Performance d'une couverture avec effets de barrière capillaire faite de mélanges gravier-bentonite pour contrôler la migration d'oxygène en conditions nordiques

DÉDICACE À ma famille REMERCIEMENTS Dans ces quelques lignes, je tiens à remercier toutes les personnes et organisations impliquées dans la réalisation de ce projet de recherche.J'aimerais tout d'abord remercier mon directeur de recherche Bruno Bussière pour sa disponibilité, son encadrement et ses précieux conseils.Je suis reconnaissant de l'appui et de la disponibilité de mon codirecteur à l'Université Laval, Jean Côté.Je tiens à remercier les membres de l'équipe du département d'environnement de Mine Raglan (une compagnie Glencore), notamment Joël Pagé, Mélanie Côté et Louis Marcoux pour leur accueil et collaboration.Mes remerciements vont aussi à l'Institut de Recherche en Mines et Environnement UQAT-Polytechnique Montréal et au programme de bourse BMP-FRQNT-CRSNG pour leur support financier.Je souhaite aussi remercier les professeurs de l'UQAT Mamert Mbonimpa, Vincent Cloutier et Isabelle Demers pour leur aide et appui lors de ce projet.L'équipe technique de l'URSTM est aussi remerciée pour leur collaboration.Je pense plus spécialement à Alain Perrault, Yvan Poirier, Patrick Bernèche et Olivier Peyronnard pour leur aide durant les essais de laboratoire.Merci à tous mes collègues étudiants de l'IRME.Je me dois de souligner l'apport spécial de mon ami et associé d'école par excellence Louis-Philippe Gélinas.Je voudrais remercier mon frère et ma sœur pour leur soutien et encouragement.Merci, maman et papa, pour votre appui et vos sages conseils.Finalement, cette aventure en Abitibi aurait été bien différente sans la présence de ma conjointe Joannie et la venue de ma petite fille Agathe.v RÉSUMÉ La restauration des parcs à résidus miniers est un défi environnemental de taille pour l'industrie minière, particulièrement pour les sites miniers générateurs de drainage minier acide (DMA) situés en climat nordique où des méthodes de restauration robustes à long terme doivent être développées.En climat tempéré, les recouvrements avec effets de barrière capillaire (CEBC) se sont avérés une méthode de restauration efficace pour les résidus miniers générateurs de DMA.Toutefois, ces recouvrements nécessitent l'utilisation d'un matériau fin pour la construction de la couche de rétention d'eau qui, en climat nordique, n'est pas toujours disponible près du site de construction.Dans un tel cas, des mélanges sol ou gravier-bentonite pourraient être utilisés.Ainsi, cette étude propose d'évaluer à l'aide d'essais en colonne au laboratoire la performance de contrôle des flux d'oxygène de CEBC faites de mélanges gravier-bentonite pour la restauration de sites miniers en climat nordique.Les propriétés isolantes du recouvrement permettraient de limiter la période de l'année où les résidus sont dégelés, tandis que les effets de barrière capillaire permettraient le contrôle des flux d'oxygène durant la période de dégel où les rejets pourraient générer du DMA.Les principaux objectifs du projet de recherche sont (1) de caractériser les propriétés hydro-géotechniques des matériaux de recouvrements proposés (2) de développer une méthode d'essai de laboratoire en colonne qui permet d'évaluer les effets des cycles de gel-dégel sur la migration de l'oxygène et la distribution de l'eau dans les CEBC testées et (3) d'évaluer la capacité des CEBC testées à contrôler les flux d'oxygène pour différentes conditions initiales de mise en place, avant et après cycles de gel-dégel, à partir de l'évaluation du coefficient de diffusion effectif de l'oxygène des couches de rétention d'eau.Dans cette optique, des travaux de caractérisation des propriétés physiques, géotechniques de base, hydrogéologiques et thermiques ont d'abord été entrepris sur trois mélanges gravierbentonite à 5,0, 6,5 et 8,0% bentonite.Des conductivités hydrauliques entre 3,510 -7 cm/s et 4,810 -8 cm/s et des valeurs d'entrée d'air entre 8 kPa et 20 kPa ont été mesurées pour les trois mélanges.Les résultats de cette étude de caractérisation montrent que les mélanges gravierbentonite pourraient avoir les propriétés hydrogéologiques requises pour être utilisées comme couche de rétention d'eau d'une CEBC.Toutefois, plus de travaux