3D Numerical Evaluation of Consolidation of Tailings Co-Disposed with Waste Rocks in Open Pits

Les résidus et les stériles sont les deux principaux déchets miniers résultant des activités minières. Une gestion et une valorisation appropriées de ces déchets miniers sont nécessaires pour éviter les dommages environnementaux et les défaillances géotechniques ayant des conséquences importantes pour les activités minières et l'environnement environnant. Les problèmes environnementaux peuvent inclure le drainage minier acide ou le drainage neutre contaminé, tandis que des défaillances géotechniques peuvent se produire avec une liquéfaction dynamique ou statique, ce qui peut entraîner des conséquences catastrophiques en aval. Une technique de gestion des déchets miniers est le stockage en fosse qui présente de nombreux avantages par rapport aux infrastructures d'entreposage (TSF) en surface. Cette technique permet d'isoler physiquement les résidus à l'aide du milieu environnant et réduire les coûts de maintenance à long terme. Une enveloppe perméable, composée de matériaux grossiers ou d'une paroi rocheuse naturelle poreuse et installée le long du périmètre de la fosse, peut en outre contribuer à contrôler les contaminations potentielles par lessivage des résidus. Le principe fondamental de cette technique est que l'enveloppe perméable est plus perméable que les résidus et que l'eau souterraine s'écoule donc autour de la masse de résidus au lieu de la traverser. Des inclusions de stériles (WRI) ont également été proposées pour accélérer la consolidation des résidus et donc améliorer à la fois la stabilité dynamique des TSF de surface du sol et le taux de consolidation des résidus et ces effets ont été prouvés numériquement et expérimentalement. Les WRI peuvent également renforcer les parcs à résidus, empêcher le déplacement excessif des parcs à résidus pendant et après les événements sismiques. L'enveloppe perméable pourrait également contribuer à améliorer le taux de consolidation des résidus en fonctionnant de la même manière que le WRI dans les ISR. L'application de stériles sous forme d'enveloppe perméable (drain latéral) et d'inclusions (drain central) pour former de multiples voies de drainage dans la fosse pourrait favoriser davantage les avantages mentionnés ci-dessus. Les applications de cette nouvelle approche de gestion des déchets miniers peuvent également rencontrer plusieurs défis et inconnus qui peuvent limiter son application. Par exemple, les inconnus sur les évolutions non linéaires des propriétés de consolidation des résidus en pulpe (les travaux antérieurs considèrent généralement une conductivité hydraulique et une rigidité constante des résidus), les gains ou pertes nets de volume des résidus, et les effets des contraintes pratiques lorsque la méthode de co-disposition est appliqué dans la fosse reste difficile. L'objectif principal de cette étude était donc d'étudier numériquement les comportements de consolidation des résidus co-disposés avec plusieurs voies de drainage composées de stériles dans une fosse. Plus précisément, une approche visant à modifier les propriétés des matériaux devait d'abord être développée et validée. Il était également très important d'étudier les influences du WRI sur les consolidations des résidus et les gains/pertes nets de volume en utilisant l'approche proposée. Enfin, les effets des contraintes pratiques sur l'application de la technique de co-disposition en fosse devaient également être examinés. Une approche pour modifier les paramètres de Mohr Coulomb a d'abord été proposée et intégrée dans FLAC3D pour simuler explicitement la non-linéarité des propriétés des résidus, des simulations numériques couplées hydromécaniques ont ensuite été réalisées pour relever ces défis lorsque la technique de co-disposition a été réalisée dans une ISR simplifiée. Et dans une fosse à échelle réelle. Les résultats ont montré que l'approche développée pouvait représenter raisonnablement bien l'évolution non linéaire des propriétés des résidus lors du processus de remplissage. Les résultats ont également montré que l'estimation utilisant une rigidité et une conductivité hydraulique constantes pouvait entraîner une consolidation significativement différente en termes d'ampleur et de vitesse par rapport à celles obtenues