Étude du comportement hydrogéologique de couvertures avec effets de barrière capillaire sur une halde à stériles de grande dimension

La restauration de haldes à stériles miniers de grande envergure est un défi de taille pour les entreprises minières. Les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) sont principalement utilisées pour contrôler la génération d'acide sur les parcs à résidus minier, mais plus rarement sur les haldes à stériles. Le principe de cette méthode de recouvrement est de placer une couche de matériel fin sur une couche de matériel plus grossier. Le matériel fin demeure saturé en eau grâce aux effets de barrière capillaire (Aubertin et al. 1995, Bussière et al. 1999). La diffusion d'oxygène est ainsi diminuée, ce qui limite le drainage minier acide (DMA) dans les rejets minier. Par ailleurs, pour qu'une CEBC soit efficace, la succion dans la couche de rétention d'eau ne doit pas être plus grande que la pression d'entrée d'air puisque cela pourrait induire une désaturation du matériel fin et, par le fait même, une perte de performance de la CEBC. Ces conditions peuvent théoriquement être rencontrées dans les haldes à stériles de grandes dimensions. L'objectif du projet est donc de déterminer l'efficacité de CEBC comme méthode de restauration de la surface horizontale d'une halde à stériles miniers de grande dimension à l'aide de modèles physiques à échelle intermédiaire sur le terrain et de simulations numériques. Pour ce faire, des cellules expérimentales instrumentées (CS2 et CS3) représentant des scénarios de recouvrement de type CEBC ont été construites sur le site de la Mine Canadian Malartic (MCM). La cellule CS2 est une CEBC typique comprenant une couche de bris capillaire de 0,5 m d'épaisseur, une couche de rétention d'eau de 1 m d'épaisseur et une couche de protection de 0,3 m d'épaisseur. La cellule CS3 est une CEBC n'ayant pas de couche dédiée au bris capillaire, mais dont la halde à stériles fait état de bris capillaire. Cette cellule comprend une couche de rétention d'eau de 1,8 m d'épaisseur et une couche de protection de 0,3 m d'épaisseur. Les résidus miniers de la MCM ont été utilisés pour construire la couche de rétention d'eau et des stériles de la MCM concassés ont été utilisés pour construire la couche de bris capillaire et la couche de protection. Ces matériaux ont été caractérisés en laboratoire afin de déterminer leurs propriétés physiques, hydrogéologiques, chimiques et minéralogiques. Pour déterminer l'efficacité de ces recouvrements, des données hydrogéologiques (succion, teneurs en eau volumiques (θ)) ont été mesurées dans les cellules expérimentales et comparées avec les résultats de simulations numériques. La migration de l'oxygène a également été évaluée à l'aide d'essais de diffusion/consommation d'oxygène d'oxygène in situ. Les résultats des données hydrogéologiques pour les deux cellules présentent des valeurs de teneurs en eau volumiques relativement élevées dans les couches de rétention d'eau et des valeurs plus faibles dans les couches de bris capillaire et dans les couches de protection. Les valeurs moyennes de succions mesurées se situent au-dessous de 5kPa dans les couches de bris capillaire et dans les stériles sous les recouvrement. Dans le bas des couches de rétention d'eau, les valeurs moyennes sont de 6 (CS2) et 7 kPa (CS3) et elles augmentent jusqu'à des valeurs moyennes d'environ 20 kPa dans le haut des couches de rétention d'eau. Ce comportement, obtenu pour les teneurs en eau volumiques et pour les succions, est celui attendu d'une CEBC; le bris capillaire est présent dans les deux cellules. Les degrés de saturation calculés à partir des valeurs maximales de teneurs en eau volumiques et pour une porosité moyenne de 0,44 sont de 70% et 100% aux endroits où sont placés les senseurs dans la cellule CS2. Pour la cellule CS3, les degrés de saturation dans la couche de rétention d'eau calculés à partir des valeurs de teneurs en eau volumiques maximales