Satellite based synthetic aperture radar and optical spatial-temporal information as aid for operational and environmental mine monitoring

A sustainable society is a society that satisfies its resource requirements without endangering the sustainability of these resources. The mineral endowment on the African continent is estimated to be the first or second largest of world reserves. Therefore, it is recognised that the African continent still heavily depends on mineral exports as a key contributor to the gross domestic product (GDP) of various countries. These mining activities, however, do introduce primary and secondary environmental degradation factors. They attract communities to these mining areas, light and heavy industrial establishments occur, giving rise to artisanal activities. This study focussed on satellite RS products as an aid to a mine’s operations and the monitoring of its environment. Effective operational mine management and control ensures a more sustainable and profitable lifecycle for mines. Satellite based RS holds the potential to observe the mine and its surrounding areas at high temporal intervals, different spectral wavelengths and spatial resolutions. The combination of SAR and optical information creates a spatial platform to observe and measure the mine’s operations and the behaviour of specific land cover and land use classes over time and contributes to a better understanding of the mining activities and their influence on the environment within a specific geographical area. This study will introduce an integrated methodology to collect, process and analyse spatial information over a specific targeted mine. This methodology utilises a medium resolution land cover base map, derived from Landsat 8, to understand the predominant land cover types of the surrounding area. Using very high resolution mono- and stereoscopic satellite imagery provides a finer scale analysis and identifies changes in features at a smaller scale. Combining these technologies with the synthetic aperture radar (SAR) applications for precise measurement of surface subsidence or upliftment becomes a spatial toolbox for mine management. This study examines a combination of satellite remote sensing products guided by a systematic workflow methodology to integrate spatial results as an aid for mining operations and environmental monitoring. Some of the results that can be highlighted is the successful land cover classification using the Landsat 8 satellite. The land cover that dominated the Kolomela mine area was the “SHRUBLAND/GRASS” class with a 94% coverage and “MINE” class of 2.6%. Sishen mine had a similar dominated land cover characteristic with a “SHRUBLAND/GRASS” class of 90% and “MINE” class of 4.8%. The Pléiades time-series classification analysis was done using three scenes each acquired at a different time interval. The Sishen and Kolomela mine showed especially changes from the bare soil class to the asphalt or mine class. The Pléiades stereoscopic analysis provided volumetric change detection over small, medium, large and recessed areas. Both the Sishen and Kolomela mines demonstrated height profile changes in each selected category. The last category of results focused on the SAR technology to measure within millimetre accuracy the subsidence and upliftment behaviour of surface areas over time. The Royal Bafokeng Platinum tailings pond area was measured using 74 TerraSAR-X scenes. The tailings wall area was confirmed as stable with natural subsidence that occurred in its surrounding area due to seasonal changes of the soil during rainy and dry periods. The Chuquicamata mine as a large open pit copper mine area was analysed using 52 TerraSAR-X scenes. The analysis demonstrated significant vertical surface movement over some of the dumping sites. It is the wish of the researcher that this dissertation and future research scholars will continue to contribute in this scientific field. These contributions can only assist the mining sector to continuously improve its mining operations as well as its monitoring of the primary as well as the secondary environmental impacts to ensure improved sustainability for the next generation.Environmental SciencesM. Sc. (Environmental Science

Assessing whether rehabilitation programmes from South African mining companies have considered the impacts of climate change

