Résumé
La gestion responsable des rejets miniers, autant les stériles grossiers que les résidus fins de concentrateur, est une des préoccupations environnementales majeures de l’industrie minière, car ceux-ci sont habituellement entreposés dans des parcs à résidus et haldes à stériles et qui, selon la composition minéralogique des rejets, peuvent générer du drainage minier contaminé (acide ou neutre). Les éléments à considérer lors de la restauration de ces aires d’accumulation concernent principalement la stabilité chimique des rejets, la stabilité physique de l’ouvrage et la gestion des eaux de surface. L’instabilité chimique des résidus et des stériles conduit à la contamination des eaux de surface et souterraines par les infiltrations dans les eaux souterraines et les effluents miniers, qui peuvent affecter les écosystèmes environnants (Aubertin et al., 2002, Bussière et al., 2005). La valorisation de matériaux miniers, stériles et résidus, disponibles en grande quantité directement sur les sites est une des avenues qui présente de grands avantages, tant économique qu’environnemental, tout en visant une plus grande acceptabilité sociale en répondant aux objectifs de développement durable. C’est ainsi qu’un nouveau matériau, le paste rock fait l’objet de travaux de recherche depuis quelques années, est un mélange homogène de résidus et de stériles miniers, en cherchant à atteindre les propriétés hydrogéologiques des résidus fins et les propriétés géomécaniques des stériles (Wilson, 2008).
L'objectif général du projet consistait à évaluer l’applicabilité de la technique de mélange de stériles et de résidus, ou paste rock, avec ou sans ajout d’un amendement, comme matériaux dans un recouvrement. Les stériles et les résidus miniers testés provenaient de la mine LaRonde, propriété d’Agnico Eagle Mines Ltée (AEM), située en Abitibi-Témiscamingue (Qc), Canada. La particularité de ce projet est qu’il a utilisé, pour deux des essais en colonnes et la cellule expérimentale sur le terrain, des matériaux qui sont potentiellement générateurs de drainage minier acide (DMA) pour faire le mélange paste rock. L’utilisation de matériaux réactifs, qui ne sont habituellement pas utilisés dans les recouvrements en restauration minière, est un défi scientifique supplémentaire à ce projet. À la connaissance de l’auteure, aucune étude similaire n’avait été réalisée avec ce type des matériaux.
Cette étude pose une hypothèse principale, soit qu’un matériel acidogène et lixiviable (amendés ou non), dans une couche de faible perméabilité faite d’un mélange paste rock au sein d’un recouvrement minier, pourrait limiter la génération de contaminants en raison de conditions hydrogéologiques favorables.
Il est important de rappeler que la présente étude est d’abord et avant tout prospective de l’utilisation de paste rock réactif comme matériau de recouvrement. Ainsi, l’objectif de l’étude n’est pas de comprendre en détail l’ensemble des phénomènes, mais plutôt d’utiliser plusieurs approches différentes, au laboratoire et sur le terrain, pour valider l’intérêt de l’approche proposée.
La caractérisation des matériaux de recouvrement a été réalisée sur les résidus et stériles miniers prélevés sur le site de la mine LaRonde (AEM).
Les objectifs spécifiques (OS) du projet peuvent être décrits de la façon suivante :
OS #1: En raison de leurs caractéristiques qui sont très différentes, déterminer un ratio (stériles : résidus) optimal qui permettra d’atteindre les objectifs hydrogéologiques en termes de conductivité hydraulique saturée;
OS #2: Caractériser les principales propriétés physiques, chimiques, minéralogiques et hydrogéologiques du mélange paste rock retenu, avec emphase sur les mélanges non amendés;
OS #3: Évaluer en laboratoire, en grande colonne expérimentale, l’efficacité de recouvrements de type couverture à effet de barrière capillaire (CEBC) et bicouche faits entièrement de matériaux miniers réactifs pour limiter la génération de contaminants;
OS #4: Évaluer l’efficacité de l’ajout d’un amendement calcaire au sein d’un mélange paste rock fait de matériaux réactifs à neutraliser la génération de contaminants;
OS #5: Évaluer la performance d’une configuration de recouvrement composé de paste rock dans une cellule expérimentale construite sur le site de la mine LaRonde.
OS #6 : Comparer les résultats obtenus au laboratoire avec ceux de la cellule de terrain.
Les résultats du suivi en laboratoire des quatre colonnes expérimentales ont démontré qu’un recouvrement de paste rock, dans une configuration de CEBC amendée en calcaire, a été efficace pour limiter la génération de contaminants (pH, alcalinité, métaux) et la diffusion de l’oxygène, mais pas pour atteindre une qualité d’eau qui respecte les exigences règlementaires. Les flux d’oxygène mesuré dans les colonnes avec recouvrement de paste rock ont varié entre 30 et 80 mole/m²/an, tandis que des études antérieures ont démontré que les résidus de LaRonde ont une réactivité qui a varié entre 365-1500 mole/m²/an. L’incertitude sur les mesures de flux d’oxygène dans l’intervalle de 1-100 mole/m²/an étant évalué à 10 mole/m²/an, nous pouvons affirmer que le recouvrement de paste rock a limité la réactivité du résidus sous-jacents. Pour le comportement hydrogéologique, les colonnes C1 et C2, de configuration CEBC, ont mieux performé que les colonnes bicouches en raison du bris capillaire qui permet de maintenir d’eau dans toute l’épaisseur de la couche de paste rock. Le suivi géochimique a démontré l’effet bénéfique de l’ajout d’un amendement en calcaire afin de neutraliser la génération de contaminants. Cependant, les résultats du suivi des colonnes ont démontré une perte d’alcalinité et une hausse des teneurs en métaux, liés à une perte de l’efficacité du calcaire après une période de 325 jours.
