Étude numérique de la réduction du transport advectif de contaminants entre les fosses remblayées et l'environnement par l'utilisation de chemins d'écoulements préférentiels

L'industrie minière a un rôle prépondérant à jouer dans l'approvisionnement mondial de métaux pour soutenir le développement économique des nouveaux pays industriels, le développement des nouvelles technologies ainsi que la transition énergétique. Cependant, les mines génèrent une grande quantité de rejets solides dont les approches de gestion actuelles, notamment les aires de déposition en surface, posent de nombreux défis en termes de stabilité géotechnique et environnementale. La prise en compte des changements climatiques est de plus susceptible d'amplifier ces problématiques, augmentant les coûts et les incertitudes sur l'avenir de ces approches. La déposition des rejets miniers dans les fosses apparaît donc comme une alternative prometteuse aux méthodes de gestion actuelles. Son principal avantage est qu'elle permet notamment d'isoler physiquement les rejets en les plaçant sous la surface, supprimant alors les risques géotechniques. Néanmoins, de récentes études ont montré qu'une telle approche ne permettait pas toujours de résoudre certaines problématiques environnementales, notamment en raison de l'écoulement de l'eau souterraine dans les rejets remblayés qui pourrait contribuer à disperser d'éventuels contaminants vers l'environnement. Une approche envisagée pour contrôler l'écoulement de l'eau dans les rejets et limiter leurs interactions avec l'environnement consiste à créer des chemins d'écoulements préférentiels dans et autour des fosses afin de dévier les flux d'eau souterraine des rejets problématiques et d'éviter toute contamination. D'une part, ces chemins d'écoulements préférentiels peuvent être formés par la déposition conjointe dans la fosse de différents types de rejets avec un fort contraste de perméabilité. Néanmoins, les précédentes études sur le sujet ne s'intéressaient qu'à des chemins préférentiels sous la forme d'une enveloppe perméable, sans qu'aucune preuve n'ait été avancée quant à son optimalité. D'autre part, ces chemins préférentiels pour- raient se former naturellement dans le roc fracturé grâce à la présence d'une zone endommagée le long des murs des fosses due aux activités d'excavation. Le rôle de cette zone endommagée formant une enveloppe perméable naturelle n'a cependant jamais été étudié et son efficacité nécessitait donc d'être quantifiée. L'objectif général du présent projet de recherche était donc de développer de nouveaux outils numériques pour l'étude des chemins préférentiels d'écoulement dans et autour des fosses puis de proposer des recommandations en vue de réduire le transport de contaminants entre les rejets remblayés et l'environnement par l'utilisation de la zone endommagée ou de chemins préférentiels créés artificiellement. Une approche numérique en trois dimensions, appuyée par une approche analytique, a été choisie pour mener à bien ce projet. De nouveaux outils ont premièrement été développés afin de faciliter la création de modèles et l'entrée de jeux de données. Ils comprenaient, entre autres, une interface entre le logiciel de conception assistée par ordinateur Salomé, le mailleur Vorpalite et le code de simulation hydrogéologique PFLOTRAN, et ont permis de rendre la création de modèles numériques plus simple, plus intuitive, mais aussi mieux contrôlée. Le code de simulation PFLOTRAN a en outre été modifié afin de pouvoir simuler l'écoulement de l'eau souterraine dans la zone endommagée et de permettre l'enregistrement de variables liées à la résolution de systèmes adjoints pour l'optimisation des chemins préférentiels. Avec ces nouveaux ajouts, PFLOTRAN est ainsi devenu l'un des premiers logiciels d'écoulement souterrain à proposer la sortie des sensibilités pour la résolution des systèmes adjoints. Dans un second temps, la justesse de l'approche numérique développée ainsi que les modifications apportées aux codes a été vérifiée. D'une part, l'écoulement et le transport de contaminants dans un modèle physique de laboratoire représentant une fosse remblayée avec une enveloppe perméable (rapporté dans la