à partir de modèles avec des propriétés mises à jour. Les modèles Kozeny-Carman et Kozeny-Carman Modified ont également permis une estimation satisfaisante du taux de consolidation des résidus, du moins pour les études préliminaires. Les modifications simples des codes numériques via FISH en FLAC3D proposées dans cette thèse pourraient donc améliorer significativement la prédiction de la consolidation des résidus à court terme sur la base d'une approche qui peut modéliser le comportement représentatif des résidus et contribuer à une meilleure planification des schémas de déposition à la fois en TSF conventionnels et dans des fosses à ciel ouvert. Après une validation réussie, l'effet du WRI sur les comportements de consolidation de divers types de résidus déversés dans une ISR simplifiée a été étudié à l'aide de l'approche proposée. Les différences potentielles entre l'estimation de la consolidation basée sur les propriétés constantes et mises à jour lors de l'application du WRI ont ensuite été examinées. Les effets du rapport volumique entre les résidus et le WRI sur les gains ou les pertes de volume des résidus, les influences du taux de remplissage et du schéma de remplissage ont également été étudiés. Les résultats ont indiqué que le WRI pourrait augmenter le taux de dissipation des résidus d'environ 3,3 fois selon la distance au WRI. La zone d'influence du WRI sur le taux de consolidation des résidus était différente pour chaque type de résidus. Les simulations utilisant des propriétés mises à jour ont montré des différences significatives par rapport aux modèles avec des valeurs constantes en termes d'ampleur et de vitesse de tassement. La présence de WRI peut réduire le volume disponible pour le stockage des résidus dans l'ISR et le changement volumétrique net résultant du tassement des résidus en cas de WRI avec ou sans pourrait être calculé explicitement. Des équations prédisant l'évolution des gains/pertes de volume en fonction des ratios de volume des résidus et du WRI ont ainsi été proposées. Les influences du WRI étaient plus importantes avec l'augmentation du taux de remplissage et l'hypothèse d'un remplissage instantané avait un effet négligeable sur le taux de consolidation des résidus. Après des résultats encourageants obtenus à partir de simulations des essais de colonne et de co- disposition dans les ISR conventionnels, l'approche proposée a été extrapolée pour réaliser une série de modèles numériques 3D ouplés afin d'examiner quantitativement l'évolution de la consolidation des résidus sous l'influence des stériles co-disposés avec des résidus dans une fosse à ciel ouvert à l'échelle du terrain. Différents scénarios de déposition ont été étudiés, dont la présence d'une enveloppe perméable uniquement et l'ajout de WRI comme inclusion centrale. L'influence des aspects opérationnels et pratiques tels que le taux de remplissage des résidus, les angles de pente de la fosse, les propriétés hydrogéotechniques des stériles et des résidus et la morphologie de la fosse ont été étudiées. Les résultats ont indiqué qu'une enveloppe perméable pourrait favoriser la dissipation de l'excès de pression interstitielle (PWP) et accélérer la consolidation des résidus. La zone d'influence de l'enveloppe perméable était relativement limitée et environ 2 fois la hauteur des résidus. L'utilisation d'un WRI combiné à une enveloppe perméable pourrait donc être géotechniquement bénéfique pour les fosses larges (c'est-à-dire lorsque le rayon de la fosse était supérieur à deux fois sa profondeur). Les angles de pente, le taux de remplissage et la morphologie de la fosse ont quelque peu affecté le taux de consolidation des résidus, mais leur effet était relativement limité et avait tendance à diminuer avec la distance aux voies de drainage. Enfin, la co-disposition des résidus et des stériles semble particulièrement pertinente pour les résidus fins à faible conductivité hydraulique. L'application de plusieurs voies de drainage composées d'une enveloppe perméable lors du stockage en fosse avec la combinaison de drains WRI et de drainage de fond semble être bénéfique à la fois en termes d'aspects environnementaux et géotechniques. Ces résultats pourraient être utiles aux praticiens et contribuer à proposer un co-disposition efficace dans les mines à ciel ouvert.

