Organisation de la thèse, contributions scientifiques et rôle de l’auteur

1.5.1 Organisation de la thèse

Cette thèse est divisée en 9 chapitres distincts. Après l’introduction, le Chapitre 2 présente une revue de la littérature pertinente reliée à ce projet de recherche. Ensuite, le corps de la thèse est constitué de deux chapitres rédigés en français (Chapitres 3 et 8), d’un article présenté à une conférence nationale (Chapitre 4) et de trois articles scientifiques soumis pour publication dans des revues avec comité de lecture (Chapitre 5, 6 et 7). Ces derniers chapitres sont rédigés en anglais. Le chapitre 3 vise à présenter les méthodes et résultats de caractérisation des propriétés physicochimiques, minéralogiques, géotechniques et hydrogéologiques des matériaux de recouvrement et des résidus miniers. En plus de fournir les propriétés des matériaux, le potentiel des stériles lâches et compactés à pouvoir induire les effets de barrière capillaire requis pour la CIEBC est discuté dans ce chapitre. Ce chapitre donne aussi des détails sur les travaux détermination de la température critique d’entreposage des résidus miniers de Meadowbank et sur la capacité des stériles compactés à réduire les flux d’oxygène. Ce chapitre contribue à combler partiellement l’objectif spécifique 1 du projet de recherche.

Le chapitre 4 est constitué de l’article : Boulanger-Martel, V., Poirier, A., Côté, J. et Bussière, B. 2018. Thermal conductivity of Meadowbank’s mine waste rocks and tailings. 71e _Conférence

canadienne de géotechnique, Edmonton, Alberta, Canada. Cet article présente les travaux de caractérisation des propriétés thermiques des matériaux qui ont été réalisés pour cette thèse. Les résultats présentés dans ce chapitre sont complémentaires au chapitre 3 et viennent compléter l’objectif spécifique 1.

Le chapitre 5 représente l’article : Boulanger-Martel, V., Bussière, B. et Côté, J. 2019. Thermal behaviour and performance of two field experimental insulation covers to control sulfide oxidation at Meadowbank mine, Nunavut, soumis à la Revue canadienne de géotechnique, septembre 2019. Cet article présente un sommaire des travaux de caractérisation des propriétés des matériaux ainsi que des détails concernant la conception et la construction des deux cellules expérimentales de terrain avec recouvrements isolants. Dans ce chapitre, les résultats d’un suivi de 4,5 ans des

conditions thermiques et hydrogéologiques des cellules expérimentales sont aussi donnés. L’article présenté au chapitre 5 fournit aussi une analyse détaillée des processus de transferts de chaleur gouvernant les recouvrements isolants testés. Ultimement, la performance à limiter l’oxydation de sulfures des recouvrements isolants durant la période de suivi est analysée. Les résultats et conclusions issues du chapitre 5 visent à répondre partiellement à l’objectif spécifique 2 du projet de recherche.

Le chapitre 6 représente l’article : Boulanger-Martel, V., Bussière, B. et Côté, J. 2019. Insulation covers with capillary barrier effects to control sulfide oxidation in the Arctic, soumis également à la Revue canadienne de géotechnique, octobre 2019. Cet article vise à évaluer la performance in situ de la CIEBC qui a été construite à Meadowbank. Un résumé des propriétés clés requises pour déterminer le potentiel des stériles compactés à titre de matériaux constituants d’une couche de rétention d’eau est d’abord donné. Ensuite, le comportement thermo-hydrique du recouvrement est discuté basé sur l’évolution des températures et teneurs en eau volumiques dans les résidus miniers et matériaux de recouvrement pendant les 3,5 années de suivi. Finalement, la performance globale du système à contrôler la température des résidus miniers et les flux d’oxygène est discutée. Les résultats et conclusions issues du chapitre 6 visent à compléter l’objectif spécifique 2 du projet de recherche.

