1.1 Généralités
Le Québec, où l’activité minière a grandement progressé de 2001 à 2011, se positionne comme le deuxième producteur en importance au Canada. Cette industrie minière, bénéfique pour l’économie, génère aussi de grandes quantités de différents types de rejets. L’exploitation des mines en roche dure produit ainsi, entre autres, des roches stériles et des résidus miniers. Les roches stériles, issues de l’opération minière, sont des matériaux avec une granulométrie étalée et grossière qui montrent des propriétés géotechniques complexes et souvent très variables. Ces stériles sont usuellement entreposés en surface sous forme de haldes. Les résidus miniers produits par les opérations minéralurgiques sont usuellement transportés sous forme de pulpe avec une densité variant entre 30 % et 45 % (Vick, 1990; Aubertin et al., 2002) vers un parc à résidus. Ces rejets de concentrateur contiennent un pourcentage élevé de particules fines (souvent plus de 70% passant le tamis 80 m; e.g. Aubertin et al., 2002; Bussière, 2007). La plus part du temps, ils sont stockés en surface initialement à l’état saturé (lâche). Ils peuvent aussi être utilisés pour remblayer les chantiers miniers.
L’entreposage de ces rejets miniers peut générer des risques environnementaux liés notamment à la génération d’eaux de drainage minier acides (DMA) lorsque les rejets sont potentiellement réactifs, ou des instabilités physiques (géotechniques) des structures. La stabilité des digues de retenue des résidus miniers est toujours préoccupante, car de nombreux cas de rupture se sont produits au cours des dernières années partout dans le monde (Aubertin et al., 2011). Les défis géotechniques sont nombreux en raison de la nature complexe des résidus miniers. Dans certains cas, ces résidus se désaturent et peuvent alors être soumis à des efforts de traction qui peuvent provoquer l’apparition des fissures conduisant à une altération de leurs propriétés géotechniques et environnementales.
À cet égard, une bonne compréhension du comportement des résidus miniers non saturés s’avère essentielle. Ce travail expose certaines des caractéristiques fondamentales des résidus non saturés et des concepts de base pour aider à comprendre leur comportement géotechnique. Ce projet vise aussi à compléter d’autres études portant sur une gestion efficace des problèmes hydro-
mécaniques et environnementaux liés à l’entreposage des résidus miniers menées par la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT en environnement et gestion des rejets miniers.
En condition non saturée, les résidus, qui sont normalement sans cohésion (pulvérulents) à l’état saturé, tendent à développer une cohésion apparente en raison des forces capillaires (Lu et al., 2007). Cette cohésion apparente dépend des propriétés et de l’état de saturation du matériau, et elle ajoute une résistance en traction souvent négligée. Ce comportement, qui a été très peu analysé auparavant (sauf pour les sols argileux), est important puisqu’il est lié à la résistance au cisaillement et au processus de fissuration en phase de dessiccation. Divers travaux montrent néanmoins que la fissuration de ce genre de matériaux est associée au comportement en traction (Thusyanthan et al., 2007; Wang et al., 2007; Péron et al., 2009; Saleh-Mbemba, 2010). Ces aspects sont revus dans ce projet.
