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.