Afin de vérifier la performance de la cellule expérimentale construite avec un recouvrement de paste rock (CR-4) sur le site de la mine LaRonde, qui représente une configuration bicouche amendée, les résultats du suivi ont été comparés à la cellule témoin en résidus. Lorsque comparés, les résultats obtenus démontrent qu’il y ait eu significativement moins d’oxydation dans les résidus sous-jacents au recouvrement de la cellule CR-4 que dans la cellule témoin, avec un pH maintenu plus élevé, et des teneurs en métaux et sulfates plus faibles, et ce même si les normes règlementaires ne sont pas toujours atteintes. Le calcul de l’efficacité de la cellule CR-4 à réduire la charge en certains métaux (Cu, Fe, Ni, Pb, Zn) comparativement à la cellule témoin s’établit entre 75-98,7 % (Kalonji-Kabambi et Bussière 2017, 2018). Cette comparaison des résultats a clairement démontré la capacité d’un recouvrement en paste rock à limiter la génération de contaminants dans l’environnement.
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Abstract
The mining industry faces increasing challenges related to mine site reclamation with increasing impacted footprints and the large quantity of materials required to put covers in place. The research presented here is complementary to other technical pre-reclamation studies to evaluate the application of paste rock, a mixture of waste rock and mill tailings material, available at the LaRonde mine (Agnico Eagle mines Ltd) in Abitibi (Qc), Canada, with or without a limestone amendment and/or compaction. The work from Wickland (2006) and Wilson (2008), showed the combination of tailings and waste rock material to create a homogeneous mixture that has the appropriate hydrogeological properties is attractive because it offers significant environmental advantages. The new mixture possesses both the geotechnical characteristics of waste rock, and the hydrologic characteristics of mill tailings. Previous field test measurements by Wilson (2008) have shown that the infiltration rates and drainage are reduced when the mixture is used to build cover systems.
This present study for the use of paste rock relies on results from laboratory material characterization, eighteen months monitoring of laboratory column tests, and the construction and monitoring of a field test cell at the LaRonde mine in 2015. More specifically, results of permeability tests, oxygen consumption tests, columns hydrogeological behaviour (suction and water saturation profiles), and water quality are presented in this study. The particularity of the project is the use of sulfide, reactive, material in two of the laboratory columns and the field test cell. Potentially acid generating material is not usually used to build covers in mine reclamation, thus adding an additional challenge to this study. To the author’s knowledge this has not been presented in previous studies.
The principal hypothesis of this study is that a potentially acid generating material, amended or not, when in a low permeability cover system, could reach optimal hydrogeological conditions and limit the release of contaminants to the environment.
It is important to note that this is a prospective study on the use of paste rock in a cover system for mine reclamation. Therefore, the objective is not to understand in detail all the phenomena involved, but to use different approaches, in the lab and the field, to validate the interest of the proposed approach.
The different specific objectives (SO) of the study are as follows: SO#1: Due to their different characteristics, to determine the optimal paste rock ratio (waste rock: tailings) to reach the required hydrogeological properties in terms of saturated hydraulic conductivity;
SO#2: To characterize the main physical, chemical, mineralogical, and hydrogeological properties of the chosen paste rock, with emphasis on the non-amended mixture;
SO#3: To evaluate, by using laboratory columns, the effectiveness of covers with capillary barrier effect (CCEB) and bylayer made of reactive mine materials to limit contaminant release to the environment;
SO#4: To assess the effectiveness of adding a limestone amendment to the reactive paste rock to neutralize acidity, and thus limit the release of contaminants;
SO#5: To assess the performance of a bylayer paste rock cover in an experimental cell built at the LaRonde mine;
SO#6: To compare the results obtained in the laboratory to those of the experimental cell.
Results of the hydrogeological monitoring of the laboratory columns demonstrated that the paste rock cover, more specifically in limestone amended CCBE configuration, was successful in maintaining an adequate volumetric water content (VWC) and suction to limit the migration of oxygen in the cover. The geochemical monitoring showed, however, that the beneficial effect of the limestone amendment to maintain a neutral pH and sufficient alkalinity to prevent acid mine drainage is only present for a certain period. The results show depletion of alkalinity and a rise in the metal leaching after the depletion (after 325 days).
To further interpret the results obtained from the in-lab columns, results from the columns were compared to three seasons of results from a field experimental test cell. More specifically, a field experimental cell with a paste rock cover was constructed at the LaRonde mine in the fall of 2015 with a design based on previous work. The cell had the shape of a reverse truncated pyramid and was insulated from the hydrogeological system via a geomembrane. A drain was installed at the centre of the 1 m2 bottom of the cell was deployed horizontally to emerge outside the cell. The outlet of the drain connected to a flowmeter allows monitoring water volume and quality. Volumetric water content (VWC) sensors and suction sensors were positioned in the different layers of material and connected to a data logger. A pore gas sampler connected to oxygen sensors in the different layers will allow measurement of vertical oxygen concentration profiles.
The comparison of results from the experimental cell constructed with a paste rock cover to a witness cell constructed from tailings alone, showed the paste rock’s capacity to limit ARD and contaminant release to the environment by reducing the oxidation of the underlying reactive tailings. The results showed the cell with a paste rock cover (CR-4) maintained a higher pH, lower metals and sulfate concentrations, even if the effluent was not always in compliance to regulation. The effectiveness of the paste rock cover to reduce the charge in certain metals (Cu, Fe, Ni, Pb, Zn) was calculated to be between 75-78 % (Kalonji-Kabambi et Bussière 2017, 2018)
