1 REMBLAIS SOUTERRAINS, ÉVOLUTION DES

REMBLAIS SOUTERRAINS,
ÉVOLUTION DES CONNAISSANCES ET DE LA PRATIQUE
Mostafa Benzaazoual, Denis Boisl, Tikou Belem1, Paul Gauthier2, Serge Ouelletl,
Mamadou Falll, Jean-François St-Onge3
1
UQAT-URSTM, Rouyn-Noranda, Québec
2
Falconbridge, Sudbury, Ontario
3
Agnico-Eagle – mine Laronde, Cadillac, Québec
RÉSUMÉ
Le remblayage est employé dans les mines souterraines aux fins de l’optimisation de
l’exploitation des gisements au niveau du contrôle de terrain et de la gestion environnementale
des rejets d’exploitation. Le choix d’une méthode de remblayage avec du remblai hydraulique,
rocheux ou en pâte, est contraint par un ensemble de facteurs dont la méthode de minage utilisée,
le type de matériaux de remblayage disponible et/ou envisagé et la résistance mécanique désirée.
Dans cet article, les auteurs abordent l’évolution de la pratique du remblayage au Québec au
cours des vingt dernières années, évolution marquée par l’utilisation maintenant largement
répandue du remblai en pâte cimenté. Un portrait de diverses avancées scientifiques et
techniques, qui ont permis une plus grande maîtrise de l’utilisation de ce type de remblai, est
brossé selon quatre volets : 1) la préparation des remblais, au niveau de l’impact, de la
composition chimique des rejets, des liants et de l’eau de gâchage, ainsi que de la granulométrie
des rejets et de la finesse des liants sur la résistance mécanique des remblais; 2) le transport des
remblais, au niveau du contrôle des propriétés rhéologiques des pâtes et du suivi des paramètres
de distribution; 3) la mise en place des remblais, au niveau de l’effet de l’écoulement des eaux et
de la consolidation sur leurs propriétés mécaniques; 4) le comportement mécanique des remblais,
au niveau des mesures des propriétés physico-mécaniques en laboratoire et sur le terrain, ainsi
qu’au niveau des interactions remblais/roches.
INTRODUCTION
Le remblayage dans les mines canadiennes est pratiqué depuis une centaine d’années. L'emploi
du remblayage souterrain est devenu une technique très largement pratiquée dans les mines
modernes à travers la planète (Nantel, 1998; Udd et Annor, 1993). Les résidus miniers et autres
matériaux granulaires fins, transportés hydrauliquement, ont permis, dans les années 1950, le
développement des méthodes de coupes et remblais où ce dernier servait de plancher de travail.
Les remblais hydrauliques cimentés introduits dans les années 1960 ont permis l'utilisation, entre
1
autres, des méthodes longs trous (Nantel, 1998). Dans les années 1980, les techniques du remblai
rocheux cimenté et même des mélanges hydraulique-rocheux cimentés ont été introduites
(Hassani et Bois, 1992). Les années 1990 ont vu l’introduction des remblais à haute densité et des
remblais miniers en pâte cimentés.
L’introduction du remblai minier en pâte cimenté a été, somme toute, fulgurante en raison des
avantages perçus par les opérateurs quant à un ensemble de facteurs relevant de l’économie, de
l’environnement, de la géomécanique et de la sécurité (De Souza et al., 2001). Les années 2000
verront sans doute le développement des performances des remblais miniers en pâte cimentés,
entre autres, en combinaison avec des techniques de désulfuration, permettant l’application d’une
véritable méthode de gestion intégrée des résidus (Bois et al., 2004).
Le remblai minier en pâte cimenté est un mélange de résidus de concentrateur fins encore
humides issus d'une filtration du résidu final, d'un liant hydraulique composé d'un ou de plusieurs
ciments dans une proportion allant de 3 à 7 % et, enfin, d'eau de gâchage pour ajuster le
pourcentage solide du mélange (entre 70 et 85 %) selon l'affaissement désiré.
Chacune de ces trois composantes joue un rôle important dans le transport, la mise en place et
l'acquisition de la résistance à court terme de même qu’à long terme du remblai en pâte. Les
avantages associés à l'utilisation du remblai en pâte sont qu'ils permettent (i) de diminuer les
quantités de résidus sulfureux générateurs d'eau acide stockés en surface, réduisant du même
coup les problèmes environnementaux de pollution et, (ii) d'augmenter les réserves exploitées en
intervenant comme piliers secondaires destinés à assurer la stabilité des vides créés. Le remblai
en pâte ainsi destiné à favoriser la stabilité des chantiers (vides) doit posséder une certaine
résistance mécanique limite, afin de satisfaire aux exigences du design de la méthode
d'exploitation minière.
En sus des informations qu’il procure sur l’état actuel et l’évolution de la pratique du remblayage,
cet article constitue une synthèse des résultats de travaux récents réalisés par divers auteurs et
équipes de recherche au Canada et ailleurs dans le monde, portant particulièrement sur l’utilisation du remblai minier en pâte cimenté (RMPC).
CONSIDÉRATIONS TECHNICO-ÉCONOMIQUES
ET ÉVOLUTION DE LA PRATIQUE
Les principaux types de remblais en usage dans les mines souterraines au Canada sont le remblai
hydraulique cimenté ou non-cimenté, le remblai rocheux cimenté ou non-cimenté et le remblai en
pâte cimenté (De Souza et al., 2001). La figure 1 illustre cette répartition. Cette figure provient
d’une revue sur l’état de la pratique du remblayage dans les mines souterraines canadiennes
réalisée par le département de Génie minier de l’Université Queen’s où 33 entreprises utilisant le
remblayage souterrain ont fourni des informations pertinentes. On citera par la suite dans le texte
De Souza et al., (2001) pour faire référence à cette revue.
2
70%
Cimenté
60%
Non-cimenté
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Hydraulique
Rocheux
Pâte
H.Densité
Autres
Figure 1. Graphique illustrant la répartition des différents
types de remblai cimenté et non cimenté (Adaptée de De Souza et al., 2001).
Le remblai hydraulique est produit à partir de l'hydrocyclonage des rejets de concentrateur, son
transport s’effectuant par gravité ou par pompage à travers un réseau de trous et de tuyaux
jusqu’aux chantiers à un pourcentage solide variant de 60 à 75 %. L'ajout de liant est requis
lorsqu'au moins une des faces du remblai sera exposée par le minage des chantiers adjacents.
