Mise en évidence du phénomène d'auto-ignition dans les remblais ...

Mise en évidence du phénomène
d’auto-ignition dans les
remblais cimentés
Subvention FUQAT 2000-2001
Responsable du projet : Professeur Mostafa Benzaazoua
Rapport présenté à la :
Fondation de l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue
(FUQAT)
Par :
M. Mostafa Benzaazoua, Ph.D.
M. Tikou Belem, Ph.D.
M. Bruno Bussière, ing., Ph.D.
Avril 2001

Situation du problème
De nombreuses mines à travers le monde, et particulièrement en région, réutilisent les résidus miniers sous
forme de remblai cimenté pour le remblayage des cavités souterraines exploitées. Le remblai cimenté est
un mélange de résidus miniers et d'agents de cimentation en présence d'eau. Cette technique permet de
réduire les problèmes environnementaux de pollution et d'augmenter les réserves exploitées. En effet, l'un
des avantages de l'utilisation du remblai cimenté est qu'elle permet d'enfouir sous terre des quantités
considérables de rejets sulfureux générateurs d'acidité généralement stockés en surface. De plus, la
résistance mécanique de ce remblai lui permet d'assurer la stabilité des cavités excavées en intervenant
comme pilier secondaire. L'Unité de recherche et de service en technologie minérale (URSTM) de
l'Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT) s'intéresse depuis un certain nombre d'années
à la compréhension de tous les facteurs qui gouvernent la qualité de tels matériaux en respect avec les
normes environnementales, économiques et sécuritaires.
Les travaux réalisés au cours des dernières années ont permis de mieux comprendre les propriétés
physiques, chimiques et mécaniques des remblais cimentés. L'altération chimique des remblais sulfureux
est un phénomène qui surgit lorsque les sulfures inclus dans la matrice cimentaire s'oxydent et réagissent
avec le ciment, entraînant une perte de la résistance mécanique. Les travaux antérieurs ont montré que
l'altérabilité chimique des remblais miniers dépendait des paramètres physico-chimiques tels que la
minéralogie, le type de résidu et sa granulométrie, la teneur en eau, le type de liant et sa proportion et le
procédé antérieur (destruction de cyanure par la méthode SO2/air par exemple.
Cependant, sur certains plans, les remblais cimentés demeurent encore très mal connus, et de nombreux
champs d'investigation restent ouverts. Un des aspects importants qui intriguent les opérateurs miniers est
celui de l'auto-ignition. L'auto-ignition se manifeste par une combustion interne des remblais en place
suite à une accumulation croissante de chaleur. Cette chaleur est généralement générée, dans des cas
extrêmes, par des réactions exothermiques d'oxydation des sulfures. Le grillage des sulfures conduit à des
émanations gazeuses soufrées très toxiques. Le phénomène a lieu dans certains cas sans qu'il puisse être
prévenu ni contrôlé et les conséquences sont désastreuses, et pour la santé et la sécurité des travailleurs, et
pour l'avancement des travaux miniers. Ainsi les principales conséquences sont :
- dégagements gazeux toxiques (soufre accompagné de chaleur) ;
- altération de la résistance mécanique du chantier et sa rupture ;
- abondons de chantiers.
Page 1

