Étude du comportement thermique d'une halde à stériles en milieu nordique

Un défi important pour l'industrie minière est la restauration environnementale des haldes à stériles potentiellement génératrices de drainage minier acide (DMA). Le DMA se produit notamment lorsque les minéraux sulfureux composant les stériles miniers sont exposés à l'eau et à l'oxygène atmosphérique. La réaction d'oxydation qui en résulte entraîne la libération d'acide, de fer et de sulfate. Le lixiviat acide ainsi formé est alors susceptible de percoler dans la halde, de s'y enrichir en divers contaminants, puis de se déverser dans le milieu naturel sur de vastes étendues, entraînant une dégradation des écosystèmes à long terme. La formation de DMA peut être contrôlée en agissant sur un ou plusieurs de ces agents selon diverses techniques. Le contrôle de la température à l'aide de recouvrements isolants est une méthode spécifique aux régions nordiques. Cette méthode vise à incorporer les rejets miniers dans le pergélisol. À faibles températures, les cinétiques de réactions géochimiques et biochimiques sont presque nulles. Par conséquent, les réactions d'oxydation des rejets miniers réactifs sont ralenties, ce qui réduit la production de contaminants. De plus, le gel contrôle le mouvement des fluides dans la halde, ce qui limite la migration des contaminants. Meadowbank est une mine aurifère située dans la région de Kivalliq au Nunavut (65°N). Un recouvrement isolant est mis en place pour la restauration des haldes à stériles de Meadowbank. La particularité du recouvrement de Meadowbank est qu'il est constitué de stériles non réactifs (NPAG). Afin d'évaluer l'efficacité du recouvrement à maintenir les stériles potentiellement générateurs d'acide (PAG) sous le point de congélation, 14 thermistances ont été installées sur une des haldes à stériles, entre 2013 et 2015. L'objectif de la présente étude est d'évaluer le comportement thermique d'un système de recouvrement isolant construit sur la halde à stériles de Meadowbank. Les objectifs spécifiques du projet sont : (1) caractériser les matériaux du recouvrement et des stériles potentiellement réactifs; (2) échantillonner et analyser les mesures des températures in situ; (3) développer un modèle numérique calibré selon les propriétés des matériaux et les conditions de terrain; et (4) identifier les principaux mécanismes de transfert de chaleur dans la halde à stériles de Meadowbank à partir des mesures in situ et des résultats d'analyses numériques. Pour atteindre ces objectifs, des travaux de caractérisations des propriétés hydrogéologiques, minéralogiques et thermiques ont été entrepris, et ce, pour les deux types de stériles, NPAG et PAG. Les résultats montrent que les matériaux ont des propriétés hydrogéologiques typiques de stériles miniers (conductivité hydraulique saturée de 1,3 x10-1 cm/s pour le NPAG et de 1,1 x10-1 cm/s pour le PAG) avec des pressions d'entrée d'air inférieures à 5 cm. Les propriétés hydrogéologiques sont aussi très semblables entre les 2 types de stériles, à l'exception que le NPAG (CU = 284 et un D10 = 0.04 mm) contient une plus grande proportion de particules fines que le PAG (CU = 13 et un D10 = 1.01 mm). Le NPAG est principalement composé de talc (31%) et les chlorites (26%), tandis que les deux principaux minéraux identifiés pour le PAG sont le quartz (44%) et les chlorites (14%). La caractérisation des propriétés thermiques a permis d'évaluer la conductivité thermique des solides à 5,27 W/m K pour le PAG et à 4,80 W/m K pour le NPAG. De plus, selon les essais réalisés sur différentes granulométries, aucun effet d'échelle des propriétés thermiques n'est attendu pour les 2 matériaux. L'étude plus poussée des propriétés thermiques des solides pour le NPAG a démontré l'importance de prendre en considération la composante directionnelle de la conductivité thermique pour certains minéraux, tels que le talc, lorsque la méthode de la sonde à aiguille était utilisée. L'évaluation des profils de températures in situ a démontré que la halde n'avait pas encore atteint l'équilibre thermique. À l'interface entre le recouvrement et les stériles potentiellement réactifs, la température moyenne globale est de -6,2 °C. Les profondeurs de la couche active ont été évaluées entre 1,9 m et 7,9 m, avec une moyenne de 3,9 m. En 2016 et 2017, 3 chaînes de thermistances ont révélé des profondeurs de dégel sous l'interface NPAG/PAG. Toutefois, une diminution des profondeurs a été observée entre les années de l'étude. Les profils de températures ont aussi montré des indices de chaleur latente dans les huit premiers mètres de la halde pour quatre stations. La modélisation numérique a été utilisée pour mieux comprendre les processus de transfert de chaleur dans la halde. Le modèle numérique unidimensionnel en conduction avec changement de phase a été calibré selon les propriétés des matériaux et les conditions de terrain. Le calibrage du modèle a démontré que les propriétés des matériaux avaient peu d'influence sur les températures. Les paramètres météorologiques au cours des calibrages n'ont révélé aucune tendance selon l'orientation des pentes ni des différences significatives des températures maximales près de l'interface NPAG/PAG avec une variation du rayonnement net. En général, les modèles calibrés selon différents scénarios présentaient des températures plus froides que les températures mesurées pour toutes les années, mais la tendance était sensiblement la même que les températures mesurées. La modélisation en 2D a montré la présence d'effet de bord, mais l'effet était prononcé du côté des températures froides et avait peu d'influence sur les températures chaudes près de la surface, donc sur la profondeur de la couche active. Les profils de température de la modélisation 2D comparés à la modélisation 1D étaient très similaires et montrent que l'analyse des températures en 1D peut être considérée comme adéquate pour prédire le comportement thermique global d'une halde à stériles comme celle de Meadowbank. Finalement, le travail de recherche a permis de mieux comprendre les transferts de chaleur dans la halde à stériles de Meadowbank. À la suite de ces travaux, il est recommandé de poursuivre la collecte de données avec une attention particulière pour les chaînes de thermistances où le dégel se propageait sous le recouvrement. Il serait aussi intéressant d'évaluer la température critique afin de faire le lien entre les températures et le potentiel de génération d'acide des stériles. Finalement, il serait pertinent de mesurer les teneurs en eau et d'étudier la formation de glace près de la base de la couche active afin de voir l'effet sur les mouvements d'eau et les transferts de chaleur.

