Soutenance mémoire
Principaux facteurs d’influence de la résistance des RPC
Généralités sur les remblais miniers
Le remblayage minier souterrain est une pratique utilisée depuis quelques décennies. Il a été utilisé
pour la première fois en 1864 en Pennsylvanie avec du remblai pulpeux cimenté (Belem, 2013).
Le remblayage minier a pris son envol vers les années 1950 et est actuellement pratiqué dans presque toutes les mines souterraines du monde. Au Canada, le remblayage souterrain a commencé depuis plusieurs années et selon la chronologie suivante (Belem, 2013):
• 1950: début du remblai hydraulique non cimenté
• 1960 : remblai hydraulique cimenté
• 1980 : remblai rocheux cimenté et naissance du remblai mixte hydraulique-rocheux
• 1990 : remblai haute densité cimenté et remblai en pâte cimenté
Le remblai minier est devenu aujourd’hui indispensable pour les exploitations souterraines du fait de ses avantages économique, sécuritaire et environnemental. Il est utilisé pour l’optimisation des exploitations minières comme support des excavations souterraines, assurant ainsi la stabilité physique des chantiers. Economiquement rentable, il vient soutenir les besoins de la production en assurant la stabilité des terrains et permet aussi 1′ ouverture sécuritaire de nouvelles galeries. Il permet également d’enfouir une quantité importante des rejets miniers potentiellement néfastes pour l’environnement et réduit l’empreinte écologique des mines. Il existe plusieurs types de remblai dans l’industrie minière, leurs caractéristiques dépendent de la nature des matériaux utilisés. Les plus connus sont :
• Le remblai hydraulique
• Le remblai rocheux
• Le remblai cimenté en pâte
Remblai hydraulique
Il est constitué de rejets de concentrateur classifiés par hydrocyclonage (aussi appelé deshlamage), d’eau et parfois d’un agent liant, pour un pourcentage solide massique compris entre 60 et 70% de la masse de résidus secs (Grice, 1998; Hassani & Archibald, 1998; Dorricott & Grice, 2002; Benzaazoua et al., 2005a; Potvin et al., 2005; Ouellet, 2006; Rankine et al., 2006; Sivakugan et al., 2006; Belem, 2013). Pour favoriser le drainage du remblai, la proportion de superfines (d < 10 ).lm) doit être la plus faible possible dans les résidus. Thomas & Holtam (1989) ont classifié les remblais hydrauliques en fonction du pourcentage de particules superfines présents dans les rejets de concentrateur . Le remblai hydraulique est transporté par gravité à travers les trous de forage et les pipelines vers les chantiers ouverts à remblayer. Le surplus d’eau dans les chantiers doit être évacué par pompage vers la surface ou recyclée ailleurs dans la mine. C’est un remblai qui est facile à préparer, à transporter et son coût de production est faible. Il y a cependant deux inconvénients majeurs dans son utilisation (Grice, 1998; Belem, 2013). Le premier est lié aux barricades qui doivent être construites pour retenir le remblai et faciliter le drainage de l’eau en excès. Le second est relatif à la gestion de l’eau dans le chantier remblayé.
Remblai en pâte cimenté (RPC)
L’introduction des méthodes de minage à grand volume et la profondeur des nouvelles mines ont poussé l’industrie minière à développer un nouveau type de remblai plus résistant que le remblai hydraulique: le remblai en pâte cimenté. Le remblai en pâte a été développé à l’origine par Preussag en Allemagne et utilisé à la mine Bad Grund à la fin des années 1970 (Grice, 1998; Belem, 2013).
Son utilisation au Canada a commencé vers les années 1980 dans les mines INCO à Sudbury. Au Québec, c’est à la mine Louvicourt près de Val d’Or où le remblai en pâte fut utilisé pour la première fois en 1994 (Belem, 2013). Le rôle premier du remblai en pâte cimenté est de jouer au support de terrain afin de maintenir la stabilité structurale des ouvertures pendant l’exploitation minière (Belem & Benzaazoua, 2008a; Belem, 2009; Hassani & Archibald, 1998; Landrault, 1997).
