Influence de la teneur en pyrrhotite sur le comportement physico-chimique de remblais miniers cimentés Jovette Godbout Candidate au doctorat en Sciences de l’Environnement Direction : Bruno Bussière, Michel Aubertin et Mostafa Benzaazoua

Plan de la présentation Introduction Contexte de l’étude Problématique Historique des travaux de la Chaire sur le sujet Justification de l’étude Objectifs du projet Programme expérimental Premiers résultats et conclusions Travaux en cours et futurs

REJET DE CONCENTRATEUR Contexte de l’étude 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Approche de gestion des rejets miniers sulfureux durant l’exploitation → enfouissement sous forme de remblai cimenté LIANT (généralement entre 5% et 7 % de ciment Portland, cendres volantes, laitiers de hauts fourneaux) REJET DE CONCENTRATEUR (tout venant pour le remblai en pâte – déshlammé pour le remblai hydraulique. Dans le cas des RH des matériaux drainants (sable) peuvent être ajoutés au mélange EAU (pulpe entre 75 % et 85 % solide pour les remblais en pâte et entre 65 % et 75 % solide pour les remblais hydrauliques) Partie intégrante de la plupart des exploitations minières souterraines → Méthode de minage

Problématique de l’étude 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Conséquences de l’instabilité chimique des remblais liée à la présence de minéraux sulfureux ENVIRONNEMENTAL DRAINAGE MINIER ACIDE CONTAMINATION DES EAUX SOUTERRAINES STABILITÉ PHYSIQUE DES REMBLAIS ATTAQUE SULFATIQUE PERTE DE RÉSISTANCE MÉCANIQUE SANTÉ SÉCURITÉ DES TRAVAILLEURS / PRODUCTION AUTO-IGNITION DÉGAGEMENT DE GAZ TOXIQUES / ABANDON DE CHANTIERS Seule la pyrrhotite mènerait au phénomène de l’auto-ignition

Historique des travaux de la Chaire sur le comportement des remblais cimentés 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Plusieurs travaux permettant de définir le comportement mécanique, hydrique et environnemental des remblais en pâte cimentés Réactivité des remblais Projet de doctorat de Serge Ouellet Réactivité de remblais cimentés en pâte contenant de la pyrite (en laboratoire et en chantier) Bonne corrélation entre les résultats en laboratoire et en chantier Liant: effet bénéfique sur la réactivité des remblais contenant de la pyrite Autres facteurs d’influence que le liant: Saturation + Passivation + Couche indurée en surface

Historique des travaux de la Chaire sur la réactivité des remblais cimentés 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Benzaazoua et al. 2001 – FUQAT Mise en évidence du phénomène d’auto-ignition dans les remblais cimentés Évaluation dans des colonnes de la réactivité de la pyrite, de la pyrrhotite et d’un remblai cimenté contenant de la pyrrhotite Réactivité pyrrhotite > pyrite > remblai cimenté contenant de la pyrrhotite Facteurs d’influence: Type de sulfures – Liant – Saturation

Justification du projet 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Partenaire de la Chaire Fabrication d’un remblai avec un rejet de concentrateur riche en pyrrhotite (produit du concentrateur 86 % Po) Mandat: Définir le meilleur type de remblai: hydraulique ou en pâte Propriétés de drainage différentes → Conditions de saturation différentes Quantité de pyrrhotite admissible pour obtenir un remblai sécuritaire et performant → stable chimiquement et physiquement

Justification du projet 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Remblais formés de rejet de concentrateur contenant de la Po ≠ problématique unique Plusieurs mines touchées par cette problématique Connaissance limitée au niveau des mécanismes d’oxydation de la Po dans les remblais et sur le potentiel d’auto-ignition des remblais en général Incompréhension des facteurs d’influence Pas d’outil pour prédire la réactivité (ou le potentiel d’auto-ignition) des remblais cimentés sulfureux

Objectifs du projet 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Étudier la réactivité de remblais cimentés (hydrauliques et en pâte) contenant de la pyrrhotite Identifier et comprendre les facteurs d’influence Effet du liant Effet des propriétés hydriques Perméabilité et capacité de rétention d’eau Effet de la passivation des surfaces et de la couche indurée formée en surface lors de l’oxydation

Programme expérimental 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Première phase des travaux - Essais en batch Évaluer le comportement physico-chimique général des remblais cimentés (hydrauliques et en pâte) contenant de la pyrrhotite Étudier en parallèle la réactivité et la résistance mécanique (UCS) sachant que les deux paramètres peuvent être reliés Dégager les principaux facteurs d’influence

