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LA GESTION DES REJETS MINIERS DANS UNCONTEXTE DE DÉVELOPPEMENT DURABLE ETDE PROTECTION DE L'ENVIRONNEMENT
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Bruno Bussière
Université du Québec en Abitibi-Témiscamin…
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Robert P Chapuis
Polytechnique Montréal
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Belem Tikou
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Mostafa Benzaazoua
Université du Québec en Abitibi-Témiscamin…
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LA GESTION DES REJETS MINIERSDANS UN CONTEXTE DE DÉVELOPPEMENT DURABLE
ET DE PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT
Michel Aubertin1,3*(FSCGC), Bruno Bussière2,3, Louis Bernier 1,3, Robert Chapuis1, , Michel Julien1, TikouBelem2, Richard Simon1,Mamert Mbonimpa1,3, Mostafa Benzaazoua2, Li Li1,3
1
École Polytechnique, Montréal, Qc, H3C 3A72 Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Rouyn-Noranda, Qc, J9X 5E43 Chaire CRSNG Polytechnique-UQAT en Environnement et gestion des rejets miniers
RÉSUMÉ: L’industrie minière contribue de façon significative à l’activité économique canadienne,particulièrement au chapitre des exportations et de l’emploi, mais aussi grâce aux nombreuxdéveloppements technologiques qui s’y produisent. L’exploitation des mines et le traitement desminéraux engendrent toutefois la production de divers types de rejets, qui doivent être gérés de façonrationnelle et sécuritaire afin de protéger l’environnement. A cet égard, on doit prêter une grandeattention à la stabilité géotechnique des ouvrages de surface construits pour l’entreposage et leconfinement des rejets solides et liquides. D’autres préoccupations existent aussi face au phénomène dudrainage minier acide (DMA) associé à l’oxydation des minéraux sulfureux, tels la pyrite et la pyrrhotite.
Lorsque exposés aux conditions climatiques, ces minéraux peuvent réagir avec l’eau et l’oxygèneatmosphérique pour engendrer un lixiviat acide favorisant la dissolution des métaux et autrescontaminants susceptibles d’engendrer des impacts défavorables sur l’environnement. Afin de trouver des solutions pratiques et économiques à ces problèmes, une nouvelle Chaire de recherche a été misesur pied. Les travaux de la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT, créée en collaboration avecsix entreprises minières (Noranda, Barrick, Agnico-Eagle, Aur Ressources, McWatters et Inmet) et troisfirmes de consultants spécialisés (Golder Associés, SNC-Lavalin et Dessau-Soprin), avec la participationdu Ministère des Ressources Naturelles du Québec, portent principalement sur le développement d’outilset de techniques pour une gestion optimale de différents rejets solides et liquides. Les modes de gestionenvisagés doivent être compatibles avec les principes du développement économique durable.
* Auteur à contacter : [email protected]
1. INTRODUCTION
Le contexte géologique du Canada est favorable à une activité minière très variée. Cette activité seconcentre principalement dans l’exploitation – souterraine ou à ciel ouvert – de mines de métaux de base(cuivre, zinc, nickel, plomb), de métaux précieux (or, argent), de fer, de diamants, d’uranium et de diversminéraux industriels (sel, potasse, amiante). À cela s’ajoutent d’importantes exploitations de charbon, degaz naturel et de pétrole. À cet égard, le Canada est un des plus grands exportateurs de minéraux et de
Congrès annuel de la Société canadienne de génie civil
Annual Conference of the Canadian Society for Civil Engineering
Montréal, Québec, Canada5-8 juin 2002 / June 5-8, 2002
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biens minéraux manufacturés au monde. En 1998, l’industrie des mines et de la transformation desmétaux employait 367 000 canadiens et contribuaient pour 26,4 milliards de dollars à l’économie, soitl’équivalent de 3,7 % du produit intérieur brut et 15,2 % des exportations canadiennes. En plus de cesretombées financières positives, l'industrie minière recherche des façons d'améliorer sa performanceenvironnementale afin d’assurer un développement économique durable. Ainsi, en 2000, les industries del'exploitation minière et de la transformation des minéraux ont consacré près de 323 millions de dollars àla R&D, dont une bonne partie au domaine de l’environnement et de la gestion des divers rejets produits.
