Évaluation multi-échelle de l'instabilité interne et de la migration des résidus à travers les inclusions de roches stériles

L'industrie minière génère deux principaux types de rejets solides, habituellement stockés séparément en surface : d'une part les résidus produits au concentrateur, sont des matériaux à granulométrie fine transportés et déposés en pulpe dans les parcs à résidus; d'autre part, les roches stériles extraites de la mine, avec une granulométrie grossière, sont entreposées dans les haldes à stériles. Le stockage conventionnel de ces rejets peut présenter plusieurs risques géotechniques et environnementaux, notamment liés aux ruptures de digues de retenue. Afin de minimiser ces risques, une nouvelle méthode de codisposition a été proposée et étudiée depuis une vingtaine d'années, basée sur le concept des inclusions de roches stériles (IRS). Cette technique consiste principalement à placer des inclusions linéaires de roches stériles à l'intérieur des parcs à résidus à chaque étape de rehaussement de la digue, permettant ainsi de compartimenter l'aire d'entreposage. Les études antérieures menées au moyen d'essais de laboratoire et de simulations numériques ont montré que l'utilisation d'IRS permettait d'accélérer le drainage et la consolidation des résidus et la dissipation des pressions d'eau interstitielle en excès, et contribuait à améliorer la stabilité physique des ouvrages de retenue face aux sollicitations statiques et dynamiques. Toutefois, la différence marquée entre la granulométrie des résidus et celle des roches stériles engendre un risque de migration des particules fines. L'augmentation du gradient hydraulique proche de l'inclusion générée par la déposition en couches des résidus ou par un rehaussement du niveau phréatique de la nappe pourrait par exemple initier la migration des résidus et des particules fines des stériles, et entrainer une réduction de la conductivité hydraulique et de la capacité drainante des inclusions proche de l'interface, ce qui affecterait en conséquence la performance en place des IRS. Dans la revue de littérature, il existe peu d'études qui portaient sur la migration des résidus à travers les roches stériles (Rey et al.2014; Saleh-Mbemba 2016). Toutefois, il manque encore plusieurs détails concernant l'effet de la déposition des résidus par étapes sur la progression des résidus à travers les roches stériles, l'effet de la rétention des résidus et l'augmentation des gradients hydrauliques au-delà de la valeur critique sur la conductivité hydraulique et la capacité drainante des incluions. Il manque aussi une bonne compréhension du comportement de la rétention des résidus dans les pores des roches stériles et l'évaluation de leur pourcentage volumique au laboratoire et sur site ainsi le facteur de réduction de la conductivité hydraulique. Les travaux antérieurs de Peregoedova (2012) ont aussi montré que les particules fines de roches stériles peuvent migrer à l'intérieur de la matrice primaire formée par les grains grossiers, toutefois les conditions critiques d'initiation de l'instabilité interne, l'analyse par tranche de la taille des particules mobiles et l'applicabilité des critères d'autofiltration adapté par Chapuis (1992) demeurent des aspects qui n'ont pas encore été étudiés. L'objectif général de ce projet de doctorat visait à évaluer le risque de migration interne des particules fines de roches stériles et la migration des résidus à travers les pores des roches stériles et leur effet sur la capacité de drainage des inclusions. Des échantillons de roches stériles et de résidus ont été prélevés sur le site de la mine Canadian Malartic (située en Abitibi, QC), puis caractérisés au laboratoire. Des modèles physiques en colonne ont ensuite été développés afin de mener deux types d'essais, soit des essais de migration interne des particules fines dans les roches stériles (seules), et des essais de migration de contact résidus-roches stériles. L'évaluation de la migration interne a été menée à partir d'essais de perméabilité à charge constante réalisés pour des gradients hydrauliques (augmentés par incréments) sur différentes fractions de roches stériles placées dans des colonnes instrumentées. Ces essais ont permis de déterminer le gradient hydraulique critique des roches stériles miniers et le diamètre maximal des particules de la fraction mobile. Les résultats expérimentaux indiquent qu'il y a un effet négligeable de la migration des particules fines sur la conductivité hydraulique des roches stériles. Des essais de migration des résidus en contact avec les roches stériles ont également été réalisés en colonne pour diverses conditions afin d'évaluer l'effet de la granulométrie des roches stériles, de la densité de pulpe de résidus, de la séquence de déposition, du degré de saturation initial des roches stériles, et du gradient hydraulique sur la perméabilité des roches stériles en présence de résidus. Ces essais ont été menés en déposant les résidus en pulpe au moyen d'une pompe directement à la surface de roches stériles placées dans une colonne instrumentée. Des essais de perméabilité à charge constante ont été réalisés à diverses étapes de la migration des résidus afin d'évaluer l'effet sur la conductivité hydraulique des roches stériles. Des essais au traceur ont également été réalisés afin de déterminer l'effet de la migration sur la porosité effective et la macroporosité. Les résultats obtenus lors de ces investigations expérimentales ont montré qu'il y a une rétention partielle des résidus dans les pores des roches stériles et une certaine réduction de la conductivité hydraulique pouvant atteindre un facteur de deux environ. Néanmoins, la conductivité des roches stériles demeurait largement supérieure (plus de 3 ordres de grandeur) à la conductivité hydraulique des résidus. La capacité de drainage des roches stériles était donc maintenue dans les conditions testées au laboratoire et ce malgré la migration (limitée) des résidus. Des observations et essais de terrain ont aussi été menées sur le parc à résidus de la mine Canadian Malartic afin de confirmer le comportement observé lors des essais de laboratoire, en tenant compte de l'effet d'échelle et des conditions réelles de déposition. Les travaux de terrain incluaient notamment l'excavation de tranchées d'exploration à différents emplacements le long d'une inclusion, la mesure de la densité en place à grande échelle et un échantillonnage des roches stériles de l'inclusion et des résidus près de l'interface. Les résultats obtenus de ces investigations ont permis de caractériser une zone de transition, d'évaluer la rétention des résidus dans les pores des IRS et d'estimer la réduction de la conductivité hydraulique de l'inclusion. Ces résultats ont ainsi montré qu'il y a une rétention partielle des résidus à l'intérieur des pores de l'IRS, mais que la capacité de drainage est maintenue malgré cette migration de contact limitée. Les résultats des travaux présentés dans cette thèse ont permis de conclure que l'instabilité interne des roches stériles et la rétention partielle des résidus dans les pores de l'IRS ont un effet relativement mineur sur la conductivité hydraulique des inclusions dans un parc à résidus. La performance en drainage du système des IRS dans un parc à résidus serait donc peu affectée par ce type de processus dans les conditions étudiées ici.

