Calibration et optimisation automatisées des propriétés hydrogéologiques d'une halde à stériles avec couche de contrôle des écoulements

Les opérations minières produisent des volumes importants de roches stériles pour accéder aux zones minéralisées à valeur économique. Les roches stériles sont caractérisées par une granulométrie grossière et étalée possédant une composition minéralogique variable. Les stériles sont généralement entreposés dans des haldes en surface, dont la construction et la restauration représentent un défi pour l'industrie. Une couche de contrôle des écoulements (CCE), constituée d'un matériau granulaire fin, installé au sommet de chaque banc, pourrait contribuer à contrôler l'infiltration d'eau et améliorer la stabilité géotechnique et géochimique des haldes de stériles. Une halde à stériles expérimentale a été construite sur le site de la mine du Lac Tio (Rio Tinto Fer et Titane, Québec, Canada) afin d'évaluer la performance d'une CCE en conditions de terrain (Bussière 1999; Aubertin et al. 2002a; Fala et al. 2005; Broda et al. 2014; Bréard Lanoix 2017; Martin et al. 2017; Dubuc 2018). Des essais d'infiltration à grande échelle et un suivi des précipitations pendant 17 mois ont été réalisés afin d'évaluer le comportement hydrogéologique de la halde expérimentale et de la CCE. Les résultats ont ensuite été utilisés afin de calibrer des simulations numériques dans le but d'optimiser et d'extrapoler la méthode pour d'autres sites et d'autres conditions climatiques. Cependant, les données mesurées étaient bruitées et parfois incomplètes, ce qui rendait les simulations numériques difficiles à calibrer. L'objectif principal de ce projet était donc de développer une nouvelle méthode de calibration des propriétés hydrogéologiques d'un système de restauration en conditions non saturées et de l'appliquer au cas de la halde à stériles expérimentale de la mine du Lac Tio. Les propriétés hydrogéologiques utilisées pour ce processus étaient la conductivité hydraulique et les paramètres de l'équation de van Genuchten (2018). La calibration était basée sur deux essais d'infiltration à grande échelle qui ont permis d'isoler des variations de teneurs en eau volumique marquées dans les différents matériaux de la halde expérimentale et d'observer des tendances représentatives du comportement hydrogéologique du système permettant de simplifier et d'automatiser le processus de calibration. L'approche a ensuite consisté à définir pour chaque essai d'infiltration trois points caractéristiques qui représentaient les variations de teneurs en eau volumique induites par le passage du front de mouillage. Ces paramètres ont servi de comparaison entre les simulations numériques et les mesures de terrain. La méthode de calibration est basée sur les optimisations de boîte noire, elles-mêmes basées sur les algorithmes de type « mesh adaptative direct search » (Mads) permettant une résolution mathématique itérative d'équations non linéaires et non dérivables. Dans ce mémoire, les variables d'entrées étaient définies par les propriétés hydrogéologiques des matériaux de la halde à stériles expérimentale. L'objectif de la calibration correspondait à un ensemble d'algorithmes visant à minimiser l'erreur entre les points spécifiques mesurés et simulés. Ce processus a permis d'itérer un nombre conséquent de propriétés hydrogéologiques jusqu'à l'obtention d'un optimum. Les paramètres calibrés ont ensuite été validés au moyen d'une simulation numérique de 523 jours représentant la durée totale de suivi sur la halde à stériles expérimentale. Le comportement hydrogéologique simulé de la halde était généralement proche des valeurs mesurées et l'écart entre les teneurs en eau volumique mesurées et simulées restait globalement inférieur à l'erreur de mesure des sondes de teneur en eau volumique. L'approche de calibration automatique a également pu être modifiée afin d'optimiser les propriétés de la CCE pour maximiser la déviation latérale de l'eau d'infiltration. La valeur « objectif » à minimiser correspondait dans ce cas aux volumes cumulés dans les lysimètres situés sous les stériles réactifs. L'optimum simulé représentait une efficacité de 100% pour une CCE de 0.77 m d'épaisseur et dont le matériau était sensiblement plus fin que le sable installé sur la halde expérimentale. La méthode de calibration proposée a donc permis d'obtenir une bonne calibration des propriétés hydrogéologiques des matériaux de la halde à stériles expérimentale de la mine du Lac Tio. L'approche développée a aussi permis l'optimisation d'une CCE adapté aux propriétés hydrogéologiques calibrées des roches stériles de la halde expérimentale.

Abstract

Mining operations produce large volumes of waste rock to access economically valuable mineralized zones. Waste rocks are characterized by coarse and spread grain size distribution. Waste rock is generally stored in surface piles, where the construction and restoration represent a challenge for the industry. A flow control layer (FCL), made of fine granular material, and constructed on the top of each waste rock bench, could contribute to control water infiltration, thus improving the geotechnical and geochemical stability of the waste rock piles. An experimental waste rock pile was built on the Lac Tio mine site (Rio Tinto Fer et Titane, Quebec, Canada) to evaluate a performance of a FCL in field conditions (Bussière 1999, Aubertin et al. 2002a, Fala et al. 2005, Broda et al. 2014, Bréard Lanoix 2017, Martin et al. 2017, Dubuc 2018). Large-scale infiltration tests and rainfall monitoring for 17 months were carried out to assess the hydrogeological behavior of the experimental waste rock pile. The results were used to calibrate numerical simulations to optimize and extrapolate the method for other sites and other climatic conditions. However, the measured data was noisy and sometimes incomplete, making numerical simulations difficult to calibrate. The main objective of this project was to develop a new calibration method for the hydrogeological properties of a restoration system under unsaturated conditions and to apply it to the case of the experimental waste rock pile at the Lac Tio mine. The hydrogeological properties were the hydraulic conductivity and the parameters of the van Genuchten (2018) equation. The calibration was based on two large-scale infiltration tests which was possible to isolate marked variations in the measured volumetric water content in the different materials of the experimental waste rock pile. The approach consisted of defining for each infiltration test three characteristic points which represented the variations in volumetric water content induced by the passage of the wetting front. These parameters served as a comparison between numerical simulations and field measurements. The calibration method was based on black-box optimizations, themselves based on "mesh adaptive direct search" (Mads) type algorithms allowing iterative mathematical resolution of non-linear and non-differentiable equations. In this thesis, the input variables were defined by the hydrogeological properties of the materials in the experimental waste rock pile. The objective of the calibration to minimize the error between the parameter obtained by measurements and simulations. This process permitted to iterate a significant number of hydrogeological properties until an optimum was obtained. The calibrated properties were validated using a numerical simulation of 523 days representing the total monitoring time on the experimental waste rock pile. The simulated hydrogeological behavior of the waste rock pile was generally close to the measurements and the difference between the measured and simulated volumetric water contents remained less than the measurement error of the volumetric water content probes. The automatic calibration approach could also be modified to optimize the properties of the FCL to maximize the lateral deflection of the groundwater. The “objective” value was to minimize the cumulative water volumes in the lysimeters located under the reactive waste rock. The optimum result was 100% efficiency for a 0.77 m thickness with a new material thinner than the sand installed on the experimental waste rock pile. The proposed calibration method permits to obtain a good calibration of the hydrogeological properties of the experimental waste rock pile at the Lake Tio mine. The new approach also allowed the optimization of the FCL adapted to the calibrated hydrogeological properties of the waste rocks of the experimental waste rock pile.