les sites d’enfouissement de déchets domestiques, dangereux ou nucléaires (voir Aubertin et al., 1995 pour plus de détails).

Restauration de sites miniers en environnement nordique

En environnement nordique, la restauration de sites miniers est complexe et soumis à divers défis tels que la présence de pergélisol, les conditions climatiques difficiles, l ‘éloignement causant une logistique plus compliquée et les changements climatiques (Bussière et Hayley, 2010). Des contraintes supplémentaires s’ajoutent lors de la mise en place du mode de restauration telles qu’une période estivale plus courte, l’accessibilité aux matériaux de recouvrement, l’effet des cycles de gel et de dégel sur les propriétés des matériaux de recouvrement, pour n’en nommer que quelques-unes (O’Kane Consultants Inc., 2012). Les méthodes considérées pour la restauration de parc à résidus miniers potentiellement générateurs de DMA en environnement nordique sont le recouvrement en eau, le recouvrement fait de matériaux peu perméables ou synthétiques, le recouvrement multicouche, le recouvrement saturé et le recouvrement isolant (Rykaart et Hocldey, 2009; O’Kane Consultants Inc., 2012).

Le recouvrement isolant est une méthode spécialement conçue pour les conditions nordiques. Cette méthode vise à intégrer les résidus miniers dans le pergélisol afin de les maintenir dans un état constamment gelé. À faible température, les cinétiques de réactions géochimiques et biochimiques à la base du DMA sont presque nulles. Également, le gel peut restreindre la migration des polluants dans l’environnement (Holubec, 1993; Dawson et Morin, 1996). Pour empêcher le dégel des résidus, une couche de matériel non réactif est posée à la surface des résidus miniers, ce qui permet l’isolation des résidus du réchauffement de surface saisonnier.

Description du concept du recouvrement isolant

Afin de limiter la formation de drainage miniers acide (DMA) et la migration de métaux en climat nordique, il a été proposé d ‘intégrer les résidus miniers dans le pergélisol (Holubec, 1993; Dawson et Morin, 1996). Cette proposition est basée sur le fait que les cinétiques de réactions géochimiques et biochimiques sont presque nulles à faible température et que le gel peut restreindre la migration des polluants dans l’environnement. Il est possible d’intégrer les résidus miniers au pergélisol en climat nordique car une grande portion du sol est gelée à l’ année. Le pergélisol est défini comme un sol dont la température est égale ou inférieure à 0°C pour deux années consécutives (Rykaart et Hockley, 2009). Cette définition ne prend pas en compte les phénomènes qui affectent les caractéristiques physiques et chimiques du pergélisol, tels que l’abaissement du point de congélation, la teneur en glace et en eau, la température du pergélisol, etc. Andersland et Ladanyi (2004) définissent la limite arbitraire entre le pergélisol continu et discontinu à l’isotherme de température moyenne annuelle du sol (Ts) de -S°C, mesuré juste en dessous de la profondeur où l’amplitude annuelle de température est nulle. La présence du pergélisol et ses caractéristiques (température, sensibilité au gel ou dégel) varient selon la température de l’air, la topographie locale, l’hydrologie, la teneur en eau du sol, l’épaisseur de neige, la végétation et le type de sol.

Comportement thermique et hydrique du sol en période de gel et de dégel

Structure d’un sol gelé

Un sol non saturé en période de gel peut être subdivisé en trois zones distinctes, soit la zone gelée, la frange gelée et la zone non gelée (Miller, 1972; Harlan, 1973),  où il y a coexistence des cinq composantes mentionnées précédemment. La frange gelée est la zone située entre les lentilles de glace (si présentes) et le sol non gelé. Il y a possibilité de migration d’eau non gelée vers la zone gelée, où la succion est la plus forte, en passant au-travers de la frange gelée. Ce mouvement d’eau peut mener à la formation de lentilles de glace à l’extrémité supérieure de la frange gelée. La quantité d’eau qui migre vers les lentilles de glace sera fonction de la perméabilité du sol non gelé et de la frange gelée. Dans la zone gelée, le mouvement d’eau est minimal puisque la présence de lentilles de glace coupe l’apport en eau.

Processus liés au gel-dégel

En période de gel, la diminution de la température de l’air cause la diminution de la température du sol en surface. Un gradient thermique se développe entre la surface qui est plus froide et le sol sous-jacent, causant un transfert de chaleur par conduction et convection. Lorsque la température du sol diminue sous le point de congélation de 1 ‘eau interstitielle, une partie de cette eau gèle et relâche de la chaleur latente dans le système en raison du changement de phase. La quantité d’eau liquide qui diminue créé des pressions négatives dans le sol. Ces pressions négatives causent un déplacement de l ‘eau liquide des régions avoisinantes vers le front de gel, phénomène appelé cryosuccion. Cette eau gèle à son tour et relâche de la chaleur latente. Le relâchement de chaleur latente s’oppose au refroidissement du sol et cause le maintien de la température du sol aux alentours de 0°c pour une certaine période de temps. Pour permettre le refroidissement, une quantité importante de chaleur latente doit être enlevée du sol. Ce phénomène, appelé phase zéro, se produit proche du front de gel, dans la plupart des sols organique ou minéral, de partiellement saturés à saturés (Outcalt et al., 199a).