L’utilisation du remblayage hydraulique n’exige pas de un coût de capital peu élevé, se réalise à
un faible coût de production et d’entretien du réseau de distribution et permet une réduction des
aires d’entreposage des résidus en surface. Son emploi implique toutefois la construction de
barricades hydrostatiques, le pompage et la gestion des eaux de drainage, le lessivage d’une
partie du liant avec l’eau de drainage ainsi que la ségrégation des grains pendant le drainage du
remblai. De plus, les rejets de concentrateur ne doivent pas être sulfureux.
Le remblai rocheux est produit à partir de stérile distribué sous terre par un réseau de cheminées
et transporté aux chantiers par convoyeur ou par camion, selon la géométrie du gisement.
Lorsque requis, le mélange du stérile et du liant s’effectue aux points de déversement du remblai
dans le chantier. L’utilisation du remblai rocheux permet l’emploi du stérile provenant du
développement souterrain ou d’une fosse à ciel ouvert, réduisant ainsi les aires d’entreposage de
stérile en surface. Ce type de remblai, lorsque consolidé avec un liant offre une bonne résistance
mécanique lorsqu’il n’y a pas trop de ségrégation des agrégats, ne nécessite aucune barricade ni
ne génère d’eau de drainage. Par contre, des coûts importants peuvent être générés par la
production du matériel en surface ainsi qu’au niveau du concassage, du tamisage et du transport
du stérile au point de déversement sous terre.
Le remblai en pâte est un mélange de rejet de concentrateur, d’eau de procédé et de liant
hydraulique ramené à un pourcentage solide variant de 70 à 85 % solide suivant la pression de
pompage opérationnelle. Le pourcentage de liant utilisé à ce jour varie généralement entre 3 et
7 % suivant les résistances désirées pour le support des terrains. Mentionnons que le remblai en
pâte est un matériau complexe dont les propriétés évoluent dès sa fabrication à l’usine jusqu’à
son durcissement dans les chantiers et même après. L’utilisation du remblai en pâte, pour le
remblayage des chantiers souterrains, permet l’utilisation de la totalité ou presque des rejets de
concentrateur, la réduction des quantités de liants comparés au remblai hydraulique pour obtenir
les mêmes résistances, la limitation des eaux de drainage provenant du remblai de même que la
construction de barricades simples. L’emploi de ce type de remblai entraîne toutefois
3
d’importants coûts d’infrastructures en surface, et la résistance des remblais en pâte est plus
faible que celle du remblai rocheux pour les mêmes quantités de liant.
Remblayage en 1000 tm/jour
Bien que le remblayage contribue à une gestion efficace des rejets miniers, sa fonction première
demeure la récupération optimale des réserves minières, en assurant la stabilité mécanique des
ouvrages. À cet effet, De Souza et al., 2001 font ressortir de leur enquête qu’une relation quasi
linéaire existe entre le taux de minage et le taux de remblayage journalier (figure 2), laissant ainsi
à penser que la grande majorité du remblayage effectué, bien qu’assurant une fonction d'appui à
la gestions des rejets, vient supporter les besoins de la production.
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
<2
2-3
3-4
4-5
>5
Production en 1000 tm/jour
Figure 2. Graphique illustrant la relation
entre le tonnage de minerai extrait et le remblayage effectué (données tirées de De Souza et al., 2001).
Toutefois, le remblayage demeure une opération coûteuse. En effet, on peut tirer de la revue de
Gauthier (2004) que dans 90 % des cas observés, le coût du remblai se situe entre 4,60 $ et
17,90 $ CAN par tonne de remblai. Ces variations de coûts s’expliquent essentiellement par le
type de remblai utilisé, la localisation de la mine et la proportion des liants utilisés. Plus
spécifiquement, toujours selon cette étude, on remarque un coût moyen de 4,20 $/tonne pour le
remblai hydraulique, de 8,10 $/tonne pour le RMPC et de 9,70 $/tonne pour le remblai rocheux.
À noter que cette étude réalisée au département des Sciences appliquées de l’Université du
Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT) portait sur l’utilisation des liants appliqués aux
remblais dans les mines souterraines où 32 entreprises ont répondu, dont 23 du Canada, 5 des
États-Unis, 3 de l’Australie et 1 de Tanzanie. On citera par la suite l’étude de Gauthier, (2004)
pour faire référence à cette revue et pour les statistiques sur les mines québécoises (7) séparées de
l’ensemble de l’échantillon.
Le coût global des activités de remblayage peut être subdivisé en diverses composantes, soit les
coûts reliés aux liants, à la préparation (frais d’usine et autres intrants), à la mise en place
(transport et distribution) et une composante autres pour tenir compte des coûts reliés à la gestion
des eaux de drainage, au monitoring, etc. On observe de la figure 3 que pour l’ensemble des
répondants, 67 % des coûts sont attribuables aux liants. On remarquera que cette proportion passe
à 73 % pour les mines québécoises de cet échantillon (Gauthier, 2004).
4
80%
70%
60%
Québec
50%
Autres régions
40%
30%
20%
10%
0%
Liants
Préparation
Mise en place
Autres
Figure 3. Graphique illustrant la répartition des coûts d’une opération de remblayage au Québec et ailleurs.
Prix en $US
La figure 4 présente l’évolution des coûts des liants en dollars américains courants (USGS,
2005). On peut remarquer la progression constante des coûts de ciment au cours des dernières
années : le coût des scories devrait suivre approximativement l’évolution des coûts du ciment; les
coûts antérieurs à 2002 sont une moyenne des coûts des différents produits de scorie vendus. Par
ailleurs, un augmentation significative des coûts des scories dédiés à la cimentation s’est produite
en 2001 (communication verbale, H.G. van Oss, USGS).
90
80
70
60
50
40
30
20
10
-
$
$
$
$
$
$
$
$
$
$
1960
Ciment
Scorie
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Année
Figure 4. Graphique illustrant l’évolution des coûts des liants (ciments et scories).
Les considérations d’ordre économique sont les forces qui poussent la recherche pour substituer
l’utilisation du ciment Portland dans les remblais miniers. La sélection et l’utilisation de liant
alternatif en remplacement du ciment sont largement gouvernées par sa disponibilité, son coût et
ses performances techniques. Les coûts des liants sur le marché sont affectés par le coût de
l’énergie, les distances de transport et la demande dans l’industrie de la construction. Pour une
région comme l’Abitibi-Témiscamingue, les coûts de transport constituent une partie significative du prix des liants.
