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Évaluation de la performance de recouvrements miniers pour contrôler le drainage minier acide en climat arctique

Vincent Boulanger-Martel

Ph.D. thesis (2019)

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In arctic regions where permafrost is present, the mechanisms leading to the generation of acid mine drainage (AMD) by mine tailings are slown down by the low temperatures. The occurrence of frozen conditions also contributes to limiting the transport of contaminated water into the receiving environment. Even though such conditions are observed, AMD-generation can still be observed in arctic conditions and mine site reclamation must be achieved. Many types of covers are available to control AMD-generation from tailings storage facilities located in the Arctic, including the insulation cover. The insulation cover seeks to integrate reactive mine tailings into the natural permafrost and control the tailings temperature to limit the generation of AMD. In order to be effective, an insulation cover must permanently maintain the tailings below a target temperature at which the oxidation of sulfide minerals is negligible. However, this approach can be vulnerable to changes in climatic conditions as its long-term performance is strictly based on controlling the temperature of tailings. For this reason, its performance must be demonstrated based on anticipated future changes in climatic conditions. In this context, a more robust alternative could be the use of insulation covers with capillary barrier effects (ICCBEs) because they control both the tailings temperature and the vertical migration of oxygen. ICCBEs use the temperature lowering properties of an insulation cover to reduce the period of time at which the temperature of the tailings are greater than the target temperature and the contrast in the hydrogeological properties of the cover layers to limit flux of oxygen available to the oxidation reactions during the periods when the temperature at the tailings-cover interface are greater than the target temperature. Even if this alternative approach is appealing, many aspects related to its performance must be validated before being implemented at full scale, including the effect of time on the properties of cover materials and their capacity to be effective under field conditions. This study aims at evaluating the short- and long-term performance of several covers constructed at Meadowbank mine for controlling sulfide oxidation. The tested covers include two insulation covers (2- and 4-m-thick) made of non-potentially acid-generating (NPAG) waste rocks and a 2 m-thick ICCBE constructed with a moisture-retaining layer made of fine compacted NPAG waste rocks and protective and capillary break layers made of raw non-compacted NPAG waste rocks. More specifically, this research project seeks to determine the main thermo-hydro-geotechnical properties of the cover materials and tailings, assess the performance of several cover configurations based on laboratory characterizations and field experimental cells, assess the durability of the NPAG waste rock unit to freeze-thaw and wet-dry cycles at the laboratory, analyze the long-term behaviour of insulation covers in the long-term using numerical modelling, and develop a generalized design framework for insulation covers. Laboratory characterizations showed that the loose and compacted waste rocks have the hydrogeological properties required to be used as capillary break and moisture-retaining layers, respectively. A difference in saturated hydraulic conductivity of four orders of magnitude was observed between the two materials (1 × 10-1 vs 1 × 10-5 cm/s), and residual suction conditions (125 cm of water) are reached in the loose waste rocks before the air entry value (250 – 300 cm of water) of the compacted waste rocks is reached. Oxygen diffusion tests performed on compacted waste rocks indicated a effective oxygen diffusion coefficient – saturation behaviour similar to typical granular materials. Oxygen consumption tests performed at the laboratory on tailings at different temperatures highlighted that the reaction rate of Meadowbank mine tailings becomes negligible at 0 °C. Accordingly, the target temperature of Meadowbank tailings was established at this temperature. Thermal characterizations indicated thermal conductivity of the solid particles of 4.80 and 5.80 W/m K for the waste rocks and tailings, respectively. A predictive thermal conductivity model was calibrated to best represent the data obtained in the laboratory. No significant scale and structural effects on the thermal conductivity were observed for the waste rocks. Therefore, the calibrated models can be extended to field conditions with confidence. The thermal and hydrogeological behaviour of the two insulation cover field experimental cells was monitored