La résistance à la traction dépend des mêmes mécanismes que la capacité de rétention d’eau des sols non saturés (Kim et Sture, 2008). Elle varie notamment avec la granulométrie, la densité et la teneur en eau du matériau. Il existe diverses méthodes de mesure pour déterminer la résistance en traction d’un sol. Ces méthodes sont souvent assez laborieuses à mettre en œuvre, et la plupart des essais sont peu applicables aux résidus miniers non saturés, notamment à cause de leur très faible cohésion effective. Parmi les essais de traction (indirecte), on retrouve notamment l’essai brésilien (compression diamétrale) et l’essai de flexion (i.e. avec trois ou quatre points d’appui). Comme on le verra dans la suite, les essais de flexion représentent une approche intéressante pour mesurer la résistance à la traction d’éprouvettes prismatiques de résidus miniers non saturés. Ils permettent aussi d’évaluer le module de Young à partir de la mesure du déplacement au bas (et au haut) de l’éprouvette. La résistance à la traction peut être liée à la cohésion apparente, lorsque l’on connait l’angle de friction ’ (selon le critère de Mohr Coulomb; e.g. Lu et Likos, 2004). Les essais de traction permettraient donc d’obtenir indirectement la valeur de la cohésion apparente. On retrouve aussi certains modèles prédictifs basés sur la théorie capillaire et d’autres basés sur la courbe de rétention d’eau (Rumpf, 1961; Schubert, 1975, 1984; Kim, 2001). Ces modèles sont applicables aux sols naturels et n’ont pas été validés sur des résidus miniers. Certains de ceux-ci ont été utilisés dans ce projet.
Cette étude s’intègre dans un projet d’une plus grande envergure portant sur la gestion efficace des résidus miniers afin de réduire les impacts négatifs sur l’environnement.
1.2
Projet de recherche et contenu du mémoire
Ce projet porte sur l’évaluation du comportement en traction des résidus miniers non saturés. Des résidus miniers provenant de trois sites miniers différents ont été analysés, i.e. Malartic (Osisko), Goldex et Bulyanhulu. Ces résidus présentent des propriétés géotechniques assez semblables. Certaines de ces propriétés ont été évaluées précédemment lors d’autres travaux (Martin et al., 2005, 2006; Saleh-Mbemba, 2010; Pabst, 2011; L-Bolduc, 2012; Poncelet, 2012). Pour ce projet, un nouveau protocole expérimental, inspiré de la norme ASTM D1635 (2006) et des travaux de Saleh-Mbemba (2010), a été proposé pour déterminer la résistance à la traction des résidus miniers non saturés à partir d’essais de flexion sur des éprouvettes précédemment asséchées à l’air libre. Les valeurs expérimentales de la résistance à la traction des résidus miniers ont été validées (en partie) à partir d’une méthode prédictive et de simulations numériques.
Les objectifs spécifiques de la recherche peuvent être énoncés comme suit :
Mesurer la résistance à la rupture sur des éprouvettes de résidus miniers non saturés.
Analyser l’influence du degré de saturation sur la résistance à la traction des résidus miniers
Évaluer le lien entre la résistance à la traction des résidus miniers et la succion.
Identifier les paramètres qui affectent le comportement en traction des résidus miniers.
Analyser l’influence du degré de saturation et de la succion sur la cohésion apparente et le module de Young des résidus miniers.
Ce mémoire est composé de 6 chapitres. Suite à une brève mise en contexte et la description générale du projet au chapitre 1, le chapitre 2 présente les notions de base qui seront utiles pour la compréhension du sujet de recherche, incluant les caractéristiques des résidus miniers, la courbe de rétention d’eau, la mesure de la résistance à la traction, la cohésion apparente, et le module de Young et une description sommaire du code numérique SIGMA/W. Le chapitre 3 décrit les caractéristiques géotechniques des résidus miniers utilisés dans le programme expérimental. On y présente également le montage et les protocoles expérimentaux employés pour les essais sur les
résidus. Le chapitre 4 présente les résultats des essais menés sur les trois types de résidus ainsi que l’analyse et l’interprétation de base de ces résultats. Les résultats de simulations numériques effectués avec le code SIGMA/W sont présentés au chapitre 5. Le code numérique est d’abord utilisé pour reproduire les résultats obtenus au laboratoire. Par la suite, une analyse paramétrique de l’essai de flexion est présentée. On termine le chapitre 5 par une discussion générale des résultats expérimentaux et numériques, où les aspects clés de cette recherche sont évalués. Le chapitre 6 est consacré aux conclusions de l’ensemble des résultats et aux recommandations générales pour la suite des travaux.