Étude de l'impact de la ségrégation hydraulique des résidus miniers sur la performance de la technique de la nappe phréatique surélevée

La gestion des rejets de concentrateur ou résidus miniers constitue l'un des défis majeurs de l'industrie minière. Les millions de tonnes de rejets de concentrateur sont produits par la mine et déposés dans des parcs à résidus. Ces rejets de concentrateur peuvent contenir des sulfures métalliques qui deviennent sujets à l'oxydation en contact avec l'air et l'eau. Lorsque la quantité des minéraux neutralisant présents dans les résidus miniers est insuffisante, du drainage minier acide (DMA) peut être produit. Dans ce cas, des mesures préventives de la génération du DMA doivent être mis en place pour constituer une barrière à l'eau et/ou l'oxygène. L'efficacité d'une méthode de prévention du DMA dans les régions à climat humide comme le Québec se base sur sa capacité d'empêcher la migration de l'oxygène à travers le recouvrement afin qu'il n'atteigne pas les rejets de concentrateur sous-jacents. La technique de nappe phréatique surélevée (NPS) combinée à une couverture monocouche est une des méthodes de prévention utilisées à cette fin. Le dépôt des résidus miniers selon la méthode conventionnelle sous forme de pulpe est souvent accompagné par une ségrégation hydraulique. Ces résidus, après leur dépôt, se caractérisent par des propriétés physiques, hydrogéotechniques, chimiques et minéralogiques hétérogènes entre le point de dépôt et l'étang d'eau. Or, ces caractéristiques contrôlent les flux d'eau et d'oxygène entrant la surface des résidus. Dans le cadre de la réhabilitation des sites miniers où la ségrégation a eu lieu, la conception des mesures de contrôle du DMA devrait tenir compte de l'effet de cette ségrégation sur les flux d'oxygène atteignant la surface des résidus miniers potentiellement générateur d'acide (PGA). L'objectif de cette étude est d‘étudier l'effet de la ségrégation hydraulique sur l'efficacité de la technique de la nappe phréatique surélevée. Pour cela, l'étude a évalué la distribution spatiale de la réactivité des résidus miniers et ensuite les flux d'eau et d'oxygène entrant à la surface des résidus dans différentes positions le long de la direction de dépôt, de la zone de la plage jusqu'à la zone de décantation. Le parc à résidus 3 Est du site Doyon/Westwood constitue le site principal de cette étude. La technique de NPS avec couverture monocouche construite avec des résidus non PGA est une des options de restauration envisagée pour ce site. Sachant que la ségrégation hydraulique peut survenir aussi pour les résidus d'une couverture monocouche utilisée en combinaison avec la technique de la nappe phréatique surélevée, les travaux ont été réalisés au niveau de la couverture monocouche constituée des résidus Goldex non potentiellement générateur d'acide du parc 3 du site Manitou/Goldex. Des essais de consommation d'oxygène (CO) in-situ, des mesures de teneurs en eau volumiques et des succions sur le terrain et des observations in-situ, ont été réalisés dans quatre et six stations, respectivement, dans le parc à résidus 3 Est du site Doyon/Westwood et le parc 3 du site Manitou/Goldex, le long de la ligne de dépôt des résidus miniers. En outre, des échantillons ont été prélevés de chaque station (jusqu'à 1,25 m de profondeur) pour caractériser les résidus et effectuer des essais de CO en laboratoire. À l'issue des observations des échantillons et des caractérisations physiques et minéralogiques, une hétérogénéité latérale et verticale des matériaux a été observées dans toute les stations des deux parcs. Les essais CO en laboratoire et in-situ de longue durée (14 jours) ont été interprétés numériquement à l'aide du code POLLUTEv7 et du couplage des codes SEEP/W-CTRAN/W pour déterminer le coefficient taux de réaction des résidus miniers dans chaque station le long de la direction de dépôt. Les résultats des essais CO in-situ dans le parc 3 du site Manitou/Goldex ont montré que la concentration d'oxygène durant la période d'essai était presque invariable dans toutes les stations de mesure. Ce résultat est principalement attribué à la non-réactivité de ces résidus (taux de réaction Kr est nulle). Les résultats de l'interprétation des essais CO in-situ et en laboratoire, réalisés dans le parc 3 est du site Doyon/Westwood, ont permis d'obtenir des valeurs du taux de réaction Kr relativement similaires. Ces résultats ont aussi montré que le taux de réaction Kr varie d'une station à l'autre. En effet, Kr décroit en fonction de la distance à partir du point de dépôt. En se basant sur les résultats des essais