Utilisation des stériles miniers concassés et compactés comme couche de contrôle des écoulements pour contrôler le DMA

L'exploitation de la fosse Doyon a produit pendant plusieurs années des quantités importantes de roches stériles que la mine a accumulé à la surface dans deux haldes nommée halde Nord et halde Sud. Les roches entreposées dans la halde Sud, composées de minéraux réactifs, relâchent des quantités importantes de drainage minier acide (DMA) lorsqu'elles sont au contact de l'air et de l'eau. La mine Westwood localisée à côté de l'ancienne mine Doyon, dans son exploitation, continue de générer des stériles miniers mais qui sont cette fois-ci peu ou pas générateurs de DMA. Aujourd'hui, la mine souhaiterait restaurer la halde Sud. De façon provisoire, la mine souhaiterait évaluer l'option de réduire les flux de DMA à traiter en construisant un recouvrement composé de stériles miniers concassés et compactés qui proviendraient de la mine Westwood. L'objectif principal de cette étude est d'estimer combien d'eau pourra être déviée par ce genre de recouvrement. Des essais en laboratoire ont été menés pour d'abord caractériser les propriétés hydrogéologiques et géotechniques des matériaux. Le stérile 0/19 mm de la mine Westwood a été classifié comme un sable silteux avec présence de graviers, selon la classification USCS. Les résultats des essais aux limites d'Atterberg ont montré que la fraction fine des stériles est faiblement plastique et non argileuse. Des essais de compactage ont permis de déterminer les teneurs en eau optimales et les masses volumiques sèches optimales. Les caractéristiques hydrogéologiques des stériles 0/19 mm et 0/800 mm ont aussi été testées en laboratoire. Une différence notable a été constatée entre les CRE des deux matériaux. La capacité de rétention d'eau du stérile concassé 0/19 mm est plus importante (ψa=300 cm) que dans le stérile brut (ψa=3 cm). La conductivité hydraulique saturée a été évaluée entre 10-4 et 10-5 cm/s pour les stériles concassés et entre 10-2 et 10-3 cm/s dans les stériles bruts. Un recouvrement expérimental fait de stériles miniers Westwood de 50 m de long, sur 9 m de large avec des pentes à 10% et 20% a été conçu et construit à la mine. Il est composé d'une couche de 60 cm d'épaisseur en stériles miniers concassés compactés (0/19 mm) qui repose sur une couche de fondation en stériles miniers brut de 1,50 m d'épaisseur (0/800 mm). Le recouvrement a été construit sur la halde Sud au mois d'août 2018 et a été équipé de 6 stations qui ont mesurées la teneur en eau volumique et la succion à 20, 50 et 90 cm de profondeur. Deux drains ont été installés à la surface de la cellule expérimentale pour quantifier le ruissellement. Des lysimètres installés sous les stériles miniers de fondation (0/800 mm) ont permis d'estimer les volumes d'eau qui s'infiltrent à travers le recouvrement. Les données obtenues (percolation, ruissellement et stockage) ont ensuite été comparées avec les données de précipitations enregistrées par la station météorologique du site. Le suivi en conditions naturelles a montré que la teneur en eau volumique dans les couches à l'automne est significativement supérieure à celle l'été. Les eaux collectées par les drains de surface ont permis d'estimer un taux de ruissellement moyen de 40% pour la pente inclinée à 20% contre 20% pour la pente inclinée à 10%. La partie du recouvrement inclinée à 20% a aussi été testée sous un taux de précipitations critique de 24,6 mm/h pendant 3 heures, représentant un événement extrême ayant une période de récurrence de 75 à 100 ans; cet événement correspond à un volume d'eau appliqué sur la surface de la cellule expérimentale de 11,3 m3 ou 82 mm/m2. Le taux de récupération calculé a montré que le recouvrement permet de dévier à l'aide du ruissellement 95% des volumes d'eau appliqués en surface. La différence entre le taux de récupération calculé lors du suivi en conditions naturelles et celui de l'essai simulé avec un taux intense de précipitation a montré que l'efficacité de la couche dépend de la durée pendant laquelle la précipitation est appliquée. Cette différence dépend aussi de l'état de la teneur en eau volumique au début de l'épisode de précipitations. Plus la teneur en eau volumique initiale est élevée au début d'un épisode de précipitation, plus la déviation est importante. L'analyse des taux de précipitation a montré qu'à partir d'un taux de précipitation supérieur à 1,5 mm/h, la pente inclinée à 20% a dévié plus d'eau, sinon, pour les taux de précipitation inférieurs à 1,5 mm/h, le taux est à peu près équivalent pour les deux pentes. Les résultats expérimentaux ont démontré que, pour limiter les flux de DMA provenant de la halde Sud, la construction d'un recouvrement provisoire fait de stériles miniers concassés (0/19 mm) compactés permettrait de dévier une quantité importante d'eau vers le bas de la cellule, ce qui limiterait les volumes de DMA générés et diminuerait les coûts de traitement de manière conséquente.