Le ciment Portland est disponible et distribué partout au Canada. Les liants alternatifs tels que les
cendres volantes et les laitiers ou scories sont produits dans les centres industriels tandis que les
pouzzolanes naturelles sont localisées à des endroits spécifiques en fonction de la géologie.
5
Le tableau 1 présente les coûts moyens aux sites miniers, des principaux liants utilisés pour le
remblayage (Gauthier, 2004). En moyenne au Québec, le coût du liant se situe entre 1,40 $ et
1,50 $ par pourcentage de ciment ajouté par tonne de solides.
Tableau 1. Coût moyen des liants en 2003 (Gauthier, 2004)
Type de liants
$ Can (2003)
Ciment type 10
155$
Ciment type 50
163$
Cendres Volantes Type C
105 $
Cendres Volantes Type F
95 $
Scories ferreuses
136 $
La figure 5 présente la proportion relative des liants utilisés pour le remblayage pour l’ensemble
des régions couvertes par l’étude de Gauthier (2004) et pour les mines québécoises de cet
échantillon. On observe des variations importantes de consommation entre ces deux populations.
45%
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
Autres régions
Québec
Laitier
Cendre
Volante
Type F
Cendre
Volante
Type C
Ciment
Type 50
Ciment
Type 10
Figure 5. Graphique illustrant la proportion relative
des liants utilisés pour le remblayage (Gauthier, 2004).
L’ajout de liants vise à conférer de la résistance mécanique. Le RMPC offre une résistance
mécanique supérieure au remblai hydraulique pour un pourcentage poids équivalent en liants. La
figure 6 présente, à titre indicatif seulement, les résistances mécaniques obtenues après 28 jours,
en fonction des pourcentages liants utilisés, et ce, selon le type de remblai utilisé (Gauthier,
2004). On remarquera que les meilleures résistances ont été obtenues avec le remblai rocheux.
On observe aussi que la résistance du remblai hydraulique est faible même à des taux élevés de
liants. Toujours selon l’étude de Gauthier (2004), la quantité moyenne de liants utilisés par les
mines québécoises est de 4,2 % en poids pour les chantiers primaires et de 2 % en poids pour les
chantiers secondaires.
6
Figure 6. Graphique illustrant les résistances mécaniques versus les proportion de liants (Gauthier, 2004).
Des variations importantes de résistance sont observées d’une mine à l’autre pour un même
pourcentage poids en liants dans les remblais. Ces différences s’expliquent en partie par la qualité
de la cimentation agissant sur la masse de remblai en fonction, entre autres, des propriétés
chimico-minéralogiques et physiques (granulométrie et densité relative) des résidus et de la
nature de l’eau de gâchage. Il faut considérer les variations de poids spécifiques des résidus
utilisés pour le remblayage. À titre d’exemple, des RMPC utilisant un même pourcentage de
liants mais dont les poids spécifiques diffèrent de 500 kg/m3, tout autre paramètre étant égal par
ailleurs, présenteront un écart de consommation de liants de près de 17 % par unité de volume
remblayé.
Tel que mentionné précédemment, les coûts en capital pour une usine de RMPC sont importants.
La figure 7 a été préparée à partir d’évaluations de coûts en préfaisabilité (Ouellet, 2003) et
(Demers, 2003) et qui ont été subdivisés selon les diverses fonctions de l’usine de remblai. La
figure 7 met en évidence la distribution des coûts selon les divers secteurs de l’usine. On
remarque que la filtration (ou l’assèchement) des résidus représente à lui seul près de 50 % des
coûts. Ce secteur représente en soi un domaine de développement important pour la réduction des
coûts de capital.
60%
50%
40%
30%
20%
10%
Asséchement
Mélange
Bâtiment
Stockage et
distribution
résidus
Stockage et
distribution
ciment
Services
généraux
Distribution
0%
Figure 7. Graphique illustrant la distribution des coûts selon les diverses fonctions de l’usine de remblai.
7
Afin de pouvoir apprécier l’évolution de la pratique du remblayage, une troisième étude a été
utilisée. Cette dernière a été réalisée en collaboration entre l’Université McGill et l’Université du
Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT), et elle portait sur treize mines souterraines du
Québec en opération et trois projets de développement. Elle a également permis l’élaboration de
modèles de coûts et a été complétée en 1991. On citera par la suite dans le texte Hassani et Bois,
(1992), pour faire référence à cette étude.
Bien que les sources d’informations utilisées ici ne reflètent pas un inventaire exhaustif de la
situation, elles permettent toutefois de reconnaître de grandes tendances. On a pu remarquer en
comparant les résultats de Hassani et Bois, 1992 et Gauthier, 2004, que la moyenne de production
de minerais des mines à l’étude au Québec était, en 1991, de 1 300 tm/j pour des mines ayant
débuté, en moyenne, leurs opérations en 1980 et que cette production est passée, en 2004, à une
production moyenne de 3 300 tm/j pour des mines ayant, en moyenne, débuté leurs opérations en
1992.
La figure 8 met en relation des informations obtenues de diverses études sur la pratique du
remblayage soit Hassani et Bois (1992), De Souza et al., (2001) et Gauthier (2004). La
comparaison des diverses sources d’informations montre, sans contredit, la popularité croissante
du remblai en pâte, entre autres, au Québec.
Autres
1991-Québec
Hydraulique
2001-Canada
Rocheux
RMPC
2004-Canada, EU, +
2004-Québec
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Figure 8. Graphique illustrant l’évolution du type de pratique de remblayage (en % d’occurrence) de 1991 à 2004
En 1991, au Québec, il n’y avait aucun projet de RMCP en opération et un seul projet était à
l’étape de la faisabilité technique. En 2004, selon les données disponibles, plus de 63 % des
activités de remblayage relevaient de la pratique du RMPC (ce qui représente plus de 71 % du
matériel remblayé). Cette augmentation est aussi constatée au niveau canadien, selon nos sources,
en 2004 observait que 44 % des activités de remblayage relevaient de la pratique du RMCP
(incluant le remblai Haute densité) contre 24 % en 2001.