s'avèrent nécessaires afin de déterminer la capacité des CEBC à limiter les flux d'oxygène et d'évaluer l'influence des cycles de gel et de dégel sur la capacité à contrôler la diffusion des gaz dans ces matériaux.vi Ainsi, des essais en colonnes instrumentées ont été mis en place afin d'étudier les performances à contrôler la migration de l'oxygène de trois configurations de CEBC faites de mélanges gravierbentonite à 5,0, 6,5 et 8,0 % bentonite.Les colonnes testées sont constituées d'un bris capillaire de 0,40 m fait gravier, d'une couche de rétention d'eau de 0,60 m faite de mélanges gravierbentonite et d'une couche de protection de gravier de 1,0 m d'épaisseur.Une première colonne (6,5 % bentonite) a d'abord été construite afin de développer la méthode expérimentale.Trois autres colonnes ont ensuite été préparées en utilisant les connaissances obtenues avec la colonne test.Deux colonnes (5,0 et 8,0 % bentonite) ont été montées en conditions idéales (couche de rétention d'eau initialement près de la saturation), tandis qu'une colonne (6,5 % bentonite) a été mise en place à teneur en eau naturelle afin de simuler des conditions de terrain.Les essais en colonnes développés ont permis de réaliser des essais de diffusion de l'oxygène en colonne et d'évaluer l'influence de l'infiltration d'eau et des cycles de gel-dégel sur la diffusion.Les CEBC à 5,0 et 8,0 % bentonite montrent des degrés de saturation élevés (> 85 %) aux conditions initiales, mais se désaturent avec les cycles de gel-dégel.La CEBC à 6,5 % bentonite montre quant à elle des degrés de saturation inférieurs à 52 % pour toutes les conditions.Les résultats des essais de diffusion d'oxygène interprétés à l'aide du code numérique POLLUTE concordent bien avec les profils de teneurs en eau volumique observés.Ces résultats montrent que les CEBC à 5,0 et 6,5 % bentonite sont performantes pour contrôler les flux d'oxygène aux conditions initiales, mais qu'une diminution des performances est observée avec les cycles de gel-dégel.Pour ces deux colonnes, des flux d'oxygène à l'état stationnaire inférieurs à 1 mol O2/m 2 /an sont calculés en conditions initiales tandis que des valeurs supérieures à 50 mol O2/m 2 /an ont été observées à partir du troisième cycle de gel-dégel.Cette perte de performance est en accord avec les résultats des essais de perméabilité qui ont montré un impact significatif des cycles de gel-dégel sur la valeur de la conductivité hydraulique saturée.Les flux d'oxygène calculés pour la CEBC à 6,5 % bentonite (> 100 mol O2/m 2 /an) démontrent une performance limitée pour toutes les conditions d'essai en raison du faible degré de saturation initial.L'évolution des températures et des teneurs en eau volumique non gelée mesurées pour ces trois colonnes lors des phases de dégel montrent qu'aux températures minimales (-11 à -13 ° C), des teneurs en eau volumique non gelée à l'équilibre entre 0,00 et 0,06 sont observées.Les résultats des essais de laboratoire démontrent que l'approche méthodologique suivie permet l'évaluation de la performance de CEBC soumise à des cycles de gel-dégel et pourrait être vii appliquée à d'autres configurations de CEBC.Cette étude de laboratoire s'est limitée à des matériaux utilisés dans le cadre d'essais de terrain réalisés à la Mine Raglan.Des performances de barrière à l'oxygène supérieures pourraient être obtenues avec une optimisation de la granulométrie du gravier et/ou de la proportion et du type de bentonite.À la suite de ces travaux de recherche, il est recommandé de comparer les données de laboratoire obtenues avec des données réelles de terrain sachant qu'une cellule expérimentale avec une configuration similaire à la colonne 2 a été construite à la Mine Raglan.De plus, davantage de travaux de recherche quant au comportement des matériaux de type gravier-bentonite doivent être entrepris.Il est aussi suggéré de modifier la méthode de laboratoire afin de permettre la modélisation du coefficient de diffusion de l'oxygène de toute la couche de rétention d'eau.D'autres matériaux à granulométrie fine, moins sensible aux cycles de gel-dégel, comme des résidus miniers désulfurés, pourraient aussi être testés comme matériaux de la couche de rétention d'eau.viii

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