Abstract

The operation of the Doyon pit for several years produced significant quantities of waste rock that the mine accumulated at the surface in two dumps called the North Dump and the South Dump. Rocks stored in the South Dump, composed of reactive minerals, release significant amounts of acid mine drainage (AMD) when exposed to air and water. The Westwood mine located next to the former Doyon mine, in its operation, continues to generate waste rock but low acid generating potential. In a near future, the mine would like to reclaim the South Dump. One of the option to reduce the volume of AMD to be treated is to build a cover made of crushed and compacted waste rock that would come from the Westwood mine. The main objective of this study is to assess how much water can be diverted by this kind of cover. Firstly, laboratory tests were carried out to characterize the hydrogeological and geotechnical properties of the tested materials. The 0/19 mm waste rock from the Westwood mine was classified as silty sand with the presence of gravels, according to the USCS classification. The results of the Atterberg test showed that the fine fraction of the waste rock is weakly plastic and not clayey. Compaction tests were performed to determine the optimum water contents and the optimum dry densities. The hydrogeological characteristics of the 0/19 mm and 0/800 mm waste rock were also tested in the laboratory. A significant difference was observed between the water retention curves (WRCs) of the two materials. The air entry value (AEV) of the 0/19 mm crushed waste rock is greater (AEV = 300 cm) than in the raw waste rock (AEV = 3 cm). The saturated hydraulic conductivity was evaluated between 10-4 and 10-5 cm/s for the crushed waste rock and between 10-2 and 10-3 cm / s for the coarse waste rock. An experimental cover made of Westwood waste rock of 50 m long, 9 m wide with 10% and 20% slopes was designed and built at the mine. This cover is made of 60 cm of compacted crushed mine waste rock (0/19 mm) at the top and 1.50 m of coarse waste rock (0/800 mm). The cover was built on the South Dump in August 2018 and was equipped with 6 monitoring stations that measured the volumetric water content and suction at several depth (20, 50 and 90 cm). Two drains were installed at the surface of the experimental cell to quantify the runoff. Lysimeters installed at the base of the waste rock (0/800 mm) allowed to estimate the volumes of water that infiltrated the cover. The data obtained (percolation, runoff and storage) were then compared with the precipitation data recorded by the site meteorological station. Monitoring under field conditions showed that the volumetric water content in the layers is significantly higher in Fall than in the Summer. The water collected by the surface drains allowed to estimate an average runoff rate of 40% for the slope inclined at 20% instead to 20% for the slope inclined at 10%. The 20% inclined part of the cover was also tested under a critical precipitation rate of 24.6 mm/h during 3 hours, representing an extreme event with a return period of 75 to 100 years. The volume of water applied to the surface of the experimental cell is 11.3 m3 or 82 mm/m2. The recovery rate showed that the cover can divert 95% of the water volumes applied to the surface by runoff. The difference between the recovery rate calculated for natural conditions and the artificial intense rainfall event showed that the effectiveness of the cover depends also on the precipitation duration. This difference depends on the initial volumetric water content of the cover at the start of the precipitation event. A higher initial volumetric water content induces a greater diversion capacity. Results analysis showed that for a precipitation rate greater than 1.5 mm/h, the 20% inclined slope diverted more water, otherwise, for precipitation rates less than 1.5 mm/h, the diversion capacity is roughly equivalent for both slopes. The results suggest that, to limit the volume of AMD generated by the South Dump, the construction of a temporary cover made of compacted crushed mine waste rock (0/19 mm) to divert precipitation water is an interesting alternative. If this diverted water can be separated from the AMD, a significant reduction of the water treatment cost can be achieved.