Analytical and Experimental Evaluation of the Settlement and Volume Variation of Tailings Slurry Deposited in Containment Structures

Les résidus miniers sont des rejets de moulins de concentrateur, qui sont généralement déposés dans des parcs à résidus miniers en surface. En cas d'une gestion inappropriée, les résidus miniers peuvent entraîner des catastrophes à l'environnement et aux vies. L'utilisation des résidus miniers comme un matériau de remblai pour remplir les chantiers miniers souterrains permet de réduire la quantité des résidus miniers déposés en surface. En plus, le remblayage des chantiers souterrains permet d'améliorer la stabilité du terrain et augmenter la récupération du minerai. Lorsque les résidus miniers sont déposés dans les parcs à résidus miniers, leur volume peut diminuer en raison de la sédimentation, de la consolidation sous poids propre et du retrait par évaporation. Une estimation appropriée de la variation du volume des résidus miniers est nécessaire pour éviter le dépassement de la capacité de stockage conçue des parcs à résidus miniers. Les trois processus (la sédimentation, la consolidation sous poids propre et le retrait par évaporation) peuvent avoir lieu également au remblai en pulpe lors de sa déposition dans un chantier souterrain. La variation du volume de remblai doit être évaluée correctement pour assurer la stabilité des barricades et un contact serré entre le remblai et les toits des chantiers ou pour éviter de créer des espaces vides importants entre la surface du remblai et le plancher de galerie de niveau supérieur. Le principal objectif de ce mémoire est d'évaluer l'affaissement et la variation de volume des résidus miniers dans les parcs à résidus miniers ou des remblais en pulpes dans les chantiers souterrains. Afin d'atteindre l'objectif principal, une compréhension approfondie de la variation du volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe associée aux processus de la sédimentation, de la consolidation et du retrait par évaporation est nécessaire. La recherche bibliographique montre que pratiquement tous les travaux de recherche ont porté sur les études de la consolidation des résidus miniers ou des remblais en pulpe. Il y a peu de travaux portant sur la sédimentation. L'indice des vides à la transition entre la sédimentation et la consolidation est un paramètre critique, mais sa détermination reste encore inconnue. Dans ce mémoire, on a montré que la phase de retrait normal d'une courbe de retrait par évaporation est très similaire au processus de sédimentation. Ainsi, l'indice des vides au début de désaturation (correspondant à la valeur d'entrée d'air) eAEV sur la courbe de retrait est considéré comme identique à l'indice des vides critique à la fin de sédimentation ou au début de consolidation. Suite à ces analyses, deux solutions analytiques ont été proposées en considérant la variation de volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe associée aux processus de la sédimentation, de la consolidation et du retrait par évaporation. La première a été développée en considérant l'indice des vides final ef d'une courbe de retrait afin d'estimer l'affaissement ou la variation du volume des résidus miniers dans des parcs à résidus miniers dans des régions arides ou semi-arides. La deuxième a été formulée en utilisant l'indice des vides au début de désaturation eAEV et le coefficient de compression obtenu par un essai de consolidation standard pour évaluer l'affaissement ou la variation de volume des remblais en pulpe dans des chantiers souterrains ou des résidus miniers dans des parcs à résidus miniers dans des régions non-arides. Les deux solutions analytiques proposées ont été validées avec succès par des résultats expérimentaux obtenus par des essais au laboratoire en modèle physique. Les solutions proposées peuvent être utilisées pour calculer l'affaissement et la variation du volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe, au moins dans la phrase préliminaire d'un projet. L'application des solutions proposées pour évaluer l'affaissement ou la variation du volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe nécessite de faire des essais de retrait par évaporation. Ce type d'essais est facile à réaliser et assez courant en mécanique des sols. On voit également quelques travaux d'essais au laboratoire pour obtenir les courbes de retrait des résidus miniers non cimentés. Pour le remblayage des chantiers souterrains, les remblais sont souvent cimentés. Ceci est particulièrement vrai pour les remblais en pâte. Or, la revue de littérature montre qu'il n'existe pas de travaux portant sur les essais de retrait par évaporation des remblais en pâtes cimentés. Pour combler cette lacune, une série d'essais de retrait par évaporation a été menée pour acquérir les courbes de retrait d'un remblai en pâte cimenté et non cimenté en considérant différentes teneurs en ciment et teneurs en eau initiales. Leur influence sur les paramètres de retrait, incluant l'indice des vides final ef, la limite de retrait ws, l'indice des vides (eAEV) et la teneur en eau (wAEV) au début de désaturation a également été étudiée. Les résultats indiquent que les valeurs de ces paramètres de retrait des remblais cimentés sont beaucoup plus élevées que celles des remblais non cimentés pour une teneur en eau initiale donnée. L'augmentation de la teneur en ciment de 3 à 7% entraîne une légère augmentation des valeurs de ces paramètres de retrait. Pour une teneur en ciment donnée, les valeurs des paramètres de retrait peuvent varier significativement avec la variation de la teneur en eau initiale. Les principaux résultats ont été présentés dans deux articles de revues soumis. Des résultats supplémentaires sur les essais de retrait par évaporation et sur les essais de consolidation sont présentés dans les annexes.

