Étude du comportement hydrogéochimique des rejets d'une mine de graphite

L'exploitation du graphite par l'industrie minière est appelée à s'intensifier dans les prochaines années. Historiquement, le graphite a peu été exploité au Québec et le comportement environnemental des rejets issus des mines de graphite est peu documenté. Des études récentes informent que les gisements de graphite sont souvent associés à des teneurs considérables en sulfures. La présence de sulfures dans les gisements est généralement associée à la génération de drainage minier acide (DMA) qui est un des principaux enjeux en environnement minier. Le DMA est formé par l'oxydation des sulfures en l'absence de suffisamment de minéraux neutralisants. Le potentiel de génération de DMA des rejets miniers doit être prédit avant le début des activités minières au moyen d'essais de prédiction statiques et cinétiques. La génération de DMA peut être limitée par la gestion responsable des rejets miniers. La gestion des rejets par la co-disposition des stériles et des résidus peut être utilisée en vue de limiter leur oxydation. Les résidus miniers peuvent également être désulfurés afin de réduire le volume de résidus générateurs de DMA à gérer. L'objectif de ce projet de maîtrise est d'étudier le comportement hydrogéochimique des rejets du projet minier Matawinie de la compagnie minière Nouveau Monde Graphite (NMG). Les matériaux étudiés correspondent aux lithologies de roches stériles (paragneiss mix, paragneiss graphitique, paragneiss à biotite, méta-gabbro et charnockite) ainsi qu'aux 2 types de résidus générés (résidus concentrés sulfures (PAG) et résidus désulfurés (NAG)). Les compositions chimiques et minéralogiques initiales ont été mesurées pour tous les matériaux. Les résultats de composition chimique ont montré que les résidus PAG ont les teneurs en métaux (Co, Cu, Fe, Ni et Zn) les plus élevées et en sulfures (± 30 % de pyrrhotite). Dans le paragneiss graphitique, des concentrations notables en métaux et en sulfures (± 5 % de pyrrhotite) ont été mesurées. Les autres matériaux à l'étude contenaient uniquement des traces de métaux et de sulfures. Les résultats ont montré que, dans tous les matériaux, le potentiel de neutralisation de l'acidité est principalement associé aux silicates (feldspaths et micas). Un essai de prédiction statique (ABA) a été réalisé sur chacun des 7 matériaux. Les résultats ont montré que les matériaux suivants sont non-générateurs d'acidité. : paragneiss à biotite, méta-gabbro, charnockite et résidus NAG. Les lithologies de paragneiss graphitique et de paragneiss mix ont un potentiel de génération de DMA considéré comme incertain et les résidus PAG sont considérés comme potentiellement générateurs de DMA. Un essai en cellule humide et un essai en colonne ont été réalisés sur chacun des 7 matériaux. La majorité des valeurs de pH mesurées aux deux échelles se situent près de la neutralité. Les valeurs de pH mesurées dans les résidus PAG sont de l'ordre de 4 dans les essais en cellules humides et de 3 dans les essais en colonne. Les valeurs de pH mesurées dans le cas du paragneiss graphitique sont près de la neutralité dans les essais en cellules et humides et sont décroissantes jusqu'à une valeur d'environ 5 dans les essais en colonne. Les concentrations en métaux lixiviées aux deux échelles pour la majorité des matériaux sont près de la limite de détection. Les résidus PAG ont lixivié des concentrations notables de Co, Cu, Fe, Ni et Zn aux deux échelles. Le paragneiss graphitique a lixivié des concentrations notables en Co, Fe et Ni, dans les essais en colonne. Les résidus NAG ont lixivié des concentrations notables en Cu et Zn lors des essais en colonne. Les courbes d'oxydation-neutralisation ([Ca+Mg+Mn] en fonction de SO42- exprimées en mg/kg) ont montré que tous les matériaux sont non générateurs de DMA à long terme à l'exception du paragneiss graphitique et des résidus PAG. Les qualités d'eau obtenues dans les essais cinétiques ont été soumises à des calculs thermodynamiques dans le logiciel Visual MINTEQ 3.1 (mise à jour en 2019). Les résultats ont montré que les oxyhydroxydes de fer sont les espèces minérales secondaires qui sont les plus susceptibles de précipiter