Le chapitre 7 est l’article: Boulanger-Martel, V., Bussière, B. et Côté, J. 2019. Resistance of a waste rock unit to freeze-thaw and wet-dry cycles : implications for use in a reclamation cover in the Canadian arctic. Soumis au Bulletin of Engineering Geology and the Environment en juillet 2019. Cet article présente le développement de la méthodologie et les résultats de l’étude de la durabilité de l’unité de stériles NPAG face aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage qui a été réalisé. Ce chapitre vise à répondre à l’objectif spécifique 3.

Le chapitre 8 présente une discussion générale des résultats obtenus pour l’ensemble du projet de recherche. Les résultats obtenus par le suivi des cellules expérimentales de terrain sont d’abord utilisés pour élaborer un modèle numérique qui est utilisé pour évaluer le comportement et la performance à long terme des recouvrements isolants. Les modélisations numériques sont aussi utilisées pour évaluer les principaux paramètres qui influencent le comportement de ces recouvrements. Ensuite, l’ensemble des résultats obtenus (caractérisation au laboratoire, cellules

expérimentales de terrain et modélisations numériques) sont utilisés pour développer un cadre de conception générale des recouvrements isolants. Le chapitre 8 vient répondre aux objectifs spécifiques 4 et 5.

Le chapitre 9 présente les principales conclusions et recommandations issues des travaux présentés dans cette thèse. Des informations complémentaires sont aussi données dans les annexes.

Deux articles de conférence additionnels ont été rédigés, mais ne seront pas présentés dans la thèse. Ces articles sont disponibles publiquement et les références sont les suivantes :

Boulanger-Martel, V., Bussière, B. et Côté, J. 2017. Design, construction and preliminary results of an insulation cover with capillary barrier effects at Meadowbank mine, Nunavut. 70e

Conférence canadienne de géotechnique, Ottawa, Ontario, Canada.

Boulanger-Martel, V., Bussière, B. et Côté, J. 2018. Évaluation de modes de restauration pour le parc à résidus minier de la mine Meadowbank. Symposium sur les mines et l’environnement, Rouyn-Noranda, Québec, Canada.

1.5.2 Contributions scientifiques

Les contributions scientifiques issues des travaux réalisés dans le cadre de cette étude sont majoritairement liées à la caractérisation des propriétés des stériles compactés, à l’évaluation du comportement et de la performance des recouvrements miniers implémentés dans l’Arctique, à l’évaluation de la durabilité des matériaux de recouvrements et à l’approche méthodologique de conception des recouvrements isolants (avec ou sans couche de rétention d’eau).

Un appareil permettant de mesurer la courbe de rétention d’eau de matériaux grossiers qui ont de fortes capacités de rétention d’eau a également été développé et testé avec les stériles compactés. De plus, des essais de diffusion de l’oxygène réalisés en colonne ont permis d’améliorer les connaissances des processus impliqués dans le mouvement de l’oxygène dans les matériaux grossiers compactés. Les travaux de caractérisation des propriétés thermiques des stériles ont permis de mesurer la conductivité thermique des matériaux sur différentes fractions (> 20 mm) et de tester les effets d’échelles et de structure sur la conductivité thermique. L’approche méthodologique qui a spécifiquement été développée pour ce projet a permis d’extrapoler les résultats de laboratoire à l’échelle de terrain avec confiance et pourrait être utilisée pour caractériser

des matériaux similaires. Un montage et une procédure expérimentale ont aussi été développés pour déterminer la dépendance de la réactivité des résidus miniers à la température. Cette approche a été utilisée pour déterminer la Tcible d’entreposage des résidus miniers de Meadowbank et pourra

être utilisée dans le futur pour déterminer la Tcible d’autres résidus miniers entreposés dans

l’Arctique.