À titre d'exemple, on peut mentionner la mise sur pied du programme de recherche NEDEM/MEND (de 1989à 1997) de 18 millions de dollars financé par l'industrie minière canadienne, le gouvernement fédéral et lesgouvernements provinciaux. L'objectif de ce programme était de trouver des solutions à la problématique dudrainage minier acide (DMA). Il faut dire que, malgré les nombreuses retombées positives découlant decette industrie, plusieurs problèmes environnementaux potentiels existent en raison de la grande quantité derejets qui sont générés par les exploitations minières. Et si les modes de gestion se sont beaucoup améliorésau cours des quinze ou vingt dernières années, l'industrie doit encore composer avec un lourd héritage(Figure 1). Ainsi, au Canada, il y aurait environ 7 milliards de tonnes de résidus miniers (rejets deconcentrateur) et 6 milliards de tonnes de roches stériles entreposés en surface et plusieurs sites orphelinsgénérateurs de drainage minier acide continuent de causer des torts à l'environnement. Au Québecseulement, c'est plus de 13 000 hectares qui sont recouverts par ces divers rejets.
Figure 1. Exemples de sites affectés par le DMA.. A) Zone affectée par la rupture d’une digue au siteManitou, Val D’or. B) Zone d’oxydation au-dessus des résidus non-oxydés au site Lorraine, Témiscamingue.C) Exemple de DMA, site Lorraine, Témiscamingue. D) Monticule de résidus oxydés et E) Halde de stérilegénérant du DMA au site Eustis, Cantons de l’Est.
Dans tous les projets d'entreposage de rejets industriels (solides ou liquides), la géotechnique,l'hydrogéologie et la géochimie ont un rôle très important à jouer. Le domaine en plein essor de lagéotechnique environnementale occupe d'ailleurs une part de plus en plus importante des activités desingénieurs (civil, géologiques et des mines) qui doivent alors œuvrer dans des équipes multidisciplinairesimpliquant, entre autres, des géologues, des géochimistes et des biologistes. Dans de tels projets, l'ingénieur doit se préoccuper de la stabilité et de l'intégrité des ouvrages, tout en ayant à l'esprit la sécurité publique et lerespect des écosystèmes en présence. Celui-ci doit en outre être attentif aux problèmes de migration descontaminants et aux contrôles hydrogéologiques appropriés aux lixiviats et aux matériaux entreposés. Cesgrands principes s'appliquent naturellement au problème de la gestion des résidus miniers, et ils sont situésau cœur des activités de la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique–UQAT en environnement et gestiondes rejets miniers. En raison des difficultés associées au contrôle de ces eaux acides, qui contiennentsouvent une forte concentration de métaux lourds potentiellement toxiques, ceci constitue aujourd’hui le
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B E
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Horizon Induré
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principal défi environnemental auquel doit faire face l’industrie minière (Aubertin et Bussière, 2001; MEND2001).
Dans cet article, ces principaux problèmes sont revus succinctement, en insistant sur les aspects hydro-géotechniques et géochimiques. Ils sont présentés dans le contexte d’un développement durable (DD) oùl’on fait appel à diverses approches originales issues de la philosophie des 3R-V. On énoncera notammentdiverses solutions pratiques, présentement à l’étude dans le cadre de la Chaire industrielle CRSNG enEnvironnement et gestion des rejets miniers. Cette Chaire vise, en particulier, la formation d’étudiantsgradués, spécialisés dans des domaines importants pour l’industrie et pour la société. Plusieurs techniquesen développement sont d’ailleurs d’intérêt pour d’autres domaines du génie (p.ex. civil, géologique, chimique)puisqu’elles peuvent y être transposées pour des applications différentes.
2. LES DÉFIS ENVIRONNEMENTAUX DE L’INDUSTRIE MINIÈRE
Un site minier est défini comme étant l'endroit où l'on extrait les minéraux ayant une valeur commerciale.Les matières résiduelles sont déposées dans les aires d’entreposage sous forme broyée (i.e. les rejets deconcentrateur) ou simplement concassée (i.e. les stériles miniers). Chaque type de rejet est géré de façonspécifique, en fonction de ses propriétés, des caractéristiques de l'opération minière, et des particularités dusite. Les dimensions des composantes d'une mine sont toujours différentes d'une exploitation à l'autre.
Selon les composantes et les caractéristiques des matériaux traités, les effets sur l'environnement serontdifférents (Aubertin et al. 2002).
