Dépôt numérique
RECHERCHER

Modélisation numérique des processus physiques affectant le comportement des haldes à stériles produisant du drainage minier acide.

Lahmira, Belkacem (2009). Modélisation numérique des processus physiques affectant le comportement des haldes à stériles produisant du drainage minier acide. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 453 p.

[img]
Prévisualisation
PDF
Télécharger (9MB) | Prévisualisation

Résumé

Les haldes à stériles sont des systèmes hétérogènes où l’écoulement multiphasique prend place. Ces conditions peuvent mener à la formation du drainage minier acide (DMA). Ces systèmes se caractérisent par une granulométrie très étalée et une structure interne complexe. La méthode d’extraction des matériaux est à l’origine de leur hétérogénéité alors que la complexité de la structure interne des haldes est causée principalement par la méthode de construction et la topographie du lieu. De plus, les propriétés des matériaux peuvent évoluer dans le temps, notamment à cause du processus d’oxydation des minéraux sulfureux qui modifie la granulométrie et la porosité du milieu et par conséquent les propriétés hydriques (perméabilité) des matériaux. Ces particularités des haldes à stériles font en sorte qu’une caractérisation complète de ces systèmes est une tâche difficile. De plus, les mécanismes impliqués dans la production du DMA sont nombreux : réaction d’oxydation des sulfures, réactions chimiques, écoulement des fluides (eau, gaz), apport d’oxygène, transport de masse et transfert de chaleur. Ces mécanismes sont couplés (interdépendants) et leur interaction ne peut pas être analysée en détail en étudiant chaque phénomène séparément. De plus, la complexité du système est augmentée par les variations journalières et saisonnières des conditions externes exercées sur la halde (précipitations, température et pression atmosphérique). L’objectif global de cette recherche doctorale est de mieux comprendre l’effet de l’hétérogénéité des haldes à stériles sur les processus physiques impliqués dans la production de DMA. L’approche utilisée repose sur la modélisation numérique. Les aspects particuliers abordés dans cette thèse sont les suivants : (1) l’effet des conditions atmosphériques (température, pression atmosphérique) sur l’écoulement du gaz dans les haldes à stériles (cas particulier de la mine Sullivan); (2) l’effet des hétérogénéités (physique, chimique, couches compactées) et de la méthode de construction (anisotropie) sur les processus physiques impliqués dans la formation de DMA (particulièrement l’écoulement des fluides et l’apport d’oxygène); (3) l’évolution des propriétés des matériaux et son impact sur le taux de génération de DMA et le comportement global d’une halde à long terme (cas particulier de la mine Doyon). Les modélisations réalisées pour aborder les aspects 1 et 3 sont basées sur des sites spécifiques, respectivement les haldes des mines Sullivan et Doyon, tandis que l’aspect 2 a été couvert en réalisant des modélisations pour des conditions génériques, mais inspirées de celles rencontrées à la mine Doyon. En relation avec l’aspect 1, la modélisation a montré que même pour une halde recouverte d’une couverture de till, la convection thermique des gaz était un mécanisme important. L’amplitude et le sens (vers le haut ou le bas) de la convection des gaz dans une halde dépendent de la flottabilité du gaz dans la halde par rapport à l’air atmosphérique, selon la différence de densité du gaz dans la halde par rapport à celle de l’air atmosphérique. Dans le cas de la halde de la mine Sullivan où le gaz de la halde et l’air ont des masses molaires équivalentes, cette différence de densité dépend directement, et presque exclusivement, de la différence de température entre l’intérieur de la halde et l’air atmosphérique. L’écoulement du gaz dans les haldes (principalement le sens d’écoulement) n’est pas affecté par les changements de la pression atmosphérique qui ont peu d’effet (non significatif) sur les densités du gaz dans la halde et de l’air atmosphérique. En relation avec l’aspect 2, on a observé que l’hétérogénéité physique reliée à un empilement aléatoire de matériaux aux propriétés distinctes induit des chemins d’écoulement préférentiels d’eau et de gaz. L’écoulement de l’eau est concentré dans les matériaux fins. Le matériau fin maintient un degré élevé de saturation en eau, ce qui lui donne une conductivité hydraulique effective plus grande que celle du matériau plus grossier qui a un faible degré de saturation. À l’opposé, l’écoulement du gaz se fait généralement à travers le matériau grossier à cause de sa plus forte saturation en gaz et de sa conductivité effective au gaz plus élevée que celle du matériau fin. En plus de l’hétérogénéité, l’anisotropie induite par les modes de construction des haldes