Consolidation des résidus miniers dans les fosses en présence d'inclusions de roches stériles

L'exploitation d'une mine à ciel ouvert génère d'importantes quantités de rejets miniers, essentiellement sous la forme de roches stériles et de résidus miniers. Ceux-ci sont généralement entreposés dans des haldes à stériles et des parcs à résidus de grandes dimensions dont la gestion, la restauration et la stabilité à long terme représentent des défis majeurs pour l'industrie minière. Les résidus miniers sont souvent produits et transportés à des teneurs en eau élevées, ce qui accroit les risques de liquéfaction, de rupture de digue et de lixiviation de contaminants. La déposition des résidus dans une fosse (lorsque disponible sur le site) pourrait contribuer à réduire ces risques géotechniques et à améliorer la restauration, tout en réduisant la taille des aires d'entreposage en surface. L'utilisation d'inclusions de roches stériles plus perméables a été proposée afin d'accélérer la consolidation des résidus dans la fosse, améliorer leurs propriétés géotechniques et réduire les interactions entre les rejets remblayés et l'environnement. De telles inclusions sont déjà utilisées sur certains sites miniers pour la construction des parcs à résidus en surface. L'objectif principal de ce mémoire était ainsi d'évaluer l'effet d'inclusions de roches stériles sur la consolidation de résidus miniers déposés dans une fosse au moyen de simulations numériques calibrées à partir d'essais expérimentaux. L'objectif était à la fois d'optimiser le volume d'entreposage dans la fosse (maximiser le tassement) et accélérer la vitesse de consolidation (minimiser le temps de dissipation des pressions interstitielles en excès). Les analyses ont été inspirées du cas de la fosse Doyon, propriété de la mine d'or Westwood (IAMGOLD) et située en Abitibi au Québec. Les résidus miniers étudiés dans ce projet ont été échantillonnés à la mine Westwood (Iamgold) et leurs propriétés hydrogéotechniques ont été mesurées au laboratoire (granulométrie, densité relative, angle de friction interne effectif, densité maximale à l'optimum Proctor modifié). Les paramètres de consolidation ont été déterminés au moyen d'essais de compression en colonne. Ces essais de compression ont été modifiés dans le cadre de cette étude afin d'évaluer la consolidation des résidus sous leur propre poids et en conditions de double drainage. Leur conductivité hydraulique saturée a également pu être mesurée au cours des essais de consolidation. Les échantillons ont été préparés à différentes teneurs en eau et déposés sur différentes épaisseurs afin d'étudier l'effet de ces propriétés sur le comportement hydrogéotechnique des résidus. Au total, 17 essais de compression de 10 paliers de chargement compris entre 0 et 490 kPa ont été réalisés. Les déplacements et les pressions interstitielles étaient mesurés en continu. Chaque palier de chargement durait environ 4 heures. Les essais de compression en colonne ont ensuite été simulés au moyen du code SIGMA/W (GeoSlope). Ces simulations ont permis de vérifier que le code SIGMA/W était en mesure de reproduire de manière satisfaisante les tassements et la dissipation des pressions interstitielles en excès mesurés lors les essais de compression en colonne. Les paramètres du modèle Cam-Clay modifié ont été calibrés à partir des mesures expérimentales, mais les paramètres initiaux ont été peu ou pas modifiés. La validation de la calibration a été réalisé en simulant trois autres essais de compression en colonne. Les résultats obtenus (déplacements, indices des vides et vitesses de consolidation) étaient proches des mesures au laboratoire. Le modèle de comportement Cam-Clay modifié a aussi été comparé aux modèles élasto-plastique et linéaire élastique et a été considéré comme le plus approprié pour la suite des simulations numériques. Le code SIGMA/W a ensuite été utilisé pour simuler le comportement des résidus miniers déposés dans une fosse avec et sans inclusion de roches stériles. Les propriétés des résidus étaient basées sur les simulations des essais en colonnes. Les simulations ont montré que l'ajout d'inclusions de roches stériles (enveloppe perméable, tapis drainant et/ou inclusion drainante centrale) permettait de réduire significativement le temps nécessaire à la dissipation totale des pressions interstitielles en excès dans la fosse et donc la durée de consolidation à proximité des inclusions. Une étude paramétrique a également été réalisée afin d'étudier l'effet de la largeur de la fosse, de l'indice de compression des résidus miniers, de la conductivité hydraulique saturée du roc fracturé et de l'épaisseur des rehaussements en présence d'une enveloppe perméable, d'un tapis drainant et d'une inclusion drainante. Les principales conclusions de cette étude de sensibilité étaient les suivantes :