de CO in situ, un modèle numérique validé et calibré a été construit par couplage des codes SEEP/W-CTRAN/W pour évaluer respectivement les flux d'eau et d'oxygène entrant à la surface des rejets de concentrateur le long de la direction de leur écoulement, lorsque les résidus miniers du parc 3 Est du site Doyon/Westwood sont exposés à l'atmosphère. Dans ce modèle, la variation verticale de la nature des matériaux observée sur 1,25 m a été prise en considération. Par la suite, un modèle simplifié (en considérant seulement les résidus non oxydés réactifs sur toute l'épaisseur) du parc 3 Est du site Doyon/Westwood a été construit où trois types de résidus miniers potentiellement générateurs d'acide (PGA) qui représentent la zone de la plage, intermédiaire et de décantation ont été définis sur toute l'épaisseur du modèle. Des modélisations numériques ont alors été réalisées avec ce modèle simplifié dans le cas où les résidus (PGA) sont sans recouvrement et avec un recouvrement monocouche. Dans ce dernier cas, il s'agit de modéliser la technique de la nappe phréatique surélevée combinée à une couverture monocouche. Pour une couverture monocouche d'une épaisseur de 0,5 m, des profondeurs initiales de la nappe phréatique de 0, 0,5, 1 à 2 m au-dessous l'interface résidus-couverture dans chaque simulation numérique. Deux types de recouvrement en monocouche ont été testés: les résidus non générateurs d'acide ségrégués de Goldex et les résidus désulfurés de Westwood non générateurs d'acide considérés ici homogènes. L'effet de l'épaisseur de la couverture monocouche a aussi été analysée en testant quatre épaisseurs : 0,5, 1, 2 et 3 m. Toutes ces modélisations ont porté sur une période de 214 jours (du 1 avril au 30 Octobre 2019). Les résultats des simulations numériques sont présentés en termes d'évolution temporelle du degré de saturation (obtenus avec SEEP/W) et du flux d'oxygène (obtenus avec CTRAN/W) à la surface des résidus PGA (ou à l'interface résidus-couverture) dans les trois zones du parc à résidus 3 Est du site Doyon/Westwood. La variation du flux annuel (sur 214 jours) cumulé d'oxygène à travers le parc à résidus est aussi présentée. Dans les conditions testées, ces résultats ont montré que les flux d'eau et d'oxygène dépendent fortement des propriétés physico-chimiques des résidus, de la position de la nappe et des propriétés hydriques des résidus. Les résultats ont ainsi indiqué une large différence des flux entre les trois zones du parc à résidus (avec ou sans couverture monocouche). L'écart du flux d'oxygène entre les trois zones augmente également avec la profondeur de la nappe phréatique. Dans le cas où la nappe phréatique est profonde, la zone de la plage constitue la zone la plus risquée qui laisse passer le flux annuel d'oxygène le plus élevé à la surface des résidus miniers étudiés. Néanmoins, lorsque la nappe phréatique est proche de la surface, la zone de décantation montre le flux d'oxygène le plus élevé surtout sous les conditions de sécheresse prolongée pour le cas d'une couverture monocouche constituée de résidus désulfurés de Westwood en raison de sa forte sensibilité aux effets de l'évaporation. Lorsque la monocouche est constituée des résidus ségrégués de Goldex, ces derniers ont une forte capacité d'empêcher l'évaporation et à maintenir un degré de saturation élevée même sous les conditions de sécheresse prolongée pour une nappe phréatique proche de la surface des résidus. Par conséquent, la configuration la plus efficace pour limiter les flux d'oxygène dans les résidus du site Doyon/Westwood est de maintenir le niveau de la nappe phréatique proche de l'interface résidus-couverture avec la mise en place de couverture monocouche constituée des résidus de Goldex d'une épaisseur de 0,5 m. Cette étude a permis de montrer l'influence de plusieurs facteurs induits par la ségrégation hydraulique et le type de matériau déposé (le cas échéant, par ex. les boues) sur la performance de la technique de la nappe phréatique surélevée combinée à une monocouche. En se basant sur les résultats obtenus, une procédure de conception de cette technique pour les parcs avec des résidus ségrégués a été proposée. De manière générale, pour éviter la complexité de la conception des méthodes de restauration avec recouvrements d'un parc à résidus existant, on recommande la mise en place de résidus miniers non ségrégant pour constituer la couverture en monocouche. Pour une nouvelle mine, le dépôt de résidus densifiés non ségrégant de manière à assurer une homogénéité horizontale des propriétés contribuerait à faciliter l'application des méthodes de restauration.