Aussi, du fait de ses avantages environnementaux, le RPC est essentiel dans la pratique de la gestion intégrée des résidus miniers. Parmi ces avantages environnementaux on peut noter que:
• du fait de son degré de saturation élevé, l’oxydation des sulfures (faible diffusion de l’oxygène) est réduite de manière significative dans le RPC, ce qui permet d’éviter le phénomène d’auto-ignition, souvent rencontré dans les remblais hydrauliques sulfureux et quelques fois dans le RPC (Benzaazoua & Belem, 2001; Godbout, 2012; Belem, 2013);
• des études ont montré que l’ajout de liant dans le remblai en pâte permet de réduire la mobilité de certains métaux lourds, grâce à une stabilisation/solidification des hydrates du liant (Benzaazoua et al., 2004; Coussy, 2011); la présence de liant dans le remblai en pâte entraine également une diminution de sa conductivité hydraulique saturée (Belem et al., 2001; Godbout, 2005);
• le retour sous terre de près de 50% des rejets potentiellement polluants permet de réduire ainsi les coûts de gestion des rejets en surface et les coûts de restauration (Belem, 2013).
Principaux ingrédients dans les RPC
Les résidus miniers:
Le traitement du minerai transforme le minéral brut extrait de la mine en un produit de valeur, appelé concentré et le reste est dénommé résidus miniers (CE, 2009). Les résidus qui sortent de l’usine de traitement sont à l’état pulpeux avec un pourcentage solide compris entre 25 et 50% (Bussière, 2007; Ouattara, 2009). Ils sont ensuite passés dans des épaisseurs pour atteindre un pourcentage solide entre 50 et 70%. Des filtres sous vides ou à presse sont alors utilisés pour ramener le pourcentage solide entre 70 et 85% massique, les résidus sont alors dans un état presque sec et qu’on appelle «gâteau» de résidus filtrés. C’est à partir de cet état des résidus que RPC est fabriqué (en laboratoire et à l’usine de remblai).
Le remblai en pâte utilise les résidus tout-venant dans sa préparation plutôt que la partie grossière comme dans le cas du remblai hydraulique (MEND, 2006). Des études ont montré que les propriétés des remblais varient en fonction des caractéristiques physiques, chimiques et minéralogiques des résidus utilisés (Boldt et al., 1989; Amaratunga & Yaschyshyn, 1997; Hassani & Archibald, 1998; Annor, 1999; Belem et al., 2000; Benzaazoua et al., 2001; 2002; 2004; Fall et al., 2005; Kesimal et al., 2005; Belem, 2013). Les paramètres physiques les plus importants des résidus miniers sont la densité relative et la granulométrie.
L’eau de mélange:
L’eau est ajoutée au mélange pour faciliter le malaxage et le transport du remblai sous terre. Cette
eau peut être de l’eau de lamine recyclée, de l’eau de lac ou de robinet, entre autres.
Effet du type de liant
Le type de liant utilisé dans le remblai en pâte est choisi en fonction de la résistance qu’il procure mais aussi de son coût. Idéalement, plusieurs types de liant sont testés au laboratoire avant le choix final. Les liants les plus utilisés sont le ciment Portland type GU, les laitiers de hauts fourneaux (Slag) et la Fly Ash. Des études ont montré que le type de liant peut jouer sur la résistance mécanique du remblai à court, moyen et long terme (Belem et al., 2000; Cayouette, 2003; Benzaazoua et al., 2003; 2004a; Kesimal et al., 2004; Godbout, 2005; Belem et Benzaazoua 2008b; Peyronnard & Benzaazoua, 2012).
Pour étudier l’effet du type de liant sur la résistance du remblai, Benzaazoua et al. (2002) ont préparé des remblais en utilisant des résidus ayant les mêmes caractéristiques physiques et chimiques et différents types de liants. Les résultats de cette étude montrent que le liant GU-Slag (20-80) donne de meilleures résistances. Cela est dû au fait que ce type de liant est plus approprié pour ce type de résidus. En effet, l’effet pouzzolanique de la Slag augmente la formation de C-S-H plus stable que la portlandite en milieu agressif. La Slag consomme la portlandite libérée par le ciment pour former des hydrates silico-calciques (C-S-H) responsables du durcissement du remblai. Ce type de liant donne aux résidus moyennement sulfureux de meilleures résistances mécaniques (Belem et al., 2000; Benzaazoua et al., 2004).
