Effets des conditions climatiques et de la déposition sur le comportement hydrogeochimique des résidus filtrés réactifs

Les opérations minières génèrent d'importantes quantités de résidus qui doivent être entreposés en surface. Cependant les aires d'entreposage conventionnelles présentent de nombreux risques géotechniques et les ruptures de digues restent fréquentes. La densification des résidus miniers, et plus particulièrement l'utilisation de résidus filtrés, constitue une alternative de gestion de plus en plus considérée par les minières. En effet, la filtration comporte de nombreux avantages et contribue notamment à limiter les risques d'instabilités géotechniques, et à minimiser la nécessité de construire des digues et des bassins de décantation. Cependant, les résidus filtrés sont généralement aussi déposés à des degrés de saturation inférieurs à 80%. Dans ces conditions, ils sont susceptibles, s'ils contiennent des minéraux sulfureux, de s'oxyder et de générer du drainage minier acide (DMA). L'objectif de ce projet de recherche consistait à évaluer l'effet des conditions climatiques et de la déposition sur la génération de DMA dans les parcs à résidus filtrés. De façon plus spécifique, les objectifs du projet visaient à : 1) caractériser le comportement hydrogéologiques et géochimique de résidus filtrés réactifs ; 2) déterminer le degré de saturation critique à partir duquel s'amorce la génération de DMA ; 3) évaluer l'effet de l'épaisseur des couches de déposition sur le comportement hydrogéochimique des résidus filtrés réactifs et (4) tester différentes approches de suivi de la teneur en eau volumique (TEV) au sein des résidus filtrés. Pour atteindre ces objectifs, un mélange de résidus filtrés provenant la mine LaRonde a été testé. Après la caractérisation des propriétés physiques, chimiques, minéralogiques et hydrogéologiques des résidus, des essais en colonnes instrumentées et des essais en cellules humides ont été réalisés au laboratoire. Quatre colonnes instrumentées d'épaisseurs comprises entre 15 cm et 60 cm ont été montées. Les résidus ont été compactés en couches successives de 7,5 cm à une porosité similaire à celle attendue sur le terrain, et instrumentés de sondes de teneur en eau et de sondes de succion. Les 4 colonnes ont par la suite été installées sur des balances afin de suivre le bilan d'eau au cours de l'essai. Un total de 7 cycles de mouillage-séchage ont été réalisés. Le pH, la conductivité électrique et les concentrations en sulfates et autres éléments chimiques ont été mesurés. Des essais cinétiques en cellules humides ont également été réalisés. Une épaisseur de 5 cm de résidus a été compactée dans chacune des quatre cellules humides et chacune d'elle a été maintenue à un degré de saturation de 70%, 80%, 90% et 100%. Plusieurs rinçages ont été effectués et les lixiviats recueillis ont été analysés afin de suivre l'évolution du pH, de la conductivité électrique, des sulfates et d'autres éléments chimiques au cours du temps. Les cellules humides ont ainsi été suivies pendant une durée totale de 160 jours. Les résultats de ces investigations de laboratoire ont montré que la désaturation par drainage se produisait principalement au cours des 24 à 36 premières heures suivant l'épaisseur de la couche de résidus. Par la suite, la désaturation des résidus était due principalement à l'évaporation. Une augmentation de l'épaisseur des résidus contribuait à minimiser l'infiltration profonde (drainage) mais favorisait l'évaporation. L'ajout d'une couche supplémentaire de résidus tendait à protéger les couches sous-jacentes mais était elle-même fortement influencée par la variation des conditions climatiques. Le comportement hydrogéologique des résidus filtrés observé au laboratoire a par la suite été confirmé au moyen de simulations numériques 1D réalisées avec SEEP/W. Les modèles ont été extrapolés à des conditions de terrain et ont montré que le comportement hydrogéologique des résidus filtrés était fortement influencé par les conditions climatiques et que l'ajout de couches successives de résidus tendait à limiter l'évaporation. Toutefois les degrés de saturation en surface dépassaient rarement 90%. Les essais cinétiques ont montré que le maintien des résidus à un degré de saturation supérieur à 90% permettait de limiter la génération de DMA contrairement aux résidus maintenus à un degré de saturation inferieurs à 90% pour lesquels la génération de DMA débutait après 56 jours d'exposition. Cette étude a montré que la génération d'acide dans les parcs à résidus filtrés réactifs pouvait être contrôlée grâce au maintien d'un degré de saturation au-dessus de 90%. L'impact des conditions climatiques sur le degré de saturation des résidus en surface était ainsi primordial, mais il semblait difficile de compter sur les précipitations seules pour maintenir un degré de saturation élevé. L'ajout régulier de résidus en surface (au moins tous les mois d'après cette étude) permettrait ainsi de prévenir la génération de DMA, même dans le cas où ceux-ci ne se re-satureraient pas suffisamment. Les résultats de cette étude devraient être utiles pour orienter les opérateurs dans la planification de la déposition de résidus filtrés réactifs. Ces recommandations devraient cependant être confirmées, notamment à l'échelle du terrain et au moyen de simulations numériques de transport réactif, afin de proposer des solutions de gestion et de déposition des résidus filtrés réactifs plus générales et mieux adaptées au contexte de changements climatiques.