Abstract

One of the major challenges of the mining industry is the management of the tailings. Millions of tonnes of mine tailings are produced and deposited in tailings storage facilities (TSF). These tailings may contain sulfide minerals which can be oxidized in contact with air and water. When the quantity of neutralizing minerals present in tailings is insufficient, acid mine drainage (AMD) can be produced. In this case, preventive measures for the generation of AMD should be put in place, including barriers to water and / or oxygen. The effectiveness of a method of preventing AMD in regions with a humid climate such as Quebec is based on its ability to prevent the migration of oxygen through the cover so that it does not reach the underlying potentially acid-generating (PAG) tailings. The technique of elevated water table (EWT) combined with a monolayer cover is one of the prevention methods used for this purpose. The deposition of tailings by the conventional method as form of pulp is often accompanied by hydraulic segregation. After their deposition, these tailings are characterized by heterogeneous physical, hydrogeotechnical, chemical and mineralogical properties between the point of deposition and the water pond. These characteristics control the flow of water and oxygen entering the PAG tailings surface. In the context of the rehabilitation of mining sites where segregation has taken place, the design of measures for the control of AMD generation should take into account the effect of this segregation on the oxygen flux reaching the surface of the PAG tailings. The objective of this work was to study the effect of hydraulic segregation on the effectiveness of the EWT technique. For this reason, the spatial distribution of the reactivity of mining tailings and then the water and oxygen fluxes entering the PAG tailings surface in different positions along the direction of deposition, from the beach area to the settling area, were evaluated. The TSF 3 East at the Doyon/Westwood site is the main site of this study. One of the rehabilitation options considered for this site is the EWT technique combined with a monolayer cover made of non PAG tailings. Knowing that hydraulic segregation can also occur for the tailings of a monolayer cover used in combination with the EWT technique, field and laboratory work was also carried out on the monolayer cover made of the non-PAG Goldex tailings from the TSF 3 of the Manitou/Goldex site. In-situ oxygen consumption (OC) tests, measurements of volumetric water content and suction and observations were carried out in the field along the tailings deposit line at four and six stations in TSF 3 East of the Doyon/Westwood site and TSF 3 of the Manitou / Goldex site, respectively. In addition, samples were taken from each station (up to a depth of 1.25 m) to characterize the tailings and conduct the OC tests in the laboratory. Following samples observations and physical and mineralogical characterizations, a lateral and vertical heterogeneity of the materials was observed in all stations of the two tailings facilities. The laboratory and the long-term in-situ OC tests (14 days) were interpreted numerically using the POLLUTEv7 code and the coupling of the SEEP/W-CTRAN/W codes to determine the reaction rate coefficient of the tailings in each station along the deposition line. The results of in-situ OC tests at TSF 3 of the Manitou/Goldex site showed that the oxygen concentration during the test period was almost invariable in all the measuring stations. This result is mainly attributed to the non-reactivity of these tailings (effective reaction rate coefficient Kr is nil). The results of the interpretation of the in-situ and laboratory OC tests, carried out in TSF 3 East of the Doyon/Westwood site, yielded relatively similar Kr reaction rate values. These results also showed that the Kr values varied from one station to another. Indeed, Kr decreases as a function of the distance from the point of deposition. Based on the results of the in situ OC tests, a validated and calibrated numerical model was constructed with the coupled the SEEP/W-CTRAN/W codes to respectively evaluate the water and oxygen fluxes entering the surface of the PAG tailings along the deposition direction when the tailings from the TSF 3 East of the Doyon/Westwood site are exposed to the atmosphere. In this model, the vertical variation in the nature of the materials observed over 1,25 m was taken into account. Subsequently, a simplified model (considering only the reactive non-oxidized tailings over the entire thickness) of the TSF 3 Est of the Doyon/Westwood site was built where three types of PAG tailings representing the beach, intermediate and settling area were defined in the model. Numerical models were then carried out with this simplified model in the case where the PAG tailings are without and with a monolayer cover. In the latter case, the numerical modelling presents various design scenarios of the EWT technique combined with a monolayer cover. For a 0,5 m- thick monolayer cover, initial water table depths of 0, 0,5, 1 to 2 m below the tailings-cover interface were considered in each numerical simulation. Two types of monolayer covers were tested: the segregated non-PAG tailings from Goldex and the non-PAG desulfurized tailings of Westwood considered here homogeneous. The effect of the thickness of the monolayer cover was also analyzed and discussed by testing four thicknesses: 0,5, 1, 2 and 3 m. All these models covered a period of 214 days (from April 1 to October 30, 2019). The results of the numerical simulations are presented in terms of temporal evolution of the degree of saturation (obtained with SEEP/W) close to the surface of the PAG tailings and of the oxygen flux (obtained with CTRAN/W) at the tailings-cover interface in the three zones of the TSF 3 East of the Doyon/Westwood site. The variation of the cumulative annual (over 214 days) oxygen flux through the tailings pond was also presented and discussed. Under the tested conditions, the results showed that the water and oxygen fluxes depend strongly on the physicochemical properties of the tailings, the position of the water table and the water retention properties of the tailings. Thus, the results indicated a large difference in the oxygen flux between the three areas of the TSF 3 East of the Doyon/Westwood site (with or without cover). The differences in oxygen fluxes between the three zones also increased with the depth of the water table. In the case where the water table is deep, the beach area is the most risky area that allows the highest annual oxygen flux entering to the surface of the PAG tailings. However, when the water table is close to the surface, the settling area showed the highest oxygen flux, especially under prolonged drought conditions for the case of a monolayer cover consisting of Westwood desulfurized tailings, due to its high sensitivity to the effects of evaporation. When the monolayer is made of the segregated Goldex tailings, a strong ability to prevent evaporation and maintain a high degree of saturation was observed, even under prolonged drought conditions for a water table close to the tailings surface. Consequently, the most effective design option to limit oxygen fluxes in the tailings of the Doyon/Westwood site is to maintain the level of the water table close to the tailings-cover interface with the installation of a monolayer cover consisting of 0,5 m-thick Goldex tailings.