Dans l'historique environnemental d'un site minier, on peut distinguer deux principales phases inter reliées, soit la phase opérationnelle et la phase post-fermeture. Durant la phase opérationnelle, lesprincipales préoccupations environnementales sont associées à la stabilité des ouvrages et au respectdes normes environnementales. La responsabilité environnementale d’une exploitation minière ne s'arrêtepas à la fin de la période d'exploitation. Elle demeure bien présente après la fermeture du site. À la fin dela vie de la mine, il faut remettre le site en bon état en procédant au démantèlement des infrastructures età la restauration des aires d'entreposage des rejets. C'est ce dernier point qui est la principale source depréoccupations, particulièrement dans le cas où les rejets (stériles miniers et/ou rejets de concentrateur)contiendraient des minéraux sulfureux qui peuvent s'oxyder lorsqu'ils sont exposés à l'eau, à l'air et àl'action bactérienne. Dans ces cas particuliers, i l faut mettre en place des méthodes de contrôle qui seront
efficaces à long terme; les coûts de mise en place de ces méthodes peuvent toutefois être très importants(typiquement de 100 000 à 300 000 $/hectare). Les principaux défis que rencontre actuellement l’industrieminière au niveau environnemental, pour la gestion des divers rejets générés sont présentés et discutésdans Ritcey (1989), Morin et Hutt (1997) et Aubertin et Bussière (2001). Nous ferons un survol desdifférents aspects environnementaux rencontrés sur un site minier lors des phases opérationnelle et post-fermeture, nécessitant diverses interventions qui doivent s’intégrer à la gestion des rejets miniers.
2.1 La phase opérationnelle
Durant l'opération d'une mine, on retrouve différentes sources de contaminants pouvant affecter l'environnement. Dans certaines situations, des contaminants atmosphériques peuvent être générés. Lesrejets solides produits directement du processus d’extraction des minéraux économiques ou du métal
précieux peuvent être également une source de contamination importante pour l'eau et les sols. Les rejetsliquides sont une autre source de préoccupation lorsque l'on aborde la problématique environnementaleliée à la phase de l'opération de la mine. Enfin, on retrouve divers types de déchets de toutes sortes(vieux équipements électriques et mécaniques, lubrifiants, produits chimiques, etc). Tous ces rejetsdoivent être gérés adéquatement, en minimisant leur volume, leur degré d’exposition et leur impact.
2.2 Gestion des rejets liquides
Une mine constitue en quelque sorte un vaste système de gestion de l’eau, celle-ci étant vitale auxopérations. Plusieurs facteurs vont influencer la qualité des eaux de mines. Le type de minéralisation et
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d’exploitation sont les plus importants. On peut retrouver dans les eaux de mine différents types decontaminants qui peuvent être classés comme solubles, non solubles et radioactifs. Les contaminantssolubles produits par l'industrie minière comprennent à la fois les acides générés par l'exposition dessulfures (contenus dans les rejets miniers ou dans la mine) à l'oxygène de l'atmosphère, les métauxlourds (Cu, Pb, Zn, Hg, etc.) et les contaminants résultant des procédés de traitement des minerais. Cetype de contamination est habituellement associée au phénomène appelé drainage minier acide (DMA).La description du phénomène sera présentée plus loin (section 2.4) Les contaminants non solubles sontconstitués de particules solides en suspension dans l’eau causant une turbidité (coloration et manque detransparence) accrue ou des effets d'ensablement suite à leur sédimentation. Dans les projets de la Chaire,l’emphase est mise sur les rejets liquides contaminés surtout par des ions solubles provenant du drainage àtravers les rejets miniers. Pour cela, la problématique reliée à la présence de contaminants non solubles nesera pas discutée dans ce qui suit.
2.3 Gestion des rejets solides
Les principaux rejets miniers solides générés par les exploitations minières comprennent le mort-terrainrésultant du décapage de la surface, les roches stériles issues des opérations d’extraction, les rejets duconcentrateur qui forment une pulpe (mélange de solides et de liquides) souvent entreposée en surface dansdes parcs à résidus miniers, et les boues provenant du traitement chimique des eaux. Chacun de ces rejetsdoit être géré de façon à minimiser les impacts environnementaux et à permettre l’obtention d’une stabilité
physique et géochimique à long terme
2.3.1 La gestion des stériles miniers
Les stériles miniers entreposés dans des haldes (Figure 1E) constituent des empilements de matériauxrocheux, de granulométrie souvent grossière et possédant un indice des vides élevé. Les haldes sontfréquemment des ouvrages de grande envergure, pouvant s'élever à plusieurs dizaines de mètres au-dessus du sol. Le mode de déposition fait en sorte que les stériles montrent une ségrégation des matériauxgrossiers et des matériaux fins. Cette hétérogénéité complique le comportement mécanique, hydraulique etgéochimique globale de l’ouvrage. Les principales préoccupations reliées aux empilements de stériles sontleur stabilité physique et chimique.
