Déposition de résidus filtrés réactifs : effet de la minéralogie et du degré de saturation sur la génération de drainage minier acide

La filtration des résidus est de plus en plus utilisée par les compagnies minières afin d’améliorer la stabilité géotechnique des aires d’entreposage des résidus. La technique présente de nombreux avantages tels que la réduction des risques de rupture de digues ou la recirculation de l'eau. Cependant, la faible teneur en eau des résidus filtrés les expose également à l'oxydation et augmente le risque de génération de drainage minier acide (DMA). La codisposition de résidus filtrés fortement réactifs et faiblement réactifs a donc été envisagée afin de contrôler la génération de DMA. L'objectif général de ce projet était donc d’évaluer l’influence combinée de la minéralogie et du degré de saturation sur le délai de génération de DMA des résidus filtrés, en testant plusieurs configurations de codisposition (soit en mélange, soit en couches) composées de résidus Laronde et LZ5 pour différents degrés de saturation. Cet objectif principal se divisait en 3 objectifs spécifiques : i) évaluer la cinétique de génération de DMA des mélanges en fonction du degré de saturation; ii) déterminer une relation entre le ratio de mélange, le mode de déposition, le degré de saturation en eau et le temps d’apparition du DMA; iii) proposer, évaluer et comparer plusieurs approches de déposition sur le terrain. Des essais de laboratoire et des simulations numériques ont été réalisés pour répondre aux différents objectifs. Les travaux ont inclus : i) la caractérisation au laboratoire des propriétés physiques, chimiques, hydrogéologiques et minéralogiques des résidus; ii) des essais cinétiques en cellules (de différentes tailles et pour différentes conditions) au laboratoire; iii) la calibration et la validation de simulations numériques de transport réactif à partir des résultats de laboratoire et iv) leur extrapolation à une échelle plus représentative des conditions de terrain. Les résidus Laronde et LZ5 et deux mélanges (45LAR-55LZ5 et 70LAR-30LZ5) préalablement filtrés à la teneur en eau massique visée pour la déposition (environ 18%) ont été fournis directement par la mine. D’autres mélanges (90LAR-10LZ5, 80LAR-20LZ5, 60LAR-40LZ5) ont été préparés au laboratoire. Des essais cinétiques ont permis d’évaluer le comportement géochimique des résidus dans des conditions de laboratoire étroitement contrôlées en fournissant les données nécessaires à la calibration des simulations numériques. Au total, 11 cellules ont été montées et ont été suivies pendant environ un an. 6 minicellules, comprenant les résidus purs Laronde et LZ5 et quatre mélanges (90LAR-10LZ5 ; 80LAR-20LZ5; 60LAR-40LZ5 et 45LAR55LZ5), ont été testées et ont permis de suivre la qualité d’eau pour des degrés de saturation et des temps donnés (Sr = 100% pendant 54 jours, puis Sr = 90% pendant 56 jours, suivi de Sr = 80% pendant 105 à 174 jours et Sr = 70% pendant 79 à 96 jours, et enfin Sr = 95% pendant 52 jours). Deux cellules bicouches ont également permis d’étudier le comportement des résidus Laronde et LZ5 déposés en couches de 5 cm (BIC-LZ5top, BIC-LARtop) et laissés exposés à l’atmosphère. Enfin, trois mélanges (90LAR-10LZ5; 70LAR-30LZ5 et 45LAR-55LZ5) ont été testés dans des cellules témoins laissées exposées à l’air libre.Des rinçages réguliers (environ tous les mois) ont permis d’échantillonner et de caractériser l’eau interstitielle (pH, Eh, concentrations en sulfates, Fe, Cu, Zn, Ni, Al, Ca, Mg, K, Na, Mn, Pb, As