Experimental and numerical evaluation of the potential reuse of waste rock as an evaporation barrier in engineered cover systems: effects of particle size

L'un des principaux défis pour l'industrie minière est l'élaboration de stratégies efficaces et durables de gestion, de fermeture et de remise en état des installations de stockage de résidus miniers (TSF), susceptibles de générer du drainage minier acide (DMA). La technique de la nappe phréatique élevée est particulièrement efficace pour prévenir le DMA dans les climats humides et tempérés, car elle réduit les flux d'oxygène en maintenant les résidus saturés. Une couche de protection faite d'un matériau à gros grains (jouant un rôle de rupture capillaire) est souvent nécessaire pour favoriser l'infiltration de l'eau et réduire l'évaporation en limitant l'écoulement capillaire ascendant. Une approche durable consiste donc à réutiliser les stériles pour construire cette couche, réduisant ainsi les résidus miniers entreposés en surface et l'impact environnemental des fosses d'emprunt. Cependant, l'hétérogénéité et la réactivité des stériles ont jusqu'à présent limité leur valorisation à grande échelle dans les systèmes de recouvrement. L'objectif de cette recherche était d'évaluer la réutilisation potentielle de fractions de différentes tailles de stériles dans une barrière d'évaporation. Des essais sur colonne en laboratoire ont été réalisés pour évaluer l'efficacité de la couverture faite de stériles pour contrôler le bilan hydrique. Les résultats ont indiqué que les stériles contenant des fractions fines étaient moins efficaces pour réduire l'évaporation que les fractions plus grossières sans fines, dans le cas d'une nappe phréatique peu profonde. Des simulations numériques ont également été réalisées avec succès pour reproduire l'effet de la taille des particules sur les flux d'évaporation. Cette étude souligne l'importance d'optimiser la distribution granulométrique dans la conception des barrières d'évaporation.

Abstract

One of the key challenges for the mining industry is the development of effective and durable management, closure, and reclamation strategies for acid mine drainage (AMD) generating tailings storage facilities (TSF). The elevated water table technique is particularly effective in preventing AMD under humid and temperate climate, as it reduces oxygen fluxes by maintaining the tailings saturated. A protection layer made of coarse-grained material (capillary break) is often needed to enhance water infiltration and reduce evaporation by reducing capillaries upward flow. A sustainable approach therefore consists in reusing waste rock to build this layer, reducing surface-stored mine waste and the environmental impact of borrow pits. However, the heterogeneity and reactivity of waste rock have so far limited their large-scale valorization in cover systems. The objective of this research was to evaluate the potential reuse of different size fractions of waste rock in an evaporation barrier. Laboratory column tests were carried out to evaluate the effectiveness of the cover made of waste rock to control water balance. Results indicated that waste rock containing fine fractions were less efficient in reducing evaporation than coarser fractions without fines for shallow water table. Numerical simulations were also carried out successfully to reproduce the effect of particle size on evaporation fluxes. This study underlines the importance of optimizing the particle size distribution in the design of evaporation barriers.

Mots clés

• waste rock valorization
• circular economy
• evaporation
• integrated waste management
• mine waste reclamation
• valorisation des stériles
• économie circulaire
• évaporation
• gestion intégrée des déchets
• réhabilitation des résidus miniers