A Research Report submitted to the Faculty of Science, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science. May 2016The fifth report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has a high confidence level that positive radiative forcing due to anthropogenic influences are causing a warming earth surface, and the largest contributor is CO2. Previous research related to mining and climate change, has been inclined to the development of mitigation measures, further addressing how best the mining sector could reduce greenhouse gas emissions which adversely affect the climate system. Minimal research has focused on adaptation measures. The climate - both present and future - is seen as the most vital determinant of rehabilitation success or failure, specifically rainfall patterns and the temperature. Planning for rehabilitation while taking into account climate change, is the first step to enhancing adaptation, allowing successful and resilient rehabilitation. This study aimed to assess whether mining companies operating in South Africa have considered the impacts of climate change on mine rehabilitation. The study achieved this with the use of a qualitative research methodology which included detailed content analysis of documents and transcripts from interviews conducted. From graphical representations of likely future scenarios of climate change, it was identified that all mining companies will be exposed to climate change, thus increasing their vulnerability to future impacts. Secondly, it was identified that only three of the investigated policies and guidelines on closure make a specific mention to climate during the rehabilitation process (MMSD, ITRC and CoM). Through the analysis of Sustainability Reports, it became apparent that climate change issues are prioritised in the selected companies; however, these predominantly transpire as mitigation measures (i.e. energy consumption, GHG emissions and water availability) in response to legal requirements already instituted as well as forthcoming legal frameworks. Only two of the investigated companies have considered climate change during the rehabilitation process of the mine lifecycle. Additionally, the interview process revealed further that climate change is being considered, during the operational phase of the mine lifecycle and the responses are mitigation measures to comply with the legal frameworks. Lastly, from the identified case studies which show how physical climate change impacts can be addressed, an identified trend showed informed decision making by interdisciplinary individuals using credible regional data contributed to some successes. A total of six challenges were identified where after these were seen as strategic components to further catalyse adaptation planning in mine rehabilitation (data sources and management systems, legal framework, collaborations, research and development, funding and sustainability leadership). The findings of this research have created a foundation on which other research, addressing climate change within the South African mining industry, can progress which may further explore the mining company perspective or alternatively the government perspective which was not dealt with thoroughly in this study.M T 201

Use of the cone penetration test to assess the liquefaction potential of tailings storage facilities

A dissertation submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, 2016The performance in tailings storage facilities (TSFs) of three methods based on the cone penetration test (CPT) to assess liquefaction potential is explored. For two of these methods the investigation highlights potential limitations mostly related with the experimental data that supports some of the equations used by the methods. However, the methodologies yielded mostly correct performance predictions when implemented on TSF case histories in which an undrained response is believed to have occurred. The positive performance of both methodologies must be tempered by the limitations identified in the methods. The steady state line (SSL) is an input of the third method considered. Accordingly, the correlation between the SSL and soil index parameters was investigated using a database of 151 non-plastic soiltypes compiled from data previously reported in the literature. The SSLs were modelled in void ratio (e) - mean effective stress (p') space, using a logarithmic equation. The y-intercept of the SSL is termed Γ, and the slope is termed λ. A direct, and linear (R2 = 0.74) correlation between the minimum void ratio (emin) and Γ was found. Although previous research has explored the effect of non-plastic fines on the SSL, the analysis presented herein shows that the Γ-emin correlation is independent of fines content. The correlation is also independent of the angularity of the particles provided that these are bulky, as opposed to platy. A direct λ-emin correlation was also found; however this correlation is much weaker and probably obscured by uncertainties in void ratio measurements. Triaxial testing was conducted to determine the SSLs of three tailings soiltypes obtained from a single TSF. The trends observed in the resulting SSLs are in agreement with the Γ-emin and λ-emin correlations from the database. An assessment was made of the sensitivity of the third method, which is based on a state parameter (ψ), to variations in λ throughout a single TSF. It was found that in some TSFs, the variations of λ are small enough to be disregarded without significantly affecting the accuracy of ψ. However, in other TSFs it is necessary to estimate how λ varies throughout the deposit. iiiCK201

Investigation of flowslides from the failure of mine tailings' dams.

