gestion des rejets miniers - École Polytechnique de Montréal

Congrès annuel de la Société canadienne de génie civil
Annual Conference of the Canadian Society for Civil Engineering
Montréal, Québec, Canada
5-8 juin 2002 / June 5-8, 2002
Paper No.GE-045 /Article No. GE-045
LA GESTION DES REJETS MINIERS
DANS UN CONTEXTE DE DÉVELOPPEMENT DURABLE
ET DE PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT
Michel Aubertin 1,3* (FSCGC), Bruno Bussière 2,3 , Louis Bernier 1,3 , Robert Chapuis 1 , , Michel Julien 1 , Tikou
Belem 2 , Richard Simon 1 ,Mamert Mbonimpa 1,3 , Mostafa Benzaazoua 2 , Li Li 1,3
1 École Polytechnique, Montréal, Qc, H3C 3A7
2 Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Rouyn-Noranda, Qc, J9X 5E4
3 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 nombreux
développements technologiques qui s’y produisent. L’exploitation des mines et le traitement des
minéraux engendrent toutefois la production de divers types de rejets, qui doivent être gérés de façon
rationnelle et sécuritaire afin de protéger l’environnement. A cet égard, on doit prêter une grande
attention à la stabilité géotechnique des ouvrages de surface construits pour l’entreposage et le
confinement des rejets solides et liquides. D’autres préoccupations existent aussi face au phénomène du
drainage 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’oxygène
atmosphérique pour engendrer un lixiviat acide favorisant la dissolution des métaux et autres
contaminants 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 mise
sur pied. Les travaux de la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT, créée en collaboration avec
six entreprises minières (Noranda, Barrick, Agnico-Eagle, Aur Ressources, McWatters et Inmet) et trois
firmes de consultants spécialisés (Golder Associés, SNC-Lavalin et Dessau-Soprin), avec la participation
du Ministère des Ressources Naturelles du Québec, portent principalement sur le développement d’outils
et de techniques pour une gestion optimale de différents rejets solides et liquides. Les modes de gestion
envisagés doivent être compatibles avec les principes du développement économique durable.
1. INTRODUCTION
Le contexte géologique du Canada est favorable à une activité minière très variée. Cette activité se
concentre 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 divers
minéraux industriels (sel, potasse, amiante). À cela s’ajoutent d’importantes exploitations de charbon, de
gaz naturel et de pétrole. À cet égard, le Canada est un des plus grands exportateurs de minéraux et de
* Auteur à contacter : michel.aubertin@polymtl.ca
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iens minéraux manufacturés au monde. En 1998, l’industrie des mines et de la transformation des
métaux employait 367 000 canadiens et contribuaient pour 26,4 milliards de dollars à l’économie, soit
l’équivalent de 3,7 % du produit intérieur brut et 15,2 % des exportations canadiennes. En plus de ces
retombées financières positives, l'industrie minière recherche des façons d'améliorer sa performance
environnementale afin d’assurer un développement économique durable. Ainsi, en 2000, les industries de
l'exploitation minière et de la transformation des minéraux ont consacré près de 323 millions de dollars à
la 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 1989
à 1997) de 18 millions de dollars financé par l'industrie minière canadienne, le gouvernement fédéral et les
gouvernements provinciaux. L'objectif de ce programme était de trouver des solutions à la problématique du
drainage minier acide (DMA). Il faut dire que, malgré les nombreuses retombées positives découlant de
cette industrie, plusieurs problèmes environnementaux potentiels existent en raison de la grande quantité de
rejets qui sont générés par les exploitations minières. Et si les modes de gestion se sont beaucoup améliorés
au 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 de
concentrateur) et 6 milliards de tonnes de roches stériles entreposés en surface et plusieurs sites orphelins
générateurs de drainage minier acide continuent de causer des torts à l'environnement. Au Québec
seulement, c'est plus de 13 000 hectares qui sont recouverts par ces divers rejets.