Le liant composé de Portland type 10 ou GU et le FA (Fly Ash) donnent les résistances les plus faibles. Celas ‘explique par le fait que l’hydratation du FA commence à des pH supérieurs à 13.2 (Neville, 1981)
Influence de l’eau de mélange
L’eau est utilisée dans les remblais miniers pour bien homogénéisé le mélange et assurer son transport sous terre. Elle est composée de l’eau interstitielle des résidus et l’eau de mélange (eau d’appoint). Celle-ci peut être de l’eau de mine recyclée, l’eau de lac, l’eau de mer ou l’eau de robinet. Cette eau, de par sa composition chimique, peut avoir des interactions avec les constituants de la matrice de remblai.
Pour étudier l’effet de l’eau mélange sur la résistance du remblai, Benzaazoua et al. (2002) ont utilisé une eau de robinet, une eau de lac et une eau de mine recyclée et quatre (4) types de liants pour préparer des remblais en pâte cimentés. Les remblais préparés avec l’eau de robinet donnent de meilleures résistances que ceux fabriqués avec l’eau de lac ou l’eau recyclée pour différents liant utilisés.
Dans le cas où la mine est proche de la mer, l’eau de mer peut être utilisée pour la fabrication des remblais. Cependant, celle-ci peut affecter la résistance du remblai (Wang & Villaescusa, 2000; Potvin et al., 2005, URSTM, 2014). Pour étudier l’effet de la salinité de l’eau de mélange sur la résistance mécanique, Wang & Villaescusa (2000) ont préparé des remblais avec des eaux à différentes de teneur en sel (5, 10 et 20.8%). Les résultats montrent une chute de résistance de 10% par rapport au témoin, préparé avec une eau fraiche (sans sel). Cependant, dans certain cas, l’eau saline peut donner une meilleure résistance que l’eau de robinet (Potvin et al., 2005).
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1. Contexte de l’ étude
1.2. Problématique de l’étude
1.3. Objectifs de l’étude
1.4. Hypothèses et cadre scientifique de l’ étude
1.5. Structure du mémoire
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1. Généralités sur les remblais miniers
2.2. Remblai hydraulique
2.3. Remblai en pâte cimenté (RPC)
2.3.1. Principaux ingrédients dans les RPC
2.3.2. Principaux facteurs d’influence de la résistance des RPC
2.4. Remblai rocheux
2.5. Remblais mixtes ou hybrides
2.5.1. Remblai rocheux avec ajout de sable ou de résidus miniers
2.5.2. Remblais hydraulique ou en pâte contenant du sable
2.5.3. Remblai hydraulique ou en pâte avec granulats
2.6 Besoins en recherche
CHAPITRE 3 MATÉRIAUX UTILISÉS, MÉTHODES ET RÉSULTATS DE CARACTÉRISATION
3.1. Matériaux utilisés
3.1.1 Résidus miniers
3.1.2 Stériles miniers
3.1.3 Liants hydrauliques
3.1.4 Eau de mélange
3.2. Méthodes de caractérisation des échantillons
3.2.1. Caractérisation physique
3.2.2. Analyses chimiques
3.2.3. Caractérisation minéralogique
3.3. Résultats de la caractérisation des matériaux
3.3.1. Caractéristiques physiques des rejets
3.3.2. Résultats des analyses chimiques
3.3.3. Comportement environnemental des rejets
3.3.4. Résultats du DRX
3.4. Programme expérimental
3.4.1. Mesure de l’affaissement au cône
3.4.2. Formulation des recettes
3.4.3. Préparation des mélanges
3.4.4. Étude de la ségrégation des particules
3.4. 5. Essais de compression uniaxiale
CHAPITRE 4 ARTICLE 1: PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CEMENTED TAILINGS PASTE/CRUSHED AGGREGATE FOR UNDERGROUND VOID FILLING
4.1 Introduction
4.2 Materials and methods
4.2.1 Tested materials
4.2.2 Materials characterization
4.2.3 Experimental program
4.2.4 Methods
4.3 Results and discussion
4.3.1 Water drainage from the paste aggregate fill specimens
4.3.2 Compressive strength of cemented paste aggregate fill
4.3.3 Paste aggregate fill particle segregation
4.3.4 Discussion
4.4 Concluding remarks
4.5 Appendices
CHAPITRE 5 DISCUSSION GÉNÉRALE
5.1 Effet du pourcentage et du diamètre des granulats sur les propriétés mécanique et
physique des remblais
5.2 Effet de la minéralogie des granulats sur la résistance mécanique du remblai mixte
5.3 Effet du Slump sur la ségrégation des particules
CHAPITRE 6 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
6.1 Conclusion
6.2 Recommandations
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