Tri des stériles miniers comme nouvelle approche de gestion intégrée : contrôle du drainage minier et valorisation

L'exploitation de gisements miniers est de plus en plus confrontée à des défis d'ordre environnementaux dont ceux liés à la gestion des rejets miniers (résidus et stériles). Le drainage minier, qui se caractérise par de concentrations plus ou moins fortes en métaux et parfois une baisse du pH en l'absence d'un potentiel de neutralisation, est produit lorsque les sulfures contenus dans les rejets miniers sont exposés à l'eau et à l'oxygène. Les stériles miniers sont caractérisés par une grande hétérogénéité de leurs propriétés physiques, chimiques et minéralogiques. Ces dernières ont un effet direct sur les propriétés hydrogéochimiques de ces matériaux. Plusieurs facteurs influencent la gestion de ces rejets, entre autres la géologie du gisement et le type de l'exploitation minière. Les mines à ciel ouvert qui exploitent des gisements polymétalliques et à métaux précieux génèrent de grandes quantités de stériles qui sont déposés sous forme de haldes en surface impactant grandement l'empreinte écologique. Les exploitations souterraines génèrent quant à elles moins de stériles et ceux-ci sont employés le plus souvent comme remblai rocheux. L'évaluation précise du potentiel de génération d'acide des stériles miniers détermine la faisabilité des projets miniers, l'exploitation minière ainsi que le mode de gestion des stériles qui en résultent. Dans ce mémoire de maitrise, on y présente une étude réalisée sur des stériles miniers afin de proposer une méthode de gestion intégrée de ceux-ci visant la décontamination des phases problématiques (sulfures) et la valorisation des métaux précieux résiduels. Ainsi, le principal objectif de l'étude a consisté en le développement d'une nouvelle approche permettant la gestion intégrée des stériles (en trois lithologie) de la mine d'or Canadian Malartic (Abitibi, Québec, Canada). Les trois lithologies en question ont été échantillonnées après l'abattage par explosif tout en s'assurant de leur homogénéité et représentativité. Chaque lithologie a d'abord été débarrassée de sa fraction inerte (supérieure à 2,4 mm, représentant le diamètre physique d'encapsulation des sulfures DPLS). La fraction fine, qui ne représente que 10% environ de l'échantillon total, a ensuite été divisée en deux fractions afin d'optimiser le retraitement de ces stériles en vue de leur décontamination/valorisation: la fraction 0-1 mm dite fine et la fraction 1-2.4 mm comme fraction dite grossière. La méthodologie proposée repose sur une caractérisation fine des trois principales lithologies classifiées comme étant des stériles dans cette mine et par la suite sur l'application d'un procédé de désulfuration environnementale afin de réduire le potentiel de génération d'acide et de récupérer les métaux précieux résiduels que sont l'or et l'argent. Enfin, le comportement géochimique des matériaux désulfurés en comparaison avec les échantillons de tête a été évalués à l'aide d'essais cinétiques en mini-cellules d'altération. Les analyses chimiques et minéralogiques ont montré que les trois lithologies (<2,4 mm) sont plus riches en carbonates (principalement la calcite) qu'en sulfures (pyrite). Le bilan acide base et le test NAG montrent que les trois lithologies et leurs deux fractions correspondantes sont non génératrices d'acide, à l'exception de trois fractions incertaines selon ces tests statiques ABA (Acid base accounting). La désulfuration en laboratoire menée avec la méthode gravimétrique (séparateur de Knelson et table de Mozley) s'est avérée plus efficace que celle menée avec la méthode de flottation sachant la distribution granulométrique grossière des matériaux traités. La méthode gravimétrique a offert un bon taux de récupération des sulfures (supérieur à 80 %). Sur la base des tests statiques, les matériaux ainsi désulfurés ont été prouvés non générateurs d'acide et peuvent être réutilisés comme matériaux de réhabilitation lors de la phase de fermeture de la mine. Pour chaque lithologie étudiée, des essais cinétiques en mini-cellules d'altération ont été effectués afin de confirmer les résultats de la désulfuration relativement à la non génération d'acide et afin d'évaluer le comportement géochimique des lithologies à long terme. Durant toute la durée du test (84 jours), les analyses géochimiques ont montré des valeurs de pH entre 7,4 et 8,9 et les concentrations des éléments de fer (Fe) et de zinc (Zn) ont tout le temps été au-dessous des limites environnementales fixées par la Directive 019 au Québec. Le contenu en soufre et en carbone des matériaux suite au démantèlement des tests et le degré de libération des sulfures déterminent le comportement géochimique des stériles miniers étudiés. Les images prises par le microscope optique ont montré que les sulfures observés dans les matériaux issus du démantèlement sont généralement encapsulés totalement dans la gangue ou bien semi libérés. Enfin, les concentrés de désulfuration obtenus présentent des contenus significatifs en or et en argent (> 3 g/t et > 4 g/t, respectivement). La pyroanalyse a montré, quant à elle, que la récupération des métaux précieux peut compenser une partie des coûts du retraitement des stériles et permettre une gestion intégrée. Ainsi, après un criblage suivant le DPLS, un deuxième criblage est recommandé à 1 mm pour récupérer et traiter la fraction fine (6 % de l'échantillon total), riche en métaux précieux, alors que la fraction grossière (4 % de l'échantillon total) sera valorisée dans les travaux de réhabilitation et/ou dans des travaux de génie civil comme sable. Mots clés : Stériles miniers, drainage minier acide, désulfuration environnementale, méthode gravimétrique, flottation, or-argent, essais cinétiques, mini-cellules d'altération.

