Étude du comportement hydrogéologique de couvertures avec effet de barrière capillaire faites entièrement de matériaux miniers

Le site minier générateur du drainage minier acide (DMA) doit être restauré afin de limiter sa contamination à long terme sur l’environnement. Pour ce faire, à la fin des opérations minières, les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) généralement en sols naturels sont notamment utilisées comme barrière à l’oxygène pour isoler les résidus miniers générateurs de DMA de son environnement immédiat. Des contraintes économiques, des contraintes liées à l’acceptabilité sociale et les impacts du décapage (empreinte environnementale) sur les sites d’approvisionnement des matériaux naturel de recouvrement, font que les entreprises minières sont de plus en plus intéressées à utiliser des stériles miniers non générateur du DMA en substitution aux sols naturels comme matériaux de base pour constituer les couches de bris capillaires des recouvrements. L'objectif général de ce projet de recherche consistait à évaluer le comportement hydrogéologique d’une CEBC faite entièrement des matériaux miniers (rejets de concentrateur désulfurés provenant d'un procédé de désulfuration et stériles miniers non générateur du DMA). De façon plus spécifique, les objectifs du projet consistaient à : 1) caractériser les propriétés hydrogéologiques des stériles miniers (avec granulométrie tronquée) et des résidus miniers désulfurés; 2) évaluer en laboratoire, en colonnes instrumentées, le comportement de CEBC faites entièrement de matériaux miniers ; 3) simuler les essais en colonne à l’aide d’un code numérique 1D permettant de modéliser l’écoulement de fluide (eau et gaz) en milieu non saturé ; et 4) utiliser la modélisation numérique 2D pour valider la possibilité de restaurer à l’aide d’une CEBC faite des résidus de concentrateur et des stériles miniers, le parc principal à résidus de la mine LaRonde (Agnico Eagle Mines Limited). Pour y arriver, des échantillons des stériles et des résidus miniers en provenance respectivement de la halde à stérile Bousquet et de la sortie de l’usine de concentration LaRonde ont été prélevés. Afin de construire une CEBC non réactive, des rejets désulfurés à moins de 2 % S ont été produits. Après les caractérisations physique, chimique, minéralogique et hydrogéologique des matériaux de recouvrement, les modèles physiques de CEBC au laboratoire ont été réalisés en colonnes instrumentées. Trois configurations ont été mises en place. Deux premières colonnes avec une différence de granulométrie des stériles (0-20 mm et 0-50 mm) dans les couches de bris capillaire du bas et des résidus mis en place à un pourcentage massique solide élevé, environ 74 % (simulant une mise en place mécanique). Une troisième colonne avec aussi des stériles de granulométrie 0-50 mm dans la couche de bris capillaire du bas mais avec des résidus mis en place à un pourcentage massique solide plus faible, environ 55% (simulant une mise en place hydraulique). La granulométrie des stériles dans les couches de bris capillaire du haut a été maintenue à 0-50 mm pour toutes les trois colonnes. Plusieurs cycles de mouillage drainage ont été réalisés. Les résultats de ces investigations de laboratoire en termes de profil de teneur en eau et de succion confirment le potentiel des stériles miniers non générateur du DMA à être utilisés dans les couches grossières des CEBC. Pour évaluer cette performance à long terme, plusieurs scénarios de modélisations numériques ont été réalisés à l’aide des codes numériques Vadose/W 2007 de Geoslope int. Une variation de la profondeur de la nappe phréatique et des conditions climatiques naturelles et extrêmes (périodes sans recharge en précipitations de 2 mois) ont été considérées dans cette étude paramétrique. Les résultats de modélisations numériques ont pu aussi confirmer l’efficacité à long terme des recouvrements avec stériles miniers dans les couches de bris capillaire à limiter le flux d’oxygène qui arrive à l’interface entre la couche de rétention d’eau et la couche de bris capillaire du bas. Sous des conditions climatiques naturelles, extrêmes (périodes sans recharge de 2 mois), et pour une variation de la profondeur de la nappe de 2 à 6 m les flux cumulés sur une année varient sur une plage de 10,6 à 97,5 g/m2. Pour les conditions extrêmes et pour la même variation de la profondeur de la nappe, les flux d’oxygène se sont situé entre 14,3 à 117,9 g/m2/an. Le flux le plus élevé (117,9 g/m2/an) a été obtenu pour une profondeur de la nappe de 6 m sous des conditions climatiques extrême. L’influence du contraste entre la couche de rétention d’eau et la couche de bris capillaire du bas sur les flux d’oxygène a été mise en exergue en utilisant des sables relativement fin et grossier dans la couche grossière du bas. Les résultats obtenus avec le sable grossier étaient presque similaires à ceux obtenus avec du stérile. Mais en l’absence de ce contraste (quand le sable relativement fin a été utilisé), la couche de rétention d’eau s’est drainée et les flux d’oxygène qui arrivent à la base de cette couche ont augmentés considérablement. La profondeur de la nappe et le contraste granulométrique entre la couche de rétention d’eau et la couche de bris capillaire du bas se sont avéré les paramètres clés du modèle simulé.Comme dans la réalité les CEBC sont souvent inclinées et que cette inclinaison peut affecter la performance du recouvrement à contrôler la migration de l’oxygène, des modélisations 2D ont aussi été réalisées. Le modèle numérique a été construit de manière approximativement à représenter le cas d’une des digues du parc à résidus LaRonde. Les résultats préliminaires montrent qu’une CEBC faite essentiellement en matériaux miniers et dans les conditions inclinées est aussi efficace pour les conditions de modélisation étudiées. Le degré de saturation sur les deux pentes de notre modèle numériques était supérieur à 85%. L’influence des pentes n’a pas considérablement affecté la performance du recouvrement néanmoins pour le modèle étudié dans ce mémoire. Les flux d’oxygènes cumulés sur une année à la base de la couche de rétention d’eau (sur une distance horizontale de 182 m) sont de 4031,3 g (22,1 g/m2/an) et 4617,7 g (25,3 g/m2/an) respectivement pour les conditions climatiques normales et extrêmes. Cette étude confirme que les stériles miniers présentent un bon potentiel comme matériaux de bris capillaire dans le recouvrement de type CEBC. De ce fait, nous suggérons que l’option d’utiliser uniquement des matériaux miniers dans les recouvrements soit incluse dans l’analyse d’identification du mode de restauration optimal des sites miniers. Ce projet suggère également qu’une gestion en amont des stériles et des rejets de concentrateur pourrait permettre de produire durant les opérations minières des matériaux qui serviraient ensuite à la restauration du site. Nous recommandons que les travaux de recherche se poursuivent pour étudier davantage cette option de restauration via des essais à l’échelle de terrain. Si à l'issue des travaux à venir à l’échelle intermédiaire (parcelles expérimentales sur le site), l’utilisation de matériaux miniers s’avère efficace comme composante des CEBC visant à contrôler la pollution post-fermeture, cela pourrait permettre de réduire les coûts de construction tout en favorisant l’acceptabilité sociale des projets miniers en réduisant l’utilisation de sols naturels