et selon une porosité moyenne de 0,48, sont entre 50 et 70 %, dépendamment des profondeurs. Selon la courbe de rétention d'eau (CRE) obtenue en laboratoire, la pression d'entrée d'air des résidus est d'environ 30 kPa, or le degré de saturation devrait être plus élevé pour s'accorder parfaitement aux succions obtenues. Les teneurs en eau volumiques augmentent avec le temps. Elles correspondent mieux à une CRE en période de mouillage. Les teneurs en eau volumiques de mise en place étant faibles, elles devraient augmenter avec le temps. Les essais de diffusion/consommation d'oxygène ont permis de déterminer des coefficients de diffusion de l'oxygène (De) en ajustant la courbe obtenue lors des essais à des courbes obtenues avec le logiciel Pollute V07 (Pollute) (Rowe et Booker, 2004). Le coefficient du taux de réaction de l'oxygène (Kr) a été fixé à 1x10 3hr- 1 pour les simulations dans le logiciel Pollute; il s'agit d'une valeur obtenue en laboratoire dans l'essai à deux réservoirs. Les De obtenus sont compris entre 3x10- 8 et 1x10-10 m2/s pour la cellule CS2 et entre 3x10-9 et 1x10-10 m2/s pour la cellule CS3. Ces valeurs correspondent à des degrés de saturation moyens équivalents à plus de 80 % pour les deux cellules selon des équations de prédiction proposées par Aachib (2004). Ces résultats sont obtenus pour des système homogènes équivalents aux conditions de terrain, qui ne correspondent pas au degré de saturation moyen réel des cellules. Ces essais semblent donc contrôlés par des sections davantage saturées de la couche de rétention d'eau, pour lesquelles les teneurs en eau volumiques ne seraient pas mesurées par les senseurs. Des flux d'oxygène ont pu être calculés à partir de ces paramètres (Kr et De) afin de représenter un cas où la halde à stériles serait complétement recouverte. Pour ce faire, l'équation analytique, présentée dans Mbonimpa et al. (2003) pour un matériel réactif sous des conditions de régime permanent, ont été utilisées. Les résultats obtenus sont compris entre de 10-7 et 10- 9 mol/m2/an pour les essais effectués en 2017 dans la cellule CS2. Pour la cellule CS3, les flux calculés sont de l'ordre de 10 9 mol/m2/an pour tous les essais sauf un, pour lequel le flux est de l'ordre de 10-4 mol/m2/an. Ces résultats sont tous sous les seuils d'une CEBC efficace présentés dans Dagenais et al. (2012), soit 0,6 et 1,25 mol/m2/an. Les simulations numériques ayant été effectuées pour représenter un système équivalent aux conditions sur le terrain montrent que les succions d'environ 4 kPa au bas de la couche de rétention d'eau et dans la couche de bris capillaire juste au-dessous. Les succions augmentent avec l'élévation dans la couche de rétention d'eau. Elles s'accordent bien aux succions mesurées dans les cellules. Ces mêmes résultats sont obtenus avec des profondeurs de nappe phréatique différentes sous la cellule, soit de -1 m, -5 m et -15 m. Selon ces simulations, la profondeur de la nappe phréatique n'a pas d'influence sur les teneurs en eau volumiques ni sur les succions dans le recouvrement. Cela permet également de démontrer que les succions ne sont pas plus élevées lorsque l'élévation par rapport à la nappe phréatique est plus grande. C'est également ce qui est mesuré sur le terrain. Les simulations prédisent une couche de rétention d'eau entièrement saturée à plus de 85 %. Une simulation a été effectuée avec les teneurs en eau volumiques mesurées sur le terrain comme état initial. Les résultats démontrent que la couche de rétention d'eau pourrait prendre plusieurs années à se saturer. Cela pourrait expliquer, en partie, les valeurs de teneurs en eau volumiques plus faibles mesurées dans les cellules expérimentales. Selon les résultats des simulations numériques et des essais et mesures sur le terrain, les CEBC pourraient être efficaces pour diminuer à long terme la diffusion d'oxygène et ainsi contrôler la formation de DMA dans les stériles sous-jacents sur les zones planes de la halde à stériles.