Progress to further understand the complex nature of the flowslides has, in the past, been restricted by a shortage of good quality experimental and field data. This thesis describes a series of small scale laboratory flowslide experiments, using a realistic test material of fine sand and water, which was performed to elucidate aspects of this phenomenon. Following initiation of the flowslide, liquefaction of the static material occurred and the flowslide accelerated under the influence of gravitational driving forces without any segregation of the components of the two-phase material. It was observed that movement of the flowing material was not arrested 'en masse', but unsteady deposition of sand and pore fluid at the lower flow boundary occurred, being dependent on deceleration of the flowslide. This resulted in thinning of the flowing layer. The rate of deposition also increased with the solid volume concentration of the flowing material. The final stages of flowslide motion were influenced by the presence of surface water derived from consolidated material. It was established that excess pore pressures were present during flowslide motion. Within the limitations of experimental measurement, the magnitude of these excess pore water pressures at the lower flow boundary was such that the intergranular friction was sufficiently reduced to allow motion. This reduction of intergranular friction explained the fluid-like motion observed at bed slopes lower than the equilibrium slope of the granular fluid. Some shear resistance mechanism other than Coulomb friction must therefore play an important role in bringing the flowslide to a halt

Étude de l'impact de la ségégation hydraulique des résidus miniers sur la performance de la technique de la nappe phréatique surelevée

