Problématique de l'étude

Les résidus miniers densifiés présentent un comportement particulier en raison de la nature et du pourcentage de leurs constituants (pourcentage de solides élevé) et dont l’appréhension n’est pas triviale. Pourtant, la connaissance des propriétés rhéologiques des résidus miniers densifiés est importante non seulement pour les besoins de design d’un système de transport hydraulique en charge des résidus miniers pour leur mise en place sous terre ou en surface, mais aussi pour le choix des épaississeurs en amont (Jewell et Fourie, 2002).

Beaucoup d’auteurs leur attribuent un comportement pseudo-plastique de type Bingham (Eberl et Eberl, 1995; Gillies et al., 2007; Huynh, 2006) tandis que d’autres évoquent leur caractère rhéofluidifiant ou rhéodilatant avec seuil où même un comportement dépendant du temps a été mentionné (Jewell et al., 2002). Ainsi, des tests préliminaires réalisés par Diouf (2005) sur des remblais en pâte à l’aide du rhéomètre AR2000 équipé de la géométrie de plaques parallèles ont conduit à des comportements d’écoulement inattendus, probablement associés à des biais dans les mesures et imputables aux phénomènes de glissement, de la fracturation, du creusement, et de la migration etc. Les travaux publiés dans la littérature semblent indiquer que ces comportements ne sont pas inhérents à la nature des matériaux testés (Coussot et Ancey, 1989; Baudez, 2001; Huynh et al., 2006). Pourtant, la géométrie de plaques parallèles présente des avantages pour certaines utilisations, notamment son aptitude à permettre des études comparatives selon une même plage de taux de cisaillement, surtout lorsqu’on désire tester l’effet du temps sur le comportement rhéologique d’un matériau donné. Ainsi Baudez (2001) a eu recours à cette géométrie pour évaluer l’effet du temps de stockage des boues résiduaires de traitement d’eau pour leur utilisation dans l’épandage agricole. La détermination d’une méthodologie fiable par la validation des procédures rhéométriques débarrassées de toute perturbation pour l’étude des paramètres rhéologiques de ces matériaux densifiés est alors une exigence préalable pour leur utilisation dans une perspective d’acquisition de données reproductibles pour une optimisation des conditions de leur transport.

À la lumière des études antérieures réalisées sur le sujet, il ressort par ailleurs que la rhéologie des résidus est contrôlée par un nombre de variables telles que la distribution granulométrique des particules, la chimie de la surface des particules, la viscosité du liquide, la quantité et les caractéristiques de floculant, la concentration des particules et la quantité d’énergie de malaxage (Huynh et al., 2006;Meggyes, 2006). De ce point de vue, la maitrise de l’influence des différents constituants selon leur pourcentage dans le mélange peut constituer une donnée permettant de prédire leur comportement d’écoulement et d’optimiser leur condition de transport, ce qui constitue un défi pour les utilisateurs de ces matériaux. Dans cette perspective, il est essentiel d’élucider le comportement rhéologique de ces résidus denses, car les propriétés rhéologiques entrent dans les calculs des paramètres de transport tels que les pressions de pompage (∆P), les pertes de pression unitaires (∆P/L), et le débit de déposition (Q) de ces matériaux.

Pour la mise en place des matériaux cimentaires comme le béton et le remblai sous terre, le défi est de transporter ces matériaux à des distances souvent considérables sans en altérer notablement leurs propriétés lors du parcours qui peut avoir une influence sur leur résistance mécanique (Kaplan, 2001). Dans le cas de remblais miniers en pâte cimentés, le rapport eau /ciment influence la résistance mécanique du remblai minier (Benzaazoua et al., 2004). La Figure 1.2 montre l’évolution de la résistance en compression uniaxiale (uniaxial compressive strength UCS) des remblais minier cimentés en pâte (RMCP) en fonction de la teneur en eau massique. La résistance connaît alors une diminution linéaire à tous les âges avec l’augmentation de la proportion d’eau de mélange. La pratique courante d’ajout d’eau supplémentaire à une recette donnée de remblai, dans le but de respecter l’affaissement ou le slump compatible avec le transport, peut alors être préjudiciable pour le gain de résistance mécanique.

Figure 1.2 : Effet de la teneur en eau massique w sur la résistance en compression uniaxiale (UCS) des remblais miniers (tiré de Benzaazoua et al, 2003).

Malgré les avancées réelles réalisées dans la technologie de remblayage minier, quelques problèmes opérationnels reliés à la conception des systèmes de distribution par pipeline de ces matériaux subsistent encore (Cooke, 2001). Dans le cas du dépôt de surface, les résidus ne

doivent pas être trop consistant, ce qui empêchera leur écoulement et entrainera une accumulation en un seul point. Il doit par contre être en mesure de s'écouler sur une distance raisonnable selon un angle de déposition acceptable, sans pour autant être trop fluide, et s'écouler sur une grande distance (Sofra et Boger, 2002; Kwak et al., 2005).

La Figure 1.3 présente les principaux problèmes de transport liés à la technologie de remblayage souterrain dans les mines canadiennes d’après (De Souza et Dirige 2003). Il ressort que les situations de bouchon de pipelines et des trous de forage enregistrées sur les installations de remblayage sont les plus courantes avec un pourcentage de 35 % de l’ensemble des problèmes inhérents à la technologie de remblayage, soit 65 % des problèmes spécifiques au transport (De Souza et Dirige 2003). Les autres problèmes relevés dans le domaine du transport au cours de cette étude sont relatifs à l’éclatement des pipelines, et les chocs exercés sur ces derniers. Ces situations sont rencontrées à des pourcentages respectifs de 12 % et 8,5 %.

Figure 1.3: Pourcentage des principaux problèmes de transport liés à la technologie de remblayage souterrain dans les mines canadiennes d’après De Souza et Dirige (2003).

Le recours à un test d’écoulement en boucle (loop test) pour évaluer les paramètres de transport semble systématique. Cependant, dans de nombreux cas, les données acquises au cours de cette opération se révèlent non entièrement conformes aux données recueillies à l’échelle réelle lors de la production (Clark et Vikery, 1995; Li et al., 2002).

Pour ce qui concerne le volet économique de la question, Paterson et al., (2004) et Cooke (2009) indiquent que les coûts à supporter pour le transport en pipeline des résidus sont fortement fonction de la concentration solide visée des résidus. Toute augmentation de ce paramètre s’accompagne d’une augmentation des coûts au niveau des aspects suivants relatifs aux processus de préparation et de pompage:

• L’exigence d’équipements plus performants pour la préparation des résidus pour obtenir la consistance visqueuse voulue des matériaux;

• Le design hydraulique du système de distribution compte tenue de la variabilité des propriétés rhéologiques : cela entraine des calculs plus complexes et la phase de design revient plus dispendieuse;

• Le design mécanique des éléments du système de distribution (tuyaux) à cause des pressions d’opération : les fortes pressions vont exiger des caractéristiques plus résistantes pour les conduites, donc plus chères à confectionner;

• Les critères de sélection entre les pompes centrifuges et à déplacement positif : lorsque les concentrations sont élevées les simples pompes centrifuges ne peuvent plus assurer le transport des résidus. Il faut alors avoir recours aux pompes à déplacement positif bien entendu plus chères à l’acquisition.

Ainsi, Paterson et al., (2004) et Cooke (2009) conseillent de mener une analyse de cycle de vie de plusieurs options avant d’établir un système de distribution définitif.