Étude expérimentale du comportement géochimique de résidus miniers hautement sulfureux sous un recouvrement en eau

La technique de recouvrement en eau peut être utilisée avec succès pour limiter le drainage minier acide (DMA). Les travaux effectués sur cette technique ont abordé plusieurs aspects, dont les facteurs qui influencent l'efficacité du recouvrement en eau. Ces facteurs incluent le transport de l'oxygène dissous (OD) jusqu'aux résidus miniers, l'érosion et la remise en suspension des résidus ainsi que l'impact de ces deux facteurs sur la qualité des eaux du recouvrement. Dans ces travaux, le flux diffusif d'OD à l'interface eau-résidus est souvent quantifié à l'aide de la première loi de Fick appliquée sur le profil vertical d'OD mesuré dans les résidus. Très peu d'études déterminent le coefficient du taux de réaction des résidus Kr, qui est pourtant un paramètre très important impliqué (avec le coefficient de diffusion de OD dans les résidus Dw qui peut être estimé avec précision) dans l'estimation du profil vertical en résolvant la 2e Loi de Fick. La connaissance de Kr (et Dw) peut permettre de réaliser des simulations pour étudier différents scénarios dans la phase préliminaire d'un projet de déposition subaquatique. L'érosion et la remise en suspension a été largement étudiée dans la littérature. Cependant, très peu d'études ont examiné les sites naturels de petite superficie. Aussi, dans la plupart des sites étudiés, les résidus entreposés sous l'eau étaient relativement peu sulfureux. L'objectif principal de ce projet est d'étudier le comportement physique et chimique des résidus hautement sulfureux placés sous un recouvrement en eau par déposition subaquatique. Plus spécifiquement, cette étude vise à : 1) développer une procédure pour une quantification directe de la réactivité des résidus miniers fortement sulfureux sous l'eau au laboratoire en déterminant le coefficient du taux de réaction Kr; 2) étudier l'évolution géochimique de couvertures aqueuses placées au-dessus de résidus très riches en sulfures (plus de 80% de pyrite) soumis à différentes conditions hydrodynamiques au laboratoire; 3) étudier la stabilité chimique et physique de résidus miniers hautement sulfureux stockés sous une couverture aqueuse de petite superficie (7, 7 ha), soit le site de Don Rouyn. Pour atteindre le premier objectif, des essais en cellule ont été réalisés au laboratoire sur deux types de résidus miniers submergés sous une couche d'eau maintenue à une concentration constante d'OD. Le premier résidu, TA1, est composé de 83% de pyrite et le second, TA2, de 2,8% de pyrite. La concentration d'OD a été mesurée à différentes profondeurs sous et audessus de l'interface eau-résidus, avec un espacement de 1 mm, à l'aide d'une mini-électrode. Les résultats ont montré que l'état d'équilibre est très vite atteint. Une couche limite diffusive a été observée sur les profils verticaux d'OD mesurés. Le code POLLUTEv6 a été utilisé en condition stationnaire pour analyser les profils d'OD, afin de calculer les valeurs spécifiques de Kr, pour lesquels les profils de concentration d'OD calculés correspondent à ceux mesurés. Les valeurs Kr d'environ 80 j-1 et 6,5 j-1 ont été obtenues respectivement pour les résidus TA1 et TA2. La valeur de Kr pour les résidus TA1 a été comparée à celle calculée à partir du taux de production de sulfate obtenu dans les tests de flacons agités. Les résultats indiquent que Kr obtenu par la procédure proposée est inférieur à Kr calculé à partir des flacons agités. Les flux d'OD en condition stationnaire à l'interface eau-résidus ont ensuite été calculés à l'aide de POLLUTEv6. Pour les conditions testées, le flux OD variait entre 608 et 758 mgO2/m2/j pour les résidus TAI et à partir de 177 à 221 mgO2/m2/j pour les résidus TA2. Enfin, l'impact d'une couche de protection d'un matériau inerte sur les résidus a été étudié. Pour les résidus miniers hautement sulfureux TA1, une couche de protection de 5 cm seulement fournit un flux OD consommé par les résidus d'environ 13 mgO2/m2/j, soit une réduction du flux d'environ 98% (comparativement à un flux de 608 mg O2/m2/j sans couche de protection). Pour atteindre le deuxième