A
D
Horizon Induré
B
C
Figure 1. Exemples de sites affectés par le DMA.. A) Zone affectée par la rupture d’une digue au site
Manitou, 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 stérile
générant 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 la
géotechnique environnementale occupe d'ailleurs une part de plus en plus importante des activités des
ingénieurs (civil, géologiques et des mines) qui doivent alors œuvrer dans des équipes multidisciplinaires
impliquant, 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 le
respect des écosystèmes en présence. Celui-ci doit en outre être attentif aux problèmes de migration des
contaminants et aux contrôles hydrogéologiques appropriés aux lixiviats et aux matériaux entreposés. Ces
grands principes s'appliquent naturellement au problème de la gestion des résidus miniers, et ils sont situés
au cœur des activités de la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique–UQAT en environnement et gestion
des rejets miniers. En raison des difficultés associées au contrôle de ces eaux acides, qui contiennent
souvent une forte concentration de métaux lourds potentiellement toxiques, ceci constitue aujourd’hui le
E
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principal défi environnemental auquel doit faire face l’industrie minière (Aubertin et Bussière, 2001; MEND
2001).
Dans cet article, ces principaux problèmes sont revus succinctement, en insistant sur les aspects hydrogéotechniques
et géochimiques. Ils sont présentés dans le contexte d’un développement durable (DD) où
l’on fait appel à diverses approches originales issues de la philosophie des 3R-V. On énoncera notamment
diverses solutions pratiques, présentement à l’étude dans le cadre de la Chaire industrielle CRSNG en
Environnement et gestion des rejets miniers. Cette Chaire vise, en particulier, la formation d’étudiants
gradués, spécialisés dans des domaines importants pour l’industrie et pour la société. Plusieurs techniques
en 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 de
concentrateur) ou simplement concassée (i.e. les stériles miniers). Chaque type de rejet est géré de façon
spécifique, en fonction de ses propriétés, des caractéristiques de l'opération minière, et des particularités du
site. 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 seront
différents (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, les
principales préoccupations environnementales sont associées à la stabilité des ouvrages et au respect
des normes environnementales. La responsabilité environnementale d’une exploitation minière ne s'arrête
pas à la fin de la période d'exploitation. Elle demeure bien présente après la fermeture du site. À la fin de
la vie de la mine, il faut remettre le site en bon état en procédant au démantèlement des infrastructures et
à la restauration des aires d'entreposage des rejets. C'est ce dernier point qui est la principale source de
préoccupations, 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 à
l'action bactérienne. Dans ces cas particuliers, il 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’industrie
minière au niveau environnemental, pour la gestion des divers rejets générés sont présentés et discutés
dans Ritcey (1989), Morin et Hutt (1997) et Aubertin et Bussière (2001). Nous ferons un survol des
différents aspects environnementaux rencontrés sur un site minier lors des phases opérationnelle et postfermeture,
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. Les
rejets 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 rejets
liquides sont une autre source de préoccupation lorsque l'on aborde la problématique environnementale
liée 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 rejets
doivent 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 aux
opérations. 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 de
contaminants qui peuvent être classés comme solubles, non solubles et radioactifs. Les contaminants
solubles produits par l'industrie minière comprennent à la fois les acides générés par l'exposition des
sulfures (contenus dans les rejets miniers ou dans la mine) à l'oxygène de l'atmosphère, les métaux
lourds (Cu, Pb, Zn, Hg, etc.) et les contaminants résultant des procédés de traitement des minerais. Ce
type 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 sont
constitués de particules solides en suspension dans l’eau causant une turbidité (coloration et manque de
transparence) 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 à
travers les rejets miniers. Pour cela, la problématique reliée à la présence de contaminants non solubles ne
sera 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-terrain
résultant du décapage de la surface, les roches stériles issues des opérations d’extraction, les rejets du
