Utilisation de stériles générateurs d'acide comme couche de bris capillaire dans une couverture avec effets de barrière capillaire

L'industrie minière présente de nombreux défis liés à l'environnement et à la gestion des rejets miniers. Les stériles et résidus miniers entreposés en surface peuvent générer du drainage minier acide (DMA) s'ils contiennent des minéraux sulfureux qui entrent en contact avec l'eau et l'oxygène (Blowes et al. 2003). L'acidité ainsi libérée abaisse le pH du milieu environnant et favorise la mise en solution des métaux, ce qui contamine l'eau et les sols pour la faune et la flore avoisinantes (ex : Aguilar et al. 2004). La génération de DMA peut être contrôlée en mettant en place une couverture avec effets de barrière capillaire (CEBC). Ce type de recouvrement est basé sur le contraste entre un matériau fin (ex : résidu minier) constituant la couche de rétention d'humidité (CRH) et un matériau grossier (ex : stérile minier) utilisé pour construire la couche de bris capillaire sous-jacente (Bussière, 1999; Aubertin et al. 1995). L'objectif est de maintenir la CRH à un degré de saturation élevé, afin de limiter la migration de l'oxygène vers les couches inférieures. L'utilisation de matériaux miniers pour la construction d'une CEBC permet, entre autres, d'en réduire le coût et de valoriser les matériaux disponibles sur le site (Bussière et al. 2013). Dans une approche de gestion intégrée des rejets (Demers, 2008), cette étude propose d'utiliser des stériles réactifs comme couche de bris capillaire sous des résidus désulfurés. Ceci permettrait de réduire le volume des haldes à restaurer et de valoriser un matériau problématique. Les matériaux utilisés dans le cadre de cette étude (dont un stérile pré-oxydé et générateur d'acide) proviennent du site Westwood-Doyon de IAMGOLD, situé à 40 km à l'est de Rouyn-Noranda (Québec, Canada). Les matériaux ont été caractérisés pour obtenir leurs propriétés physiques, hydrogéologiques, chimiques et minéralogiques. Des essais en colonnes ont été montés au laboratoire afin d'évaluer quatre scénarios de recouvrement, dont trois présentaient une couche de bris capillaire faite de stériles générateurs d'acide. Ces essais ont également permis d'évaluer l'impact d'ajouter une couche de sable au-dessus du recouvrement pour contrôler l'évaporation et de doubler l'épaisseur de la CRH. La quatrième colonne contenait un stérile différent comme couche de bris capillaire, considéré comme non-générateur d'acide. Les colonnes ont été soumises à huit cycles de mouillage/drainage pour lesquels la qualité des lixiviats a été analysée. Des sondes de teneur en eau volumique et de succion ont permis de suivre le comportement hydrogéologique des colonnes et des septums ont permis l'échantillonnage de gaz dans la CRH afin de mesurer les flux d'oxygène. Les matériaux ont été testés séparément dans des colonnes de référence. Les résultats montrent que tous les recouvrements présentaient des lixiviats au pH près de la neutralité et contenant de faibles concentrations en métaux, alors que le stérile générateur seul générait une forte acidité, un pH de 2 et des concentrations élevées en métaux. Le suivi des teneurs en eau volumiques montre que les couches de rétention d'eau ont maintenu des degrés de saturation de plus de 85% pour presque toute la durée du test, tel que souhaité pour une CEBC efficace (Aubertin et al. 1995). Tous les recouvrements ont démontré un comportement géochimique similaire, qu'ils contiennent un stérile générateur d'acide ou non. Les colonnes avec une protection contre l'évaporation et une CRH plus épaisse ont présenté des teneurs en eau généralement plus élevées et plus stables dans la CRH. L'étude montre que l'intégration du stérile générateur dans un recouvrement sous une couche de résidus désulfurés permet de réduire sa génération de cuivre, zinc et fer de plus de 99%. Aucune différence significative n'a été observée dans le comportement géochimique en changeant le type de stérile dans la couche de bris capillaire. Une modélisation avec SEEP/W a été réalisée pour un des scénarios de recouvrement et supporte le comportement hydrogéologique observé expérimentalement. Une modélisation de l'équilibre thermodynamique des lixiviats avec Visual MINTEQ a aussi permis d'évaluer le potentiel de précipitation ou dissolution de divers minéraux. Pour les colonnes avec recouvrements, le modèle montre qu'il faut anticiper la précipitation de plusieurs oxydes et hydroxydes de fer, aluminium et magnésium, de même que certains sulfates comme le gypse et la jarosite. Les flux d'oxygène traversant la CRH ont été mesurés par la méthode du gradient (Elberling et al. 1994) et estimés avec l'équation analytique de Mbonimpa et al. (2003). Les flux obtenus expérimentalement sont de l'ordre de 10-1 à 10-4 mol/m2/an, ce qui respecte le critère de 1 mol/m2/an recommandé pour la conception d'une CEBC (Dagenais, 2005). Finalement, ce travail de recherche montre qu'il serait possible d'utiliser des stériles générateurs d'acide comme couche de bris capillaire dans une CEBC. Par contre, il est recommandé de réaliser des études plus poussées sur la géochimie du système et le comportement à long terme. Des cellules expérimentales de terrain permettraient également de vérifier que les recouvrements fonctionnent à plus grande échelle et dans des conditions climatiques réelles.