La gestion des rejets de concentrateur ou résidus miniers constitue l’un des défis majeurs de l’industrie minière. Les millions de tonnes de rejets de concentrateur sont produits par la mine et déposés dans des parcs à résidus. Ces rejets de concentrateur peuvent contenir des sulfures métalliques qui deviennent sujets à l’oxydation en contact avec l’air et l’eau. Lorsque la quantité des minéraux neutralisant présents dans les résidus miniers est insuffisante, du drainage minier acide (DMA) peut être produit. Dans ce cas, des mesures préventives de la génération du DMA doivent être mis en place pour constituer une barrière à l’eau et/ou l’oxygène. L’efficacité d’une méthode de prévention du DMA dans les régions à climat humide comme le Québec se base sur sa capacité d’empêcher la migration de l’oxygène à travers le recouvrement afin qu’il n’atteigne pas les rejets de concentrateur sous-jacents. La technique de nappe phréatique surélevée (NPS) combinée à une couverture monocouche est une des méthodes de prévention utilisées à cette fin. Le dépôt des résidus miniers selon la méthode conventionnelle sous forme de pulpe est souvent accompagné par une ségrégation hydraulique. Ces résidus, après leur dépôt, se caractérisent par des propriétés physiques, hydrogéotechniques, chimiques et minéralogiques hétérogènes entre le point de dépôt et l’étang d’eau. Or, ces caractéristiques contrôlent les flux d’eau et d’oxygène entrant la surface des résidus. Dans le cadre de la réhabilitation des sites miniers où la ségrégation a eu lieu, la conception des mesures de contrôle du DMA devrait tenir compte de l’effet de cette ségrégation sur les flux d’oxygène atteignant la surface des résidus miniers potentiellement générateur d’acide (PGA). L’objectif de cette étude est d‘étudier l’effet de la ségrégation hydraulique sur l’efficacité de la technique de la nappe phréatique surélevée. Pour cela, l’étude a évalué la distribution spatiale de la réactivité des résidus miniers et ensuite les flux d’eau et d’oxygène entrant à la surface des résidus dans différentes positions le long de la direction de dépôt, de la zone de la plage jusqu’à la zone de décantation. Le parc à résidus 3 Est du site Doyon/Westwood constitue le site principal de cette étude. La technique de NPS avec couverture monocouche construite avec des résidus non PGA est une des options de restauration envisagée pour ce site. Sachant que la ségrégation hydraulique peut survenir aussi pour les résidus d’une couverture monocouche utilisée en combinaison avec la technique de la nappe phréatique surélevée, les travaux ont été réalisés au niveau de la couverture monocouche constituée des résidus Goldex non potentiellement générateur d’acide du parc 3 du site Manitou/Goldex. Des essais de consommation d’oxygène (CO) in-situ, des mesures de teneurs en eau volumiques et des succions sur le terrain et des observations in-situ, ont été réalisés dans quatre et six stations, respectivement, dans le parc à résidus 3 Est du site Doyon/Westwood et le parc 3 du site Manitou/Goldex, le long de la ligne de dépôt des résidus miniers. En outre, des échantillons ont été prélevés de chaque station (jusqu’à 1,25 m de profondeur) pour caractériser les résidus et effectuer des essais de CO en laboratoire. À l’issue des observations des échantillons et des caractérisations physiques et minéralogiques, une hétérogénéité latérale et verticale des matériaux a été observées dans toute les stations des deux parcs. Les essais CO en laboratoire et in-situ de longue durée (14 jours) ont été interprétés numériquement à l’aide du code POLLUTEv7 et du couplage des codes SEEP/W-CTRAN/W pour déterminer le coefficient taux de réaction des résidus miniers dans chaque station le long de la direction de dépôt. Les résultats des essais CO in-situ dans le parc 3 du site Manitou/Goldex ont montré que la concentration d’oxygène durant la période d’essai était presque invariable dans toutes les stations de mesure. Ce résultat est principalement attribué à la non-réactivité de ces résidus (taux de réaction Kr est nulle). Les résultats de l’interprétation des essais CO in-situ et en laboratoire, réalisés dans le parc 3 est du site Doyon/Westwood, ont permis d’obtenir des valeurs du taux de réaction Kr relativement similaires. Ces résultats ont aussi montré que le taux de réaction Kr varie d’une station à l’autre. En effet, Kr décroit en fonction de la distance à partir du point de dépôt. En se basant sur les résultats des essais de CO in situ, un modèle numérique validé et calibré a été construit par couplage des codes SEEP/W-CTRAN/W pour évaluer respectivement les flux d’eau et d’oxygène entrant à la surface des rejets de concentrateur le long de la direction de leur écoulement, lorsque les résidus miniers du parc 3 Est du site Doyon/Westwood sont exposés à l’atmosphère. Dans ce modèle, la variation verticale de la nature des matériaux observée sur 1,25 m a été prise en considération. Par la suite, un modèle simplifié (en considérant seulement les résidus non oxydés réactifs sur toute l’épaisseur) du parc 3 Est du site Doyon/Westwood a été construit où trois types de résidus miniers potentiellement générateurs d’acide (PGA) qui représentent la zone de la plage, intermédiaire et de décantation ont été définis sur toute l’épaisseur du modèle. Des modélisations numériques ont alors été réalisées avec ce modèle simplifié dans le cas où les résidus (PGA) sont sans recouvrement et avec un recouvrement monocouche. Dans ce dernier cas, il s’agit de modéliser la technique de la nappe phréatique surélevée combinée à une couverture monocouche. Pour une couverture monocouche d’une épaisseur de 0,5 m, des profondeurs initiales de la nappe phréatique de 0, 0,5, 1 à 2 m au-dessous l’interface résidus-couverture dans chaque simulation numérique. Deux types de recouvrement en monocouche ont été testés: les résidus non générateurs d’acide ségrégués de Goldex et les résidus désulfurés de Westwood non générateurs d’acide considérés ici homogènes. L’effet de l’épaisseur de la couverture monocouche a aussi été analysée en testant quatre épaisseurs : 0,5, 1, 2 et 3 m. Toutes ces modélisations ont porté sur une période de 214 jours (du 1 avril au 30 Octobre 2019). Les résultats des simulations numériques sont présentés en termes d’évolution temporelle du degré de saturation (obtenus avec SEEP/W) et du flux d’oxygène (obtenus avec CTRAN/W) à la surface des résidus PGA (ou à l’interface résidus-couverture) dans les trois zones du parc à résidus 3 Est du site Doyon/Westwood. La variation du flux annuel (sur 214 jours) cumulé d’oxygène à travers le parc à résidus est aussi présentée. Dans les conditions testées, ces résultats ont montré que les flux d’eau et d’oxygène dépendent fortement des propriétés physico-chimiques des résidus, de la position de la nappe et des propriétés hydriques des résidus. Les résultats ont ainsi indiqué une large différence des flux entre les trois zones du parc à résidus (avec ou sans couverture monocouche). L’écart du flux d’oxygène entre les trois zones augmente également avec la profondeur de la nappe phréatique. Dans le cas où la nappe phréatique est profonde, la zone de la plage constitue la zone la plus risquée qui laisse passer le flux annuel d’oxygène le plus élevé à la surface des résidus miniers étudiés. Néanmoins, lorsque la nappe phréatique est proche de la surface, la zone de décantation montre le flux d’oxygène le plus élevé surtout sous les conditions de sécheresse prolongée pour le cas d’une couverture monocouche constituée de résidus désulfurés de Westwood en raison de sa forte sensibilité aux effets de l’évaporation. Lorsque la monocouche est constituée des résidus ségrégués de Goldex, ces derniers ont une forte capacité d’empêcher l’évaporation et à maintenir un degré de saturation élevée même sous les conditions de sécheresse prolongée pour une nappe phréatique proche de la surface des résidus. Par conséquent, la configuration la plus efficace pour limiter les flux d’oxygène dans les résidus du site Doyon/Westwood est de maintenir le niveau de la nappe phréatique proche de l’interface résidus-couverture avec la mise en place de couverture monocouche constituée des résidus de Goldex d’une épaisseur de 0,5 m. Cette étude a permis de montrer l’influence de plusieurs facteurs induits par la ségrégation hydraulique et le type de matériau déposé (le cas échéant, par ex. les boues) sur la performance de la technique de la nappe phréatique surélevée combinée à une monocouche. En se basant sur les résultats obtenus, une procédure de conception de cette technique pour les parcs avec des résidus ségrégués a été proposée. De manière générale, pour éviter la complexité de la conception des méthodes de restauration avec recouvrements d’un parc à résidus existant, on recommande la mise en place de résidus miniers non ségrégant pour constituer la couverture en monocouche. Pour une nouvelle mine, le dépôt de résidus densifiés non ségrégant de manière à assurer une homogénéité horizontale des propriétés contribuerait à faciliter l’application des méthodes de restauration

