Étude du comportement hydrogéologique de couvertures avec effets de barrière capillaire sur une halde à stériles de grande dimension

La restauration de haldes à stériles miniers de grande envergure est un défi de taille pour les entreprises minières. Les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) sont principalement utilisées pour contrôler la génération d’acide sur les parcs à résidus minier, mais plus rarement sur les haldes à stériles. Le principe de cette méthode de recouvrement est de placer une couche de matériel fin sur une couche de matériel plus grossier. Le matériel fin demeure saturé en eau grâce aux effets de barrière capillaire (Aubertin et al. 1995, Bussière et al. 1999). La diffusion d’oxygène est ainsi diminuée, ce qui limite le drainage minier acide (DMA) dans les rejets minier. Par ailleurs, pour qu’une CEBC soit efficace, la succion dans la couche de rétention d’eau ne doit pas être plus grande que la pression d’entrée d’air puisque cela pourrait induire une désaturation du matériel fin et, par le fait même, une perte de performance de la CEBC. Ces conditions peuvent théoriquement être rencontrées dans les haldes à stériles de grandes dimensions. L’objectif du projet est donc de déterminer l’efficacité de CEBC comme méthode de restauration de la surface horizontale d’une halde à stériles miniers de grande dimension à l’aide de modèles physiques à échelle intermédiaire sur le terrain et de simulations numériques. Pour ce faire, des cellules expérimentales instrumentées (CS2 et CS3) représentant des scénarios de recouvrement de type CEBC ont été construites sur le site de la Mine Canadian Malartic (MCM). La cellule CS2 est une CEBC typique comprenant une couche de bris capillaire de 0,5 m d’épaisseur, une couche de rétention d’eau de 1 m d’épaisseur et une couche de protection de 0,3 m d’épaisseur. La cellule CS3 est une CEBC n’ayant pas de couche dédiée au bris capillaire, mais dont la halde à stériles fait état de bris capillaire. Cette cellule comprend une couche de rétention d’eau de 1,8 m d’épaisseur et une couche de protection de 0,3 m d’épaisseur. Les résidus miniers de la MCM ont été utilisés pour construire la couche de rétention d’eau et des stériles de la MCM concassés ont été utilisés pour construire la couche de bris capillaire et la couche de protection. Ces matériaux ont été caractérisés en laboratoire afin de déterminer leurs propriétés physiques, hydrogéologiques, chimiques et minéralogiques. Pour déterminer l’efficacité de ces recouvrements, des données hydrogéologiques (succion, teneurs en eau volumiques (θ)) ont été mesurées dans les cellules expérimentales et comparées avec les résultats de simulations numériques. La migration de l’oxygène a également été évaluée à l’aide d’essais de diffusion/consommation d’oxygène d’oxygène in situ. Les résultats des données hydrogéologiques pour les deux cellules présentent des valeurs de teneurs en eau volumiques relativement élevées dans les couches de rétention d’eau et des valeurs plus faibles dans les couches de bris capillaire et dans les couches de protection. Les valeurs moyennes de succions mesurées se situent au-dessous de 5kPa dans les couches de bris capillaire et dans les stériles sous les recouvrement. Dans le bas des couches de rétention d’eau, les valeurs moyennes sont de 6 (CS2) et 7 kPa (CS3) et elles augmentent jusqu’à des valeurs moyennes d’environ 20 kPa dans le haut des couches de rétention d’eau. Ce comportement, obtenu pour les teneurs en eau volumiques et pour les succions, est celui attendu d’une CEBC; le bris capillaire est présent dans les deux cellules. Les degrés de saturation calculés à partir des valeurs maximales de teneurs en eau volumiques et pour une porosité moyenne de 0,44 sont de 70% et 100% aux endroits où sont placés les senseurs dans la cellule CS2. Pour la cellule CS3, les degrés de saturation dans la couche de rétention d’eau calculés à partir des valeurs de teneurs en eau volumiques maximales