Optimisation des mélanges sols-boues (MSBs)à l'aide de la méthode d'empilement, de la théorie des mélanges et de la méthode de compactage

La restauration des sites miniers peut se faire par plusieurs méthodes, entre autres à l'aide des recouvrements étanches contrôlant les infiltrations d'eau et des barrières à l'oxygène. Ces dernières incluent aussi les couvertures à effets de barrière capillaire (CEBC). Une CEBC comporte au moins une couche de matériau fin placée entre deux couches de matériaux grossiers. Ce matériau fin doit être doté d'une capacité de rétention d'eau avec une pression d'entrée d'air (AEV) d'au moins 20 à 50 kPa et une faible conductivité hydraulique saturée (ksat) dont la valeur doit être inférieure à 10-5 cm/s. Lorsque les matériaux fins ayant les caractéristiques requises (données ci-dessus) ne sont pas disponibles (en quantité suffisante) dans les environs des sites à restaurer, ou lorsqu'on veut réduire la quantité de matériaux d'emprunt à excaver, il est possible de recourir à d'autres matériaux alternatifs comme ceux incorporant les boues de traitement du drainage minier acide. Lorsque ces boues sont mélangées de manière optimale avec d'autres matériaux granulaires, les mélanges sols-boues (MSBs) obtenus peuvent avoir des propriétés hydrogéologiques adaptées pour être utilisés comme matériaux fins dans les recouvrements. Ce projet de recherche avait comme principal objectif d'optimiser la quantité de boues de traitement des eaux minières acides dans les MSBs en utilisant la théorie d'empilement et de mélange des particules, et la méthode d'optimisation par compactage, et d'évaluer dans quelles mesures ces MSBs optimisés peuvent servir comme matériaux dans les recouvrements utilisés pour la restauration des sites d'entreposage de résidus miniers. De façon plus spécifique, les objectifs de ce projet de recherche consistaient à : a) Optimiser des proportions des sols et de boues entrant dans les MSBs par la théorie d'empilement des particules et/ou la théorie de mélange ou par compactage; b) Déterminer les caractéristiques hydrogéotechniques des mélanges sols-boues optimisés. Les boues de traitement du drainage minier acide de la mine Westwood (WW) de la Corporation IAMGOLD et Waite Amulet (WA) de La Fonderie Horne (Glencore) ont été étudiées ainsi que du sable et du till échantillonnés dans des bancs d'emprunt sur le site Westwood. Les teneurs en eau considérées pour chacun des constituants sont respectivement de 175 et 200% pour les boues WW et WA et de 3,5 et 7,5% pour le sable et le till. Dans un premier temps, la caractérisation des matériaux (physique, chimique et minéralogique) entrant dans les mélanges a été effectuée. Cette caractérisation a permis de classer les matériaux (selon la méthode USCS) comme suit : SP et SC pour le sable et le till, MH pour la boue WW. Les deux boues contiennent d'une part le gypse et d'autres part de la calcite, ce qui leur procure de l'alcalinité à long terme. Une caractérisation hydrogéotechnique des matériaux à l'état lâche a aussi été réalisée. Par la suite, l'optimisation des MSBs a été effectuée à l'aide de modèles basés sur la théorie d'empilement des particules qui permettent d'aboutir à une courbe granulométrique de référence et de modèles basés sur la théorie de mélange qui permettent la détermination d'une courbe de référence montrant la variation de la porosité (indice des vides) du mélange en fonction de la proportion des particules fines et/ou d'obtenir des proportions optimales des particules dans les mélanges. Les porosités à l'état lâche des fractions grossière (sol granulaire) et fine (boue) ont été utilisées. Il est ressorti de ces études que les modèles basés sur la théorie d'empilement des particules proposent des courbes granulométriques de référence ayant des particules trop grossières et irréalisables par rapport aux matériaux étudiés. Les modèles basés sur la théorie des mélanges de Koltermann et Gorelick (1995); Côté et Konrad (2003) et Wickland et al. (2006) donnent des mélanges optimaux dont la teneur en boue (masse de boue humide/masse de sol humide) est élevée (comprise entre 38 et 58% pour les mélanges sable-boues et, entre 27 et 56% pour les mélanges till-boues). Ces mélanges sont difficiles à compacter à cause de leurs teneurs en eau très élevées. Le modèle de Jehring et Bareither (2016) donne des résultats de teneur en boue dans les mélanges (comprises entre 14 et 18% pour les mélanges sable-boues et entre 10 et 13% pour les mélanges till-boues), valeurs inférieures à celles données par les autres modèles. L'optimisation par compactage consistait à déterminer les variations de la masse volumique sèche des MSBs en fonction de la teneur en boue et de la teneur en eau naturelle des mélanges. Ici, la teneur en eau initiale des sols a été variée comme suit : 0 à 7% pour le sable et de 0 à 4% pour le till. L'optimisation par compactage a donnée des valeurs de teneur en boue comprises entre 19 et 8% pour les mélanges de sable lorsque la teneur en eau initiale du sable passe de 0 à 7% et de 10 et 2% pour les mélanges de till lorsque la teneur en eau initiale du till passe de 0 à 4%. La teneur en boue dans le mélange dépend de la teneur en eau initiale des matériaux. Pour une teneur en eau initiale des boues donnée, la teneur en boue dans le mélange augmente avec la diminution de la teneur en eau initiale du sol. Après comparaison des différents résultats, les mélanges retenus pour les essais hydrogéotechniques étaient ceux optimisés par le modèle de Koltermann et Gorelick (1995) et par compactage en considérant le degré de compaction à 98%. Enfin, les essais hydrogéotechniques sur les mélanges retenus ont montré les valeurs des conductivités hydrauliques saturées autour de 10-4 cm/s pour les mélanges de sable-boues et autour de 10-6 cm/s pour les mélanges de till-boues. Les valeurs des pressions d'entrées d'air (AEV) sont supérieures à 20 kPa pour tous les mélanges. Cette étude a permis de montrer que les théories d'optimisations de mélanges initialement développées pour des particules mélangées à l'état sec peuvent être utilisées pour les MSBs générés à partir des composantes humides. La teneur en boues dans le mélange peut être maximisée, mais par contre, le problème des teneurs en eau élevées dans les mélanges n'est pas résolu.