Political economy of crisis, mining and accumulation in Zimbabwe : evidence from the Chegutu Mhondoro Area.

Ph.D. University of KwaZulu-Natal, Durban 2013.This thesis has its foundations in a 2007 master’s research on the political economy of “illegal” gold panning in central Zimbabwe. A book chapter (Moore and Mawowa, 2010) and a journal article (Mawowa, 2013) have since resulted from that work. The former work argues that illegal gold panning demonstrates a distinctive pattern of accumulation characterising post-2000 Zimbabwe. Four aspects of this pattern are identified namely, i) the link between coercion, chaos and disorder and wealth accumulation and political power retention, ii) the role of the state in this imbroglio, in particular, its pervasiveness and centrality, iii) that this pattern was shaped by and has remodelled the acquisitive instincts of Zimbabwe’s ruling elite and iv) a culture of ‘strategic contradictions’ within ruling elites abets this pattern of accumulation. This thesis does not move substantially from this premise. Instead, it recasts these observations within a much broader scope. While the Masters work was restricted to a very small area, this work looks at a much bigger area and in fact much further away from the area of MA research. While retaining the focus on political economy of mining, this work goes beyond illegal gold panning to encompass what is generally defined as artisanal and small scale (gold) mining (ASM) in the Chegutu Mhondoro area. Since this is an area where successful platinum mining is also taking place, it was opportune and indeed relevant to extend the question of political economy to this sector. This is not to suggest that there is a direct link (formal or informal) between ASM and platinum mining other than proximity. However, evidence presented in this thesis is telling in terms of the commonality between the two with regards to the four aspects of Zimbabwe’s post-2000 regime of accumulation