Abstract

Mining operations generate large amounts of tailings that must be stored on the surface. However, conventional tailings storage facilities are exposed to numerous geotechnical risks, and dam failures remain frequent. The densification of mine tailings, and more specifically the use of filtered tailings, is an alternative to conventional tailings management and is increasingly considered by mining compagnies. Indeed, filtration has many benefits and contributes to decrease the risks of geotechnical instabilities, and to minimize (or even eliminate) the need to build dikes and settling ponds. However, filtered tailings are also deposited at degrees of saturation generally below 80%. Under these conditions, tailings may oxidize and generate acid mine drainage (AMD) if they contain sulfidic minerals. The objective of this research project was to evaluate the effect of climatic conditions and deposition on AMD generation in filtered tailings storage facilities. More specifically, the objectives of the project were to: (1) characterize the hydrogeological and geochemical behaviour of reactive filtered tailings; (2) determine the critical degree of saturation from which AMD generation begins; (3) assess the effect of layer thickness during disposal on the hydrogeochemical behaviour of filtered reactive tailings and (4) test different approaches to monitoring filtered tailings' volumetric water content (VWC). To reach these objectives, a mixture of filtered tailings from LaRonde mine was tested. Tailings physical, chemical, mineralogical and hydrogeological properties were first characterized. Instrumented columns and humidity cells tests were then conducted in the laboratory. Four 15 cm to 60 cm-thick instrumented columns were setup. The tailings were compacted in successive layers of 7.5 cm at a porosity similar to field conditions and instrumented with water content probes and suction probes. The 4 columns were placed on scales to monitor the water balance during the tests. Wetting and drying cycles were carried out. pH, electrical conductivity and sulfates and other chemical elements concentrations were regularly measured in the leachates. Kinetic tests in humidity cells were also carried out. Tailings (5 cm thick) were compacted in each of the four humidity cells and were maintained at a degree of saturation of 70%, 80%, 90% and 100%. Several rinses were conducted and the collected leachates were analyzed to monitor the evolution of pH, electrical conductivity, sulfates and other chemical elements. The humidity cells were followed for a total of 160 days. Laboratory investigation results showed that desaturation by drainage occurred mainly during the first 24 to 36 hours depending on the thickness of the tailings. After that, the desaturation of tailings was mainly due to evaporation. An increase of tailings thickness contributed to minimize deep infiltration (drainage) but favoured evaporation. The addition of an additional layer of tailings tended to protect the underlying layers but was itself strongly influenced by climatic conditions. The hydrogeological behaviour of the filtered tailings observed in the laboratory was confirmed by the 1D numerical simulations performed with SEEP/W. The models were extrapolated to field conditions. Filtered tailings hydrogeological behaviour in the models was strongly influenced by climatic conditions and the addition of successive layers of tailings tended to limit evaporation. However, the degree of saturation at the surface of the tailings rarely exceeded 90%. Kinetic tests showed that maintaining tailings degree of saturation above 90% could contribute to control the generation of AMD. However, when the degree of saturation was smaller than 90%, AMD generation started after 56 days of exposure. This study showed that acid generation in reactive filtered tailings storage facilities could be controlled by maintaining the degree of saturation of tailings above 90%. The effect of climatic conditions on the degree of saturation was therefore critical, but it seems difficult to rely on precipitations only to maintain a high degree of saturation. The regular addition of tailings (at least every month based on this study) should contribute to prevent AMD generation in the case tailings may not re-saturate enough. The results of this study should be useful to operators responsible to plan for reactive filtered tailings disposal. The outcome of this research should, however, be confirmed, in particular using field tests and reactive transport numerical simulations, to propose more general solutions to the management and deposition of filtered reactive tailings adapted to climate change.