Abstract

Reclamation of mine sites can be done using several methods among which sealed covers that control water infiltration and oxygen barrier covers. The latter comprises also covers with capillary barrier effect (CCBE). A CCBE comprises at least one layer of fine material placed between two layers of coarse materials. This fine material must have a water retention capacity with an air entry value (AEV) of at least 20 to 50 kPa and a low saturated hydraulic conductivity (ksat) of a value lower than 10-5 cm/s. When fine materials with the required characteristics (see above) are not available in sufficient quantities close to the site under reclamation, or when you want to reduce the amount of borrow materials to excavate, it is possible to rely on other alternative materials such as those incorporating acid mine drainage treatment sludge. When this sludge is mixed in an optimal way with other granular materials, soil-sludge mixtures (SSMs) that are obtained can have hydrogeological properties that are suitable to be used as fine materials in covers. This research project had a principal objective to optimize the quantity of acid mine water treatment sludge in the SSMs using the theory of particle packing and of mixture, and the method by compaction, and to evaluate in which ways these SSMs optimized can serve as materials in covers used for reclamation of tailings storage facilities. More specifically, the objectives of this research project are: a) optimize the proportions of soil and sludge in the SSMs by the theory of particle packing and/or the theory of mixture or by compaction; b) determine the hydrogeotechnical properties of the optimized soil-sludge mixtures. Acid mine drainage treatment sludge of the Westwood mine (WW) of IAMGOLD Corporation and Waite Amulet (WA) of Fonderie Horne (Glencore) has been studied as well as sand and till samples collected at the borrow pit on the Westwood site. Water contents considered for each constituent are respectively 175 and 200% for WW and WA sludge and 3,5 and 7,5% for sand and till respectively. In a first step, material characterization (physical, chemical and mineralogical) used in the mixtures has been conducted. This characterization has enabled to classify materials (according to the USCS method) as follows: SP and SC for sand and till, MH for WW sludge. Both sludge contain gypsum on the one hand and calcite on the other hand, which will provide alkalinity in the long term. A hydrogeotechnical characterization of materials in the loose state has also been performed. Afterwards, optimization of SSMs has been performed using models based on particle packing theory that will produce a reference grain size distribution curve and models based on the mixture theory that allows determination of reference curve that shows variation of porosity (void ratio) of mixture in function of the proportion of fine particles and/or to obtain optimal proportions of particles in the mixtures. Porosities at the loose state of the coarse fractions (granular soil) and fine (sludge) have been used. These studies showed that models based on particle packing theory suggest reference grain size distribution curves that have too coarse particles and not feasible in comparison with studied materials. Models based on the theory of mixtures of Koltermann and Gorelick (1995); Côté and Konrad (2003) and Wickland et al. (2006) give optimal mixtures with sludge content (wet sludge mass/wet soil mass) is high between 38 and 58% for the mixtures sand-sludge and between 27 and 56% for the mixtures till-sludge. These mixtures are difficult to compact because of their very high water contents. The model of Jehring and Bareither (2016) gives the results of sludge content in the mixtures (comprised between 14 and 18% for the mixtures sand-sludge and between 10 and 13% for the mixtures till-sludge), values lower than those given by other models. Optimization by compaction consisted in determining variations of dry density of SSMs in function of sludge content and natural water content of mixtures. Here, initial soil water content has been varied as follows: from 0 to 7% for sand and from 0 to 4% for till. Optimization by compaction has given sludge content values comprised between 19 and 8% for the mixtures of sand when initial water content of sand goes from 0 to 7% and between 10 and 2% for the mixtures of till when initial water content goes from 0 to 4%. The sludge content in the mixture depends on initial water content of the materials. For a given initial water content of the sludge, sludge content in the mixture increases with decrease of initial soil water content. After comparison of different results, mixtures selected for hydrogeotechnical tests were the ones optimized by the model of Koltermann and Gorelick (1995) and by compaction considering the degree of compaction at 98%. Finally, hydrogeotechnical tests on the selected mixtures have shown values of saturated hydraulic conductivities around 10-4 cm/s for sand-sludge mixtures and around 10-6 cm/s for till-sludge mixtures. Air entry pressure values (AEV) are greater than 20 kPa for all the mixtures. This study showed that optimization theories of mixtures initially developed for particles mixed at dry state can be used for the SSMs generated from humid components. Sludge content in the mixture can be maximized but in the contrary, issues related to high water content of the mixture have not been solved.