et Si). Les cellules de laboratoire ont été simulées numériquement en 1D au moyen du code de transport réactif Min3P. La calibration des modèles a permis d’ajuster les taux de réaction des minéraux afin de reproduire numériquement le pH et les concentrations des espèces dissoutes mesurées pendant les essais. La calibration a été réalisée sur les résidus purs Laronde et LZ5, puis validée avec les résultats expérimentaux des autres cellules. Les modèles ont ensuite été utilisés pour évaluer indépendamment l’influence du degré de saturation et du ratio de mélange sur le délai avant apparition du DMA et simuler des modèles à l’échelle d’un parc à résidus avec ajouts de couches et infiltration d’eau.Les résultats obtenus ont montré que le mélange de résidus fortement et faiblement réactifs permettait de retarder la génération de DMA, mais nécessitait une proportion minimale de 20% de résidus faiblement réactifs pour être efficace. Un degré de saturation supérieur à 90% permettait de retarder l’apparition du DMA indépendamment du mélange. Cependant, le temps critique avant apparition du DMA était indépendant du degré de saturation et ne dépendait que du ratio de mélange lorsque le degré de saturation était inférieur à 90%. L’approche de calibration des simulations numériques (c’est-à-dire la calibration des modèles à partir des résultats en minicellules avec les résidus purs) permettait de reproduire assez fidèlement le comportement géochimique des essais réalisés au laboratoire dans les minicellules, les cellules bicouches et témoins, montrant ainsi une bonne capacité d’extrapolation du code Min3P.Les simulations numériques à l’échelle d’un parc à résidus ont montré qu’une déposition séquentielle des résidus, dans un délai inférieur au temps critique (temps avant apparition du DMA), permettait de maintenir un pH proche de la neutralité dans le parc à résidus. De plus, si ce temps critique était dépassé de quelques jours et qu’un début de DMA était généré, l’ajout de nouvelles couches permettait de contribuer à neutraliser le pH acide. Cet effet restait cependant limité et la déposition des résidus devrait être planifiée de sorte que le temps critique d’exposition ne soit jamais dépassé. Les simulations numériques à l’échelle d’un parc à résidus ainsi que les essais en cellule ont montré que la déposition par couches paraissait nettement plus avantageuse pour contrôler la génération de DMA que l’homogénéisation des résidus avant déposition. La déposition de résidus moins réactifs au-dessus des résidus plus réactifs tendait à réduire l’apport d'oxygène vers les résidus réactifs (retardant ainsi la génération de DMA) et les résidus moins réactifs sous-jacents (couches précédentes) permettaient de neutraliser l'acide éventuellement généré. Les résultats de cette étude sont donc encourageants et montrent qu’il serait possible de planifier la déposition de résidus réactifs sous forme filtrée dans des climats humides afin de limiter la génération de DMA. Ces conclusions restent cependant spécifiques aux résidus testés dans le cadre de ce projet et ne sont pas nécessairement représentatives ou directement applicables à d’autres parcs à résidus filtrés. Des analyses complémentaires et une calibration des simulations numériques au cas par cas sont donc recommandées afin d’évaluer précisément les temps et degrés de saturation critiques sur d’autres sites (en fonction de la minéralogie, des contraintes de production, mais aussi du climat) et d’adapter les méthodes de déposition en conséquence.