s’est révélée avoir un effet important sur la circulation des gaz. L’anisotropie est le facteur dominant par rapport à l’intensité des cellules de convection et l’importance de leur contribution à l’apport d’oxygène à l’intérieur de la halde. En ce qui concerne l’hétérogénéité chimique (représentée ici par deux réactivités différentes), ses effets principaux semblent être un fort étalement du front d’oxydation à l’intérieur de la halde ainsi que des variations prononcées du taux d’oxydation d’un endroit à l’autre selon la présence ou non des matériaux réactifs. Cependant, les différentes réactivités des matériaux peuvent être représentées par une réactivité équivalente (moyenne) dans un modèle, sans affecter grandement le comportement global de la halde. Au contraire, l’utilisation de propriétés homogènes équivalentes n’est pas valable pour représenter l’effet de l’hétérogénéité physique, puisque l’écoulement préférentiel et la distribution des fluides au sein de la halde sont fortement contrôlés par les propriétés capillaires des matériaux. Les couches compactées créées lors de la construction des haldes à stériles affectent aussi grandement l’écoulement des fluides. Ces couches retiennent plus d’eau au sein de la halde, ce qui leur permet de jouer le rôle d’une barrière capillaire. Malgré cette particularité, les couches compactées n’arrêtent pas la convection du gaz et la génération de DMA, mais plutôt subdivisent la cellule de convection principale des gaz en plusieurs cellules de convection selon le nombre de couches compactées présentes dans la halde. Finalement, au niveau de l’aspect 3, le suivi à long terme du comportement des haldes (cas particulier de la halde sud de la mine Doyon) a permis de conclure que la vie de cette halde passe par plusieurs périodes. La 1ère période correspond à une oxydation et une production de DMA en augmentation continue jusqu’à l’atteinte d’un maximum. La 2e phase montre un taux d’oxydation stable à la valeur maximale. La 3e phase est la période de vieillesse qui se caractérise par une diminution progressive du taux d’oxydation. Dans le cas de la mine Doyon, la cause principale de cette diminution du taux global d’oxydation a été attribuée à l’évolution des propriétés des matériaux dans le temps. Cette évolution implique une diminution de la perméabilité des matériaux qui deviennent de plus en plus fins à cause de leur altération reliée à l’oxydation et de la précipitation de minéraux secondaires dans les pores. Cette situation fait augmenter la saturation en eau dans la halde, ce qui résulte en une diminution de l’espace poreux réservé à l’écoulement d’air et à un apport d’oxygène réduit. Les résultats obtenus dans cette thèse ont nettement amélioré notre compréhension des processus physiques impliqués dans la génération de DMA en relation avec l’hétérogénéité et l’anisotropie des haldes à stériles. Ces résultats sont d’intérêt pratique pour la construction des futures haldes et pour la conception de plans de gestion et d’aménagement mieux adaptés aux processus impliqués, particulièrement en relation avec la circulation des gaz et l’apport d’oxygène. Cette thèse n’a cependant pas exploré toutes les conditions et propriétés qui peuvent être présentes dans les haldes à stériles. Ainsi, les résultats des travaux sont applicables en particulier aux haldes formées de matériaux perméables à l’intérieur desquelles l’apport d’oxygène par convection thermique est dominant. De plus, les travaux de simulation sur les effets de l’hétérogénéité ont employé des simplifications dans la distribution spatiale des matériaux et leur hétérogénéité. Ainsi, d’autres comportements que ceux simulés sont probables sous les conditions particulières des haldes, surtout par rapport à leur structure interne et aux propriétés de leurs matériaux. Enfin, les travaux sur l’effet des conditions atmosphériques sur les échanges de gaz et sur l’évolution dans le temps du comportement relié à une réduction progressive de perméabilité sont limités à un seul site dans chaque cas. Ainsi, bien que nos travaux montrent la nature des processus qui peuvent agir dans ces deux sites, ce qui peut aider à comprendre d’autres sites, il est probable que des conditions différentes amènent des comportements qui n’ont pas été reproduits par nos simulations numériques.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Aubertin, Michel; Bussière, Bruno
Mots-clés libres: haldes à stériles; production; drainage minier; température; pression barométrique; hétérogénéité physique; hétérogénéité chimique; modélisation numérique; gaz; DMA
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 06 févr. 2014 20:49
Dernière modification: 17 mars 2016 18:09
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2023

Actions (Identification requise)

Modifier la notice Modifier la notice