Développement de critères hydrogéotechniques et opérationnels pour améliorer la stabilité à long terme des haldes de roches stériles et des ouvrages miniers mettant en valeur les stériles

1. Projet

Le développement de l’industrie minière dans le monde et l’épuisement des gisements de haute teneur engendrera des quantités de rejets miniers de plus en plus vastes. Une partie de ces rejets sont les roches stériles, qui peuvent atteindre environ trois fois le volume du minerai. Elles sont déposées dans des haldes qui atteignent plusieurs centaines de mètres de hauteur. Une alternative favorisant un développement minier durable et une économie circulaire consiste à valoriser une partie des stériles, en les utilisant pour la construction des ouvrages associés à la mine. Ceci peut permettre de réduire les coûts du projet et les impacts environnementaux. Les stériles peuvent avoir des propriétés hydrogéotechniques de très bonne qualité, faisant un excellent matériau pour construire des remblais et des digues. Toutefois, en raison de la taille surdimensionnée des grains, la caractérisation de leurs propriétés ne peut pas se faire suivant les méthodologies standards au laboratoire. Diverses techniques de mise à l’échelle ont été développées, mais aucune n’a été validée de façon satisfaisante. Ainsi, pour la conception des ouvrages en roches stériles, les ingénieurs utilisent souvent des paramètres rapportés dans la littérature pour des enrochements divers, ce qui force à considérer des critères conservateurs et implique une grande incertitude sur les valeurs des paramètres. En plus, le comportement des roches stériles à long terme et les effets des sollicitations environnementales extrêmes dues aux changements climatiques ont été très peu étudiés.

Objectif

L’objectif principal de ce projet est de développer des critères hydrogéotechniques et opérationnels afin d’augmenter la fiabilité des analyses du comportement à long terme des ouvrages en roches stériles.

Résultats attendus et retombées escomptées

Un vaste programme de caractérisation au laboratoire sera mené à l’aide des outils hors norme de grande taille. Due aux limitations de taille au laboratoire, des approches numériques multi-échelles en éléments discrets (DEM) seront développées et calibrées. Ceci permettra de proposer des expressions analytiques et un modèle de prédiction des propriétés des stériles, intégrés dans un code pour modéliser des ouvrages en roche stériles, tels que les haldes, les digues et les remblais. Ces travaux permettront de rendre disponible aux ingénieurs de la pratique des méthodes de calcul du comportement de ces matériaux, à partir d’essais de laboratoire sur des échantillons à l’échelle réduite. Ainsi, des paramètres plus crédibles permettront d’augmenter la fiabilité des analyses des risques à long terme des ouvrages en roches stériles.

Le projet sera mené étroite collaboration avec 4 compagnies minières très actives au Québec et ailleurs dans le monde : Rio Tinto Fer et Titane, Iamgold, Canadian Malartic et Agnico Eagle. Le support des partenaires est possible grâce à la pertinence du sujet et aux applications qui permettront de promouvoir le développement durable dans l’industrie. Les partenaires mettront leurs sites miniers aux besoins du projet, ce qui contribuera à consolider une équipe multidisciplinaire déjà très active au sein de l’Institut de Recherche en Mines et Environnent (IRME) depuis plus de 20 ans.

2. Équipe de recherche

Équipe de recherche

3. Appel de propositions

Le projet est d’une durée de 3 ans et le montant total octroyé est de 300 000 $.

4. Résumé et rapport de recherche

Résultats attribuables directement aux travaux financés.

Le projet a permis de graduer 2 étudiants au doctorat (Kasra Majdanishabestari et Sergio Carrasco) et un étudiant à la maitrise recherche (Tristan Vuilloz), ainsi que de former 2 stagiaires postdoctoraux (David Cantor et Samy GarciaTorres). De plus, 1 troisième étudiant au doctorat (Gilbert Girumugisha) est en cours de finaliser ses études et devrait graduer en décembre 2024. Une dernière étudiante (Paula Quiroz-Rojo) a été partiellement financée par le projet et devraient graduer en 2026.

Les résultats ont été diffusées dans 8 articles de revues scientifiques et 16 articles de conférences Canadiennes et internationales.

Retombées déjà observées qui découle des travaux.

Le partenaire industriel où les roches stériles minières ont été échantillonnées et analysées au laboratoire et in situ utilise présentement les méthodes de mise à l’échelle proposées par le projet, afin d’analyser la stabilité du remblayage d’une fosse minière avec des roches stériles. Des compagnies minières ont pris connaissance des avancées du projet grâce à des articles scientifiques publiées et à des présentations de conférence, et nous ont contacté afin d’évaluer la faisabilité d’appliquer les méthodes développées dans leurs opérations.

Pistes ou questions de recherche soulevées par les résultats.

Étude de l’hétérogénéité dans les haldes à stériles à cause de la ségrégation et stratification lors du déversement : L’hétérogénéité pourrait induire des zones de faiblesse de résistance mécanique, ou des voies de drainage préférentielles. Pourtant, il n’existe pas de méthode de caractérisation ni des études systématiques de ces phénomènes pour les haldes à stériles. La mémoire de maîtrise recherche développée dans ce projet a étudié ce phénomène et a proposé des méthodes expérimentales et numériques qui pourraient être étendues à plus grande échelle pour caractériser le problème réel.

Mise en question des exigences des normes d’essai géotechnique pour les matériaux grossiers, tels que les roches stériles : Les analyses des résultats du projet ont montré que la résistance au cisaillement critique des roches stériles ne présente pas d’effet d’échelle si la taille maximale des particules est plus petite que 1/12 de la taille caractéristique de l’échantillon granulaire. Cependant, les normes internationales ne sont pas d’accord sur ce rapport de taille. Par exemple, pour les tests triaxiaux les normes américaine (ASTM D7181-20) et japonaise (JGS 0530 22) recommandent 1/6 et 1/10, respectivement. En conséquence, les résultats suggèrent que les valeurs recommandées par les normes pourraient être trop faibles et devraient être revues après des tests approfondis et sur divers conditions et matériaux.

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