1.1 Généralités
L’industrie minière occupe une place importante dans l’économie du Québec. On comptait en 2015 27 exploitations souterraines et à ciel ouvert dans la province, sans compter les usines de traitements minéralurgiques et les autres installations reliées au secteur minier (Gouvernement du Québec, 2016). Cette industrie génère cependant des volumes de rejets importants, dont la gestion à court, moyen et long termes peut être complexe et coûteuse.
Parmi ces rejets, la gestion des roches stériles représente un défi particulier en raison de leur granulométrie grossière et très étalée. Les roches stériles sont généralement entreposées en surface sous forme d’empilements appelés haldes à stériles. Elles contiennent parfois des minéraux sulfureux (tels que la pyrite et la pyrrhotite), qui, au contact avec l’eau et l’oxygène, peuvent s’oxyder et générer du drainage minier acide (DMA) (p.ex. Aubertin et al., 2002a, 2002b, 2008; Lefèvre et al., 2001). Le DMA est caractérisé par un pH faible (acide) et des concentrations élevées en métaux lourds et en sulfates. Les eaux de drainage peuvent aussi sous certaines conditions demeurer à des pH proches de la neutralité. C’est le cas en présence de minéraux neutralisants (tels que les carbonates) qui peuvent contribuer à neutraliser (ou tamponner) l’acide généré (pour des teneurs en sulfures relativement faibles). C’est aussi le cas en présence de sulfures métalliques qui ne génèrent pas d’acide par oxydation directe à des pH proches de la neutralité (p. ex. sphalérite, chalcopyrite, galène). Les concentrations de certains métaux solubles et mobiles à des pH proches de la neutralité (p.ex. As, Sb, Zn, Ni), peuvent malgré tout dépasser les limites permises (Bussière et al., 2005; Plante et al, 2010a, 2010b, 2011). Ce phénomène est appelé drainage neutre contaminé (DNC).
Plusieurs cas de DNC ont été observés au Canada et ailleurs dans le monde (Nicholson, 2004; Bay et al., 2009). C’est le cas de la mine du Lac Tio, située à 43 km au nord-est de la ville d’Havre-St- Pierre (Québec). Il s’agit du plus important gisement d’hémo-ilménite massive au monde, en exploitation depuis 1950 (Rio Tinto, 2017). La mine génère deux types de roches stériles : des stériles « minéralisés » considérés comme réactifs (hémo-ilménite) et des stériles non ou peu minéralisés, dits non réactifs (anorthosite). Des concentrations en nickel dépassant
occasionnellement les critères environnementaux ont été mesurées dans les eaux de lixiviation (Bussière et al., 2015).
Une solution pour limiter la génération de drainage contaminé consiste à réduire l’infiltration d’eau dans les haldes à stériles potentiellement génératrices de DMA ou DNC. Une nouvelle méthode d’entreposage a ainsi été proposée par la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT en Environnement et gestions des rejets miniers (Aubertin et al., 2002b, 2013). Cette approche repose sur l’installation d’une couche de contrôle des écoulements (CCE) au sommet de la halde. Cette couche inclinée est constituée d’un matériau plus fin et avec une meilleure capacité de rétention d’eau que les stériles sous-jacents, afin de développer un effet de barrière capillaire entre les deux matériaux. L’eau des précipitations peut ainsi théoriquement être déviée vers l’extérieur de la halde, tout en circulant principalement dans un matériau non réactif. Une CCE peut être installée au sommet de chaque banc (et de chaque « couche ») de la halde lors de sa construction ce qui permet une gestion intégrée des stériles au cours de leur production.
Une halde expérimentale a été construite sur le site de la mine du Lac Tio (propriété de Rio Tinto Fer et Titane, RTFT) afin d’évaluer l’efficacité de cette méthode à l’échelle d’un banc. La caractérisation minéralogique, géochimique et hydrogéologique des stériles de la mine du Lac Tio (Pépin, 2009; Intissar, 2009; Plante, 2010a; Lessard, 2011; Peregoedova, 2012; Lévesque, 2015) et les simulations numériques de l’écoulement de l’eau dans les haldes (Aubertin et al., 2002b; Fala et al., 2002, 2005, 2006; Aubertin, 2013; Broda et al., 2013, 2014; Dawood et al., 2014) ont permis d’établir les dimensions et propriétés des matériaux appropriées pour la conception de la halde expérimentale. Le cœur de la halde est composé d’hémo-ilménite et son extrémité (en aval de la pente) est composée d’anorthosite. Le sol pulvérulent utilisé pour la CCE est un sable prélevé à proximité d’Havre-St-Pierre (à environ 43 km du site de la mine). Le sable a été placé directement sur les stériles et recouvert d’une couche d’anorthosite concassée. La caractérisation du sable s’est avérée nécessaire pour mieux comprendre et concevoir une CCE pour d’autres sites miniers.
1.2 Objectifs du projet de recherche
L’objectif principal de ce projet est de caractériser les propriétés hydrogéologiques du sable servant de couche de contrôle de l’écoulement (CCE) dans la halde à stériles expérimentale construite sur le site de la mine du Lac Tio. Les propriétés du sable servent à évaluer le développement d’un effet
de barrière capillaire entre la couverture et les stériles, et éventuellement le bon fonctionnement de la CCE. Les objectifs spécifiques du projet sont :
Caractériser le sable à partir d’essais au laboratoire (essais de caractérisation normalisés, essais en colonnes).
Caractériser les propriétés hydrogéologiques du sable à l’aide d’essais d’infiltration sur le terrain.
Évaluer l’homogénéité de la CCE sur la halde expérimentale.
Comparer divers types d’essais d’infiltration (simple anneau, double anneau, perméamètre de Guelph).
Déterminer les propriétés du sable par analyse inverse avec le logiciel Seep/W (Geo-Slope International, 2007, 2016).
Simuler le comportement de la CCE à l’échelle locale (en 1D) sous divers régimes d’infiltration.
1.3 Contenu du mémoire
Ce mémoire comporte 7 chapitres. Après un chapitre d’introduction, le chapitre 2 présente l’état des connaissances sur l’entreposage des roches stériles et leur restauration. Les termes et les concepts miniers (stériles, haldes à stérile, drainage contaminé et CEBC), l’écoulement saturé et non saturé, ainsi que la théorie de l’infiltration de l’eau dans les sols y sont abordés. Le chapitre 3 présente la méthodologie et les protocoles expérimentaux des essais réalisés au laboratoire et sur le terrain. Les chapitres 4 et 5 sont consacrés aux résultats obtenus au laboratoire et sur le site de la halde expérimentale. Le chapitre 6 présente l’interprétation et l’analyse des résultats expérimentaux et numériques. Le chapitre 7 résume les résultats de la caractérisation du sable réalisée au laboratoire et sur le terrain et présente les conclusions issues de l’analyse de sensibilité à partir de simulations numériques et propose quelques recommandations pour les travaux futurs. Les détails des résultats des différents essais sont présentés aux annexes A à I.