concentrateur qui forment une pulpe (mélange de solides et de liquides) souvent entreposée en surface dans
des parcs à résidus miniers, et les boues provenant du traitement chimique des eaux. Chacun de ces rejets
doit 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 matériaux
rocheux, de granulométrie souvent grossière et possédant un indice des vides élevé. Les haldes sont
fréquemment des ouvrages de grande envergure, pouvant s'élever à plusieurs dizaines de mètres audessus
du sol. Le mode de déposition fait en sorte que les stériles montrent une ségrégation des matériaux
grossiers et des matériaux fins. Cette hétérogénéité complique le comportement mécanique, hydraulique et
géochimique globale de l’ouvrage. Les principales préoccupations reliées aux empilements de stériles sont
leur 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 la
séquence 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 de
l'analyse de stabilité. Lorsqu'un empilement est identifié par une méthode appropriée comme étant
potentiellement instable, on doit établir systématiquement les risques associés à l'instabilité de la halde, en
considérant la probabilité de rupture, la nature et l'ampleur des dommages induits, la période d'exposition et
les impacts potentiels sur la population, les équipements, les infrastructures et les écosystèmes en
présence. De telles études de risques fournissent une information de nature qualitative qui peut être utilisée
pour la sélection des critères de conception. Plusieurs modes de rupture doivent être envisagés lorsque l’on
veut établir les conditions de stabilité. Certains modes impliquent la halde seulement, alors que d'autres
impliquent également les matériaux de fondation directement sous la halde ou à proximité de la face
extérieure, à la base de celle-ci. Les possibilités de liquéfaction des matériaux dans les haldes (quoique
rares) 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 de
matériaux 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 de
la recherche (Aubertin et al. 2002).
En ce qui concerne la stabilité chimique des empilements de stériles miniers, celle-ci peut être
particulièrement compromise lorsque les stériles contiennent des minéraux sulfureux générateurs de
drainage 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, en
raison 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 site
d'entreposage qui est ceinturé par des digues (parc à résidus). Les principaux problèmes
environnementaux liés aux rejets de concentrateur sont la stabilité physique des ouvrages de retenue et
de confinement et la stabilité chimique des rejets. Les problèmes de stabilité physique rencontrés avec les
rejets de concentrateur sont habituellement associés au matériau en place qui est dans un état lâche et
fortement 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 la
submersion de la crête par une crue des eaux excessives dans le bassin, l'érosion régressive du matériau
dans la digue et dans la fondation causée par des pressions d'eau trop élevées, l'érosion de surface due
à l'entraînement des particules par l'eau ou le vent, le glissement de zones instables le long de la pente
attribuable aux sollicitations statiques et dynamiques, le potentiel de liquéfaction en raison des
sollicitations 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 de
concentrateur (i.e. les digues peuvent être constituées de rejets de concentrateur ou de matériaux
meubles d'origine naturelle) et de la méthode de construction utilisée (aval, amont, de l'axe central ou
autre). 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 des
ouvrages, le mode de rupture, le type de sollicitation et la probabilité d'apparition de l'événement (Aubertin
et al. 2002). Comme dans le cas des haldes à stériles, il faut ici aussi se questionner encore sur la
définition 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 surface
durant 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 et
chimique du rejet de concentrateur. Dans certains cas, il peut y avoir une perte de résistance du remblai
avec 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 obtient
de 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 des
boues. Il reste cependant de nombreuses questions, notamment en ce qui a trait au comportement hydromécanique
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 des
opérations. 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 de
nombreux autres pays et régions du globe. Le fardeau financier pour la restauration des sites miniers
générateurs 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 (MEND
2001). Au niveau mondial, ce fardeau serait de l'ampleur de plusieurs dizaines de milliards de dollars. Ces
chiffres montrent l'importance de continuer les efforts pour développer de nouveaux outils et de nouvelles