Abstract

The mining industry faces numerous challenges regarding the environment and mine wastes management. Mine waste rocks and tailings stored over ground can generate acid mine drainage (AMD) when they contain sulfide minerals that react with water and oxygen (Blowes et al. 2003). The released acidity lowers the pH in the surrounding environment and favors metals solubility, which contaminates water and soil for wildlife around the site (e.g. Aguilar et al. 2004). AMD generation can be controlled with a cover with capillary barrier effects (CCBE). This type of cover uses the contrast between a fine material (e.g. tailings), constituting the moisture retaining layer (MRL), and a coarse material (e.g. waste rocks) used to build the underlying capillary break layer (Bussière, 1999; Aubertin et al. 1995). The objective is to maintain the MRL to a high degree of saturation to limit oxygen migration towards the lower layers. Using mining materials for the construction of a CCBE allows, among others, to reduce its cost and valorize materials available on site. As part of an integrated wastes management approach (Demers, 2008), this study proposes to use acid-generating waste rocks as a capillary break layer placed under desulfurized tailings. This would allow to reduce the volumes in the waste rocks dumps and valorize a problematic material. The materials used in this study (including pre-oxidized acid-generating waste rocks) come from the IAMGOLD Westwood-Doyon site, located 40 km east of Rouyn-Noranda (Quebec, Canada). Materials were characterized to obtain their physical, hydrogeological, chemical, and mineralogical properties. Columns tests were set up in the laboratory to evaluate four cover scenarios, of which three contained a capillary break layer made of acid-generating waste rocks. These tests allowed to evaluate the impact of adding a sand evaporation protection layer on top of the cover, and the effect of doubling the thickness of the MRL. The fourth column contained a different waste rock, considered non-acid generating, for the capillary break layer. The columns were subjected to eight wetting/drainage cycles for which the leachates quality was analyzed. Volumetric water content and suction probes allowed to monitor the hydrogeological behavior of the columns, and septums allowed to take gas samples in the MRL in order to measure the oxygen fluxes. The materials were tested separately in reference columns. The results show that all covers presented leachates with pH around neutrality and low metal concentrations, while the acid-generating waste rock alone generated high acidity, a pH of about 2, and high metal concentrations. Monitoring of the volumetric water content shows that the MRLs maintained high degrees of saturation, above 85 % for almost all the testing period, as desired for an effective CCBE (Aubertin et al. 1995). All the covers presented a similar geochemical behavior whether they contained acid-generating waste rocks or not. The columns with an evaporation protection layer and a thicker MRL showed generally higher and more stable volumetric water contents in the MRL. This study shows that using acid-generating waste rocks in a cover under a desulfurized tailings layer allows to reduce over 99% of their copper, zinc, and iron generation. No significant geochemical behavior difference was observed when changing the waste rock type in the capillary break layer. A SEEP/W model was built for one cover scenario, and it supported the hydrogeological data observed in the laboratory. A thermodynamic equilibrium modeling for the leachates was performed with Visual MINTEQ, allowing to evaluate the potential of some minerals to precipitate of dissolve. For the columns with covers, the model shows that precipitation of numerous iron, aluminum and magnesium oxides and hydroxides should be anticipated, along with some sulfates like gypsum and jarosite. The oxygen fluxes reaching the bottom of the MRL were measured using the gradient method (Elberling et al. 1994) and estimated with the analytical solution of Mbonimpa et al. (2003). The fluxes obtained experimentally were of the order of 10-1 to 10-4 mol/m2/year, which meets the 1 mol/m2/year criterion recommended for the design of a CCBE (Dagenais, 2005). In the end, this research project shows that it would be possible to use acid-generating waste rocks as the capillary break layer in a CCBE. But, it is recommended to perform more advanced studies on the geochemistry of the system and its long-term behavior. Field experimental cells would also allow to verify the performance of the cover on a larger scale and under actual weather conditions.