for 4.5 years. The tailings and the lower 0.50 m of cover materials were saturated. These saturation conditions have an impact on the cover material's thermal conductivity and on the distribution of the internal temperatures. The monitoring of internal temperatures indicated that conduction is the main heat transfer mechanism controlling the thermal behaviour of the studied insulation covers. The 2-m insulation cover showed temperatures at the tailings-cover interface greater than 0 °C for 94 to 124 days every year, whereas under the 4-m cover, the temperatures at the tailings-cover interface stayed below 0 °C. The comparison of the oxygen fluxes measured for the uncovered versus covered tailings indicated that the oxygen fluxes were reduced by 70 to 90 % by the insulation covers. The thermal and hydrogeological behaviour of the insulation cover with capillary barrier effects field experimental cell constructed at Meadowbank mine was monitored for 3.5 years. Results show thaw depths periodically reaching the tailings and temperatures at the tailings-cover interface greater than 0 °C for 39 to 57 days every year. During the period of time at which the temperature at the tailings-cover interface was greater than 0 °C, the average degree of saturation of the moisture-retaining layer was 84 %. In these saturation conditions, total yearly diffusive oxygen flux passing through the moisture-retaining layer inferior to 2 mol/m2/yr were calculated, thus confirming the efficacy of the cover to act as an efficient oxygen barrier. Considering the potential for future changes in climate, ICCBEs represent an attractive alternative to insulation covers, especially when the tailings are highly reactive. The laboratory tests performed to assess the durability of the waste rock unit with respect to freeze-thaw and wet-dry cycles indicated acceptable mass losses. The variations in terms of the material's physical and mechanical properties after 20 and 80 freeze-thaw and wet-dry cycles were within the acceptable limits for materials of high durability. The high durability of the waste rock unit is owed to its high density, low water absorption index, and low apparent porosity. Based on the results, no problem related to the physical integrity of cover materials or water quality is to be expected from the weathering of the waste rock unit. Ultimately, Meadowbank mine's waste rock unit is an excellent and durable construction material for mine closure purposes. Considering all the results obtained from laboratory characterizations and the monitoring of the field experimental cells, a numerical model was developed to assess the long-term behaviour of insulation cover configurations similar to those tested at Meadowbank. Considering an increase in air temperature of 6.0 °C over 100 years and post-operations ground thermal conditions, the models showed that the temperature of the tailings under the 2 and 4-m insulation covers decrease over the first 25 – 35 years due to the process of freezing. Then, the temperature at the tailings-cover interface gradually increase due to the impact of the increase in air temperature over time. The temperatures of the tailings under the 2-m cover become constantly below 0 °C after 4 years. Then the temperature at the tailings-cover interface becomes greater than 0 °C at year 82 and for 120 days at year 100. Under the 4-m cover, the temperature of the tailings becomes constantly below 0 °C after 9 years. The temperature at the tailings-cover interface is maintained below 0 °C year-round after the freezing period. A parametric demonstrated that the cover thickness, thickness of the tailings layer, variation in the increase in air temperature and moisture conditions are the main factors affecting the thermal behaviour and performance to control sulfide oxidation of the cover configurations. Ultimately, a generalized design framework comprised of eight steps was proposed. This design approach provides a framework useful for the industry to design insulation covers in the Arctic.


Résume En présence de conditions froides et de pergélisol, les mécanismes de génération du drainage minier acide (DMA) dans les rejets miniers sont ralentis par les basses températures. La présence de conditions froides (eau gelée) contribue aussi à limiter le transport des contaminants dans l'environnement. Cependant, malgré ce constat, du drainage minier acide peut être généré en conditions froides durant la période de dégel d'où la nécessité de restaurer ces sites. Plusieurs types de recouvrements existent pour limiter la génération de DMA par les résidus miniers contenus dans les parcs à résidus miniers dans l'Arctique, notamment le recouvrement isolant. Le recouvrement isolant utilise favorablement les conditions climatiques de l'Arctique afin de limiter l'oxydation des sulfures en intégrant les résidus miniers au pergélisol et en