méthodes qui rendront possible, d’un point de vue technique et économique, la restauration des sites
miniers 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 à
travers les composantes d’un site minier (ex. : rejets du concentrateur, haldes de roches stériles, galerie
de mine), ce qui inclut les eaux de surface et les eaux souterraines. Les effluents miniers sont donc
alimentés par le drainage minier. Le DMA résulte de l’oxydation naturelle (chimique, électrochimique ou
biologique) de minéraux sulfureux tels la pyrite et le pyrrhotite, la sphalérite, la covellite, l'arsénopyrite et
la 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 et
en 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 types
d'exploitation (or, argent, cuivre, nickel, zinc, plomb et de charbon ou d'uranium). Le minéral sulfureux le
plus abondant dans les rejets miniers est la pyrite (FeS 2 ). La réaction globale simplifiée de l’oxydation de
la pyrite, qui produit de l’acide sulfurique et du fer plus ou moins soluble selon les conditions du pH, du Eh
et de la teneur en fer, peut s’écrire de la façon suivante :
FeS 2 + 15/4O 2 + 7/2H 2 O → Fe(OH) 3 + 2H 2 SO 4
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 telles
les 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 la
pyrite peut être influencée par la nature des minéraux secondaires formés. En outre, l’accumulation des
minéraux secondaires peut conduire à la formation d’un horizon induré (« hard pan », voir Figure 1B) qui
forme 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 de
prédiction, il est essentiel de prendre des mesures qui limiteront les impacts environnementaux de ceuxci.
Une des façons qui permet d’atteindre cet objectif est le traitement chimique du DMA. Cependant, cette
technique 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 des
aires prévues à cet effet. Une autre façon de limiter les impacts environnementaux du DMA produit par les
rejets miniers consiste à contrôler la production du DMA par la prévention. On entend par prévention les
mesures 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 des
niveaux très faibles, la présence d’air (ou d’oxygène), d’eau ou de sulfures. Comme ces trois éléments
sont les composantes principales des réactions d’oxydation qui causent le DMA, en éliminant un ou
plusieurs 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 recouvrement
d’eau (Aubertin et al., 2002; MEND 2001) par-dessus les résidus miniers (habituellement des rejets de
concentrateurs). La technique est en partie basée sur le fait que le coefficient de diffusion effectif D e de
l’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 qui
créent un réservoir artificiel. On considère habituellement que l’épaisseur de la couche d’eau requise, qui
allie le mieux efficacité et coûts, se situe entre 0,3 et 1 m d’eau. On peut aussi déposer les rejets sous
l’eau dans des cavités minières (souterraines ou à ciel ouvert).
Une alternative intéressante aux recouvrements aqueux pour réduire l’infiltration d’oxygène a été
proposée: 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 degré
de saturation dans une des couches du recouvrement (Figure 2). La diffusion de l’oxygène à travers un
sol 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 de
diffusion effectif et du gradient de concentration, l’efficacité d’un recouvrement sera accrue lorsque le
degré de saturation est élevé (degré de saturation supérieur à environ 85 à 90 %). L’efficacité d’une
CEBC pour limiter l'infiltration des gaz est donc liée à la capacité que possède celle-ci à retenir l'eau dans
une de ces couches. Pour assurer le maintien d'un haut niveau de saturation, on utilise un phénomène
particulier aux milieux partiellement saturés, soit l’effet de barrière capillaire. Cet effet est présent
lorsqu’un matériau à granulométrie fine est placé sur un matériau à granulométrie grossière. En raison du
contraste en terme de capacité de rétention d’eau entre les matériaux, l’eau contenue dans le matériau fin
n’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 des
réactifs essentiels à la formation d'acide sulfurique est l'eau. En excluant tout apport en eau aux résidus
miniers sulfureux, on peut éliminer la production de DMA. Pour ce faire, on doit aménager une barrière
peu perméable qui empêche l‘infiltration des eaux. Ces barrières peuvent être faites de sols à faibles
conductivités hydrauliques ou de matériaux synthétiques peu perméables (géomembrane ou
géocomposite bentonitique). On peut aussi utiliser les CEBC pour réduire les apports d’eau en
provenance de la surface. Cette dernière option est particulièrement attrayante pour les climats aride et
semi-aride. Les recouvrements utilisés pour limiter l'infiltration d'eau (appelés tombeau étanche) sont
habituellement constitués de plusieurs couches (Figure 2) où chacune a un objectif bien spécifique.