Une contribution majeure de ce projet de recherche est l’approche qui a été utilisée pour évaluer la performance des recouvrements isolants. L’approche développée se base à la fois base sur la Tcible

déterminée au laboratoire, des essais de consommations d’oxygène réalisés sur des résidus recouverts et non recouverts ainsi que sur le suivi du comportement thermique des recouvrements pour analyser la performance in situ des recouvrements isolants testés. Une relation réactivité – température a été développée et utilisée pour calculer les flux d’oxygène annuels totaux consommés par les résidus miniers recouverts en fonction de leur température. À la connaissance de l’auteur, une approche aussi complète n’a jamais été utilisée pour évaluer la performance des recouvrements isolants. Une autre contribution importante consiste d’avoir testé à l’échelle du terrain le concept de CIEBC. Ce concept avait été validé au laboratoire, mais jamais testé sur le terrain.

Les préoccupations soulevées par rapport à la stabilité physique et à la durabilité à long terme de l’unité de stérile NPAG ont amené à proposer un programme expérimental pour évaluer sa durabilité face aux cycles environnementaux. Cette approche originale n’avait jamais été appliquée à la restauration minière et pourra désormais être utilisée pour déterminer la durabilité des unités géologiques utilisées comme matériaux de recouvrement. Enfin, l’approche de conception généralisée des recouvrements isolants proposée fournit un cadre de conception utile à l’industrie minière pour le développement de scénarios de restaurations similaires en conditions nordiques.

1.5.3 Rôle de l’auteur

Des travaux ont donc été réalisés pour déterminer les propriétés des matériaux au laboratoire, déterminer certaines propriétés in situ des matériaux, suivre le comportement thermique et hydrogéologique de cellules expérimentales de terrain et analyser numériquement le comportement thermique des recouvrements isolants à long terme. Étant donné l’ampleur du projet, certaines

portions du travail présentées dans cette thèse ont été réalisées par différents stagiaires, techniciens et professionnels de recherche qui ont été impliqués dans les premières étapes du projet.

Les principales contributions des stagiaires au projet de recherche sont liées à caractérisation des propriétés de base des matériaux et à une aide fournie dans la construction des cellules expérimentales de terrain. Plus spécifiquement, Sabrina Lord (2013) a réalisé des travaux de caractérisation de certaines propriétés chimiques, physiques, minéralogiques et hydro- géotechniques des résidus miniers et des matériaux de recouvrement au laboratoire. Charles Batzenschlager (2014) a fourni un complément de caractérisation des propriétés chimiques et physiques des résidus miniers in situ, a participé à la construction des cellules expérimentales (recouvrements isolants) et a aussi réalisé une campagne de mesure de la réactivité des résidus miniers exposés sur le parc à résidus. Audrey Goulet (2015) a participé, avec l’auteur de cette thèse, à la construction de la cellule expérimentale de terrain CIEBC et a réalisé divers essais de caractérisation des propriétés hydro-géotechniques des stériles fins compactés au laboratoire et sur le terrain. Bien que certaines propriétés des matériaux et données de terrain aient été obtenues par les stagiaires, les différents résultats obtenus ont été utilisés à l’état brut et réinterprétés pour les fins de cette recherche.

La construction des cellules expérimentales de terrain a principalement été prise en charge par le personnel technique et professionnel de l’Unité de Recherche et de Service en Technologie Minérale de l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, en collaboration avec du personnel de la mine Meadowbank. Pour les cellules expérimentales de terrain de recouvrements isolants (2014), l’auteur a été impliqué au niveau de la conception des cellules avant la construction. En 2015, l’auteur a été impliqué dans la conception et la construction de la cellule expérimentale CIEBC. Par la suite, l’auteur a été en charge de réaliser des caractérisations complémentaires (et de validation) ainsi que de développer les essais de caractérisation avancée (e.g. courbe de rétention d’eau des stériles compactés, diffusion de l’oxygène dans les stériles compactés, réactivité des résidus miniers en fonction de la température et Tcible). L’auteur a été responsable du suivi du

comportement des cellules expérimentales de terrain et de l’analyse de leur performance. L’auteur a aussi développé le programme expérimental utilisé pour déterminer la durabilité de l’unité de stériles NPAG, fait les analyses numériques utilisées pour décrire le comportement à long terme des recouvrements isolants et proposé un cadre de conception général des recouvrements isolants.