Introduction
Les seules études qui existent dans le domaine de l'autoignition de déchets miniers sont celles reliées au
problème d'auto-combustion de stériles sulfureux issus de l'exploitation du charbon. Dans cette optique, on
peut citer les travaux du NTC de Noranda (Rosemblum and Nesset 2001; Rosemblum and Spira 1995). La
méthodologie qui y a été utilisée pour l'évaluation du potentiel du phénomène d'auto-ignition dans des
produits sulfureux (comme les concentrés) est basée sur l'injection d'air de façon périodique à travers
l'échantillon légèrement humide installé lui-même dans un four à température contrôlée. L'activité d'autoignition
est mesurée par le taux d'augmentation de la température dans l'échantillon. Contrairement à ce
qui a été utilisé au NTC, le dispositif expérimentale proposé dans cette étude ne prévoit pas l'installation
d'une source de chaleur supplémentaire. L'accentuation du phénomène est assurée pas la présence de
pyrrhotite, la grande capacité de drainage et la succession de cycles humides et secs.
Description expérimentale
Afin d'atteindre les différents objectifs fixés dans le projet, une étude expérimentale sera effectuée sur des
mélanges avec ou sans ciment placés dans des colonnes d'essai. Afin de mettre en évidence le phénomène
d'auto-ignition, nous avons opter pour des composites renfermant des sulfures purs mélangés avec du
quartz de différentes granulométries pour jouer sur le phénomène de drainage. Les sulfures purs ont été
choisis comme étant :
- la pyrite, car ce minéral est prépondérant dans les rejets de concentrateurs qui rentrent dans la
fabrication des remblais en pâte ;
- la pyrrhotite, même si elle représente un minéral plus rare, mais elle contribue considérablement à
accentuer la réactivité dans le matériau qui la contient.
Le dispositif expérimental peut être décrit de la façon suivante :
1. Fabrication de quatre colonnes comportant un mélange de sulfures et de quartz selon le
dispositif de la figure 1 : Les colonnes sont instrumentées de façon à effectuer des mesures de
consommation d'oxygène. Des sondes de température seront placées sur la paroi de la colonne à deux
profondeurs différentes (6 cm et 30 cm du haut de la colonne).
Page 2

Mélange
O 2
T
°C
Fig.1 Dispositif expérimental des colonnes d'essai visant l'étude de l'auto-ignition
- La première colonne contient un mélange de quartz fin (80 %) et de pyrrhotite fine (20 %) ;
- La deuxième colonne contient un mélange de quartz grossier (80 %) et de pyrrhotite fine (20 %) ;
- La troisième colonne contient un mélange de quartz grossier (80 %) et de pyrrhotite fine (20 %) ;
- La quatrième colonne contient un mélange de quartz grossier (76 %), de pyrrhotite fine (19 %) et de
ciment Portland ordinaire (5 %).
Les sulfures ont été broyés à une granulométrie qui correspond à celle qu'on retrouve en général pour les
résidus miniers issus du traitement de minerais polymétalliques en roches dures. La distribution de taille
des particules est donnée en figure 2 pour la pyrite et la pyrrhotite. On remarquera seulement que les
granulométries sont très voisines entre elles.
Le quartz, minéral inerte, est rajouté pour trois raisons importantes :
- diluer les sulfures ;
- pouvoir jouer sur l'indice des vides, par conséquent, le degré de saturation des mélanges ;
- sa non interférence avec les processus géochimiques dans les colonnes durant les essais.
Page 3

% Cumulé
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0.01 0.1 1 10 100 1000
A
Pyrrhotine
Pyrite
µm
% Cumulé
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0.01 0.1 1 10 100 1000
B
Pyrrhotine
Pyrite
µm
Fig.2 Courbes granulométriques de la pyrite et la pyrrhotite utilisées dans les essais.
A) Courbes cumulatives
B) Courbes en histogramme
2. Mesure de la consommation en oxygène : Cette mesure se fera en haut de la colonne de façon
régulière pour apprécier l'évolution du taux de consommation d'oxygène et de la réactivité par
conséquence des différents matériaux étudiés. Chaque mesure dure environ 3 heures.
3. Mesure de la variation de la température : La mesure de la température va être suivie continuellement
à l'aide de thermistances insérées dans le solide étudié à deux hauteurs dans la colonne. Le
principe est que la mesure de la résistivité électrique est proportionnelle à la température. Le calibrage
des thermistances (voir figure 3) permet d'estimer la valeur de la température. Ces mesures sont
Page 4