Abstract

Tailings filtration is increasingly used by mining companies to improve the geotechnical stability of tailings storage facilities. The technique has many advantages and contributes to reduce dam’s failure risks or to recirculate water. However, the low water content of the filtered tailings also exposes them to oxidation and increases the risk for acid mine drainage (AMD) generation. The co-disposition of highly reactive and slightly reactive filtered tailing was therefore considered to control AMD generation. The main objective of this project was therefore to evaluate the combined influence of the mineralogy and the degree of saturation on the time before filtered tailings start generating AMD. Various co-disposition configurations of Laronde and LZ5 tailings (either mixed or layered) were considered for different degrees of saturation. This main objective was divided into 3 specific objectives: i) evaluate the kinetics of DMA generation ox tailings mixes as a function of the degree of saturation; ii) determine a relation between the mix ratio, the mode of deposition, the degree of saturation and the critical time (i.e., the time before AMD starts); iii) propose, evaluate and compare several deposition approaches for field application. Laboratory tests and numerical simulations were carried out to address these objectives. The work included: i) laboratory characterization of the physical, chemical, hydrogeological and mineralogical properties of the tailings; ii) kinetic tests in cells (of different sizes and for different conditions) in the laboratory; iii) the calibration and validation of numerical simulations of reactive transport based on the laboratory results; and iv) their extrapolation to a scale which was more representative of field conditions. Laronde and LZ5 tailings and two mixes (45LAR-55LZ5 and 70LAR-30LZ5) filtered t at approximately 18% (target in the field) were provided directly by the mine. Additional mixes (90LAR-10LZ5, 80LAR-20LZ5, 60LAR-40LZ5) were prepared in the laboratory. Kinetic tests were used to evaluate the geochemical behaviour of the tailings under controlled laboratory conditions, and to provide the necessary data for the calibration of the numerical simulations. A total of 11 cells were setup and monitored for approximately one year. 6 minicells, including pure Laronde and LZ5 tailings and four mixes (90LAR-10LZ5; 80LAR-20LZ5; 60LAR-40LZ5 and 45LAR-55LZ5), were tested and used to follow the water quality for given degrees of saturation and times (Sr = 100% for 54 days, then Sr = 90% for 56 days, followed by Sr = 80% for 105 to 174 days and Sr = 70% for 79 to 96 days, and finally Sr = 95% for 52 days). Two bi-layer cells (each layer being 5 cm thick) were also used to study the behaviour of Laronde and LZ5 tailings (BIC-LZ5top, BIC-LARtop), left exposed to the atmosphere. Finally, three mixes (90LAR-10LZ5; 70LAR-30LZ5 and 45LAR-55LZ5) were tested in control cells and left exposed to the atmosphere. Regular rinses (approximately every month) were carried out to collect and characterise the pore water quality (pH, Eh, sulphate, Fe, Cu, Zn, Ni, Al, Ca, Mg, K, Na, Mn, Pb, As and Si concentrations). The laboratory cells were numerically simulated in 1D using the reactive transport code Min3P (Mayer et al., 2002). Model calibration aimed at adjusting the mineral reaction rates to numerically reproduce the pH and dissolved species concentrations measured during the tests. The calibration was carried out on the Laronde and LZ5 pure tailings and then validated with the other experimental cells. The models were subsequently used to independently evaluate the influence of the degree of saturation and mixing ratio on the critical time before AMD and to simulate a real scale TSF with regular layer additions and water infiltration. Results showed that mixing highly and slightly reactive tailings contributed to delay the generation of AMD but required a minimum proportion of 20% of slightly reactive tailings. A degree of saturation greater than 90% delayed the generation of DMA independently of the mix ratio. However, the critical time before AMD was independent of the degree of saturation and depended only on the mixing ratio when the degree of saturation was below 90%. The calibration approach used for the numerical simulations (i.e. the calibration of the models based on the minicell results with the pure tailings) allowed to reproduce quite accurately the geochemical behaviour of the laboratory tests in minicells, bilayer cells and control cells, thus showing a good extrapolation potential of the Min3P code. Numerical simulations at the scale of a tailings pile showed that sequential deposition of tailings, within a delay smaller than the critical time (time before the generation of AMD), contributed to maintain the pH close to neutrality in the TSF. Furthermore, if this critical time was exceeded by a few days and AMD was initiated, the addition of new layers helped to neutralize the acidic pH. However, this effect was limited, and the deposition of tailings should be planned to ensure that the critical exposure time should never be exceeded. Numerical simulations at the scale of a TSF as well as laboratory tests showed that sequential layer deposition was more advantageous for controlling AMD generation than the homogenization of the tailings before deposition. Deposition of less reactive tailings on top of highly reactive tailings tended to reduce the oxygen diffusion to the reactive tailings (thus delaying AMD generation) and the underlying less reactive tailings (previous layers) helped to neutralize the acid potentially generated. The results of this study are therefore encouraging and show that it may be possible to plan the deposition of reactive filtered tailings in humid climates to limit AMD generation. However, these conclusions are specific to the tailings tested in this study and are not necessarily representative or directly applicable to other filtered tailings facilities. Further analysis and calibration of the numerical simulations on a case-by-case basis are therefore recommended to accurately assess the critical time and degree of saturation for other sites (depending on mineralogy, production constraints, but also climate) and to adapt the deposition methods accordingly.