et selon une porosité moyenne de 0,48, sont entre 50 et 70 %, dépendamment des profondeurs. Selon la courbe de rétention d’eau (CRE) obtenue en laboratoire, la pression d’entrée d’air des résidus est d’environ 30 kPa, or le degré de saturation devrait être plus élevé pour s’accorder parfaitement aux succions obtenues. Les teneurs en eau volumiques augmentent avec le temps. Elles correspondent mieux à une CRE en période de mouillage. Les teneurs en eau volumiques de mise en place étant faibles, elles devraient augmenter avec le temps. Les essais de diffusion/consommation d’oxygène ont permis de déterminer des coefficients de diffusion de l’oxygène (De) en ajustant la courbe obtenue lors des essais à des courbes obtenues avec le logiciel Pollute V07 (Pollute) (Rowe et Booker, 2004). Le coefficient du taux de réaction de l’oxygène (Kr) a été fixé à 1x10 3hr- 1 pour les simulations dans le logiciel Pollute; il s’agit d’une valeur obtenue en laboratoire dans l’essai à deux réservoirs. Les De obtenus sont compris entre 3x10- 8 et 1x10-10 m2/s pour la cellule CS2 et entre 3x10-9 et 1x10-10 m2/s pour la cellule CS3. Ces valeurs correspondent à des degrés de saturation moyens équivalents à plus de 80 % pour les deux cellules selon des équations de prédiction proposées par Aachib (2004). Ces résultats sont obtenus pour des système homogènes équivalents aux conditions de terrain, qui ne correspondent pas au degré de saturation moyen réel des cellules. Ces essais semblent donc contrôlés par des sections davantage saturées de la couche de rétention d’eau, pour lesquelles les teneurs en eau volumiques ne seraient pas mesurées par les senseurs. Des flux d’oxygène ont pu être calculés à partir de ces paramètres (Kr et De) afin de représenter un cas où la halde à stériles serait complétement recouverte. Pour ce faire, l’équation analytique, présentée dans Mbonimpa et al. (2003) pour un matériel réactif sous des conditions de régime permanent, ont été utilisées. Les résultats obtenus sont compris entre de 10-7 et 10- 9 mol/m2/an pour les essais effectués en 2017 dans la cellule CS2. Pour la cellule CS3, les flux calculés sont de l’ordre de 10 9 mol/m2/an pour tous les essais sauf un, pour lequel le flux est de l’ordre de 10-4 mol/m2/an. Ces résultats sont tous sous les seuils d’une CEBC efficace présentés dans Dagenais et al. (2012), soit 0,6 et 1,25 mol/m2/an. Les simulations numériques ayant été effectuées pour représenter un système équivalent aux conditions sur le terrain montrent que les succions d’environ 4 kPa au bas de la couche de rétention d’eau et dans la couche de bris capillaire juste au-dessous. Les succions augmentent avec l’élévation dans la couche de rétention d’eau. Elles s’accordent bien aux succions mesurées dans les cellules. Ces mêmes résultats sont obtenus avec des profondeurs de nappe phréatique différentes sous la cellule, soit de -1 m, -5 m et -15 m. Selon ces simulations, la profondeur de la nappe phréatique n’a pas d’influence sur les teneurs en eau volumiques ni sur les succions dans le recouvrement. Cela permet également de démontrer que les succions ne sont pas plus élevées lorsque l’élévation par rapport à la nappe phréatique est plus grande. C’est également ce qui est mesuré sur le terrain. Les simulations prédisent une couche de rétention d’eau entièrement saturée à plus de 85 %. Une simulation a été effectuée avec les teneurs en eau volumiques mesurées sur le terrain comme état initial. Les résultats démontrent que la couche de rétention d’eau pourrait prendre plusieurs années à se saturer. Cela pourrait expliquer, en partie, les valeurs de teneurs en eau volumiques plus faibles mesurées dans les cellules expérimentales. Selon les résultats des simulations numériques et des essais et mesures sur le terrain, les CEBC pourraient être efficaces pour diminuer à long terme la diffusion d’oxygène et ainsi contrôler la formation de DMA dans les stériles sous-jacents sur les zones planes de la halde à stériles