dans les matériaux qui contenaient initialement de la pyrrhotite. Les calculs ont également montré que la précipitation des minéraux sulfatés n'est généralement pas favorisée. Lors du démantèlement des essais en colonne, des échantillons post-démantèlement ont été prélevés pour le paragneiss graphitique, les résidus PAG et les résidus NAG. Les compositions chimiques et minéralogiques des matériaux post-démantèlement ont été mesurées. Les résultats ont montré que la lixiviation des métaux dans les essais cinétiques peut être liée à la présence de sphalérite ((Zn,Fe)S), de chalcopyrite (CuFeS2) ainsi que de pyrrhotite (Fe1-xS) qui peut également contenir des inclusions de Ni et Co. Les résultats ont aussi montré que les grains de pyrrhotite dans le paragneiss graphitique et les résidus PAG étaient fortement altérés et que ces altérations prenaient la forme d'une matrice de cimentation principalement composée d'oxyhydroxydes de fer ainsi que d'auréoles striés autour des grains de pyrrhotite principalement composées de soufre natif, de sulfates et de thiosels. Les résidus NAG post-démantelés contenaient des grains de pyrrhotite altérés, mais ne contenaient pas de matrice de cimentation. La présence d'espèces minérales avec des états d'oxydation plus faibles que les sulfates informe que l'oxydation de la pyrrhotite a parfois été incomplète et que la réactivité réelle de la pyrrhotite est plus faible que sa réactivité théorique anticipée. Finalement, une cellule expérimentale instrumentée, visant à vérifier l'efficacité du concept de co-disposition des rejets de NMG (recouvrements des résidus PAG déposés au-dessus des stériles avec des résidus NAG) à limiter l'oxydation des matériaux potentiellement générateur de DMA, a été construite sur le site de NMG. Les résultats ont montré que les teneurs en eau volumique passent de 0,1 à 0,2 entre la surface et la base des résidus NAG et de 0,07 à 0,2 entre la surface et la base des résidus PAG. Les concentrations en oxygène tendent à diminuer dans les résidus NAG (passage de ± 250 g/m3 à 150 g/m3 entre la surface et la base des résidus NAG) et sont nulles à la base des résidus PAG. La sensibilité de l'efficacité du concept de co-disposition a été vérifiée pour plusieurs paramètres de conception en réalisant des modélisations au moyen du logiciel SEEP/W couplé à CTRAN/W (GeoSlope International Ltd.). Les fonctions d'écoulement hydraulique et gazeux des résidus PAG et NAG ont été estimées au moyen de caractérisations réalisées en laboratoire et in situ. Dans le cas des stériles, ces fonctions ont été estimées au moyen de caractéristiques typiques. Les résultats ont montré que la diminution de la porosité (augmentation de la compaction) des résidus PAG et NAG, que l'augmentation de la réactivité des résidus NAG ainsi que l'augmentation de l'épaisseur des résidus NAG permet de réduire la quantité d'oxygène atteignant la surface des résidus PAG et améliore donc l'efficacité du concept de co-disposition. Les résultats ont également montré que la saturation des résidus PAG est essentielle pour empêcher la migration de l'oxygène à travers eux. En déposant une épaisseur de résidus PAG supérieure à 2 m, la valeur de pression d'entrée d'air (AEV ou ψa) de ces derniers est dépassée et la saturation des résidus PAG n'est pas assurée sur toute leur élévation, permettant leur oxydation par l'oxygène gazeux. Les résultats des présents travaux ont contribué à l'avancement des connaissances en lien avec la réactivité de la pyrrhotite dans des rejets issus de l'exploitation d'un gisement de graphite. Les conclusions issues de ces travaux pourront également être appliquées par NMG afin d'établir les critères de conception relatifs à la co-disposition de leurs rejets. Il serait pertinent de réaliser des travaux supplémentaires se concentrant sur la caractérisation exhaustive de la réactivité de la pyrrhotite dans les résidus NAG afin qu'un critère de conception permettant d'optimiser ce paramètre soit établi. Les futurs travaux devraient également inclure l'analyse de la qualité des eaux de drainage s'écoulant dans la cellule de co-disposition ainsi que l'évaluation du potentiel de génération de drainage neutre contaminé (DNC) par les résidus NAG.