Abstract

Management of solid mine wastes, including waste rock (WR) from mining operation and tailings form ore processing, represents an important challenge for the mine industry. Mine drainage, characterized by high metal concentrations and low pH if no neutralizing potential exist, is the main environmental problem facing the mine industry. It results from the oxidation that occurs when sulfides are exposed to water and oxygen. WR are characterized by a high heterogeneity in its, physical, chemical and mineralogical properties. The later have significant impacts on the hydrogeochemical behaviors of these materials. Many factors influence mine waste management, such as the deposit's geological characteristics and the extraction methods. Open-pit mines generate large volume of WR that are generally deposited as unsaturated piles on the surface with important impact on the ecological footprint of the operation. However, underground operations generate less waste rocks, as the later are often reused as rock fill. The accurate assessment of the acid-generating potential of mine wastes determines the feasibility of mining projects, the mine exploitation, and the implementation of waste rock management. This study took a new look at waste rock management in order to propose a novel integrated management method of WR to ensure their decontamination and precious metals valorisation. The main objectives of this study consisted on a deep geological analysis of waste rock from the Canadian Malartic mine (Abitibi, Quebec, Canada). Representative and homogeneous samples of these WR materials were sampled after blasting operations. Each lithology was first screened based on the diameter of physical locking of sulphides (DPLS) to remove the inert fraction, being coarse rocks larger than 2.4 mm. Then, finer fractions were separated into two fractions to optimize their integrated management: 0–1 mm referenced as fine fraction and 1–2.4 mm referenced as coarse fraction. Environmental desulphurization of waste rocks from three classified lithologies was applied, in order to reduce their acid-generating potential and to tentatively recover the residual precious metals amounts (gold and silver). The geochemical behaviour of desulfurized material and corresponding feed samples for comparison was evaluated through kinetic testing by using weathering cells. The chemical and mineralogical analyses showed that the three lithologies were richer in carbonates (mainly calcite) than in sulphides (mainly pyrite). The acid base accounting (ABA) and the net acid generation (NAG) determinations both allowed to state that these lithologies (<2.4 mm) and their corresponding fractions are all non-acid-generating, except for three fractions which displayed uncertain classification regarding their acid generation potential. Desulphurization using laboratory gravity separation (Knelson separator and Mozley table) was more efficient than flotation due the coarse particle size distribution of the material. Based on static tests, all desulphurized materials by either the gravity or flotation processes were demonstrated as being non-acid-generating, with some having downright no acid-generating potential at all. Kinetic testing was used to confirm the result of static tests and the efficiency of desulphurization to control acid generation. The weathering cells allowed to study the long-term geochemical behaviour of the material. Geochemical analysis of the obtained leachates showed that pH values remained neutral to subalkaline (between 7.4 and 8.9) and that metals concentrations of the iron (Fe) and zinc (Zn) were below the environmental criteria (Directive 019 in Québec) all along the entire test period (84 days). The key factors that determined geochemical behaviour of the studied waste rock were sulfide and carbonate contents and the way they were liberated. The sulphides found within post-testing waste rocks were studied with optical microscopy and were found generally occuring encapsulated in non-sulphide gangue (NSG) minerals, or only partially liberated. The gravity method offered a sulphur recovery rate (over than 80 wt. %). The pyroanalysis of gold (Au) and silver (Ag) on the concentrate that underwent desulphurization by gravity methods displayed significant gold and silver content (> 3 g/t and > 4 g/t respectively). The pyroanalysis showed that precious metal recovery could offset partially the costs related to waste handling and reprocessing, allowing for an integrated management approach. After screening according to the DPLS, an additional screening is recommended at 1 mm to recover and treat the fine fraction (6 % of total sample), which is rich in precious metals, while the coarse fraction (4 % of total sample) can be recovered for rehabilitation and/or for civil engineering workings. Keywords: Waste rock, acid mine drainage, environmental desulphurization, gravity method, ore-argent, flotation, kinetic test, weathering cells.