B
A
C
Figure 2. A) Configuration typique d'un recouvrement multicouche visant à limiter la diffusion des gaz
et/ou l'infiltration d'eau. B) CEBC installé au site Lorraine, Témiscamingue. C) Cellules de terrains
utilisées 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.envirogeremi.polymtl.ca)
est de réaliser des travaux de recherche afin de développer des outils et des
techniques, qui permettront de bien caractériser la nature et le comportement des rejets selon les
diverses 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, aux
caractéristiques du milieu (et des matériaux), ainsi qu’aux impératifs économiques et environnementaux.
Les principes du développement durable (DD), qui reposent sur des indicateurs de performance
représentatifs (e.g. Callens et Tyteca, 1999), sont à la base de ces travaux qui visent notamment à
réduire 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 Projet
1, appelé Gestion intégrée des rejets durant l’opération, porte principalement sur l’évaluation du
comportement des matériaux et de la stabilité physique et chimique des divers types de rejets (solides et
liquides) 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 du
drainage 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 du
développement durable indiquent que l’on doit veiller à minimiser son utilisation et maximiser sa réutilisation
dans les diverses composantes de l’opération. Au niveau du traitement chimique de l'eau, des avancements
importants ont été réalisés au cours des dernières années avec l'apparition des méthodes produisant des
boues à haute densité Cependant, les boues générées par le traitement chimique nécessitent une gestion
particulière qui demande la connaissance des propriétés hydro-mécaniques de celles-ci . À ce jour, on
dispose de très peu d’information sur ces propriétés. Ce genre d’information pourra être obtenue grâce à
la 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 à
bien évaluer leur stabilité physique et chimique. Cette amélioration des approches de caractérisation est la
clé 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 de
disposition plus appropriés. Les différents modes de rupture doivent également être étudiés afin d’établir des
relations entre ceux-ci et les conditions du site d'entreposage (incluant le mode de mise en place des
stériles). L'étape subséquente consiste à mieux définir les facteurs de sécurité acceptable basés sur les
caractéristiques 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 de
matériaux alcalins aux stériles durant la mise en place, la passivation des surfaces et le stockage des
stériles dans des cellules de plus faibles dimensions.
Figure 3. Organigrammes des projets de la Chaire CRSNG en environnement gestion des rejets miniers
Polytechnique-UQAT.