8
AVANCÉES SCIENTIFIQUES RELATIVES
AUX REMBLAIS MINIERS EN PÂTE CIMENTÉS
Les dix dernières années ont apporté de nombreuses avancées au niveau des connaissances
scientifiques et techniques, favorisant ainsi une plus grande maîtrise de l’utilisation des remblais
miniers en pâte cimentés (RMPC). Ces avancées portent sur quatre volets :
1.
2.
3.
4.
Optimisation des recettes de RMPC;
Étude du transport du RMPC;
Mise en place du RMPC;
Comportement mécanique du RMPC in situ.
Comme on l’a vu dans la section précédente, un nombre croissant de mines utilise le RMPC. Une
expertise s’est développée chez les opérateurs miniers, en lien avec de nombreux fournisseurs
d’équipements, des firmes de consultations spécialisées (Canada, États-Unis, Australie, Afrique
du Sud, etc.) et plusieurs équipes de recherche privées ou publiques (Canada, Australie, Turquie,
etc.)
Optimisation des recettes du RMPC
Cette section inclut de nombreuses études menées (notamment à l’UQAT) lors de divers projets
d’optimisation du remblai en pâte au Québec et ailleurs dans le monde. L’une des constatations
des dernières années se situe au niveau des différents intrants de la recette des remblais, à savoir
que chacun de ceux-ci a une importance capitale dans l’acquisition de la résistance mécanique
(principal atout recherché pour les RMPC). La figure 9 illustre ces influences. Les rejets influent
par leur composition chimique, par leur granulométrie et leur densité relative. Le ciment agit par
sa composition chimique mais aussi par sa finesse (Blaine). Enfin, l’eau de gâchage influence par
sa chimie et sa quantité. Il en résulte que chaque mine constitue pratiquement un cas à part, où le
type de minerai, le procédé utilisé et les liants choisis conditionnent grandement les performances
obtenues pour le remblai en pâte. Ce qui suit est une synthèse de constats présentés dans divers
articles publiés au courant des dernières années (Benzaazoua et al., 2000; Benzaazoua et Belem,
2000; Fall et Benzaazoua, 2003; Benzaazoua et al., 2004; Fall et al., 2004; Fall et Benzaazoua,
2005).
9
Liant
Eau de mélange
Ca+Mg/ Si+Al
% ciment
% CaSO4
Blaine
Chaux soluble
Sulfates
Eau %
% Liant
Affaissement
3 - 7 wt%
RMCP
Additifs
Rejet
Granulométrie
% sulfures
Densité relative
% H2O
Figure 9. Schéma illustrant la composition des RMCP ainsi que les paramètres les plus importants
Effet de la composition chimique du résidu
•
•
•
•
Le risque de contamination par les sulfates est grand plus il y a de sulfures. Les sulfates
peuvent être produits soit lors du procédé de traitement du minerai, soit durant les premières
phases de cure, et ils sont attribuables à la présence d’oxygène incorporée à la pâte de remblai
durant sa préparation.
La réactivité des sulfures est négligeable tant que le RMPC demeure saturé en eau. En effet,
l’oxygène ne diffuse pas ou très peu à travers le massif, et seules les faces exposées à l’air ou
le long de fractures du chantier remblayé peuvent favoriser la réactivité des sulfures.
Dans le cas de résidus ayant subi un traitement de destruction des cyanures par le procédé
SO2-Air, il faut alors tenir compte d’un apport de sulfates dans le mélange.
Il est important de noter que les sulfures affectent aussi les caractéristiques physiques du
résidu. En effet l’augmentation de la teneur en soufre du résidu entraîne une augmentation de
la densité du résidu.
Effet de la granulométrie du résidu
•
Il est bien établi maintenant que la granulométrie, ou plutôt l’étalement des courbes de
distribution de la taille des particules, joue un rôle primordial comme le montre la figure 10.
La granulométrie influe de deux façons qui sont vraisemblablement indissociables :
o
o
Par la quantité de fines qui va influer sur les taux de consolidation et de drainage dans le
RMPC;
Par la rigidité des hydrates qui vont se former dans les vides existant entre les particules
du résidu.
•
Aussi, les remblais cimentés dont les résidus présentent une distribution granulométrique
étalée permettent d'obtenir une plus grande résistance que les remblais dont les résidus
présentent une distribution granulométrique uniforme.
•
La morphologie des grains a aussi une grande importance. Ainsi, des particules
phyllosilicatées (souvent tabulaires), lorsque abondantes, peuvent induire des effets
10
UCS28-jours (kPa)
indésirables. Il a donc été noté que des rejets contenant beaucoup de séricites nécessitent
souvent beaucoup d’eau (70 % pourcentage solide) pour atteindre des consistances adéquates.
Ce type de remblai se consolide très mal une fois mis en place sous terre.
2000
1050
460
2.8
4.8
-0,0035
6.8
%Ciment
% ciment
8.7
7.0 1,25931
W/C
E/C
9.3
55
30 0,16207
70
%Fine
F/G (<20µm)
3.45
3.380,28887
3.50
ρX(Gs)
t (g/cm³)
Figure 10. Exemple de courbes issues d’une simulation montrant l’effet des paramètres, proportion de liant (%Ciment), de la
quantité d’eau (W/CL ratio massique ciment/eau) et des caractéristiques physiques (finesse et densité) du résidu sur la
résistance mécanique (UCS) du remblai en pâte (Fall et Benzaazoua 2003; ciment T10/Slag : 20/80 utilisé)
Effet de la densité relative du résidu
Des résidus présentant des densités relatives plus élevées montrent généralement des résistances
mécaniques plus élevées. Ceci est principalement attribuable à l’augmentation de la consommation volumique en liant du remblai avec la densité du résidu (figure 10).
Effet de la quantité d’eau
•
En général, plus il y a d’eau, moins bonne sera la résistance mécanique acquise durant les
différentes étapes de cure (figure 10). Ce paramètre est très relié à la transportabilité du
RMPC. Il faut trouver l’optimum pour que le RMPC contienne le moins d’eau possible, tout
en étant transportable. Pour une même opération, cet optimum peut être très variable (selon la
variabilité de la densité spécifique du rejet, mais aussi selon d’autres facteurs reliés au réseau
de distribution).
•
Il faut noter que certains RMPC ont une plus grande demande en eau que d’autres, et cela
dépend du type de ciment et du type de rejet.