effectuées régulièrement pour apprécier le degré d'exothemicité attribuable à l'oxydation des sulfures
dans les différents mélanges étudiés.
Température (°)
60
50
40
30
20
10
0
T° = -3.7874 x Résist. + 64.769
R = 0.99
0 5 10 15
Résistance électrique (Ohm)
Fig.3 Courbe de calibrage de la thermistance en fonction de la température.
4. Analyses chimiques post-démantèlement : Ici, on déterminera la quantité de soufre qui s'est oxydée
(sulfates) sachant la quantité de départ, et ce, pour chaque tranche étudiée. L'essai n'étant pas encore
achevé, ces analyses ne feront pas partie du présent rapport.
5. Étude minéralogique au microscope électronique à balayage : Cette étape vise la caractérisation de
l'altération. De la même façon, l'essai n'étant pas encore terminé, ces analyses ne feront pas partie du
présent rapport.
Résultats
Évolution de la température
Les graphiques des figures 4 et 5 représentent l'évolution de la température dans le solide respectivement
au profondeur 6 cm et 30 cm du haut de la colonne. Les deux graphiques se ressemblent beaucoup du
point de vue de la position des pics de montée de chaleur; cependant, ils différent de part leur intensité.
Page 5

Profondeur (6cm)
30
28
26
24
22
20
18
16
03-02-01
08-02-01
13-02-01
18-02-01
23-02-01
28-02-01
05-03-01
10-03-01
15-03-01
20-03-01
25-03-01
30-03-01
04-04-01
09-04-01
14-04-01
Températures(°C)
19-04-01
24-04-01
Dates d'échantillonnage
Pyrot.+silice gros Pyrot.+silicegros+ciment Pyrot.+silice fin Pyrite+silice grossier
Fig.4 Évolution de la température au cours de l'essai à une profondeur de 6 cm
Cette montée en chaleur ne peut provenir que des réactions d'oxydation des sulfures comme vont le
montrer plus bas les taux de consommation en oxygène. Les augmentations, sous forme de pics, ont été
observées suite à des cycles humides. La chute est attribuable à une sursaturation en eau, donc une
inhibition de l'oxydation. Un pic, moins intense, suit en général le premier et correspond au début de la
désaturation. Quand la désaturation est complétée, l'oxydation est à nouveau inhibée, à cause cette fois-ci
de l'absence d'eau.
Les pics de dégagement de chaleur à une profondeur de 30 cm sont généralement plus intenses que ceux
obtenus à une profondeur moindre (6 cm). Ceci corrobore notre hypothèse qui stipule que la chaleur
origine de la réactivité des sulfures et non pas à cause d'un échange thermique avec l'extérieur ou encore
l'influx de l'air humide.
Page 6

Profondeur (30cm)
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
03-02-01
08-02-01
13-02-01
18-02-01
23-02-01
28-02-01
05-03-01
10-03-01
15-03-01
20-03-01
25-03-01
30-03-01
04-04-01
09-04-01
14-04-01
19-04-01
24-04-01
Températures(°C)
Dates d'échantillonnage
Pyrot.+silice gros. Pyrot.+silicegros.+ciment Pyrot.+silice fin Pyrite+silice grossier
Fig.5 Évolution de la température au cours de l'essai à une profondeur de 30 cm
Évolution du taux de consommation de l'oxygène
Les graphiques de la figure 6 représentent l'évolution du taux de consommation d'oxygène pendant la
durée du test, qui est de 300 minutes. Chaque graphique renferme les courbes obtenues pour les quatre
colonnes pour une période donnée. Six séances ont été choisies en guise de démonstration dans le présent
rapport.
On peut remarquer que les consommations en oxygène étaient faibles durant la période initiale de l'essai.
Plus l'essai avançait, plus les taux de consommation devenaient importants pour ce qui est des colonnes
contenant de la pyrrhotite. La colonne la plus réactive est celle qui contient un mélange de pyrrhotite et de
quartz grossier, assurant une meilleure aération. Les taux de consommation en oxygène sont restés faibles
pour la colonne qui contient de la pyrite mélangé avec du quartz et encore moins pour la colonne
contenant un mélange de pyrrhotite, quartz et ciment. En effet, le ciment influence la réactivité des
sulfures par deux paramètres distincts qui possèdent un rôle inhibiteur sur l'oxydation des sulfures :
- son potentiel de neutralisation élevé ;
- son impact sur la perméabilité, celle ci diminue beaucoup quand le ciment est rajouté comme ça été
déjà démontré dans des précédentes études menées à l'URSTM (Belem et al. 2001).
Page 7