Programme expérimental 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Matériau 17 recettes de remblais 2 %, 4 %, 8 %, 12 %, 15% et 86 % pyrrhotite Différents types de liants utilisés dans l’industrie : CP10, CP50, CP10 SG, CP10 FA 10 recettes de remblais hydrauliques 7 recettes de remblais en pâte 7 échantillons contrôles (sans liant)

Programme expérimental 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Préparation et curage des mélanges Remblai hydraulique – critère de design: 65 % solide -avec drainage Remblai en pâte – critère de design: affaissement 200 mm - sans drainage Curage à 30°C à air humide

Programme expérimental 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Méthodes Essais de consommation d’oxygène (CO) Couplés à des mesures de la température et analyses des gaz (O2 et SO2) au chromatographe Essais de résistance en compression uniaxe (UCS) Dispositif expérimental essai CO

Programme expérimental 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Méthodes Essai de consommation d’oxygène Mesure de la diminution de la concentration de l’oxygène dans une chambre scellée à volume fixe, située au dessus du matériau réactif. Relation entre le flux d’oxygène (qui est utilisé pour exprimer la réactivité des sulfures) et la diminution de la concentration en oxygène donnée par:

Principaux résultats – Essais CO 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Réactivité des échantillons contrôles (sans liant) Flux d’O2 consommé peut excéder 10 000 moles/m2/année après 3 jours de mise en place Diminution du flux d’O2 dans le temps pour tous les mélanges (entre 10 et 50 moles/m2/année ) Tendance générale: plus l’échantillon contient de la pyrrhotite, plus la réactivité est importante

Principaux résultats – Essais CO 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Réactivité des remblais L’addition de liant permet de réduire la réactivité du matériel – réduction davantage marquée dans le cas des remblais en pâte que dans le cas des remblais hydrauliques

Principaux résultats – Essais CO 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Évolution de la réactivité Remblais hydrauliques Remblais en pâte Pic de réactivité pour les RH et les contrôles à 3 jours (cf. aux conditions de mise en place) puis diminution de la réactivité de tous les mélanges après cette période

Principaux résultats – Essais CO 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs L’écart entre la réactivité des échantillons contrôles et celles des remblais peut excéder 10 000 moles/m2/année → effet considérable du liant dans les premiers jours de durcissement L’écart entre la réactivité des remblais et celle des échantillons contrôles évolue dans le temps D’autres facteurs que le liant participent à l’évolution de la réactivité dans le temps

Principaux résultats – Essais UCS 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Résistance en compression uniaxiale des remblais En général, les remblais en pâte acquièrent des UCS plus élevées que les remblais hydrauliques Les valeurs de UCS dépassent rarement 500 kPa pour les remblais hydrauliques alors qu’elles dépassent ces valeurs pour la majorité des mélanges de remblais en pâte Le remblai en pâte contenant 86 % Po atteint des UCS > 2 000 kPa

Principaux résultats – Essais UCS 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Évolution de la résistance en compression uniaxiale Remblais hydrauliques Remblais en pâte Perte de résistance dans le temps pour tous les mélanges de remblais – davantage marquée pour les RH que les CPB - Attaque sulfatique

Principales conclusions de la première phase des travaux 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Évolution de la réactivité dans le temps Facteurs d’influence Liant + AUTRES FACTEURS Degré de saturation Remblais hydrauliques Graphic illustration of the modified Collin model to predict the Kr value according to the Sr (from Gosselin et al., 2007) Remblais en pâte

Principales conclusions de la première phase des travaux 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Facteurs d’influence Liant + AUTRES FACTEURS Couche indurée de faible porosité Passivation des surfaces Binary image at 200x magnification (653μm x 470μm) showing the porosity in black (epoxy) and grains in white. The black line approximates the oxidation zone limit. (from Ouellet et al., 2005)

Travaux en cours Travaux en cours Caractérisation post-essais 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Travaux en cours Caractérisation post-essais Chimiques (analyses ICP-AES – quantification des sulfates) Minéralogiques (DRX, ATD-ATG-DSC, MEB) Compilation des résultats

Travaux futurs Deuxième phase des travaux 1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs Deuxième phase des travaux → Comprendre en profondeur les facteurs d’influence sur la réactivité des remblais cimentés Étude de la réactivité de la Po, de l’effet de la passivation des surfaces et du liant Électrochimie + FTIR Étude des propriétés hydriques Perméabilité au gaz Courbe de rétention d’eau avec des solutions salines

Remerciements Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail Chaire industrielle CRSNG Polytechnique – UQAT Environnement et gestion des rejets miniers