Effet de la chimie de l’eau
L'eau interstitielle des résidus filtrés est souvent riche en sulfates solubles quand les résidus
contiennent beaucoup de sulfures. Ainsi, selon la teneur en sulfate, la quantité d’eau ajoutée
permet de diluer plus ou moins l'eau interstitielle généralement chargée chimiquement (sulfates,
calcium et autres métaux). À cela s’ajoute le sulfate de calcium sous forme de gypse
(CaSO4.2H2O) ou d’anhydrite (CaSO4) qui est rajouté au clinker comme régulateur de prise.
•
La chaux est souvent rajoutée dans les procédés de traitement pour maintenir une alcalinité
élevée des pulpes de minerai. Cette chaux va se retrouver dans les rejets, et elle participe sans
aucun doute au phénomène de cimentation dans les RMCP.
11
•
Les sulfates dans l’eau peuvent provenir de l’oxydation précoce des sulfures dans le résidu.
Cette réactivité dépend du contenu en sulfure et des types de sulfure, la pyrrhotite étant très
réactive par rapport à la pyrite. Les sulfates peuvent aussi provenir des procédés de
décyanuration à base de SO2-Air. La concentration en sulfates dépend alors de la quantité en
cyanure qui, elle-même, dépend de la quantité d’or et de son accessibilité ainsi que d’autres
consommateurs de cyanures, comme le cuivre résiduel.
•
Les sulfates agissent de trois manières différentes sur le durcissement des RMPC selon leur
concentration. Jusqu’à une certaine concentration, la présence croissante de sulfates solubles
conduit à une prise de plus en plus lente attribuable à l’inhibition de l’hydratation par les
sulfates. Toutefois, un effet bénéfique est observé à des concentrations plus élevées en
sulfates et qui ne pourrait s’expliquer que par la contribution de la précipitation des sulfates
hydratés aux phénomènes de cimentation. Cependant, quand la teneur en sulfates est
tellement importante qu’il n’y a plus de place pour les sulfates calciques hydratés, il se
produit ce qu’on appelle une attaque sulfatique causant en général une fracturation de la
masse de RMPC durcis (chute de résistance). Il s’agit là d’un phénomène souvent observé
dans le cas de rejets très sulfureux, et ce, à moyen et long termes (Benzaazoua et al., 1999).
Effet du type et de la proportion de liant
Comme on pouvait s’y attendre, le type de liant a un effet capital sur le comportement mécanique
à court et à long termes de même que sur sa résistance aux éventuelles altérations.
•
Les principales constatations à ce jour sont les suivantes : les liants à base de cendres volantes
(type C) n’offrent pas de bonnes performances; les liants à base de ciment Portland (ordinaire
ou T10, résistant aux sulfates ou T50 ou enrichi en fumée de silice, HSF) offrent des bonnes
performances selon la proportion de sulfate. Les recettes à base de ciment au laitier (T10Slag) peuvent être performantes dans le cas où les liants Portland ne sont pas efficaces.
•
Il est clairement démontré qu’il n’existe pas de recette idéale. Un liant peut s’avérer efficace
dans un cas et complètement inefficace dans l’autre. D’où la nécessité, pour les opérateurs de
procéder par une optimisation préalable servant à trouver la recette optimale, prenant en
compte les contraintes techniques (en matière de support terrain), environnementales
(disposition des résidus problématiques en surface) et économiques (coût de l’opération qui
dépend fortement de la disponibilité et du coût des liants).
•
La proportion de liant et son effet sur la résistance des RMCP est simple à comprendre,
puisque plus on ajoute de liant dans le remblai, meilleure sera sa résistance. Plusieurs études
montrent clairement qu’il existe une relation quasi-linéaire (proportionnalité directe) entre
l’augmentation de la proportion de liant et la résistance mécanique générée (figure 10).
•
Les nouvelles tendances consistent à étudier les potentialités de l’utilisation de liants
alternatifs (en général, sous-produit provenant d’autres industries comme scories de fonderie
de cuivre ou de zinc, cendres d’usine de cogénération, chaux usées, produits calsifrits, etc.)
Les résultats varient d’un cas à l’autre, mais la tentative peut s’avérer très intéressante quand
on procède par une optimisation adéquate.
12
Étude du transport
Certaines équipes de recherche se sont penchées sur cette thématique visant à mieux contrôler la
rhéologie des pâtes en fonction du parcours (réseau de conduites) que doit suivre le remblai entre
l’usine de fabrication et le lieu de déposition sous terre. Dans ce domaine, l’expérience acquise
par les mines a permis une progression. Il est maintenant possible d’ajuster avec précision la
quantité d’eau dans le mélange pour éviter le blocage lors du transport. Ce contrôle passe par
l’installation de capteurs de pression dans la tuyauterie à différents points du circuit, par la
mesure précise de la poussée des pompes et par le contrôle automatisé en continu de tous les
paramètres d’importance (entre autres la teneur en eau, la pression aux différents endroits de la
tuyauterie, le tonnage de la pâte, la force des pompes, etc.)
Les travaux de recherche sur la rhéologie des pâtes de remblai et l'expérience acquise jusqu'ici
semblent indiquer que le RMCP pourrait être considéré comme un fluide plastique de Bingham,
c'est-à-dire que sa viscosité plastique reste constante avec l'augmentation de la vitesse
d'écoulement une fois que le seuil de cisaillement est dépassé. En pratique, il n'est pas aisé
d'accéder aux vraies propriétés rhéologiques des pâtes à cause de la complexité des dispositifs
expérimentaux. Ceci rend difficile, voire impossible, la détermination ou la prédiction de la
viscosité de la pâte qui dépend de plusieurs facteurs. C'est donc l'essai au cône d'affaissement
(slump test) standard (employé pour les bétons) qui est utilisé le plus souvent pour déterminer la
consistance de la pâte de remblai.