09-03-2001
15-02-2001
28
28
C onsom m ation O2 (% )
24
20
16
12
8
4
0
0 60 120 180 240 300 360
Temps(min.)
Consommation O2 (%)
24
20
16
12
8
4
0
0 60 120 180 240 300 360
Temps(min.)
Pyrothite + silice gros.
Pyrothite + silice fin
pyrothite+silice gros.+ciment
Pyrite + silice grossier
Pyrothite + silice gros.
Pyrothite + silice fin
pyrothite+silice gros.+ciment
Pyrite + silice grossier
28
19-03-2001
28
30-03-2001
Consommation O2 (%)
24
20
16
12
8
4
0
0 60 120 180 240 300 360 420
Temps(min.)
Consommation O2 (%)
24
20
16
12
8
4
0
0 60 120 180 240 300 360 420
Temps(min.)
Pyrothite + silice gros.
Pyrothite + silice fin
pyrothite+silice gros.+ciment
Pyrite + silice grossier
Pyrothite + silice gros.
Pyrothite + silice fin
pyrothite+silice gros.+ciment
Pyrite + silice grossier
17-04-2001
10-04-2001
28
28
Consommation O2 (%)
24
20
16
12
8
4
0
0 60 120 180 240 300 360 420
Temps(min.)
Consommation O2 (%)
24
20
16
12
8
4
0
0 60 120 180 240 300 360 420
Temps(min.)
Pyrothite+silice grossier
Pyrothite +silice fin
Pyrothite+silicegros+ciment
Pyrite+silice gros.
Pyrothite+silice grossier
Pyrothite +silice fin
Pyrothite+silicegros+ciment
Pyrite+silice gros.
Fig.6 Taux de consommation d'oxygène dans les quatre colonnes d'essai
Page 8

Conclusions et perspectives
Le dispositif utilisé a permis d'évaluer l'effet de plusieurs paramètres sur la réactivité des sulfures. Cette
dernière a été démontrée comme à la source de l'augmentation de la chaleur dans les mélanges étudiés. La
perméabilité (autrement dit l'indice de vides), la présence de ciment et l'absence de pyrrhotite sont trois
facteurs qui contribuent à réduire grandement la réactivité des sulfures et, par conséquent, le potentiel
d'auto-ignition.
Dans les perceptives, deux tentatives vont être essayées avec une collaboration étroite avec le centre de
technologie de Noranda inc.
Test de maintien de la hausse de température
L'essai consistera à appliquer sur le mélange un maintien d'une humidité constante. En l'absence de
fourchettes TDR pour mesurer en continu l'évolution de l'humidité dans ces matériaux, le contrôle sera
effectué uniquement avec la mesure de la température avec la mise en marche et l'arrêt du flux d'humidité
par l'anticipation de l'inhibition de l'oxydation des sulfures en utilisant la mesure de la température et la
mesure du taux de consommation d'oxygène.
Caractérisation des matériaux dans les différentes colonnes
Une fois tous les tests achevés, les colonnes seront démantelées et les solides seront caractérisés
chimiquement et minéralogiquement pour confirmer les observations physiques (dégagement de chaleur et
consommation en oxygène). On conclura alors par rapport à l'effet sur le phénomène d'auto-ignition des
facteurs suivants :
- Effet de l'indice des vides ;
- Effet de la présence de ciment ;
- Effet du type de sulfure.
Remerciements
La fondation de l'Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue a été le garant d'un tel projet. Les
auteurs tiennent à la remercier pour son support financier. Ils lui seront gré tout au long des suites et des
développements que connaîtra ce projet avec des collaborations externes de calibre.
Page 9

Références
Belem T., Bussière B. et Benzaazoua M. (2001). The Effect of microstructural evolution on the physical
properties of paste backfill. Tailings and Mine Waste 2001. Janvier 2001 : 365-374.
Rosembblun F. and Nesset J. (2001). Evaluation and control of self-heating in sulphide concentrates.
Proceedings of the 33rd annual meeting of the Canadian Mineral Processors – CIM. Ottawa 23, 24 and 25
January 2001 : 533 – 551.
Rosembblun F. and Spira P. (1995). Evaluation of hazard from self-heating of sulphide rock. CIM
Bulletin, Avril 1995 : 44 - 49.
Page 10