Analyse numérique des écoulements et du transport de contaminants dans les rejets miniers entreposés dans les massifs rocheux fracturés

Le maintien de la qualité de l'environnement et la conservation des ressources naturelles sont essentiels pour l'avenir de l'humanité. L'eau est une des ressources les plus importantes de la planète. La présence de plus en plus fréquente de pollution dans les sols et les eaux souterraines incite à utiliser les outils numériques puissants et adaptés à l'étude et à la prévision de l'écoulement et la migration des contaminants autour des sources de rejets. L'industrie minière, malgré qu'elle joue un rôle important dans l'économie du Canada, génère des eaux contaminées et une quantité importante des rejets qu'il faut bien gérer. Ces rejets miniers peuvent être entreposés dans les fosses à ciel ouvert ou enfouis dans les excavations souterraines. Les écoulements à travers ces rejets, s'ils ne sont pas bien contrôlés, peuvent constituer un risque important pour la contamination de l'environnement. Dans la nature, les roches sont constituées d'un assemblage de minéraux qui forment un squelette solide, et des vides qui permettent les transferts des fluides. Ces vides sont généralement représentés par les pores ou les fractures. Les fractures se produisent lorsque la contrainte locale excède le seuil de rupture de la roche. Dans les massifs rocheux fracturés, souvent caractérisés par une matrice de très faible perméabilité, l'écoulement du fluide est focalisé dans les fractures et il devient donc fortement hétérogène. L'objectif principal de cette thèse porte sur l'analyse numérique des écoulements et du transport de contaminants autour des rejets miniers lorsqu'ils sont entreposés dans les massifs rocheux fracturés. Le code HydroGeosphere (Therrien et al., 2005) a été utilisé pour cette fin. Ce code 3D permet de simuler l'écoulement variablement saturé et le transport de contaminants dans les milieux fracturés. Un couplage hydromécanique indirect entre les codes HydroGeosphere et Phase2 (Rocscience, 2003) et le modèle CSDS (Simon, 1999) a été développé et appliqué afin d'étudier l'effet des contraintes et de la pression d'eau sur le comportement des fractures et le changement de leur ouverture.Les simulations réalisées pour une fosse axisymétrique sous des conditions d'un écoulement non saturé et en régime transitoire ont montré que l'écoulement de l'eau et le transport de contaminants dépendent essentiellement du type du matériau de la fosse, des conditions initiales et aux limites fixées ainsi que de la nature du massif rocheux avoisinant (homogène ou fracturé). La présence des fractures affecte l'écoulement et le transport de contaminants de façon significative. Dans certains cas, l'écoulement important à travers les fractures produit une désaturation du système. La migration des contaminants est nettement plus prononcée lorsque le massif rocheux est fracturé.Les résultats des simulations présentées au chapitre 5 ont mis en évidence l'effet du gradient hydraulique régional lorsque les rejets sont entreposés dans une fosse symétrique. L'effet du gradient est plus prononcé en présence des fractures dans le roc, et la migration des contaminants est plus significative. Les contaminants atteignent alors des distances plus élevées. On montre aussi (chapitre 6) que les excavations souterraines perturbent l'écoulement et modifient la distribution des charges hydrauliques. Il n'y a pas une perte de charge dans la zone d'influence du chantier remblayé même lorsque celui-ci est remblayé avec des rejets. La présence d'une fracture horizontale à proximité du chantier influence beaucoup les écoulements et le transport des contaminants, surtout lorsqu'elle est située juste à la surface du chantier.Enfin, les résultats obtenus avec la méthode de couplage hydromécanique indirect dévéloppée durant la thèse reflètent l'effet du changement des contraintes et de la pression d'eau autour des fractures sur le changement de leur ouverture. Cette variation d'ouverture le long des joints influence l'écoulement et la migration des contaminants.Toutes les simulations réalisées à l'aide du code HydroGeosphere ont mis en évidence le rôle primordial des fractures dans le contrôle de l'écoulement et le transport de contaminants dans les rejets miniers. Ainsi, il s'avère très important de considérer les fractures ou le système de fractures présent dans le roc de façon discrète afin de ne pas sous-estimer la migration de contaminants.

Abstract

Environment quality control and natural resources conservation are essentials for humanities' future. Water is one of the most important resources of our planet. The increase of soil and groundwater pollution incite to use powerful and adapted numerical codes for studying and predict water flow and contaminant transport around waste storage sites. Mining industry, despite its important role in the Canadian economy, produce contaminated water and a great quantity of mining wastes that must be managed. Mining wastes can sometimes be disposed into open pit or into underground excavations. In nature, rock is composed of assembled minerals forming the solid matrix, and voids enhancing fluid transfer. These voids are usually pores or fractures. Fractures are produced when local stress exceeds the local strength. In fractured media, characterized by very low matrix permeability, water flow is focalized in fractures.The principal aim of this project is numerical analysis of water flow and contaminant transport through mining wastes disposed into fractured rock mass. Different cases were considered depending on the mode of mining wastes disposal and the type of filling material. Numerical simulations using HydroGeosphere code were realized. This code allows simulation of saturated – non saturated water flow and contaminant transport through fractures and fractured media. An indirect hydromechanical coupling methodology was developed between HydroGeosphere, Phase2 and CSDS model. This methodology allows us to study the effect of water pressure and applied stresses on fracture behaviour and change of its aperture.Numerical simulations realized for an axisymmetric open pit under non saturated and transient flow conditions showed that water flow and transport of contaminants depend on filling material, initial and boundary conditions and also nature of roc mass (homogeneous roc or fractured roc). Presence of fractures has a great effect on water flow and transport of contaminants. Contaminant migration is more pronounced when roc is fractured.Results of numerical simulations realized in chapter 5 highlights the effect of hydraulic regional gradient when mining wastes are disposed into a symmetric open pit. Regional gradient effect is more pronounced in presence of fractures. Contaminant migration was more significant with fractures than for homogeneous roc and contaminants could reach more important distance.In chapter 6 of this thesis we showed that when mining wastes are disposed into underground excavations, backfilling a stope modifies water flow and hydraulic heads distribution. Also, presence of a single fracture in the vicinity of excavation has affected results of water flow and contaminant transport, especially when it is localized near excavation surface.Finally, results obtained with indirect hydromechanical coupling methodology highlighted stress and water pressure effects around fracture on its aperture change. This aperture variability along fracture could influence water flow and contaminant transport.All simulations realized with HydroGeosphere code highlighted fracture key role on control of water flow and transport of contaminants through mining wastes. Thus, it is very important to consider discretely fractures of system of fractures present in the roc to avoid contaminant migration underestimation.