littérature) ont été simulés numériquement puis com- parés aux mesures effectuées. Cette première vérification a permis de montrer que l'approche numérique utilisée dans le projet était en mesure de reproduire les phénomènes essentiels observés dans le modèle physique. Un découplage du transport de soluté dans les chemins préférentiels et dans le roc a aussi été mis en évidence, permettant ainsi de se focaliser sur les processus à l'échelle de la fosse. D'autre part, la capacité du code PFLOTRAN à simuler correctement l'écoulement dans les chemins préférentiels situés dans la zone endommagée a été vérifiée avec succès en comparant les résultats des simulations numériques avec une solution analytique en deux dimensions et spécialement développée. La déviation de l'eau souterraine dans la zone endommagée autour des fosses a ensuite été quantifiée. L'étude a été menée de manière stochastique sur la base de 124 000 simulations numériques. Cette approche a permis d'observer des tendances générales et de dériver de nouveaux indicateurs d'efficacité génériques. Ces travaux ont notamment contribué à montrer que la zone endommagée pouvait agir comme enveloppe perméable naturelle à condition que celle-ci soit fracturée et large, et que la fosse soit remblayée avec des rejets de faible conductivité hydraulique. Dans ces conditions, les flux d'eau souterraine dans les rejets pour- raient être réduits de plus de 90%. En outre, une nouvelle approche permettant de prédire la déviation de l'eau souterraine dans la zone endommagée dans un intervalle de ± 20% a été proposée avec un modèle semi-analytique invoquant deux propriétés de la Zone Endommagée par Sautage (ZES) facilement mesurables sur le terrain. Ces résultats ont de plus permis de dériver des critères plus précis que ceux de la littérature afin d'assurer que la zone endommagée agisse bien comme une enveloppe perméable naturelle. Cette étude a permis de démontrer le rôle central que peut jouer la zone endommagée dans la réduction des flux d'eau souterraine dans les rejets et transport de contaminants depuis la fosse vers l'environnement. Enfin, la dernière étape de cette étude consistait à optimiser, au moyen d'une approche topologique, la géométrie des chemins préférentiels construits avec des roches stériles très perméables et placées dans une fosse remblayée avec des résidus contaminés peu perméables. Une proto-librairie Python a spécialement été développée afin de faciliter le développement de l'approche d'optimisation, puis a été utilisée pour optimiser la géométrie de chemin préférentiel permettant de minimiser le flux d'eau souterraine dans des rejets remblayés pour plusieurs formes de fosses. L'optimisation a globalement permis de valider les pratiques actuellement en vigueur en démontrant l'optimalité de l'enveloppe perméable pour la plupart des cas simulés. Elle a aussi contribué à améliorer la position des chemins préférentiels lorsque l'écoulement régional était orienté selon l'axe mineur d'une fosse elliptique. Dans ce cas, des géométries non conventionnelles composées de conduits de roches stériles à l'intérieur des résidus ont permis de diminuer le transport advectif de plus de 40% comparativement à une enveloppe perméable seule. Les résultats obtenus dans cette étude constituent donc une avancée dans la caractérisation des chemins préférentiels dans la zone endommagée autour des fosses, l'optimisation de la géométrie des chemins disposés dans les fosses, et plus globalement pour la réduction des interactions entre les rejets remblayés et l'environnement. Ces travaux ouvrent aussi la voie à de futurs développements, notamment la validation sur le terrain de l'utilisation de la zone endommagée comme structure de confinement, l'amélioration de l'approche d'optimisation par la considération d'autres contraintes opérationnelles, ou encore son application à d'autres problématiques en environnement minier. Les résultats de ce projet de recherche contribuent à réduire les incertitudes et l'empirisme liés à la déposition des rejets miniers dans les fosses, et devraient permettre d'améliorer l'approche tout en garantissant une meilleure stabilité physique et géochimique des rejets à long terme.