contrôlant leur température. Pour être performant, le recouvrement isolant doit maintenir les résidus miniers sous une température à partir de laquelle l'oxydation des résidus miniers est négligeable. Puisque le recouvrement isolant ne vise qu'à contrôler la température des résidus miniers, sa performance à long terme peut être source d'incertitude. La performance des recouvrements isolants doit donc être démontrée pour chaque site minier en fonction des projections climatiques anticipées. La couverture isolante avec effets de barrière capillaire (CIEBC) présente une approche alternative aux recouvrements isolants qui pourrait s'avérer plus robuste dans un contexte de changements climatiques. Ce type de recouvrement se base sur les propriétés isolantes du recouvrement pour réduire la période où les résidus miniers sont au-dessus de la température cible de réactivité et sur les propriétés hydrogéologiques des matériaux afin de favoriser de hauts degrés de saturation dans une couche du recouvrement (couche de rétention d'eau) pour limiter les flux d'oxygène disponibles pour les réactions d'oxydation lorsque la température cible n'est plus atteinte. Même si théoriquement l'approche semble intéressante, plusieurs aspects liés à la performance de la CIEBC doivent être validés avant l'application à grande échelle. Ces aspects incluent notamment les effets du temps sur les propriétés des matériaux et leur capacité à atteindre la performance réelle lorsqu'exposé aux conditions in situ. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l'efficacité à court et long termes de différentes configurations de recouvrements construits à la mine Meadowbank pour limiter l'oxydation des sulfures. Les configurations de recouvrements testées comprennent des recouvrements isolants de 2 et 4 m d'épaisseur faits en stériles miniers non potentiellement générateurs d'acidité (NPAG) et d'une CIEBC de 2 m faite d'un bris capillaire et d'une couche de protection de stériles NPAG lâches et d'une couche de rétention d'eau de stériles NPAG compactés. Plus spécifiquement, ce projet de recherche vise à déterminer au laboratoire les principales propriétés thermo-hydro-géotechniques des matériaux de recouvrement et des résidus miniers, évaluer la performance des différentes configurations de recouvrement à partir de données obtenues au laboratoire et par le biais de cellules expérimentales de terrain, évaluer au laboratoire la durabilité des matériaux de recouvrement face aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage, analyser à l'aide d'outils numériques le comportement thermique des recouvrements isolants à long terme et à développer une approche de conception généralisée des recouvrements isolants. Les travaux de caractérisation des matériaux montrent que les stériles lâches et compactés ont des propriétés hydrogéologiques adéquates pour être utilisés comme matériaux de couches de bris capillaire et de rétention d'eau, respectivement. Une différence de conductivité hydraulique saturée de quatre ordres de grandeur est observée entre les deux matériaux (1 × 10-1 versus 1 × 10-5 cm/s) et la succion résiduelle (125 cm d'eau) des stériles lâches est atteinte avant la valeur d'entrée d'air des stériles compactés (250 – 300 cm d'eau). Les essais de diffusion de l'oxygène réalisés sur les stériles compactés démontrent que les stériles compactés adoptent un comportement coefficient de diffusion de l'oxygène – saturation similaire aux matériaux granulaires. Les essais de consommations de l'oxygène réalisés au laboratoire à différentes températures ont permis d'identifier que le taux de réaction des résidus miniers de Meadowbank devient négligeable à 0 °C; la température cible d'entreposage des résidus de Meadowbank est donc établie à cette valeur. Les caractérisations thermiques montrent que la conductivité thermique des solides est de 4,80 et 5,80 W/m K pour les matériaux de recouvrement et les résidus miniers, respectivement. Un modèle de prédiction de la conductivité thermique a été calibré pour représenter les données obtenues au laboratoire. Aucun effet d'échelle et de structure significatif sur la conductivité thermique n'a été observé pour les unités de stériles miniers. Ainsi, les modèles calibrés peuvent être étendus aux conditions de terrain avec confiance. Le comportement thermique et hydrogéologique des deux cellules expérimentales de terrain de recouvrements isolant a été suivi pour une période de 4,5 années. Les résidus miniers et 50 cm de matériaux à la base du recouvrement sont saturés. Ces conditions d'humidité ont un impact sur la conductivité thermique des matériaux et donc, sur la distribution des températures internes. Le suivi des températures internes montre que la conduction est le principal mécanisme contrôlant le comportement thermique des recouvrements étudiés. Le recouvrement de 2 m a montré des températures à l'interface