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Problématique environnementale reliée à la restauration des parcs à résidus miniers
1.2 Drainage minier acide (DMA)
1.3 Techniques de restauration des parcs à résidus miniers générateurs de DMA en climat tempéré
1.3.1 Barrière à l’oxygène
1. 3.2 Barrière à l’infiltration d’eau
1.4 Restauration de sites miniers en environnement nordique
1.5 Contexte et objectif du projet de recherche
1.6 Contenu et contributions scientifiques du mémoire
CHAPITRE 2 LITTÉRATURE PERTINENTE À L’ÉTUDE
2.1 Description du concept du recouvrement isolant
2.2 Facteurs influençant la performance d’un recouvrement isolant
2.2.1 Réactivité des résidus miniers
2.2.2 Degré de saturation
2.2.3 Température
2.2.4 Ajout du recouvrement isolant
2.3 Comportement thermique et hydrique du sol en période de gel et de dégel
2.3.1 Structure d ‘un sol gelé
2.3.2 Processus liés au gel-dégel
2.4 Lois de comportement thermo-hydrique
2.4.1 Propriétés des matériaux
2.4.2 Équations d’écoulement d’eau
2.4.3 Équations de transfert de chaleur
2.4.4 Équation couplée d’écoulement d’eau et de transfert de chaleur
2.5 Méthodes d ‘évaluation de la performance de recouvrement isolant
2. 5.1 Méthode par profil de température
2.5.2 Méthode par tests de consommation d’ oxygène
2.6 Besoin en recherche sur le comportement des résidus miniers en climat nordique et sur les recouvrements isolants
CHAPITRE 3 SITE À L’ÉTUDE, DESCRIPTION DU DESIGN ET CONSTRUCTION DES STATIONS DE MESURE
3.1 Mise en contexte
3.2 Description du site
3. 2.1 Géologie et minéralogie
3.2.2 Description du parc à résidus
3.3 Restauration du parc à résidus de Mine Raglan
3.4 Localisation des stations de mesure
3.5 Description des différents tests de consommation d’oxygène
3. 5.1 Montage du test de consommation d’oxygène de base
3.5.2 Test de consommation d’oxygène sous recouvrement isolant partiel (1,2 m)
3.5.3 Test de consommation d’oxygène modifié (0,4 m)
3.6 Instrumentation des stations
3. 6.1 Information supplémentaire sur les instruments sélectionnés
3.6.2 Facteurs influençant la lecture de l’instrumentation
3.6.3 Calibration de la sonde de teneur en eau volumique
3.7 Construction des stations de mesure
3. 7.1 Stations non recouvertes
3.7.2 Stations recouvertes (1 ,2 m)
3.7.3 Stations recouvertes (0,4 m)
3. 7.4 Caractéristiques générales des stations
CHAPITRE 4 MATÉRIAUX, MÉTHODES ET RÉSULTATS DE CARACTÉRISATION 
4.1 Méthodes de caractérisation des propriétés des matériaux
4.1.1 Caractérisation physique
4.1.2 Caractérisation minéralogique et chimique
4.1.3 Caractérisation hydrogéologique
4.1.4 Caractérisation thermique
4.1.5 Détermination de la réactivité des résidus miniers
4.2 Résultats de la caractérisation des matériaux
4. 2.1 Résultats de la caractérisation physique
4.2.2 Résultats de la caractérisation minéralogique et chimique
4. 2.3 Résultats de la caractérisation hydrogéologique
4.2.4 Résultats de la caractérisation thermique
4.2.5 Courbe de réactivité des résidus miniers
4.3 Variabilité du test de CO
CHAPITRE 5 RÉACTIVITÉ DES RÉSIDUS MINIERS DE MINE RAGLAN 
5.1 Présentation des résultats par station
5.1.1 Généralités
5.1.2 Station S 1 (non recouverte)
5.1.3 Station S2 (non recouverte)
5.1.4 Station S3 (non recouverte )
5.1.5 Station S4 (recouvert de 1,2 m)
5.1.6 Station S5 (recouvert de 1,2 m)
5.1. 7 Station S6 (recouvert de 1,2 m)
5.1. 8 Station S7 (recouvert de 0,4 m)
5.2 Interprétation des résultats du test de consommation d’ oxygène
5.3 Interprétation des résultats de la teneur en eau volumique non gelée dans les résidus
5.4 Effet de la température sur la réactivité
5.4.1 Application de la loi d’ Arrhénius
5.4.2 Identification de la température cible
5.5 Variation spatiale des mesures in situ
5.6 Sommaire
CHAPITRE 6 INFLUENCE DES RECOUVREMENTS SUR LA RÉACTIVITÉ DES RÉSIDUS MINIERS DE MINE RAGLAN 
6.1 Comportement thermo-hydrique des recouvrements
6.1.1 Profil de température dans les recouvrements isolants partiels
6.1.2 Profil de teneur en eau volumique dans les recouvrements isolants partiels
6.2 Propriété in situ des matériaux
6.2.1 Courbe de gel
6.2.2 Comparaison des courbes de rétention d’eau in situ et en laboratoire
6.3 Efficacité des recouvrements isolants partiels
6.3.1 Méthode par profil de température
6.3.2 Méthode par tests de consommation d’oxygène
6.4 Recouvrement final
6.5 Dernières remarques
CHAPITRE 7 CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS 
7.1 Conclusions
7.2 Recommandations

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