Influence de la teneur en pyrrhotite sur le comportement physico-chimique de remblais miniers cimentésJovette GodboutCandidate au doctorat en Sciences de l’EnvironnementDirection : 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

Contexte de l’étude

Approche de gestion des rejets miniers sulfureux durant l’exploitation → enfouissement sous forme de remblai cimenté

Partie intégrante de la plupart des exploitations minières

souterraines→ Méthode de minage

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Problématique de l’étude

Conséquences de l’instabilité chimique des remblais liée à la présence de minéraux sulfureux

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Seule la pyrrhotite mènerait au phénomène de l’auto-ignition

Historique des travaux de la Chaire sur le comportement des remblais cimentés 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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Historique des travaux de la Chaire sur la réactivité des remblais cimentés 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

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Justification du projet

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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Justification du projet

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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Objectifs du projet

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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Programme expérimental

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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Programme expérimental

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) 2 %, 4 %, 8 %, 12 %, 15% et 86 % pyrrhotite

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Programme expérimental

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

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Programme expérimental

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)

SeptumO2 Sensor

Thermocouples O2 Data

T° Data

Dispositif expérimental essai CO

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Programme expérimental

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:

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Principaux résultats – Essais CO 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

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Principaux résultats – Essais CO 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

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Principaux résultats – Essais CO 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

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Principaux résultats – Essais CO

• 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

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Principaux résultats – Essais UCS 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

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Principaux résultats – Essais UCS 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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

0

2

4

6

8

10

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

S r

K r

x2 =0.115

x2 = 1.756

b c 1

K1

D = 1

K 1 = 10b = 0.2c 1 = 0.8c 2 = 0.5x 1 = 0.5

D = 8

Principales conclusions de la première phase des travaux Évolution de la réactivité

dans le temps Facteurs d’influence

Liant + AUTRES FACTEURS Degré de saturation

Graphic illustration of the modified Collin model to predict the Kr value according to the Sr

(from Gosselin et al., 2007)

Remblais hydrauliques

Remblais en pâte

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Principales conclusions de la première phase des travaux Facteurs d’influence

Liant + AUTRES FACTEURS Couche indurée de faible porosité

Passivation des surfaces

Binary image at 200x magnification (653μm x 470μm) showing theporosity in black (epoxy) and grains in white. The black line approximates the

oxidation zone limit.(from Ouellet et al., 2005)

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Travaux en cours

Travaux en cours Caractérisation post-essais

Chimiques (analyses ICP-AES – quantification des sulfates)

Minéralogiques (DRX, ATD-ATG-DSC, MEB) Compilation des résultats

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Travaux 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

1.Introduction 2.Objectifs du projet 3.Programme expérimental 4.Principaux résultats et conclusions 5.Travaux en cours et futurs

Remerciements

Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail

Chaire industrielle CRSNG Polytechnique – UQAT Environnement et gestion des rejets miniers