La stabilité physique des haldes est affectée par leur configuration géométrique, la topographie des lieux, les
propriétés des matériaux de fondation et des matériaux de la halde (incluant leur durabilité), la méthode et laséquence de construction, les conditions climatiques et hydrologiques, les pressions d'eau ainsi que par l'ampleur et la nature des forces dynamiques. L'effet de chacun de ces facteurs doit être considéré lors del'analyse de stabilité. Lorsqu'un empilement est identifié par une méthode appropriée comme étantpotentiellement instable, on doit établir systématiquement les risques associés à l'instabilité de la halde, enconsidérant la probabilité de rupture, la nature et l'ampleur des dommages induits, la période d'exposition etles impacts potentiels sur la population, les équipements, les infrastructures et les écosystèmes enprésence. De telles études de risques fournissent une information de nature qualitative qui peut être utiliséepour la sélection des critères de conception. Plusieurs modes de rupture doivent être envisagés lorsque l’onveut établir les conditions de stabilité. Certains modes impliquent la halde seulement, alors que d'autresimpliquent également les matériaux de fondation directement sous la halde ou à proximité de la faceextérieure, à la base de celle-ci. Les possibilités de liquéfaction des matériaux dans les haldes (quoiquerares) doivent aussi être envisagées; ce phénomène est relié à une augmentation des pressions
interstitielles qui réduisent les contraintes effectives et, par conséquent, la résistance au cisaillement dematériaux pulvérulents, poreux et à haut degré de saturation. La détermination des critères de sélection pour les événements récurrents (séismes, précipitations, etc) est également un domaine qui nécessite encore dela recherche (Aubertin et al. 2002).
En ce qui concerne la stabilité chimique des empilements de stériles miniers, celle-ci peut êtreparticulièrement compromise lorsque les stériles contiennent des minéraux sulfureux générateurs dedrainage minier acide. La grande porosité effective des empilements entraîne, dans la plupart des cas,des taux de réaction très élevés, supérieurs à ceux observés dans les parcs à rejets de concentrateur, enraison des phénomènes de transport de l'oxygène par advection qui s'ajoutent à ceux par diffusion.
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2.3.2 La gestion des rejets de concentrateur
Les rejets de concentrateur sont habituellement transportés sous forme de pulpe jusqu'au sited'entreposage qui est ceinturé par des digues (parc à résidus). Les principaux problèmesenvironnementaux liés aux rejets de concentrateur sont la stabilité physique des ouvrages de retenue etde confinement et la stabilité chimique des rejets. Les problèmes de stabilité physique rencontrés avec lesrejets de concentrateur sont habituellement associés au matériau en place qui est dans un état lâche etfortement saturé et qui ne se consolide que lentement en raison du mode de mise en place, de sa teneur en eau initiale et de sa faible conductivité hydraulique.
La stabilité des digues de retenue peut être compromise par divers types de problèmes, comme lasubmersion de la crête par une crue des eaux excessives dans le bassin, l'érosion régressive du matériaudans la digue et dans la fondation causée par des pressions d'eau trop élevées, l'érosion de surface dueà l'entraînement des particules par l'eau ou le vent, le glissement de zones instables le long de la penteattribuable aux sollicitations statiques et dynamiques, le potentiel de liquéfaction en raison dessollicitations dynamiques et de la capacité des matériaux de fondation face au tassement et à la rupture.La stabilité des digues dépend également du type de matériaux utilisés pour contenir les rejets deconcentrateur (i.e. les digues peuvent être constituées de rejets de concentrateur ou de matériauxmeubles d'origine naturelle) et de la méthode de construction utilisée (aval, amont, de l'axe central ouautre). Les digues de retenue doivent être conçues de façon à supporter les combinaisons de charge les
plus défavorables anticipées. À cet égard, le facteur de sécurité acceptable peut varier selon la nature desouvrages, le mode de rupture, le type de sollicitation et la probabilité d'apparition de l'événement (Aubertinet al. 2002). Comme dans le cas des haldes à stériles, il faut ici aussi se questionner encore sur ladéfinition appropriée du facteur de sécurité, qui devrait inclure une composante probabiliste.
Tout comme pour les stériles miniers, la stabilité chimique des rejets de concentrateur stockés en surfacedurant la phase opérationnelle est une préoccupation. La stabilité chimique des rejets de concentrateur utilisés comme matériau de base pour du remblai cimenté sous terre est également importante (Bernier et Li,1999; Belem et al., 2002). En effet, la résistance du remblai est affectée par la composition minéralogique etchimique du rejet de concentrateur. Dans certains cas, il peut y avoir une perte de résistance du remblaiavec le temps, attribuable à une altération chimique.
2.3.3 La gestion des boues de traitement
Lorsque l'on utilise le traitement chimique pour décontaminer l'eau acide chargée en métaux, on obtientde l’eau traitée et une boue de traitement contenant les contaminants. Au cours des dernières années,des progrès significatifs ont été réalisés quant aux méthodes de traitement du DMA et de disposition desboues. Il reste cependant de nombreuses questions, notamment en ce qui a trait au comportement hydro-mécanique des boues durant les étapes de suspension, sédimentation/clarification et consolidation.