Abstract

Tailings are mine wastes produced by milling process, which are conventionally deposited on ground surface in tailings storage facility (TSF). In case of inappropriate management, the surface disposal of tailings can lead to undesirable consequences to the environment and lives. In underground mines, the use of tailings as a filling material to fill underground mined stopes allows reduction of surface disposal of tailings. Stope backfilling also helps improve ground stability and increase ore recovery. When slurried tailings are deposited in a TSF, the volume of the tailings tends to diminish due to sedimentation, self-weight consolidation and shrinkage by evaporation. An accurate estimation of the volume change of deposited tailings is necessary to help better optimize the life cycle management. The three processes (sedimentation, self-weight consolidation and shrinkage by evaporation) also take place in backfill slurry, placed in underground mine stopes. The volume variation of the backfill slurry should be correctly evaluated to ensure the stability of barricade and to ensure a tight contact between backfill and stope roof or to avoid excess void space between the top surface of the backfill and the floor of over cut drift. The main objective of the thesis is to estimate the settlement and volume variation of tailings deposited in TSF or of backfill slurry in underground mine stopes. In order to reach the main objective, a comprehensive understanding of the volume change of tailings or backfill slurry associated with the processes of sedimentation, consolidation and shrinkage by evaporation is necessary. A literature review showed that the consolidation of tailings or backfill slurry has been largely investigated while the study on the sedimentation of tailings or backfill slurry is almost absent. The void ratio at the transition between sedimentation and consolidation is a critical parameter. Its determination however remains unknown. In this thesis, one shows that the normal shrinkage stage of shrinkage curve is very similar to the process of sedimentation. Thus, the unsaturation onset (i.e. air entry value) void ratio eAEV on the shrinkage curve can be considered as identical to the critical void ratio at the end of sedimentation or at the beginning of consolidation. Bases on the above analyses, two analytical solutions have been proposed by considering the volume change of tailings or backfill slurry associated with the processes of sedimentation, consolidation and shrinkage by evaporation. The first one was developed by considering the final void ratio ef of shrinkage curve in order to estimate the settlement or volume change of tailings deposited in a TSF in arid or semi-arid regions. The second one was formulated by using the unsaturation onset void ratio eAEV and the coefficient of compression obtained by standard consolidation test to evaluate the settlement or volume variation of backfill slurry placed in underground mine stopes or tailings deposited in a TSF in non arid regions. The two proposed analytical solutions have been successfully verified by experimental results obtained by physical model tests. The proposed solutions can thus be used to estimate the settlement and volume variation of tailings or backfill slurry, at least in the preliminary stage of a project. The application of the proposed solutions for evaluating the settlement or volume variation of tailings or backfill slurry requires to perform shrinkage tests. This type of tests is easy to do and quite common in soil mechanics. One sees a few works published on laboratory tests to obtain shrinkage curves of uncemented tailings. For underground mines, backfills are usually cemented. This is particularly true for paste backfill. The literature review however showed that there is no published work on shrinkage tests of cemented paste backfill. To fill this gap, a series of shrinkage tests has been performed to obtain the shrinkage curves of cemented and uncemented paste backfill by considering different cement contents and initial water contents. Their influence on the shrinkage parameters, including the final void ratio ef, shrinkage limit ws, unsaturation onset void ratio (eAEV) and water content (wAEV) has also been evaluated. The results indicate that the values of shrinkage parameters of cemented backfill are much higher than those of uncemented backfill at a given initial water content. An increase of cement content from 3 to 7% results in a slight increase in the values of shrinkage parameters. For a given cement content, the values of shrinkage parameters can significantly vary with the variation of initial water content. The principal results have been presented in two submitted journal papers. Additional results on shrinkage tests and consolidation tests are presented in the appendices.