Une fois que l’on obtient l’affaissement désiré de la pâte de remblai, celle-ci est envoyée sous
terre à travers un réseau de conduites conçues pour résister aux fortes pressions générées par
l’écoulement de la pâte visqueuse. Un bon design de ce type de système passera nécessairement
par la connaissance des paramètres de l’écoulement laminaire de la pâte tels que le débit, les
gradients de pression et les pertes de charge attribuables aux frottements à la paroi des tuyaux. En
pratique, on a recours aux essais en boucle (flow-loop tests) pour déterminer les pertes de charge
dans la tuyauterie. Le calcul des pertes de charge va alors permettre de déterminer les pressions
de fonctionnement du système de distribution : spécifications de la pompe (s’il y a lieu), choix
des diamètres des tuyaux, choix du débit d’écoulement et de la vitesse d’écoulement. Plus de
détails peuvent être trouvés dans Hassani et Archibald (1998), Li et Moerman (2002), Belem et
Benzaazoua (2004).
D’un point de vue opérationnel, l’automatisation du transport de la pâte constitue un défit de
taille dans les procédés de remblayage. C’est ainsi que la mine Laronde (Agnico-Eagle, Québec)
s’est dotée d’un système complètement automatisé pour le contrôle de la distribution de la pâte de
RMPC jusqu’aux chantiers. Ce contrôle est basé sur le suivi permanent de plusieurs paramètres et
la prise d’actions pour maintenir un niveau de distribution optimal. La figure 11 représente un
exemple de données recueillies sur une période de plus de deux jours d'opération de l'usine de
pâte pour un seul chantier. On y observe un arrêt de production du remblayage de quelques
heures (11/02/05 à 12 h 30). L'intérêt de cette figure réside dans le fait qu'elle montre que durant
le transport du RMPC, l'opérateur n'a effectué que quatre changements de consigne et le système
de contrôle a assuré le maintien des consignes d'opération en mode automatique. L'ajout d'eau
dans le malaxeur s'ajuste en fonction de la résistance de pompage de la pompe hydraulique qui,
elle, actionne la pompe à piston du remblai. Ce système automatisé permet de maintenir une pâte
13
de consistance relativement constante comme le montre la courbe du gradient de pression moyen
dans les pipes (en PSI/m). En minimisant l’ajout d’eau durant le mélange, le système contribue à
l'amélioration de la résistance mécanique de la pâte à terme. Cette pratique a permis le maintien
des lignes verticales presque pleines en tout temps, minimisant ainsi l'usure liée à la chute libre
du remblai sur de longues distances.
Suivi de l'opération de remblayage en pâte
2,8
2,6
1200
2,4
2,0
1,8
800
1,6
1,4
600
1,2
1,0
0,8
400
Gradiant (PSI/m)
2,2
1000
tonnage(t/h)
Pression (PSI), Hauteur (m), vitesse (l/m),
1400
0,6
200
0,4
0,2
0
0,0
11-2-05 11-2-05 11-2-05 11-2-05 11-2-05 12-2-05 12-2-05 12-2-05 12-2-05 12-2-05 13-2-05
0:00
4:48
9:36
14:24
19:12
0:00
4:48
9:36
14:24
19:12
0:00
Sonde pression 86A psi
Hauteur de la ligne en m
Eau ajoutée par batch
Vitesse l/min niveau 86
Sonde pression 86B psi
tonnage/h (t/h)
Pression pompe hydraulique
Gradiant Moy PSI/m
Sonde pression 86D psi
Hauteur estimée
Point de consigne pression Hydraulique
Figure 11. Graphique montrant la variation de divers paramètres en relation
avec le transport de la pâte de RMPC à la mine Laronde (source : J.F. St-Onge, 2005).
Mise en place du remblai
Une fois que tous les paramètres du transport ont été respectés, la pâte de remblai peut être
acheminée jusqu'aux vides souterrains, en fonction des besoins de la production de la mine. Ce
volet traite des aspects relatifs aux écoulements d’eau dans les RMCP, les effets de la
consolidation et les phénomènes de tassement fréquemment observés aux sommets des chantiers
remblayés. Ces aspects revêtent une grande importance, et ce, pour plusieurs raisons, dont l’effet
du drainage et de la consolidation sur les propriétés mécaniques. Un grand défi consiste à tenir
compte de ces effets lors de la réalisation d’essais au laboratoire.
Après la mise en place du RMCP, en plus des phénomènes d’hydratation qui sont à l’origine de
l’acquisition de résistance mécanique, plusieurs facteurs macroscopiques vont aussi influencer le
développement de la résistance mécanique et la stabilité du vide remblayé. Parmi ces facteurs, on
peut dénombrer, entre autres, le drainage naturel de l'excédent d'eau de la pâte (un système de
drains artificiels pourrait aider à cela), le tassement par gravité de la masse de remblai
14
(consolidation), les dimensions du vide, les pressions au bas du vide, la pression sur la barricade,
la convergence des murs sur le remblai et, enfin, les interactions entre le remblai et le massif
rocheux encaissant. Le drainage et le tassement auront pour conséquence de favoriser le
développement d'une meilleure résistance mécanique du RMCP (Belem et al., 2001, 2002; Belem
et Benzaazoua, 2004; Ouellet et al., 2004; Godbout et al., 2004). Concernant les dimensions du
vide, plus elles sont petites, plus la masse du remblai est stable (confinement exercé par les
murs). Les pressions au bas du chantier remblayé et sur les barricades auront, par contre, un effet
néfaste sur la stabilité du vide remblayé lorsqu'elles sont trop élevées. En ce qui concerne les
interactions à l'interface remblai-roche, suivant la nature du contact entre ces deux différents
matériaux, il pourrait se développer un effet d'arche pouvant être accompagné d'un cisaillement à
l'interface, ce qui pourrait menacer l'intégrité du vide remblayé (Aubertin et al., 2003).
Propriétés mécaniques des remblais en pâte cimentés souterrains
L'ajout d'une faible proportion d'agent liant aux rejets de concentrateur leur confère une certaine
résistance mécanique permettant au remblai ainsi obtenu d'être autoportant après l'exposition
d'une des faces du chantier ouvert. Cette résistance mécanique résulte des forces d’attraction
entre les particules des rejets et la résistance au frottement des grains les uns par-dessus les
autres. La résistance mécanique du remblai cimenté est la mesure de sa capacité à résister à
différentes charges appliquées. Contrairement aux sols, les remblais cimentés (rocheux, en pâte
ou hydraulique) sont des matériaux cohérents qui évoluent dans le temps, puisque la
granulométrie de leurs grains ainsi que leur forme, la présence d’eau et d'agents liant ainsi que
leur chimie, confèrent aux remblais une cohésion après un certain temps de cure. Les propriétés
mécaniques des remblais sont déterminées en effectuant des essais, à la fois en laboratoire et sur
le terrain, simulant ainsi leur état naturel dans un chantier remblayé. Cet état peut aussi être
simulé à l'aide de codes de calculs numériques ou modélisé à l'aide d'équations mathématiques.