Abstract

Tailings and waste rocks are the two main mine wastes resulting from mining activities. Proper management and reclamation of these mine wastes is required to avoid environmental damages and geotechnical failures with significant consequences for mining activities and surrounding environment. Environmental issues might include acid mine drainage or contaminated neutral drainage, while geotechnical failures might occur with either dynamic or static liquefaction, which may bring about catastrophic downstream consequences A mine waste management technique is in-pit disposal which has many advantages relative to the surface TSFs. It can contribute to physically isolate tailings with the surrounding environment and reduce the long-term maintenance costs. An engineered permeable envelope, which is composed of coarse materials or porous natural rock wall and installed along the perimeter of the pit, can further contribute to control potential leaching contaminations from tailings. The fundamental principle of this technique is that permeable envelope is more permeable than tailings and the groundwater therefore flows around the tailings mass instead of flowing through it. Waste rocks inclusions (WRIs) were also proposed to accelerate tailings consolidation and therefore improve both dynamic stability of the ground surface TSFs and consolidation rate of tailings and these effects have been proved numerical and experimental. WRIs can also reinforce tailings impoundment, prevent excessive displacement of tailings impoundments during and after seismic events. The permeable envelope could also contribute to enhance consolidation rate of tailings by functioning in a similar way as WRI in the TSFs. The application of waste rocks in the form of permeable envelope (side drain) and inclusions (central drain) to form multiple drainage paths in the pit might further promote the above-mentioned benefits. Applications of this novel mine waste management approach may also encounter several challenges and unknowns that can limit its application. For instance, unknowns on the non-linear evolutions of consolidation properties of slurry tailings (previous works usually consider constant hydraulic conductivity and stiffness of tailings), the net volume gains or losses of tailings, geotechnical benefits of the permeable envelope on the tailings consolidation, and the effects of practical constraints when co-disposal method is applied in the pit remains challenging. The main objective of this study was therefore to numerically investigate the consolidation behaviour of tailings co-disposed with multiple drainage paths composed of wastes rocks in a pit. Specifically, an approach to modify material properties needed to be first developed and validated. It was also very important to investigate the influences of WRI on the tailings consolidations and the net volume gains/losses using the proposed approach. Finally, the effects of practical constraints on the application of co-disposal technique in the pit also needed to be examined. An approach to modify Mohr Coulomb parameters was first proposed and integrated in FLAC3D to explicitly simulate the non-linearity of tailings properties, coupled hydro-mechanical numerical simulations were then carried out to address these challenges when co-disposal technique was performed in a simplified TSF and in a real scale pit. Results showed that the developed approach could capture reasonably well the non-linear evolution of tailings properties under filling process. Results also showed that estimation using constant stiffness and hydraulic conductivity could results in a consolidation that was significantly different in terms of both magnitude and rate in comparison with those obtained from models with updated properties. Kozeny-Carman and Kozeny-Carman Modified models also resulted in a satisfactory estimation of consolidation rate of tailings, at least, for preliminary studies. The simple modifications to the numerical codes via FISH in FLAC3D proposed in this thesis could therefore significantly improve the prediction of tailings consolidation in the short term based on an approach that can model the representative tailings behaviour and contribute to a better planning of discharging schemes both in conventional TSFs and in open pits. After successfully validating, the effect of WRI on consolidation behaviour of various types of tailings discharged in a simplified TSF was investigated using the proposed approach. Potential differences between consolidation estimation based on constant and updated properties when applying WRI were subsequently examined. Effects of volume ratio between tailings and WRI on the volume gains or losses of tailings, influences of the filling rate and filling scheme were also investigated. Results indicated that WRI could increase the rate of dissipation of tailings by around 3.3 times depending on the distance to the WRI. The zone of influence of WRI on tailings consolidation rate was different for each type of tailings. Simulations using updated properties showed significant differences compared to models with constant values in terms of both the magnitude and the rate of settlement. The presence of WRI can reduce volume available for the storage of tailings in TSF and the net volumetric change resulting from tailings settlement in case of with or without WRI could be calculated explicitly. Equations predicting the evolution of volume gains/losses based on the volume ratios of tailings and WRI were accordingly proposed. The influences of WRI were more significant with the increase in the filling rate and the assumption of instantaneous filling had a negligible effect on the tailings consolidation rate. After encouraging results obtained from simulations of the column tests and co-dispose in the conventional TSFs, the proposed approach was extrapolated to perform a series of 3D coupled numerical models to quantitatively examine the evolution of tailings consolidation under the influences of waste rocks co-disposed with tailings in a field-scale open pit. Various disposal scenarios were investigated, including the presence of a permeable envelop only and the addition of WRI as a central inclusion. The influence of operational and practical aspects such as the tailings filling rate, pit slope angles, waste rock and tailings hydro-geotechnical properties, and pit morphology were investigated. Results indicated that a permeable envelope could promote the dissipation of excess pore water pressure (PWP) and accelerate tailings consolidation. The influence zone of the permeable envelope was relatively limited and around 2 times the tailings height. Using a WRI combined with a permeable envelope could therefore be geotechnically beneficial for wide pits (i.e., when the radius of the pit was larger than twice its depth). Slope angles, filling rate and pit morphology somewhat affected tailings consolidation rate, but their effect was relatively limited and tended to decrease with the distance to the drainage paths. Finally, co-disposal of tailings and waste rocks seems particularly relevant for fine tailings with low hydraulic conductivity. The application of multiple drainage paths composed of permeable envelope during in-pit disposal with the combination of WRI and bottom drainage drains appears to be beneficial both in terms of environmental and geotechnical aspects. These results could be useful for practitioners and contribute to propose efficient co-disposal in surface mines.