Abstract

Reclamation of large waste rock piles is a great challenge for the mining industry. Covers with capillary barrier effect (CCBE) are mainly used to control acid mine drainage (AMD) on mine tailing ponds and more rarely on waste rock piles. This method involves the installation of a layer of a fine-grained material on a layer of a coarser grained material. The top layer's saturation is maintained by the capillary barrier effect (Aubertin et al. 1995, Bussière et al. 1999) . The saturated layer limits the oxygen diffusion through the mining waste, which limits the AMD. The suction in the water retention layer must not exceed the air entry value of the fine-grained material for this method to be effective, because it could lead to a desaturation. Those conditions could theoretically occur on large waste rock piles. Therefore, the objective of this project is to determine the efficiency of a CCBE as a method to reclaim large waste rock piles, with physical models at intermediary scale on the field and numerical simulations to validate field measurements. To do this, two instrumented field cells (CS2 and CS3) have been built on the Canadian Malartic mine site (CMM). The CS2 cell is a typical CCBE which is made of a 0,5m thick capillary break layer, a 1 m thick water retention layer and a 0,3 m thick protection layer. The CS3 cell is a CCBE for which the waste rock pile serves as a capillary break. The cell is made of a 1,8 m thick water retention layer and a 0,3 m thick protection layer. Tailings from CMM were used to build the water retention layers and waste rocks from CMM were used to build the capillary break and the protection layers. The physical, hydrogeological, chemical and mineralogical properties of those materials have been characterized in the laboratory. To determine if the covers are effective to limit oxygen diffusion, hydrogeological data (suction and volumetric water content) was collected in the field cells and compared with numerical simulations solutions. Oxygen migration was also studied using in situ oxygen diffusion/consumption test. The hydrogeological data measured in both cells shows relatively high volumetric water content values in the water retention layer and lower values in the capillary break layer and in the top protection layer. The average suctions are under 5 kPa in the capillary break layer and in the waste rock under the cells. In the lower water retention layer, the average suction values are 6 (CS2) and 7 kPa (CS3) and they increase up to values around 20 kPa in the upper water retention layer. The behavior shown by the volumetric water content and suction profiles is what is expected of a CCBE; the capillary break is present in both cells. The degrees of saturation calculated from the maximum volumetric water content values measured and for an average porosity of 0.44 are 70 and 100 % in the CS2 cell. In the CS3 cell, the degrees of saturation in the water retention layer, calculated from the maximum volumetric water content values measured with an average porosity of 0.48, are between 50 and 70 %, depending on the depths. According to the water retention curve (WRC) obtained in the laboratory, the air entry value is about 30 kPa. The degree of saturation should be higher to match the suction values obtained. Since the volumetric water content increases with time, the system is wetting. The suctions would better fit on a wetting water retention curve. Volumetric water content values could increase with time. Oxygen diffusion/consumption tests were used to determine the effective diffusion coefficients (De) by adjusting the data obtained during the tests with the curves obtained with the Pollute V07 (Pollute) software (Rowe et Booker, 2004). The reaction consumption rate (Kr) was fixed at 1x10-3hr-1 for all the simulations in Pollute. This value was obtained from the laboratory in diffusion cell (two reservoirs cell). For the CS2 cell, the values of De are between 3x10-8 and 1x10-10 m2/s and they are between 3x10-9 and 1x10-10 m2/s for the CS3 cell. Those tests seem to be controlled by sections of the water retention layer which are probably more saturated than what was measured with the sensors. Oxygen fluxes through the base of the covers were calculated with the analytic equation presented in Mbonimpa et al. (2003) for a reactive material under steady state conditions with the Kr and De obtained from the oxygen diffusion/consumption tests. It represents a case where the waste rock pile would be completely covered. The calculated fluxes are between 10-7 and 10-9 mol/m2/yr for the MOC tests performed in 2017 in the CS2 cell. For the CS3 cell, the fluxes calculated are close to 10 - 9 mol /m2 / yr for all the tests except for a single test where the flux is 10- 4 mol/ m2 / year. These results are all below the thresholds for an effective CCBE presented in Dagenais et al. (2012), which are between 0.6 and 1.25 mol /m2 / yr. Numerical simulations have been performed to represent a system equivalent to field conditions. Results of those simulations show that suctions values are close from the ones obtain in the field measurements. They are approximately 4 kPa at the bottom of the water retention layer and in the capillary break layer just below. The suctions values increase with the rise in the water retention layer. The same results are obtained with different water table depths simulated under the cell, i.e. -1m, -5m and -15m. According to these simulations, the depth of the water table has no effect on the volumetric water content, nor on the suctions in the water retention layer. This also shows that the suctions are not higher when the water table under the cells in deeper, as it was observed in the field. The simulations predict a water retention layer saturated at over 85 %, which is not what we observed in the field cells. Another simulation was performed with volumetric water content values close from the field cells initial state. The results show that the water retention layer may take several years to fully saturate. This could partly explain the lower values obtained in the field cells. Based on the results obtained from numerical simulations and field tests and measurements, the CCBEs tested could be effective in decreasing the oxygen diffusion in the long term and thus control the formation of AMD from the underlying waste rock on the horizontal parts of a waste rock pile.