2.4 La phase de fermeture
À la fin de la vie d’une mine, il est nécessaire de restaurer le site où s’est déroulé l’ensemble desopérations. Le problème de la génération d'acide provenant de rejets miniers est considéré actuellement
comme le principal problème environnemental relié à la fermeture et la restauration de sites au Canada(Ripley et al ., 1996), aux États-Unis, en Australie, dans plusieurs pays d'Europe ainsi que dans denombreux autres pays et régions du globe. Le fardeau financier pour la restauration des sites miniersgénérateurs de DMA est énorme. Au Canada, pour sécuriser et restaurer ces sites, il pourrait en coûter entre 3 et 5 milliards de dollars, selon l'évolution des technologies et des conditions d'application (MEND2001). Au niveau mondial, ce fardeau serait de l'ampleur de plusieurs dizaines de milliards de dollars. Ceschiffres montrent l'importance de continuer les efforts pour développer de nouveaux outils et de nouvellesméthodes qui rendront possible, d’un point de vue technique et économique, la restauration des sitesminiers générateurs d'acide.
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2.4.1 Description du phénomène de la formation du DMA
Nous pouvons définir le drainage minier (DMA) comme étant le résultat de la circulation des eaux àtravers les composantes d’un site minier (ex. : rejets du concentrateur, haldes de roches stériles, galeriede mine), ce qui inclut les eaux de surface et les eaux souterraines. Les effluents miniers sont doncalimentés par le drainage minier. Le DMA résulte de l’oxydation naturelle (chimique, électrochimique oubiologique) de minéraux sulfureux tels la pyrite et le pyrrhotite, la sphalérite, la covellite, l'arsénopyrite etla galène que l’on retrouve dans les matériaux rocheux exposés à l’air, à l’eau et à l’activité bactérienne.Les eaux de drainage acides sont caractérisées par un faible pH, des concentrations en métaux lourds eten sulfates solubles élevées ainsi qu’une grande concentration en solides dissous. Les eaux contaminées(Figure 1C,E) par le DMA, aussi appelé drainage rocheux acide (DRA), peuvent provenir de divers typesd'exploitation (or, argent, cuivre, nickel, zinc, plomb et de charbon ou d'uranium). Le minéral sulfureux leplus abondant dans les rejets miniers est la pyrite (FeS2). La réaction globale simplifiée de l’oxydation dela pyrite, qui produit de l’acide sulfurique et du fer plus ou moins soluble selon les conditions du pH, du Ehet de la teneur en fer, peut s’écrire de la façon suivante :
FeS2 + 15/4O2 + 7/2H2O→ Fe(OH)3 + 2H2SO4
Cette acidité combinée à la présence de contaminants potentiellement toxiques (p.ex. Fe, Al, Mn, Zn, Cu,Cd, Pb, Co, Ni, As, etc.) peuvent affecter sérieusement les écosystèmes voisins. D'autres réactions tellesles réactions de neutralisation influencent la quantité et la qualité du DMA (Morin et Hutt, 1999). Ainsi,
certains minéraux (carbonates, hydroxydes, silicates, phosphates) possèdent la capacité de neutraliser l’acide sulfurique. La capacité qu’aura un minéral à neutraliser l’acide produit lors de l’oxydation de lapyrite peut être influencée par la nature des minéraux secondaires formés. En outre, l’accumulation desminéraux secondaires peut conduire à la formation d’un horizon induré (« hard pan », voir Figure 1B) quiforme localement une interface moins perméable entre la zone de résidus oxydés et les résidus frais;cette zone peut contribuer à limiter la disponibilité de l’eau et de l’oxygène en profondeur.
2.4.2 Méthodes de contrôle du DMA pour la restauration des sites
Lorsque des rejets sont identifiés comme potentiellement générateurs de DMA par les méthodes deprédiction, il est essentiel de prendre des mesures qui limiteront les impacts environnementaux de ceux-ci. Une des façons qui permet d’atteindre cet objectif est le traitement chimique du DMA. Cependant, cettetechnique a certains désavantages, comme par exemple le maintien à long terme d’infrastructures servant
au traitement chimique de l’eau, et la production de boues de traitement que l’on doit entreposer dans desaires prévues à cet effet. Une autre façon de limiter les impacts environnementaux du DMA produit par lesrejets miniers consiste à contrôler la production du DMA par la prévention. On entend par prévention lesmesures qui visent à inhiber la réaction d’oxydation des sulfures à la source.
