Remblai minier en pâte cimenté dans le pergélisol : étude du transport et des conditions thermiques de cure

Le remblai en pâte cimenté (RPC) est un mélange de rejets du concentrateur (ou résidus miniers) filtrés, d’eau d’appoint pour le malaxage et d’un agent liant. Il est destiné à remplir les vides créés dans les mines souterraines pendant l’extraction du minerai. Le RPC sert alors de support secondaire, contribuant ainsi à la sécurité des travailleurs et à une extraction complète du minerai.

L’utilisation du RPC dans le pergélisol en milieu nordique n’a pas encore fait l’objet d’assez de recherche. Pourtant, la formulation au laboratoire de la recette optimale passe par la connaissance de la température de cure de la masse de RPC in situ. Cette température de cure dépend de plusieurs facteurs, dont la température de mise en place du RPC, la température initiale du pergélisol, les dimensions des chantiers à remblayer, etc. Comme il est impossible de reproduire un chantier au laboratoire, le recours à des modèles numériques calibrés et validés représente une bonne alternative. Ce calibrage et cette validation de modèles ne pourraient se faire que via des données acquises au laboratoire car les données d’un chantier remblayé avec du RPC en milieu nordique sont pour le moment inexistantes.

Objectifs, approche méthodologique et résultats

Ce projet de recherche avait pour objectif général de développer de nouveaux outils d’aide à la conception du RPC en conditions nordiques. Le premier objectif spécifique visé était de contribuer  à une meilleure compréhension de l’impact des basses températures des conditions nordiques sur le transport du RPC à travers un réseau de distribution constitué de pipelines et de trous de forage. Pour cela, l’effet de la température ambiante sur les propriétés rhéologiques et thermiques du RPC frais a d’abord étudié. Ces deux propriétés influent sur les pressions d’écoulement et les échanges de chaleur internes (dans le RPC) et externes (avec l’extérieur). Les résultats obtenus indiquent que les propriétés rhéologiques des RPCs sont thermo-dépendantes contrairement aux propriétés thermiques des RPCs frais (non gelés)qui ne sont pas thermo-dépendant. Des tests d’écoulement en boucle ont ensuite été réalisés à l’échelle du laboratoire pour déterminer l’évolution de la température et des pertes de charges le long du réseau d’écoulement. Les données obtenues ont alors été utilisées pour calibrer afin de déterminer et simuler un modèle numérique d’écoulement du RPC avec le module «Non Isothermal Pipe Flow» du code COMSOL Multiphysics® 5.2. Il a été observé que les données expérimentales concordaient très bien avec les données prédites avec le modèle. Le modèle numérique a finalement été utilisé pour simuler le transport du RPC dans un réseau de distribution typique à grande échelle (fourni par le partenaire industriel) afin d’optimiser le design du système de distribution en déterminant les pressions de pompages et surtout la température de mise en place du remblai dans les chantiers souterrains du pergélisol. L’influence de divers paramèters (vitesse de transport du RPC, diamètre de pipelines, isolation thermique des pipelines et température de l’air extérieur, de l’air sous terre et du RPC à l’usine) a été étudiée.

Le deuxième objectif spécifique visait à contribuer à une meilleure compréhension des conditions thermiques de cure du RPC dans des chantiers souterrains délimités par des parois de pergélisol. L’effet du gel sur les propriétés thermiques du RPC a d’abord été étudié. Par la suite, un modèle numérique construit à l’aide du module «Heat Transfert» du code COMSOL Multiphysics® 5.2 a été validé avec des résultats expérimentaux obtenus au laboratoire à partir de modèles physiques simulant le transfert de chaleur 1D et 3D dans le remblai. Le transfert de chaleur 1D a été simulé avec des essais en colonnes soumises à différentes conditions thermiques aux frontières. Le transfert de chaleur 3D a été simulé à l’aide d’un baril rempli de RPC et placé dans une chambre froide à une température contrôlée (autour de -11°C). Les colonnes et le baril étaient instrumentés pour mesurer la distribution et l’évolution de la température dans les matériaux utilisés. Une très bonne concordance a été observée entre les résultats expérimentaux et numériques. Le modèle numérique calé et validé a été ensuite utilisé pour étudier le transfert de chaleur 3D dans le RPC curant sous les conditions aux frontières des chantiers miniers souterrains dans le pergélisol. Les caractéristiques d’un chantier typique fournies par le partenaire industriel ont été considérées. Les résultats des simulations numériques ont permis de montrer comment la température diminuait progressivement dans le RPC en fonction du temps jusqu’à ce qu’il soit complètement gelé et atteigne la température du pergélisol. Plusieurs facteurs d’influence (dimensions des chantiers, distance d’application de la condition aux frontières, type de roche du pergélisol, température de déposition du RPC, température initiale du pergélisol, etc.) ont été étudiés.

Retombées

Ce projet de recherche a permis de développer les premiers outils d’aide à la conception appropriée du RPC en conditions nordiques. Ces outils qui s’intègrent à l’ensemble des connaissances déjà acquises sur le RPC en zones tempérés seront mis au profit des exploitations minières en milieu nordique futures des Mines Agnico Eagle Ltée et d’autres entreprises minières canadiennes, voire mêmes étrangères. Ce projet a aussi contribué au développement des capacités de recherche au Québec, entre autres par la formation de deux étudiants à la maîtrise et de trois étudiants de premier cycle. Il y a aussi des retombées au niveau économique, social et environnemental. En effet, la technologie de remblayage minier souterrain permet de stocker sous terre jusqu’à 50% du volume des résidus qui auraient dû être stockés en surface (réduction de la contamination de l’environnement, surtout lorsque ces résidus sont générateurs de drainage minier acide ou neutre contaminé). Le RPC en conditions nordiques contribuera ainsi à réduire l’empreinte écologique des activités minières sur le territoire québécois, et particulièrement en milieu nordique où l’environnement est fragile.