Abstract

Graphite exploitation will intensify in the coming years. Historically, graphite was seldom exploited in the province of Quebec. Thus, the environmental behaviour of graphite mine wastes is poorly documented. Recent studies inform that graphite deposits are frequently associated to considerable grades of sulphides. The presence of sulphides in deposits is generally associated to acid mine drainage (AMD) generation, which is one of the main mining environment issues. AMD is formed upon sulphide oxidation without enough neutralizing minerals. The AMD generation potential of mine wastes must be predicted prior to the beginning of mining operations using static and kinetic prediction tests. AMD generation can be limited by implementing a responsible management of the mine wastes. The co-disposal of waste rocks and tailings can be used in order to limit the oxidation of the sulphides they contain. Moreover, tailings can be desulphurised in order to reduce the volume of AMD generator tailings that needs to be manage on the site. This Master's project aims to study the hydrogeochemical behaviour of the mine wastes of the Matawinie mining project of Nouveau Monde Graphite (NMG). The studied materials correspond to the waste rocks lithologies (mixed paragneiss, graphitic paragneiss, biotite paragneiss, meta-gabbro and charnockite) and to the 2 types of tailings generated by the mine (sulphide concentrated tailings, PAG, and desulphurized tailings, NAG). Initial chemical and mineralogical compositions were measured for all materials. Chemical composition results showed that PAG tailings contain the highest metals (Co, Cu, Fe, Ni et Zn) and sulphide (± 30 % of pyrrhotite) concentrations. Significant metals and sulphide (± 5 % of pyrrhotite) concentrations were also measured within the graphitic paragneiss. Other materials contained only traces of metals and sulphides. Results showed that the neutralization potential of all materials was mainly associated to silicate minerals (feldspars and micas). Static prediction tests (acid-base accounting test or ABA) were performed on each of the materials. Results showed that the following materials are non-acid generating: biotite paragneiss, meta-gabbro, charnockite, and NAG tailings. The graphitic paragneiss and mixed paragneiss lithologies have an uncertain acid-generation potential, and the PAG tailings are considered as potentially acid-generators. One humidity cell test and one column test were performed on each of the materials. The majority of the measured pH values were near neutral at both scales. The pH values measured from the PAG tailings were in the order of 4 in the humidity cell test and in the order of 3 in the column test. The pH values measured from the graphitic paragneiss were near neutral in the humidity cell test and were decreasing to a value near 5 in the column test. For the majority of the materials, metals concentrations leached at both scales are near the detection limits. The PAG tailings leached significant concentrations of Co, Cu, Fe, Ni and Zn at both scales. The graphitic paragneiss leached significant concentrations of Co, Fe, and Ni in the column test. The NAG tailings leached significant concentrations of Cu and Zn in the column test. The oxidation-neutralization curves ([Ca+Mg+Mn] as a function of SO42- expressed in mg/kg) showed that all materials are non-acid generating in the long term except in the case of the graphitic paragneiss and PAG tailings. Water quality results obtained within kinetic tests were submitted to thermodynamic calculations using the Visual MINTEQ 3.1 (updated in 2019) software. Results showed that the secondary mineral species that is the most susceptible to precipitate into pyrrhotite-bearing materials are iron oxyhydroxides. Calculations also showed that sulfates precipitation is generally not favored within the studied materials. During columns dismantlement, post-dismantling samples were collected from the graphitic paragneiss, PAG tailings, and NAG tailings. The chemical and mineralogical compositions of the post-dismantling materials were measured. Results showed that metals leached during kinetic tests can be related to the presence of sphalerite ((Zn,Fe)S), chalcopyrite (CuFeS2), and pyrrhotite (Fe1-xS) in the materials. It is important to note that pyrrhotite can also contain Ni and Co impurities. Results also showed that pyrrhotite grains within the graphitic paragneiss and PAG tailings were highly altered. Alterations took the form of an iron oxyhydroxide hardpan as well as striated halos composed of native sulfur and sulphate/thiosalts around the pyrrhotite grains. The post-dismantling NAG tailings contained altered pyrrhotite grains but did not contain a hardpan. Observation of sulfur species with oxidation states lower than sulfates (thiosalts) in the leachates demonstrated that pyrrhotite oxidation was incomplete and that, therefore, the actual pyrrhotite reactivity was lower than anticipated. Finally, an experimental instrumented field cell, aiming to verify the performance of the NMG co-disposal concept (covering of the PAG tailings, deposited on top of the waste rocks, with NAG tailings) to limit the oxidation of potentially AMD generating materials, was built on the site the Matawinie project. Results showed that the volumetric water content increases from 0.1 to 0.2 between the surface and the base of the NAG tailings and increases from 0.07 to 0.2 between the surface and the base of the PAG tailings. Oxygen concentrations decrease between the surface and the base of NAG tailings (decrease of ± 250 g/m3 to 150 g/m3 between the surface and the base of NAG tailings) and is zero at the base of the PAG tailings. The co-disposal performance sensitivity was verified for several parameters with numerical modeling using SEEP/W coupled to CTRAN/W (GeoSlope International Ltd.). Hydraulic and gas flow functions of the PAG and NAG tailings were estimated using features measured in the laboratory and in situ. In the case of waste rocks, these functions were estimated using typical values from the literature. Results showed that a decrease of the NAG and PAG tailings porosity (increase of compaction), the increase of NAG tailings reactivity, as well as the increase of NAG tailings thickness all reduce the amount of oxygen that reaches the PAG tailings surface and, therefore, improve the co-disposal performance. Results also showed that that the PAG tailings saturation is essential to avoid oxygen migration through them. The saturation of PAG tailings is maintained if their thickness is lower than 2 m. Indeed, the air entry value (AEV or ψa) of the PAG tailings is in the order of 2 m. Therefore, if the thickness of the PAG tailings is higher than its AEV, their saturation cannot be ensured on all their elevation and gaseous oxygen will be able to migrate through them. Results presented in this project contributed to the advancement of knowledge surrounding pyrrhotite reactivity into mine wastes generated by the exploitation of a graphite deposit. Conclusions from this project can be used by NMG in order to define the design criteria of their mine wastes co-disposal concept. Future work should include an exhaustive characterization of the reactivity of the pyrrhotite contained within the NAG tailings to optimize the design criteria. Futures work should also include the analysis of the in situ co-disposal water quality, as well as the evaluation of the contaminated neutral drainage generation potential of the NAG tailings.