Les méthodes visant à prévenir la production de DMA ont pour objectif d’éliminer ou de réduire à desniveaux très faibles, la présence d’air (ou d’oxygène), d’eau ou de sulfures. Comme ces trois élémentssont les composantes principales des réactions d’oxydation qui causent le DMA, en éliminant un ouplusieurs de ceux-ci, on peut pratiquement éliminer la production d’acide. Une technique efficace pour prévenir la production d’acide consiste à limiter l’infiltration de l’oxygène en plaçant un recouvrementd’eau (Aubertin et al., 2002; MEND 2001) par-dessus les résidus miniers (habituellement des rejets deconcentrateurs). La technique est en partie basée sur le fait que le coefficient de diffusion effectif De del’oxygène dans l’eau stagnante est environ 10 000 fois plus faible que celui dans l’air. On peut maintenir
une couverture d’eau, plus ou moins profonde, grâce à la construction d’infrastructures étanches quicréent un réservoir artificiel. On considère habituellement que l’épaisseur de la couche d’eau requise, quiallie le mieux efficacité et coûts, se situe entre 0,3 et 1 m d’eau. On peut aussi déposer les rejets sousl’eau dans des cavités minières (souterraines ou à ciel ouvert).
Une alternative intéressante aux recouvrements aqueux pour réduire l’infiltration d’oxygène a étéproposée: les recouvrements de type couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) (Bussière et
Aubertin, 1999; Aubertin et al., 2001). Pour limiter le flux d’oxygène, on vise ici le maintien d’un haut degréde saturation dans une des couches du recouvrement (Figure 2). La diffusion de l’oxygène à travers unsol saturé est très faible puisque celle-ci est nulle à travers les grains solide et très lente à travers l’eau.
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Comme le flux d’oxygène disponible pour l’oxydation des sulfures est une fonction du coefficient dediffusion effectif et du gradient de concentration, l’efficacité d’un recouvrement sera accrue lorsque ledegré de saturation est élevé (degré de saturation supérieur à environ 85 à 90 %). L’efficacité d’uneCEBC pour limiter l'infiltration des gaz est donc liée à la capacité que possède celle-ci à retenir l'eau dansune de ces couches. Pour assurer le maintien d'un haut niveau de saturation, on utilise un phénomèneparticulier aux milieux partiellement saturés, soit l’effet de barrière capillaire. Cet effet est présentlorsqu’un matériau à granulométrie fine est placé sur un matériau à granulométrie grossière. En raison ducontraste en terme de capacité de rétention d’eau entre les matériaux, l’eau contenue dans le matériau finn’a pas tendance à s’écouler verticalement et demeure dans la couche (Bussière et al. 2001).
L'équation qui représente la réaction globale d'oxydation des minéraux sulfureux montre qu'un desréactifs essentiels à la formation d'acide sulfurique est l'eau. En excluant tout apport en eau aux résidusminiers sulfureux, on peut éliminer la production de DMA. Pour ce faire, on doit aménager une barrièrepeu perméable qui empêche l‘infiltration des eaux. Ces barrières peuvent être faites de sols à faiblesconductivités hydrauliques ou de matériaux synthétiques peu perméables (géomembrane ougéocomposite bentonitique). On peut aussi utiliser les CEBC pour réduire les apports d’eau enprovenance de la surface. Cette dernière option est particulièrement attrayante pour les climats aride etsemi-aride. Les recouvrements utilisés pour limiter l'infiltration d'eau (appelés tombeau étanche) sonthabituellement constitués de plusieurs couches (Figure 2) où chacune a un objectif bien spécifique.
Figure 2. A) Configuration typique d'un recouvrement multicouche visant à limiter la diffusion des gazet/ou l'infiltration d'eau. B) CEBC installé au site Lorraine, Témiscamingue. C) Cellules de terrainsutilisées au site Manitou pour étudier diverses configurations de CEBC.
3. LA CHAIRE INDUSTRIELLE EN ENVIRONNEMENT ET GESTION DES REJETS MINIERS
Le mandat principal de la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT (http://www.enviro-geremi.polymtl.ca) est de réaliser des travaux de recherche afin de développer des outils et destechniques, qui permettront de bien caractériser la nature et le comportement des rejets selon lesdiverses conditions d’exposition. La Chaire mise également à favoriser une approche axée sur
l’intégration des méthodes de disposition aux conditions d’opération de la mine et du concentrateur, auxcaractéristiques du milieu (et des matériaux), ainsi qu’aux impératifs économiques et environnementaux.Les principes du développement durable (DD), qui reposent sur des indicateurs de performancereprésentatifs (e.g. Callens et Tyteca, 1999), sont à la base de ces travaux qui visent notamment àréduire l’ampleur des rejets émis, ainsi qu’à réutiliser et revaloriser une proportion de plus en plus grande.
