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.