Évaluation de la capacité de déviation latérale de la couche de contrôle des écoulements d'eau dans un modèle physique au laboratoire

L'exploitation minière génère de grandes quantités de rejets miniers (stériles miniers, résidus etc.). Certains de ces rejets miniers peuvent avoir un impact sur l'environnement : DMA ou DNC. Différentes techniques ont été élaborées pour la restauration des sites miniers telles que les couvertures avec effet de barrière capillaire (CEBC), le recouvrement monocouche avec nappe phréatique surélevée, etc. Ces techniques ont été largement utilisées pour la restauration des parcs à résidus. Dans le cas de stériles miniers, en raison des configurations des haldes, les techniques de restauration doivent être adaptées, et dans cette perspective une approche alternative a été proposée. Elle consiste à installer des couches de matériau fin au sein de la halde ayant une grande conductivité hydraulique saturée avec une inclinaison minimale. Ces couches fines ont pour but de dévier l'eau en suivant la pente et limiter les infiltrations d'eau dans les stériles. Cette nouvelle technique est appelée couche de contrôle des écoulements (CCE). L'étude présentée dans ce mémoire a pour but d'évaluer la capacité de la CCE à dévier l'eau en utilisant les effets de barrière capillaire. Les performances de cette méthode ont été testées à l'aide d'un modèle physique au laboratoire suivi d'une modélisation numérique. Cette étude consiste à comprendre les mécanismes fondamentaux de l'écoulement d'eau dans les barrières capillaires inclinées ainsi que les paramètres contrôlant la longueur de déviation latérale. La barrière capillaire formée d'un sable fin déposé sur des stériles miniers non générateurs d'acide, a été testée sous différentes conditions : différentes inclinaisons (0°, 3°, 10° et 20°), différentes épaisseurs de la couche de sable (25, 50 et 75 cm) et différentes intensités des précipitations. Les résultats issus de la modélisation physique au laboratoire ont permis de statuer sur le degré d'influence de ces paramètres. Les essais effectués au laboratoire ont montré que l'épaisseur de la couche de sable a un impact direct sur la performance de la barrière capillaire : le degré d'influence de ce paramètre est moins prononcé que celui des autres paramètres (inclinaison et taux de précipitations). En effet, plus la couche est épaisse plus la déviation latérale est importante. En outre, l'augmentation de l'inclinaison du système a un effet majeur sur la capacité de déviation latérale de la barrière capillaire. Une pente plus grande augmente davantage la quantité d'eau déviée latéralement par la barrière capillaire et par conséquent, la longueur de bris capillaire. Par contre, l'augmentation de l'intensité des précipitations est jugée être le paramètre le plus influant sur la capacité de déviationlatérale. En augmentant le taux des précipitations, la quantité d'eau qui s'infiltre dans la couche de stériles devient plus importante que la quantité transportée le long de la couche de sable et l'effet d'écoulement gravitaire est beaucoup plus prononcé que la déviation. Cet effet est dû à la différence dans les propriétés hydriques des deux matériaux qui contrôlent la force des effets de barrière capillaire crées le long de l'interface des deux matériaux. Le calcul de la longueur de déviation latérale a démontré que le taux des précipitations appliqué a un impact direct sur la capacité de déviation du système. Plus le taux de précipitations est important plus la capacité de déviation diminue et la longueur de déviation latérale est petite. Des simulations numériques ont été réalisées dans le but de reproduire les essais expérimentaux à l'aide de code SEEP/W 2016. La comparaison entre les résultats expérimentaux et ceux de la simulation a démontré que le modèle numérique reproduit d'une façon raisonnable le comportement global de la CCE. Le bon calage des deux modèles, physique et numérique, a permis de faire des extrapolations à grande échelle et de simuler le cas d'une CCE installée dans une halde à stériles avec des dimensions réelles.

Abstract

Mining industry generates large quantities of waste (mine waste, tailings, etc.). Some of these mine wastes can have an impact on the environment: DMA or DNC. Various techniques have been developed for the reclamation of mining sites such as cover with capillary barrier effect (CCBE), monolayer recovery with an elevated water table, etc. These techniques have been widely used for the reclamation of mine site. In the case of mine waste rock, because of the configurations of the dumps, the reclamation techniques must be adapted, and in this perspective an alternative approach has been proposed. It consists of installing layers of finer material over of the waste rock pile having a high saturated hydraulic conductivity with a minimum inclination. These finer layers allow deviating the water along the slope and limiting water infiltration into the waste rock. This new technique is called Flow Control Layer (FCL). The purpose of the study presented in this master thesis was to assess the ability of the FCL to deviate water using capillary barrier effects. The performances of this method were tested using a physical model in the lab followed by numerical modeling. This study consists of understanding the fundamental mechanisms of water flow in inclined capillary barriers as well as the parameters controlling the length of lateral deviation. The capillary barrier effect developed by placing a finer sandy layer on non-acid generating waste rock, was tested under different conditions: variation of the inclination (0 °, 3 °, 10 ° and 20 °), different thicknesses of the layer of sand (25, 50 and 75 cm) and different intensities of precipitation. The results from the physical modeling in the laboratory allowed to evaluate the impact of different tested parameters one the cover performance. Laboratory tests have approved that the thickness of the sand layer has a direct impact on the performance of the capillary barrier; the degree of influence of this parameter is less pronounced compared to the other parameters (inclination and precipitation rate). Indeed, the thicker the layer is than the lateral deviation is important. In addition, increasing the inclination of the system has a major effect on the lateral deviation capacity of the capillary barrier. A larger slope further increases the amount of water laterally deflected by the capillary barrier and hence the effective length deviation capacity of the cover. On the other hand, the increase in precipitation intensity is considered the most influential parameter on lateral deviation capacity. By increasing the rate of precipitation, the amount of water that infiltrates the waste rock becomes larger than the amountcarried along the sand layer and the gravitational flow effect is much more pronounced than the deviation. This effect is due to the difference in the hydraulic properties of the two materials that control the strength of the capillary barrier effects created along the interface of the two materials. The calculation of the lateral deviation length show that the used precipitation rate has a direct impact on the deviation capacity of the cover. More than applied recharge rate is significant less than the deviation capacity is important and the length of lateral deviation is small. Numerical simulations were performed to reproduce the experimental tests using SEEP/W 2016. The comparison between the experimental and the simulation results showed that the numerical model reproduces the behavior of the FCL in a reasonable way. The good fit of the two physical and numerical models has allowed to extrapolate on a large scale and to simulate the case of a FCL installed in a waste rock pile with real dimensions.