résidus-recouvrement supérieures à 0 °C pour 94 à 124 jours par année, tandis que la température des résidus miniers sous le recouvrement de 4 m a toujours été sous 0 °C. Les essais de consommation d'oxygène montrent une réduction de 70 à 90% des flux d'oxygène consommés par les résidus recouverts comparativement aux résidus non recouverts. Les calculs de flux d'oxygène annuel totaux indiquent que les flux d'oxygène sont inférieurs à 2 mol/m2/an, ce qui confirme l'efficacité des recouvrements isolants à contrôler l'oxydation des résidus miniers de Meadowbank. Le comportement thermique et hydrogéologique de la cellule expérimentale de terrain CIEBC construite à Meadowbank a été suivi pour 3,5 années. Les résultats montrent que la profondeur de dégel a périodiquement atteint les résidus miniers et que la température à l'interface résidus-recouvrement a été supérieure à 0 °C pour 39 à 57 jours par année. Lorsque la température à l'interface résidus-recouvrement était supérieure à 0 °C, le degré de saturation moyen de la couche de rétention d'eau était de 84 %. Dans ces conditions, des flux d'oxygène annuel total passant à travers la couche de rétention d'eau inférieurs à 2 mol/m2/an ont été calculés, confirmant l'efficacité du système de recouvrement CIEBC à titre de barrière à l'oxygène. Dans un contexte de changements climatiques, le concept de CIEBC représente une alternative intéressante aux recouvrements isolants, spécialement lorsque les résidus miniers sont très réactifs. Les travaux d'évaluation de la durabilité de l'unité de stériles miniers indiquent que les pertes de masses observées suite aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage sont caractéristiques de matériaux résistants. Des variations acceptables des propriétés physiques et mécaniques des carottes de roches intactes testées ont aussi été observées après 20 et 80 cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage. La durabilité de l'unité de stériles est principalement attribuée à sa haute densité, à ses faibles capacités d'absorption d'eau et sa faible porosité apparente. Les résultats suggèrent qu'aucune complication reliée à l'intégrité physique des matériaux de recouvrement ou à qualité des eaux de drainage ne devrait être attendue à long terme. Les résultats des essais de durabilité montrent que l'unité de stériles NPAG de Meadowbank n'est pas significativement affectée par les cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage et qu'elle constitue un excellent matériau pour la construction du recouvrement isolant de Meadowbank. L'ensemble des données obtenues lors de la caractérisation des matériaux et du suivi des cellules expérimentales de terrain ont été utilisées pour développer des modèles numériques qui évaluent le comportement thermique à long terme de recouvrements isolants de configurations similaires à ceux testés à Meadowbank. En considérant une augmentation de la température de l'air de 6,0 °C sur 100 ans et des conditions thermiques post-opérations, les températures des résidus miniers sous les recouvrements de 2 et 4 m diminuent dans les premières 25 – 35 années dues au processus de gel. Ensuite, la température de l'interface résidus-recouvrement augmente graduellement à cause de l'impact de l'augmentation de la température de l'air dans le temps. La température des résidus miniers sous le recouvrement de 2 m est constamment sous 0 °C à partir de 4 ans, tandis que la température à l'interface résidus-recouvrement devient momentanément supérieure à 0 °C à l'année 82 et est supérieure à 0 °C pour 120 jours à l'an 100. Sous le recouvrement de 4 m, la température des résidus miniers devient constamment sous 0 °C après 9 ans et la température des résidus miniers est toujours maintenue sous 0 °C une fois la période de gel passée. L'analyse paramétrique indique que l'épaisseur du recouvrement, l'épaisseur de la couche des résidus miniers, les variations de l'augmentation de la température de l'air et les conditions de saturations sont les principaux facteurs qui affectent le comportement thermique et la performance des recouvrements isolants à limiter l'oxydation des sulfures. Ultimement, un cadre de conception général des recouvrements isolants en huit étapes est proposé. Cette approche de conception généralisée fournit un cadre utile à l'industrie minière pour la conception de recouvrements isolants dans l'Arctique.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Bruno Bussière and Jean Côté
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/4113/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 20 Oct 2020 12:04
Last Modified: 07 Apr 2024 10:29
Cite in APA 7: Boulanger-Martel, V. (2019). Évaluation de la performance de recouvrements miniers pour contrôler le drainage minier acide en climat arctique [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/4113/


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