Abstract

A major challenge for the mining industry is the environmental reclamation of waste rock piles (WRPs) potentially generating acid rock drainage (ARD). ARD occurs especially when the sulfide minerals present in the mine waste rock are exposed to water and atmospheric oxygen. The resulting oxidation reaction causes the release of acid, iron, and sulfate. The acid leachate thus formed is then likely to percolate into the WRP, to become rich in various contaminants, and then to flow into the natural environment, leading to long-term ecosystem degradation over large areas. The formation of ARD can be controlled by acting on one or more agents according to various techniques. Temperature control with insulating covers is a unique technic to northern regions. This method aims to incorporate mine waste rocks into permafrost. At low temperatures, the kinetics of geochemical and biochemical reactions are almost zero. As a result, oxidation reactions from reactive mineral waste rocks are slowed down, reducing the production of contaminants. Also, the freezing controls the movement of fluids in the pile, which limits the migration of contaminants. Meadowbank is a gold mine located in the Kivalliq region of Nunavut (65 ° N). At Meadowbank, an insulation cover is in place for the reclamation of the WRP. The special feature of the Meadowbank cover is that it consists of non-reactive waste rock (NPAG). In order to evaluate the effectiveness of the cover at keeping potentially acid-generating waste rocks (PAG) below the freezing point, 14 thermistors were installed on the waste rocks pile between 2013 and 2015. The objective of this study is to evaluate the thermal behavior of an insulating cover system built on the Meadowbank WRP. The specific objectives of the project are: (1) characterize the cover materials and the reactive waste rock; (2) sample and analyze in situ temperature measurements; (3) develop a numerical model calibrated according to material properties and field conditions; and (4) identify the main heat transfer mechanisms in the Meadowbank WRP from in situ measurements and numerical analysis results. To achieve the objectives, characterization work on hydro geological, mineralogical and thermal properties was undertaken, for both types of materials, NPAG and PAG. The results show that the materials have typical hydro geological properties of waste rock (saturated hydraulic conductivity of 1.3 x 10-1 cm/s for NPAG and 1.1 x 10-1 cm/s for PAG) with air entry value of less than 5 cm. The hydro geological properties are also very similar between the two types of materials, except that the NPAG (CU = 284 and a D10 = 0.04 mm) contains a greater proportion of fine particles than the PAG (CU = 13 and a D10 = 1.01 mm). NPAG is mainly composed of talc (31%) and chlorites (26%), while the two main minerals identified for PAG are quartz (44%) and chlorites (14%). The characterization of the thermal properties of the solids was evaluated at 5.27 W/m K for the PAG and 4.80 W/m K for the NPAG. Further study of the thermal properties of solids for NPAG demonstrated the importance of considering the oriented component of thermal conductivity for certain minerals, such as talc, when the needle probe method was used. Moreover, according to the tests carried out on different particle sizes, no scale effect of the thermal properties is expected for the two materials. The evaluation of in situ temperature profiles demonstrated that the pile had not yet reached thermal equilibrium. At the interface between the cover and the reactive waste rock, the mean global temperature was -6.2 ° C. The depths of the active layer were evaluated between 1.9 m and 7.9 m, with an average of 3.9 m. In 2016 and 2017, three thermistor chains revealed lower thaw depths than the NPAG/PAG interface. However, a decrease in depths was observed between years of the study. Temperature profiles also showed latent heat indices in the first eight metres of the WRP for four stations. Numerical modeling has been used to better understand the processes of heat transfer in the pile. The one-dimensional numerical model in phase change conduction has been calibrated according to material properties and field conditions. Calibration of the model demonstrated that the properties of the materials had little influence on the model. Meteorological parameters during calibration revealed no trend in slope orientation, nor significant differences in maximum temperatures near the NPAG/PAG interface with net radiation variation. In general, the calibrated models had cooler temperatures than the temperatures measured for all year, but the trend was roughly the same as measured temperatures. Numerical modeling in 2D showed the presence of edge effects, but the effect was pronounced in cold temperatures and had little influence on warm temperatures near the surface, so on the thaw depth. The temperature profiles of 2D modeling compared to 1D modeling was very similar and showed that 1D temperature analysis can be considered adequate to predict the overall thermal behavior of a waste rock pile such as Meadowbank. Finally, research work allowed to better understand heat transfer in the Meadowbank waste rock pile. As a result of this work, it is recommended to continue the data collection with a particular attention to the thermistor chains where the thaw was observed under the cover. It would also be interesting to evaluate the critical temperature in order to make the connection between the temperatures and the acid generation potential of the waste rock. Finally, it would be relevant to measure water levels and study ice formation near the base of the active layer to see the effect on water movement and heat transfer.