La structure générale des Projets 1 et 2 est montrée sous forme d’organigramme à la Figure 3. Le Projet1, appelé Gestion intégrée des rejets durant l’opération, porte principalement sur l’évaluation ducomportement des matériaux et de la stabilité physique et chimique des divers types de rejets (solides etliquides) en fonction des modes de production, de disposition, et d’utilisation pendant la période
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d’exploitation de la mine. Une attention particulière sera accordée aux conditions de formation dudrainage minier acide (DMA), qui demeure encore aujourd’hui un défi de taille .
En ce qui concerne la gestion des effluents liquides provenant de l'industrie minière, les principes dudéveloppement durable indiquent que l’on doit veiller à minimiser son utilisation et maximiser sa réutilisationdans les diverses composantes de l’opération. Au niveau du traitement chimique de l'eau, des avancementsimportants ont été réalisés au cours des dernières années avec l'apparition des méthodes produisant desboues à haute densité Cependant, les boues générées par le traitement chimique nécessitent une gestionparticulière qui demande la connaissance des propriétés hydro-mécaniques de celles-ci . À ce jour, ondispose de très peu d’information sur ces propriétés. Ce genre d’information pourra être obtenue grâce àla mise au point de nouveaux essais par l’équipe de la Chaire.
Pour mieux gérer les roches stériles, on doit être en mesure de mieux caractériser les haldes de façon àbien évaluer leur stabilité physique et chimique. Cette amélioration des approches de caractérisation est laclé qui permettra de mieux comprendre les mouvements des fluides (eaux et gaz) dans les empilements.Une meilleure compréhension de la distribution des matériaux permettra aussi de développer des modes dedisposition plus appropriés. Les différents modes de rupture doivent également être étudiés afin d’établir desrelations entre ceux-ci et les conditions du site d'entreposage (incluant le mode de mise en place desstériles). L'étape subséquente consiste à mieux définir les facteurs de sécurité acceptable basés sur lescaractéristiques réelles des empilements ainsi que sur les risques associés à une instabilité de la halde.
Enfin, pour éviter que les haldes à stériles ne produisent de fortes quantités d’acide, tout en assurant leur stabilité géotechnique à long terme, il est souhaitable de revoir la façon de gérer ce type de rejets miniers.Différents choix s’offrent à l’exploitant tels le stockage combiné de stériles et de rejets de concentrateur humide, le compactage sélectif des stériles afin de réduire la porosité de certaines zones, l’ajout dematériaux alcalins aux stériles durant la mise en place, la passivation des surfaces et le stockage desstériles dans des cellules de plus faibles dimensions.
Figure 3. Organigrammes des projets de la Chaire CRSNG en environnement gestion des rejets miniersPolytechnique-UQAT.
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Au niveau de la stabilité physique des ouvrages de retenue des rejets de concentrateur, l'effet desconditions saturées et non saturées sur la résistance des matériaux doit être étudié davantage. Lesconditions non saturées sont une réalité dans les ouvrages miniers, même si elles sont souvent négligéesdans les analyses de stabilité. Un degré de saturation variable est de nature à modifier le facteur desécurité réel. En outre, des efforts supplémentaires doivent être mis du côté de la définition de critères destabilité appropriés aux diverses conditions d’exposition rencontrées (précipitations, sécheresse, séismes)qui constituent souvent les éléments critiques de l’analyse. On doit aussi se pencher sur les conditionsqui contrôlent les phénomènes d’érosion interne et de liquéfaction dans ces rejets. Bien que la dépositiondes rejets de concentrateur ait traditionnellement été effectuée au moyen de décharges périphériques dela pulpe au pourtour des digues, d'autres techniques de déposition des rejets, sont égalementenvisageables, comme celle des rejets épaissis ou du remblai en pâte. Certaines de ces techniquesseraient d’ailleurs de nature à améliorer les propriétés mécaniques et hydrauliques des rejets déposésdans les parcs à résidus. Ces techniques pourraient également permettre d'améliorer la stabilitéchimique. Le retour sous terre des rejets de concentrateur sous la forme de remblai en pâte estégalement une alternative intéressante. Si cette technique est combinée avec la désulfuration des rejetsde concentrateur, il est techniquement possible de réduire considérablement les volumes de rejets deconcentrateur générateurs de DMA entreposés en surface (Bussière et al ., 1997). Il nous faudraégalement étudier davantage les effets des minéraux sulfureux sur la résistance mécanique, à court et àlongs termes, des remblais en pâte afin d'optimiser les recettes et de minimiser les risques de rupture des
chantiers lors de l'extraction des piliers secondaires. La désulfuration des rejets constitue ainsi une voieprometteuse pour leur revalorisation (en terme de DD), soit comme remblai ou matériau de recouvrement.
