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.