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.