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.