Essais en laboratoire
Les essais en laboratoire peuvent être conduits sur des éprouvettes de remblai coulées dans des
moules en plastiques (en laboratoire ou à la mine) ou sur des échantillons de remblai carottés in
situ. Il existe différents types d'essais de caractérisation en laboratoire des propriétés mécaniques
des remblais cimentés. Ces essais peuvent être réalisés à la fois en condition statique, mais aussi
sous chargement dynamique (ou cyclique) afin de simuler le potentiel de liquéfaction causé par la
vibration générée par le sautage (Leroux K.-A. et al., 2004).
•
Essais de compression uniaxiale : ces essais permettent de déterminer la résistance en
compression simple ou uniaxiale d'un échantillon de remblai cimenté en lui appliquant une
charge axiale jusqu'à sa rupture. La contrainte axiale correspondant à cette charge maximale à
la rupture est appelée résistance en compression uniaxiale (Rc, qu, UCS ou C0) du remblai
cimenté. La courbe contrainte/déformation correspondante permet de calculer leur module de
déformation élastique (E). La figure 12 présente un exemple de variation au cours du temps
de cure (court et moyen termes) de UCS de deux remblais cimentés en pâte faits avec trois
types d'agent liant. Ce type de résultats sur les propriétés mécaniques à court, moyen et long
termes des RMPC a déjà été obtenu par différents auteurs (e.g. Belem et al., 2000;
15
Benzaazoua et Belem 2000; Benzaazoua et al., 2001, 2002, 2003, 2004; Yilmaz et al, 2004,
etc.)
Figure 12. Exemple d'évolution dans le temps de la résistance
de deux remblais cimentés avec trois types d'agent liant (Belem et al., 2000; Benzaazoua et al., 2000).
•
Essais de compression triaxiale : ces essais qui ne sont que rarement demandés par les
opérateurs miniers, se font à différentes pressions de confinement σ3 (au moins trois) sur des
échantillons de remblai et permettent de définir les paramètres limites (ou intrinsèques) du
remblai cimenté, à savoir sa cohésion (c) et son angle de frottement interne (φ). L'essai est
effectué en confinant l'échantillon de remblai avec une certaine pression dans une cellule à
paroi rigide, puis en lui appliquant une charge axiale jusqu'à sa rupture. Les paramètres
limites ainsi obtenus du remblai cimenté serviront lors du design du remblayage. Quelques
résultats sur ce type d'essais peuvent être trouvés dans la littérature (e.g. Pierce, 1997; Belem
et al., 2000). Différents critères de rupture peuvent décrire le mode de rupture des RMPC
(Mohr-Coulomb, Heok-Brown, Tresca, Von-Mises, Drucker-Prager, MSDPu, etc.) Les
nouvelles tendances dans ce type d'essai visent à apporter des modifications à la cellule
triaxiale en lui équipant de capteurs de déformation locale (LDT) qui permettront non
seulement d'avoir une courbe contrainte/déformation plus proche du comportement réel du
RMPC, mais aussi de calculer leur module de déformation (E) et, surtout, leur coefficient de
poisson (ν) dont on ignore encore les vrais valeurs.
•
Essais de traction brésilienne (ou indirecte) : ces essais permettent de déterminer la résistance
à la traction indirecte du remblai cimenté (RT ou σT). Ce paramètre index servira lors du
design des faces exposées des chantiers remblayés en permettant de tenir compte de
l'apparition de contraintes en tension dans la masse de RMPC. Quelques résultats préliminaires sur ce type d'essai peuvent être trouvés dans Rankine et al., (2001), Belem et al.,
(2005) et Fall et al., (2005).
Essais sur le terrain
Il existe plusieurs types d’instruments de mesure sur le terrain, utilisés notamment en
géotechnique, mais pouvant être utilisés pour le remblai cimenté. Les instruments suivants
peuvent être utilisés sur le terrain :
16
o
o
o
o
o
o
le pénétromètre (statique ou dynamique) permet de mesurer la résistance du remblai
cimenté à la pénétration et cette résistance correspond à sa capacité portante;
le pressiomètre permet de mesurer la pression limite (pl) et le module de déformation
(module pressiométrique EM) des remblais cimentés;
la cellule de pression totale (de type TPC) est utilisée pour mesurer la pression
(contrainte) totale dans le remblai cimenté ou à l’interface entre le remblai et la paroi
rocheuse;
le scissomètre permet de mesurer la cohésion non drainée (cu) des remblais cimentés;
le piézomètre permet de mesurer la pression interstitielle à un endroit déterminé dans le
remblai cimenté;
le tassomètre permet de mesurer le tassement différentiel dans des matériaux à une
profondeur quelconque.
•
Les pressions internes dans le remblai cimenté peuvent être mesurées directement à l'aide
d'un pressiomètre classique ou auto-foreur (Ouellet et Servant, 2000; Ouellet et al., 2004;
Leroux K.-A. et al.,, 2004) ou d'un pénétromètre statique ou dynamique (Knuttson, 1980;
Roberston and Campenella, 1983). Ces pressions (ou contraintes internes) peuvent aussi être
mesurées en instrumentant des chantiers qui seront ensuite remblayés, afin d'analyser
l'évolution des pressions au sein du remblai. Les instruments qui sont alors utilisés sont les
cellules de pression totale (e.g. de type TPC), les piézomètres (mesure de la pression
interstitielle) et les tassomètres (mesure du tassement du remblai cimenté). Les barricades
peuvent également être instrumentées avec des cellules de pression totale afin de mesurer la
poussée exercée et d'évaluer son ampleur. Quelques travaux ont déjà été effectués dans ce
sens par différents auteurs (Hassani et al., 1997; Hassani, 1999; Hassani et al., 2004; Harvey,
2004; Belem et al., 2004). Un exemple de résultats des mesures in situ des pressions internes
dans un chantier remblayé est présenté à la figure 13.