objectif, des essais en colonnes ont été réalisés au laboratoire. Des résidus (avec plus de 80% de pyrite) ont été placés dans des colonnes et recouverts avec de l'eau déionisée. Les conditions hydrodynamiques appliquées comprenaient des couvertures d'eau stagnante, stagnante avec une infiltration intermittente descendante, agitée en continu avec faible remise en suspension des résidus et agitée en permanence avec forte remise en suspension des résidus. Une couverture d'eau agitée en continu avec une couche de sable (20 cm) placée au-dessus des résidus a également été étudiée. Pour chaque colonne, des échantillons d'eau de couverture et interstitielle ont été analysés mensuellement pour déterminer les changements dans les paramètres physico-chimiques et géochimiques sur une période de suivi allant de 338 à 840 jours. Pour les couvertures d'eau au repos, les résultats indiquent que le pH est resté proche de la neutralité et que les concentrations de métaux dissous (Cu, Fe, Ni, Pb et Zn) ont été généralement faibles par rapport aux colonnes avec remise en suspension. L'ajout d'une couche de matériau inerte empêche de manière significative les résidus sulfurés de s'oxyder. Les résultats ont aussi montré que le Zn dissous est le principal métal ayant la concentration la plus élevée dans toutes les colonnes (à l'exception évidemment du Fe), bien que les résidus étudiés ne contenaient que 0,38% de Zn présents sous les formes de sphalérite libre, attachée à la pyrite et incluse dans la pyrite. Enfin pour atteindre le troisième objectif, des mesures in situ ont été effectuées durant l'été et l'automne de 2008, 2009 et 2010 au site de déposition subaquatique Don Rouyn. Ce site est une ancienne carrière dont la fosse a été utilisée pour une déposition subaquatique des résidus. Ces travaux ont consisté à : 1) échantillonner et caractériser les résidus; 2) vérifier la variation de la qualité des eaux de la couverture aqueuse, de l'effluent final et des eaux souterraines autour de la fosse; 3) déterminer le gradient hydraulique de l'écoulement entre l'eau du recouvrement et l'eau souterraine par comparaison des niveaux d'eau dans la fosse et dans les piézomètres autour de la fosse; et 4) étudier l'érosion et la remise en suspension des résidus miniers sous l'eau par mesures ponctuelles et en continu de matières en suspension (lVOES). Les résultats obtenus montrent que la qualité des eaux de la couverture aqueuse, de l'effluent fmal et des eaux souterraines est conforme aux réglementations canadienne et québécoise. Les concentrations de MES mesurés durant un été sont également dans les limites réglementaires. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les MES et les vitesses du vent. Bien que les calculs théoriques indiquent une vitesse critique du vent d'au moins 10 m/s pour amorcer la remise en suspension des résidus, des sédiments en suspension ont été observés pour des vitesses de vent de loin <10 m/s. Cette étude a permis d'approfondir la compréhension sur le comportement géochimique de résidus miniers hautement sulfureux en condition submergée. Les tests au laboratoire ont permis de développer une méthode permettant d'évaluer le coefficient du taux de réaction des résidus submergés. La disponibilité de cette propriété donne une flexibilité pour simuler les flux d'oxygène dissous consommés par les résidus pour diverses configurations de recouvrements en eau lors du design préliminaire. Ils ont également permis de montrer l'impact de conditions hydrodynamiques diverses et l'ajout de couche de matériau inerte sur la qualité des couvertures d'eau placées au-dessus de résidus très sulfureux. La remise en suspension devrait être contrôlée par la mise en place d'une couche de matériaux inertes. Les mesures directes sur le terrain ont permis de montrer que la théorie sur les conditions hydrodynamiques de remise en suspension des résidus miniers sous l'eau pouvait ne pas s'appliquer dans certaines conditions, comme pour le site Don Rouyn. Les outils développés seront utiles pour les utilisateurs potentiels (compagnies minières, firmes de génie-conseil, services gouvernementaux)

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal