Caractéristiques hydrogéologiques des haldes

Le comportement hydrogéologique d’une halde à stériles dépend de nombreux facteurs. Morin et al. (1991) ont identifié cinq paramètres comme facteurs déterminants:

1. Les conditions climatiques, particulièrement la quantité de précipitations et les proportions relatives entre les précipitations, l’infiltration, l’évapotranspiration et le ruissellement.

2. La conductivité hydraulique des matériaux à l’intérieur de la halde à stériles. 3. Le régime d’écoulement : laminaire ou turbulent.

4. Les charges hydrauliques, les gradients et la position de la nappe phréatique dans ou sous la halde à stériles.

5. Les facteurs géochimiques : l’oxydation et la dissolution des minéraux, la migration des éléments et la précipitation des minéraux secondaires.

Dans ce travail, nous nous intéressons en premier lieu aux propriétés hydriques (hydrogéologiques) des stériles. Les paramètres qui influencent la conductivité hydraulique des stériles en conditions saturées (ksat) et non saturées (kunsat) seront considérés en détail. Dans les

haldes à stériles, les écoulements d’eau se font surtout en conditions non-saturées. Dans ces conditions, il existe une relation complexe entre la teneur en eau volumique, la succion et la conductivité hydraulique des stériles. Selon Morin et al. (1991), la conductivité hydraulique des stériles dans une halde est contrôlée par les facteurs suivants:

1) La structure interne de la halde, y compris la stratification et la présence des voies d’écoulement préférentiel.

2) La granulométrie de la roche stérile.

3) La teneur en eau à l’intérieur de la halde à stériles. 4) Les gradients hydrauliques dans la halde.

Structure interne d’une halde à stériles

Il est bien connu que la structure interne d’une halde à stériles dépend directement de la méthode de construction (Aubertin et al., 2002a, 2002b, 2008). Les différentes techniques de construction des haldes ainsi que les caractéristiques particulières de leur structure interne sont décrites dans plusieurs travaux (Morin et al., 1991; Fala, 2002; Aubertin et al., 2002a, 2008). En règle générale, les stériles sont déversés à l’aide de camions porteurs ou de buttoirs du haut de la pente de la halde, ou le long de sa surface avec un régalage et compactage consécutifs. La ségrégation des matériaux pendant la phase de construction s’ajoute à l’hétérogénéité naturelle des roches stériles et peut influencer d’une manière significative le mouvement de l’eau à l’intérieur des empilements. Ainsi, la formation de strates à granulométrie relativement fine, compactées par la machinerie lourde, ainsi que la présence de couches inclinées subparallèles aux pentes peuvent mener à une anisotropie marquée de la conductivité hydraulique à l’intérieur de la halde (Martin et al., 2004; Azam et al., 2007; Aubertin et al., 2008).

La structure interne des haldes à stériles peut être étudiée à l’aide des méthodes géophysiques (Aubertin et al., 2008). Par exemple, Intissar (2009) a utilisé des mesures de la résistivité électrique des stériles de la halde Petit Pas à la mine Tio pour mettre en évidence l’alternance en profondeur des couches conductrices et des couches plus résistives. Ces travaux indiquent que les

couches conductrices sont composées de stériles avec une granulométrie relativement fine permettant de retenir plus d’eau. Dans l’étude d’Anterrieu et al. (2010), les méthodes géophysiques ont également aidé à évaluer la structure interne de la halde à stériles de la mine Laronde (Québec). Une corrélation entre la teneur en eau, la granulométrie des stériles et leur conductivité électrique a permis de détecter la présence d’une structure en couches au centre de la halde et une stratification inclinée parallèle à la pente près des bords de la halde (sur au moins un côté).

Les variations de la teneur en eau dans différentes zones de la halde ont un impact sur la distribution des gradients hydrauliques et de la conductivité hydraulique. Deux autres facteurs influencent l’écoulement, soit la quantité des précipitations et la topographie locale aux environs de la halde (Morin et al., 1991).

L’hétérogénéité considérable des haldes à stériles complique l’analyse de l’écoulement de l’eau. Une autre difficulté vient du fait que le mouvement de l’eau dans les haldes à stériles se produit dans des conditions non saturées. La compréhension des processus d’écoulement en milieu non saturé demande une connaissance des propriétés de rétention d’eau des matériaux et de leur fonction de perméabilité. Rappelons que cette fonction de perméabilité est usuellement représentée par la conductivité hydraulique du matériau en fonction de son degré de saturation en eau. Les notions de base sur la théorie d’écoulement de l’eau applicables aux stériles miniers sont présentées brièvement dans la prochaine section; des détails supplémentaires ont été présentées dans Fala (2002) et Hernandez (2007).

Conductivité hydraulique des stériles miniers

Comme on l’a vu précédemment, l’écoulement de l’eau dans une halde à stériles est influencé par plusieurs facteurs. Parmi ces facteurs, la conductivité hydraulique de la roche stérile est un paramètre d’importance primordiale. Pour les stériles d’origines diverses, la conductivité hydraulique saturée (ksat) peut varier de 10-7 cm/s jusqu’à 1 cm/s (Morin et al., 1991). Les valeurs

de la conductivité hydraulique saturée estimées suite à des essais d’infiltration sur une halde à stérile de la mine Tio sont de l’ordre de 4x10‐3 _{à 3x10}‐1 _{cm/s (Lessard, 2011). Il est important de} souligner qu’une seule valeur de la conductivité hydraulique ne peut pas présenter une halde en entier. À cause de l’hétérogénéité granulométrique des roches stériles, de différents degrés de

compaction et des caractéristiques structurales des haldes liées à leur mode de construction, il existe des endroits de plus faible perméabilité à l’intérieur de la halde ainsi que des fractures ou des zones très perméables qui forment des voies d’écoulement préférentiel. En plus, la conductivité hydraulique des stériles dépend beaucoup du degré de saturation en eau qui peut varier considérablement dans le temps et dans l’espace. En conséquence, la conductivité hydraulique globale des stériles dans une halde peut varier de plusieurs ordres de grandeur. Divers scénarios décrivant le mouvement de l’eau à l’intérieur d’une halde à stériles sont présentés dans Morin et. al (1991). Suite à une revue de la littérature détaillée, ces auteurs mentionnent que la présence des canaux préférentiels peut influencer considérablement la circulation de l’eau dans les haldes. En plus, l’eau qui circule à l’intérieur d’une halde peut entraîner les particules solides, surtout celles qui composent la fraction la plus fine des stériles (ou les produits de décomposition). Les particules déplacées peuvent boucher les canaux existants, ce qui peut conduire à une diminution locale de la perméabilité de la halde avec le temps (Whiting, 1981). Pour toutes ces raisons, il faut parler de l’intervalle des valeurs quand on parle de la conductivité hydraulique d’une halde à stériles.

Migration des particules dans les stériles miniers

Les propriétés hydriques des stériles peuvent évoluer dans le temps. Une des principales raisons de tels changements est la migration des particules fines à travers une halde à stériles. La migration des particules fines peut influencer d’une manière directe ou indirecte la formation des effluents contaminés. Par exemple, les particules transportées avec de l’eau peuvent causer une augmentation ou une diminution locale de la conductivité hydraulique. Les minéraux réactifs peuvent être transportés avec les particules dans les parties de la halde favorables à l’oxydation (Morin et al., 1991). Selon les observations de Whiting (1981), les particules déplacées peuvent boucher les passages préférentiels de l’eau à l’intérieur d’une halde ou bien former une couche de faible perméabilité à la base ou dans la halde. L’étude de Wadsworth (1981) a démontré que dans une halde remplie de roches magmatiques et métamorphiques, la porosité initiale s’élevait à 35- 40% mais elle a diminué jusqu’à 25% suite à la densification, la migration des fluides et l’érosion interne engendrée par la migration des particules dans ces fluides.

Plusieurs études ont confirmé que les précipitations peuvent initier le lessivage des particules fines, surtout dans la couche superficielle des stériles où elles sont entrainées par les eaux de ruissèlement et les eaux s’infiltrant à l’intérieur de la halde (Ricca, 1979; Harries et Ritchie, 1983). Ainsi, la couche supérieure des stériles peut devenir relativement plus perméable, ce qui favorise l’infiltration de l’eau et de l’air à l’intérieur de la halde.

Plusieurs études ont également démontré le rôle important de la matrice granulaire et des conditions hydrauliques dans les processus d’arrachement et de transport des particules dans un milieu poreux (Silliman, 1995; Massei et al., 2002; Benamar et al., 2005; Alhaddad et al., 2008). Ainsi, un gradient hydraulique élevé et de fortes vitesses d’écoulement favorisent la migration des particules lors des essais en laboratoire. Si les particules arrivent à sortir de l’éprouvette, des passages préférentiels dans la matrice des matériaux testés peuvent se développer, ce qui augmente la conductivité hydraulique. Si les particules mises en mouvement sont coincées dans les pores et bloquent les voies de passages de l’eau, une réduction de la conductivité hydraulique est plus probable. Les voies d’écoulement préférentiel dues à l’érosion interne jouent un rôle déterminant dans l’avancée des particules mobiles à travers le milieu poreux (Harvey et al., 1993; Powelson et al., 1993; Silliman, 1995). Au cours des essais de perméabilité sur les stériles de la mine Tio, Bourrel (2008) a observé une migration des particules fines accompagnée d’une augmentation de la conductivité hydraulique saturée de 0,03 cm/s à environ 0,2 cm/s.

Il faut aussi souligner que l’écoulement de l’eau dans les haldes à stériles se produit essentiellement en condition non saturée, sous une pression d’eau négative ou nulle, au-dessus de la nappe phréatique. Une bonne connaissance des propriétés de rétention d’eau des stériles et de l’évolution possible de la conductivité hydraulique en fonction de la succion ou de la teneur en eau du milieu s’avère indispensable pour l’analyse et la prédiction du comportement hydrogéologique d’une halde à stériles. Les outils d’évaluation de ces paramètres, ainsi que les principaux concepts théoriques sur l’écoulement de l’eau dans un milieu poreux sont présentés dans la prochaine section.

2.2 Concepts théoriques sur l’écoulement de l’eau dans un milieu poreux