Abstract

Mining operations mainly generate two types of solid wastes, usually stored separately on the surface: tailings, which are fine-grained materials produced at the concentrator and are transported and deposited as pulp in tailings impoundments, and waste rock, characterized by a coarse grain size, and which is stored in waste rock piles. Conventional storage of mine wastes presents several geotechnical and environmental challenges, in particular associated to the stability of retaining dikes. To minimize these risks, a new method of codisposition was proposed based on the concept of waste rock inclusions WRI. This technic consists in placing linear inclusions of waste rock inside tailings impoundment, thus dividing the storage facility. Previous studies conducted using laboratory tests and numerical simulations showed that WRI can accelerate drainage, tailings consolidation, and excess pore water pressure dissipation, and contribute therefore to improve the physical stability of retaining dikes to static and dynamic loading. However, the difference between the particle size of tailings and waste rock creates a risk for fine particles migration. The increase of the hydraulic gradient near the inclusion induced by the deposition of tailings or by an increase of the water table could for example initiate migration of tailings and fine particles of waste rock and lead to a reduction of the hydraulic conductivity and the drainage capacity of the inclusions, and consequently the performance of WRI. In the literature review, there are few studies that focused on tailings migration through waste rock (Rey et al. 2014; Saleh-Mbemba 2016). However, several details are still missing regarding the effect of successive tailings deposition on the progression of particles migration through waste rock, the effect of tailings retention and increasing hydraulic gradient beyond its critical value on the hydraulic conductivity and the draining capacity of the inclusions. It also lacks a good understanding of the behavior of tailings retention in the pores of waste rock and the evaluation of their volume percentage in the laboratory and on mine site as well as the reduction factor of hydraulic conductivity. Previous work conducted by Peregoedova (2012) has also shown that fine particles of waste rock can migrate inside the primary matrix formed by coarse grains, however the critical conditions for initiating internal instability, analysing the size of mobile particles for each sublayer and the applicability of the self-filtration criteria adapted by Chapuis (1992) remain aspects that have not yet been studied. The general objective of this doctoral project was therefore to assess the risk of internal migration of waste rock fine particles and the migration of tailings trough waste rock pores and the consequences on the drainage capacity of the inclusions. Waste rock and tailings samples were obtained from the Canadian Malartic mine site located in Abitibi (Quebec, Canada), and characterized in the laboratory. Column tests were developed, and two types of tests were conducted: tests of the internal migration of fines particles in waste rock (only), and tests of contact migration between tailings and waste rock. The evaluation of internal migration was carried out using constant head permeability tests for increasing hydraulic gradients on different waste rock fractions. The critical hydraulic gradient of mine waste rock and the maximum particle diameter of the mobile fraction were determined. Results indicated that the effect of fine particle migration on the hydraulic conductivity of waste rock was neglectable. Migration tests of tailings in contact with waste rock were also conducted in columns to evaluate the effect of the waste rock grain size, tailings pulp density, deposition sequence, waste rock initial degree of saturation, and hydraulic gradient on the permeability of waste rock in the presence of tailings. These tests were carried out by depositing tailings in pulp on the surface of waste rock placed in an instrumented column. Constant head permeability tests were then performed at various steps of tailings migration to assess the potential variation of waste rock hydraulic conductivity. Tracer tests were also conducted to determine the effect of migration on the effective porosity and macroporosity. Results showed some retention of tailings in the waste rock pores and a limited reduction of the hydraulic conductivity by a factor of less than two. Nevertheless, the conductivity of the waste rock remained over 3 orders of magnitude greater than the hydraulic conductivity of the tailings. The drainage capacity of the waste rock was therefore maintained under the conditions tested in the laboratory. Field observations were also carried out on the tailings impoundment at the Canadian Malartic mine to confirm the behaviors observed in the laboratory, taking into account the scale effect and actual deposition conditions. Fieldwork included the excavation of trenches at various locations along inclusions, large-scale density measurements, and waste rock sampling. A transition zone was observed, and the retention of tailings in WRI pores was evaluated to estimate the reduction of in situ hydraulic conductivity. Results showed a partial retention of tailings inside the pores of the waste rock, but the drainage capacity of the WRI was maintained. Results of this research showed that the internal instability of waste rock and the partial retention of tailings in WRI pores had a minor effect on the hydraulic conductivity (and therefore performance) of inclusions in a tailings impoundment.