• L'augmentation de la largeur de la fosse réduisait l'influence des inclusions de roches stériles au centre du modèle sur le tassement et la vitesse de consolidation, mais avait peu d'influence sur le comportement hydrogéotechnique des résidus au sommet et à la base de la fosse ainsi qu'à proximité des inclusions. • L'utilisation d'un indice de compression sensiblement plus élevé (0,16 au lieu de 0,11) augmentait significativement les tassements et la durée de consolidation simulés (et inversement). L'indice de compression doit donc être mesuré avec précision afin d'obtenir des résultats réalistes dans les simulations numériques et d'établir les plans de déposition. • L'utilisation d'inclusions de roches stériles perméables permet d'accélérer la consolidation des résidus déposés dans la fosse, indépendamment de la conductivité hydraulique du roc.

Les résultats de ce projet devraient être utiles pour mieux orienter la conception de la co-disposition des résidus miniers et des roches stériles dans les fosses.

Abstract

Mining operations generate large quantities of wastes, mainly waste rock and tailings. These are generally stored in waste rock piles and tailings storage facilities whose long-term stability and reclamation represent major challenges for the industry. Tailings are often produced and transported at high water contents, which contributes to increase the risk for liquefaction, dam failure and contaminant leaching. In-pit disposal (if available on the site) of mine tailings could decrease these geotechnical risks and improve reclamation, while reducing the size of surface storage areas. Waste rock inclusions were proposed to accelerate the consolidation of tailings, decrease the interactions between backfilled wastes and the environment, and improve the geotechnical properties and strength of tailings. Such inclusions are already used at some mine sites for the construction of surface tailings pound. The main objective of this study was to evaluate the effects of waste rock inclusions on the consolidation of mine tailings deposited in a pit using numerical simulations calibrated from experimental tests. The objective was to optimize both storage volume (maximize settlement) and time of consolidation (minimize the dissipation time of excess pore water pressures). The study was based on the Doyon pit, property of IAMGOLD and located in Abitibi, Quebec. Tailings were sampled at the Westwood mine (IAMGOLD) and characterized in the laboratory (grain size distribution, specific gravity, friction angle, maximum density). The consolidation parameters were determined using column compression tests. These compression tests were modified to evaluate the consolidation of tailings under double seepage conditions and for self-weight consolidation. The saturated hydraulic conductivity was measured during the compression tests. The effect of the initial water content and deposition rate (layer thickness) were also studied in the laboratory. A total of 17 tests with 10 loading steps comprised between 0 and 490 kPa were carried out. Settlement and pore water pressures were recorded continuously. Each loading step lasted for approximately 4 hours. The column compression tests were simulated with the code SIGMA/W (GeoSlope). Numerical simulations were able to represent relatively well the settlement and the dissipation of excess pore water pressure measured during the compression tests carried out on Westwood tailings. The parameters of the Cam-Clay modified model were calibrated based on laboratory tests. However, initial parameters were only slightly or not modified. The calibration of these parameters was validated by simulating three other column compression tests. The simulated displacements, void ratios and consolidation rates were close to laboratory results. The Cam-Clay modified model was also compared to the elastoplastic and the linear elastic models but was considered the more appropriate to carried out further simulations. SIGMA/W code was then used to simulate the behavior of tailings deposited in an open pit with and without waste rock inclusions. The properties of tailings were based on the column test simulations. Simulations showed that waste rock inclusions placed at different positions in the pit (e.g. permeable surround, central inclusion, bottom drain) significantly reduced the time required to attain the total dissipation of excess pore water pressure in the tailings and decreased the consolidation time close to waste rock inclusions. A parametric study was also carried out to evaluate the effect of pit width, tailings compression index, fractured bedrock hydraulic conductivity, and thickness of tailings layers. The main conclusions of this study were: • Increasing the width of the pit reduced the influence of waste rock inclusions on the settlement and the time of consolidation in the center of the model. The width of the pit did not influence the consolidation of tailings near the top and the bottom of the pit and close to inclusions. • The use of a higher compression index (0,16 instead of 0,11) significantly increased settlements and consolidation time simulated. The parameter therefore need to be precisely determined in the laboratory to obtain realistic results with numerical simulations and design deposition. • The use of permeable waste rock inclusions accelerates the consolidation of tailings deposited in the pit, regardless of the saturated hydraulic conductivity of the fractured bedrock The results of this project should be useful to guide the design of co-disposal of tailings and waste rock in open-pits.