Le drainage acide sera aussi au cœur du Projet 2 de la Chaire, intitulé Restauration de sites miniersgénérateurs de DMA. Il s’agit ici de développer et/ou mettre en application des solutions novatricesdécoulant des efforts de recherche entrepris au cours des dernières années dans ce domaine. Bien quetouchant d’abord les sites inactifs, ce projet sera complémentaire au Projet 1 de sorte que les approchesproposées ici pourront s’intégrer directement aux modes de gestion des rejets durant l’opération, de façonà faciliter la fermeture des sites d’entreposage. En ce sens, la programmation de recherche est axée sur le concept « Designing for Closure », souvent envisagé dans le domaine minier (dans l’optique du DD).
Avant de procéder à toute restauration de site, il est essentiel de déterminer le potentiel de générationd’acide du rejet minier. C’est pourquoi il faut poursuivre les travaux de recherche afin de mieux définir les
réactions (et leurs équations) associées à l’oxydation chimique, électrochimique et biochimique desminéraux sulfureux, et aux réactions de neutralisation, à la fois en laboratoire et in situ. En particulier, onpeut préconiser une évaluation de l’évolution de ces réactions suite à l’application des divers modes decontrôle de production de DMA.
Au niveau des essais statiques, on vise à réduire la marge d'erreur de l'essai en incorporant laminéralogie. De plus, il pourrait être intéressant de tenir compte de la surface spécifique des grains dansl'évaluation du PN et du PA. Quant aux essais cinétiques, des efforts accrus doivent être mis sur l'interprétation des résultats. On doit être en mesure d'établir une durée d'essai qui soit basée sur lescaractéristiques du matériau ainsi que sur les résultats des premières semaines. On doit également tenter de relier les résultats provenant d'essais cinétiques en laboratoire à ceux mesurés sur le terrain. Ledéveloppement d'essais plus rapides permettant d'obtenir une réponse à l'intérieur d'un délai raisonnablesera étudié dans le futur. Enfin, en ce qui concerne les modèles géochimiques, il existe peu d'outilspratiques pouvant être utilisés par les ingénieurs qui permettent de prédire l'évolution de la qualité duDMA d'un site réel ainsi que l'effet de la mise en place d'une méthode de contrôle sur ce même site. Il estnécessaire d'étudier cet aspect afin d'améliorer les outils existants ou encore de développer de nouveauxmodèles de prédiction.
Au niveau des recouvrements aqueux, une piste de développement intéressante est l’entreposage destériles miniers ou de rejets de concentrateur oxydés dans des fosses exploitées. Une autre solutionprometteuse serait de maintenir le niveau d'eau dans les rejets de concentrateur près de la surface (pasou peu d'eau libre) réduisant ainsi les risques d'instabilité des infrastructures (technique appelée élévationde la nappe phréatique ou nappe perchée). Finalement, on doit continuer de travailler sur la
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compréhension des phénomènes liés aux mouvements des fluides dans les recouvrements du typeCEBC afin d’en optimiser le design. La performance à long terme de ce type de recouvrement (e.g.Dagenais et al., 2001; Bernier et al., 2001) doit également être étudiée davantage (ex. effets desphénomènes climatiques tels le gel-dégel et le mouillage-séchage, effets des intrusions biologiques, effetsde la géométrie du site). L'utilisation de matériau alternatif dans la CEBC (tel les géocompositesbentonitiques - GCB) est une autre approche intéressante.
Le contenu du programme de recherche repose sur les développements les plus récents dans le domainede l’ingénierie géoenvironnementale, incluant une combinaison de connaissances issues de lagéotechnique et de la géomécanique, de l’hydrogéologie, de la minéralogie et de la géochimie, ainsi quede divers domaines connexes tel la géophysique, la géostatistique, la climatologie, l’hydraulique, lamodélisation et le traitement numérique des données. Ce sont les domaines d’expertise que l’onretrouve dans l’équipe de recherche, incluant les collaborateurs internes et externes. L’équipe de laChaire est constituée d’un titulaire et d’un titulaire adjoint, de plusieurs collaborateurs (professeurs,associés de recherches), et d’un personnel technique pour les travaux de laboratoire et de terrain. Plusde 20 étudiants gradués, dont les travaux de recherches s’intègrent dans les différents projets de laFigure 3, seront formés au cours des 5 prochaines années.
4. RÉFÉRENCES
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