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Au niveau de la stabilité physique des ouvrages de retenue des rejets de concentrateur, l'effet des
conditions saturées et non saturées sur la résistance des matériaux doit être étudié davantage. Les
conditions non saturées sont une réalité dans les ouvrages miniers, même si elles sont souvent négligées
dans les analyses de stabilité. Un degré de saturation variable est de nature à modifier le facteur de
sécurité réel. En outre, des efforts supplémentaires doivent être mis du côté de la définition de critères de
stabilité 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 conditions
qui contrôlent les phénomènes d’érosion interne et de liquéfaction dans ces rejets. Bien que la déposition
des rejets de concentrateur ait traditionnellement été effectuée au moyen de décharges périphériques de
la pulpe au pourtour des digues, d'autres techniques de déposition des rejets, sont également
envisageables, comme celle des rejets épaissis ou du remblai en pâte. Certaines de ces techniques
seraient d’ailleurs de nature à améliorer les propriétés mécaniques et hydrauliques des rejets déposés
dans les parcs à résidus. Ces techniques pourraient également permettre d'améliorer la stabilité
chimique. Le retour sous terre des rejets de concentrateur sous la forme de remblai en pâte est
également une alternative intéressante. Si cette technique est combinée avec la désulfuration des rejets
de concentrateur, il est techniquement possible de réduire considérablement les volumes de rejets de
concentrateur générateurs de DMA entreposés en surface (Bussière et al., 1997). Il nous faudra
également étudier davantage les effets des minéraux sulfureux sur la résistance mécanique, à court et à
longs 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 voie
prometteuse 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 miniers
générateurs de DMA. Il s’agit ici de développer et/ou mettre en application des solutions novatrices
découlant des efforts de recherche entrepris au cours des dernières années dans ce domaine. Bien que
touchant d’abord les sites inactifs, ce projet sera complémentaire au Projet 1 de sorte que les approches
proposées ici pourront s’intégrer directement aux modes de gestion des rejets durant l’opération, de façon
à 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 génération
d’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 des
minéraux sulfureux, et aux réactions de neutralisation, à la fois en laboratoire et in situ. En particulier, on
peut préconiser une évaluation de l’évolution de ces réactions suite à l’application des divers modes de
contrôle de production de DMA.
Au niveau des essais statiques, on vise à réduire la marge d'erreur de l'essai en incorporant la
minéralogie. De plus, il pourrait être intéressant de tenir compte de la surface spécifique des grains dans
l'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 les
caractéristiques 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. Le
développement d'essais plus rapides permettant d'obtenir une réponse à l'intérieur d'un délai raisonnable
sera étudié dans le futur. Enfin, en ce qui concerne les modèles géochimiques, il existe peu d'outils
pratiques pouvant être utilisés par les ingénieurs qui permettent de prédire l'évolution de la qualité du
DMA d'un site réel ainsi que l'effet de la mise en place d'une méthode de contrôle sur ce même site. Il est
nécessaire d'étudier cet aspect afin d'améliorer les outils existants ou encore de développer de nouveaux
modèles de prédiction.
Au niveau des recouvrements aqueux, une piste de développement intéressante est l’entreposage de
stériles miniers ou de rejets de concentrateur oxydés dans des fosses exploitées. Une autre solution
prometteuse serait de maintenir le niveau d'eau dans les rejets de concentrateur près de la surface (pas
ou peu d'eau libre) réduisant ainsi les risques d'instabilité des infrastructures (technique appelée élévation
de 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 type
CEBC 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 des
phénomènes climatiques tels le gel-dégel et le mouillage-séchage, effets des intrusions biologiques, effets
de la géométrie du site). L'utilisation de matériau alternatif dans la CEBC (tel les géocomposites
bentonitiques - GCB) est une autre approche intéressante.
Le contenu du programme de recherche repose sur les développements les plus récents dans le domaine
de l’ingénierie géoenvironnementale, incluant une combinaison de connaissances issues de la
géotechnique et de la géomécanique, de l’hydrogéologie, de la minéralogie et de la géochimie, ainsi que
de divers domaines connexes tel la géophysique, la géostatistique, la climatologie, l’hydraulique, la
modélisation et le traitement numérique des données. Ce sont les domaines d’expertise que l’on
retrouve dans l’équipe de recherche, incluant les collaborateurs internes et externes. L’équipe de la
Chaire 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. Plus
de 20 étudiants gradués, dont les travaux de recherches s’intègrent dans les différents projets de la
Figure 3, seront formés au cours des 5 prochaines années.
4. RÉFÉRENCES
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publié par Les Presses Internationales de Polytechnique (à paraître automne 2002).
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le drainage minier acide : aspects théoriques et pratiques. Vecteur Environnement, Vol. 34, no
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Bussière, B., Bois, D. et Benzaazoua, M. (1997). Valorisation des résidus miniers générateurs de
drainage minier acide par la désulfuration. Proceedings of the 20 th Syposium on Wastewater, 9 th
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