•
Ce type d'instrumentation permet également d'obtenir des informations importantes sur les
pressions développées aux interfaces entre le RMPC et la paroi rocheuse du chantier. Cet
aspect constitue une nouvelle avenue d'investigation scientifique, notamment par les équipes
de l'UQAT, de l'École Polytechnique de Montréal et de James Cook University School of
Engineering en Australie.
17
Figure 13. Exemple de variation des pressions internes du remblai cimenté
en fonction de la hauteur remblayée du chantier (tiré de Harvey, 2004; Belem et al., 2004).
Simulations numériques et modélisation
•
Simulations numériques à l'aide de codes de calcul : les propriétés physico-mécaniques des
chantiers miniers remblayés peuvent être simulées numériquement à l'aide de codes de calculs
numériques comme PHASE2 (type hybride éléments finis/éléments frontières) ou FLAC2D, 3D
(type différences finies). Ces codes permettent de simuler à la fois les séquences de minage et
de remblayage ainsi que de disposer de la distribution des contraintes dans le chantier
remblayé (Aubertin et al., 2003; Li et al., 2003).
•
Modèles théoriques de prédiction des pressions dans un chantier remblayé : afin de minimiser
les coûts des essais mécaniques (en laboratoire ou in situ), d'importants efforts ont été et sont
consentis au développement de modèles mathématiques de prédiction de la résistance des
remblais cimentés (UCS), de leurs paramètres intrinsèques ou limites (c et φ) ainsi que de leur
comportement contrainte/déformation. À ces modèles s'ajoutent également les critères de
rupture des remblais cimentés dont celui de Mohr-Coulomb et le critère de rupture multiaxial
MSDPu (Aubertin et al., 2000), qui pourraient s'appliquer aux remblais cimentés dont le
mode de rupture serait de type semi-fragile.
•
Des travaux récents ont également été consacrés au développement de modèles de prédiction
des pressions internes (verticale et horizontales) dans les chantiers remblayés. Il s'agit de
modèles 2D basés sur la théorie des arches initialement développée par Martson (1930) et qui
a été modifiée pour les remblais cimentés (Aubertin et al., 2003) et récemment étendue en 3D
pour quantifier également la contrainte de cisaillement (Li et al., 2005).
18
•
En s'inspirant de la théorie de Martson (1930) pour le calcul des contraintes verticale et
horizontales en 2D et de sa version récemment modifiée par Aubertin et al., (2003), et en se
basant sur les résultats de mesures de pression dans deux chantiers instrumentés et remblayés
à la mine Doyon (Harvey, 2004), un modèle semi-analytique 3D a été proposé pour prédire
les contraintes verticale (σz) et horizontales (σx et σy) dans un chantier minier en cours de
remblayage (Belem et al., 2004). Ces mêmes auteurs ont également proposé un modèle de
prédiction des pressions exercées par les RMPC sur les barricades.
•
Malgré tous ces efforts de développement de modèles, l'on ne dispose pas encore jusqu'à
présent d'une loi de comportement appropriée pouvant décrire le comportement mécanique
(réponse contrainte/déformation) de ce matériau assez complexe qu'est le RMPC. Les travaux
futurs seront donc orientés vers ce grand défi qui demeure un grand obstacle difficile à
contourner.
CONCLUSION
La pratique du remblayage dans les opérations minières a connu un grand essor au cours des
quinze dernières années, notamment au Canada. Ceci s’explique par plusieurs facteurs incluant le
type et la nature minéralogique du gisement, l’âge de la mine, la méthode d’exploitation
employée, la disponibilité des liants, etc. En Abitibi (Québec), on notera une nette prédominance
de l’utilisation des remblais miniers cimentés en pâte, et ce, depuis dix ans.
Les ciments les plus utilisés sont les ciments Portland ordinaires et résistant aux sulfates. Ce
dernier type est utilisé lorsque le milieu est très agressif, notamment en présence de sulfures
réactifs. D’autres types de liant ont vu leur utilisation croître, notamment les laitiers de haut
fourneau, qui remplacent de plus en plus les cendres volantes dans les opérations actuelles au
Canada. Les coûts exorbitants et la disponibilité sur le marché de ce genre de liants (qualifiés de
conventionnels) amènent les opérateurs miniers à rechercher des liants alternatifs (sous-produits
issus d’autres industries mais possédant des propriétés hydrauliques).
Le développement des connaissances, au cours des dernières années, a contribué largement à
optimiser l'emploi de la technologie des remblais miniers souterrains et particulièrement les RCP.
Cette optimisation vise l’obtention de mélanges les plus économiques possibles tout en répondant
aux contraintes propres à son transport et à l’exploitation souterraine et aux besoins de gestion
des résidus.
Globalement, les avancées des connaissances scientifiques et techniques concernent : 1) la mise
au point de nombreuses techniques de caractérisation pluridisciplinaire pour les remblais
cimentés (propriétés microstructurales, chimiques, minéralogiques et mécaniques); 2) le développement d’outils permettant de mieux maîtriser les processus de son transport du lieu de sa
fabrication au point de déposition; 3) la mise au point de nombreuses méthodes (techniques et de
modélisation) permettant de caractériser l’évolution au cours du temps des caractéristiques,
particulièrement mécaniques, des remblais une fois en place et 4) le développement de techniques
de mesure des propriétés physico-mécaniques des RMPC en laboratoire et sur le terrain.
19
Le remblayage constitue aujourd’hui, et constituera encore plus demain, une composante vitale
des exploitations minières souterraines avec l'exploitation de gisement de plus en plus profonds.
Bien que l’emploi des remblais cimentés soit devenu une pratique courante dans l’industrie
minière en raison des avantages qu’ils confèrent, les connaissances fondamentales actuelles
restent encore limitées. Il est donc capital de maîtriser les fondements du comportement physicomécanique du remblai, afin que ce dernier puisse jouer pleinement son rôle en garantissant la
sécurité des travailleurs lorsqu’il est utilisé comme support de terrain, et en aidant à préserver
l’environnement lorsqu’il est utilisé comme mode de gestion des résidus. La désulfuration
environnementale (technique actuellement en développement) est une autre approche qui s’inscrit
dans la perspective d’une gestion intégrée des résidus. Sur le plan technologique, des gains
économiques importants pourraient être faits par le biais du développement et de l’emploi de
liants alternatifs et par le développement de techniques efficaces d’assèchements (ou de filtration)
des résidus aux fins de la préparation des pâtes de remblai.
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