Abstract

Mining industry had a key role to play to support the supply of raw materials needed for the development of new technologies, the economic development of emerging countries and the energy transition. However, mine operations generate a large quantity of solid wastes which raise several geotechnical and geochemical challenges and especially regarding their disposal and management. Projected climate change may also modify the environmental conditions surface storage facilities were designed for, therefore adding further uncertainty to disposal site design and increasing the risks for instabilities. In-pit mine wastes disposal therefore appears as a promising alternative management approach which benefits from many advantages, such as the permanent isolation of mine wastes below ground (thus significantly reducing the geotechnical instability risks), or the improvement of the social acceptance of such projects by the public and regulators. However, geochemical interactions between the wastes disposed in-pit and the surrounding rock are expected and groundwater flow could contribute to disperse contaminants contained in the backfilled wastes in the environment. One of the common approaches to control the interactions between in-pit disposed wastes and the environment consists in using preferential flow paths in or around the backfilled pit to divert groundwater streamlines from the wastes, thus preventing contamination. Such preferential flow paths can be created using codisposal of different wastes with a significant hydraulic conductivity contrast. Previous studies have, however, only considered preferential flow paths placed to formed a pervious surround, despite the optimality of such a geometry was not proven. An alternate way to create preferential flow paths could be to use the damaged zone along the pit walls created by mining operations. Such an approach was yet never assessed. The objective of this research was therefore to, first, develop new numerical tools to the study the performance of preferential flow paths in and around backfilled pits, and then to propose recommendations to optimize the deviation of groundwater flow from in pit disposed wastes, using either natural or constructed preferential paths. A three-dimensional numerical approach, supported and validated by an analytical approach, was used in this study. This numerical approach required the development of new tools to facilitate data input and output to numerical models. The computer-aided design software Salomé was thus interfaced and coupled with the subsurface flow and transport code PFLO- TRAN and the Vorpalite mesher. This new interface especially aimed to ease and improve control of the creation of numerical models and was actively used during the whole research. The code PFLTORAN was also modified to simulate the groundwater flow in the damaged zone and to output new variables to enable adjoint problem solving. With these changes, PFLOTRAN became one of the first hydrogeological software to provide the sensitivities required to solve high dimensional optimization problems. Then, the accuracy of the simulation approach and of the PFLOTRAN code improvements were verified against an experimental model taken from the literature and an analytical solution. Solute transport in a laboratory-sized physical model of a backfilled pit with a pervious surround was first modeled using the numerical approach developed in the present project and was compared to experimental measurements. Comparison showed the numerical approach was able to reproduce the hydrogeological behaviour observed in the physical model. A decoupling of solute transport between the pit and the surrounding rock was also observed, thus suggesting it would be possible to focus on the processes at the pit scale, without requiring a detailed representation of the fractured rock in practice. The capacity of PFLOTRAN to accurately simulate preferential flow paths in the damaged zone was also verified by com- paring numerical simulation results with a two-dimensional analytical solution. This second validation demonstrated that PFLOTRAN was able to simulate accurately the water flow deviations in the damaged zone. The deviation of groundwater in the damaged zone around the pit was then assessed using a stochastic approach based on 124 000 numerical simulations. This approach allowed to determine general trends, and to derive new indicators to evaluate its performance related to groundwater flow in backfilled wastes and advective solute transport reduction. Results showed that the damaged zone could act as a natural pervious surround provided it was sufficiently fractured and thick and the pit was backfilled with low permeability wastes. In this case, the damaged zone was able to reduce waterflow in backfilled wastes by more than 90%. A new approach to evaluate water deviation in the damage zone was also proposed. A semi-analytic model was developped based on two parameters that could be easily determined in the field, and was ±20% accurate. Results also permitted to derive more precise engineering criteria than those available in the literature to ensure that the damaged zone would act as a natural pervious surround. Finally, this study highlighted the potential of the blast damaged zone for reducing groundwater flow contaminants transport from the backfilled pit to the environment. The last step of this study consisted in optimizing the geometry of preferential flow paths made of inert waste rocks placed in a pit backfilled with potentially contaminating tailings. A topology optimization approach (applied for the first time to a hydrogeological problem) was used to minimize groundwater flow entering the disposed wastes and the advective solute transport from the backfilled pit to the environment. A Python proto-library was created to prototype and develop the objective function and operational constraints, and improve the optimization process. Overall, results confirmed the good performance of the current practice and proved that the pervious surround geometry was suboptimal for most of the pit geometries considered. Topological optimization also allowed to propose an improved design when the regional flow was oriented along the minor axis of an elliptical pit, in which case unconventional geometries composed of waste rocks conduits through the tailings allowed to decrease the groundwater flow in backfilled tailings by approximately 40% compared to a non-optimized pervious surround alone. The results obtained in this study therefore provided new knowledge related to the characterization of preferential paths in the damaged zone around the pits, the optimization of pervious surrounds geometry, and more generally to the reduction of groundwater flow in backfilled wastes contaminants transport to the environment. This work also paves the way for future developments, in particular the field-scale validation of the damaged zone role as a containment structure, the improvement of the optimization approach by considering other operational constraints, or its use to other mining environment problems. Finally, the results of this research project contributed to reducing the uncertainties related to mine wastes disposal in open-pits, and to improving the long term physical and geochemical stability of the disposed wastes.