# Les effets d'amendements alcalins sur des résidus miniers sulfureux entreposés en surface : Cas des dépôts en pâte

Thomas Deschamps, Mostafa Benzaazoua, Bruno Bussière, Michel Aubertin

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Thomas Deschamps, Mostafa Benzaazoua, Bruno Bussière, Michel Aubertin. Les effets d'amendements alcalins sur des résidus miniers sulfureux entreposés en surface : Cas des dépôts en pâte. Environnement, Ingénierie & Développement, 2009, N°54 - Avril-Mai-Juin 2009, pp.19-30. 10.4267/dechets-sciences-techniques.1235. hal-03173798

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# Les effets d'amendements alcalins sur des résidus miniers sulfureux entreposés en surface :
## Cas des dépôts en pâte

Thomas DESCHAMPS¹,³,⁴, Mostafa BENZAAZOUA¹,³,⁴, Bruno BUSSIÈRE¹,⁴, Michel AUBERTIN²,⁴, Hassan BOUZAHZAH¹,³,⁴, Vincent MARTIN²,⁴

1. Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue

2. École Polytechnique de Montréal

3. Chaire de recherche du Canada en gestion intégrée des rejets miniers sulfureux par remblayage

4. Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT en environnement et gestion des rejets miniers

**Contacts** : Thomas.Deschamps@uqat.ca ou Mostafa.Benzaazoua@uqat.ca ou Bruno.Bussiere@uqat.ca
Michel.Aubertin@polymtl.ca ou Hassan.Bouzahzah@uqat.ca ou Vincent.Martin@polymtl.ca

## Résumé

Les rejets de concentrateur qui ne sont pas retournés sous terre sous forme de remblais pendant l'exploitation d'une mine sont entreposés en surface dans des parcs à résidus. Ces derniers, souvent ceinturés de digues, peuvent être complexes à gérer et coûteux à restaurer. Pour leur part, les résidus entreposés sous terre peuvent être utilisés pour former des remblais miniers en pâte cimentés. Dans ce cas, les résidus sont mélangés avec un liant, et ils peuvent servir au remblayage de chantiers souterrains. Une technique analogue constitue maintenant l'une des alternatives à l'entreposage conventionnel en surface des rejets de concentrateur; on parle alors de « dépôt en pâte de surface » (DPS), ou de résidus en pâte. Les DPS sont obtenus en épaississant les rejets de concentrateur jusqu'à une consistance permettant leur transport de l'usine de fabrication jusqu'au lieu de l'entreposage. La technique des DPS offre de nombreux bénéfices potentiels, découlant entre autres du fait qu'il n'y a pas (ou peu) d'eau libre. Il n'est donc pas nécessaire de construire d'importantes digues de confinement. Un autre avantage de l'épaississement des résidus est d'augmenter la recirculation de l'eau au concentrateur. De plus, les propriétés mécaniques supérieures des résidus en pâte peuvent faciliter la gestion et la restauration du site. Les DPS pourraient aussi constituer une méthode efficace pour réduire la production de DMA, en aidant à maintenir un degré de saturation élevé dans les résidus, ce qui limite l'accessibilité de l'oxygène et, par conséquent, la génération d'eau acide. Rappelons que le DMA se produit lorsque des minéraux sulfureux sont exposés à l'eau et à l'air (oxygène). Les résidus en pâte sont habituellement déposés sans ajout cimentaire. Toutefois, des études récentes montrent que l'ajout de ciment ou d'autres amendements alcalins, peut réduire la génération de DMA par l'amélioration du comportement hydrogéochimique et géotechnique des rejets. Cet article présente, dans un premier temps, une revue sur les effets d'amendements alcalins dans les résidus miniers générateurs de DMA. Ensuite, on fera un rapportement avec les DPS, en particulier lorsque des ajouts cimentaires sont utilisés. L'accent sera mis sur le comportement hydrogéochimique de la pâte, suite à des essais

menés au laboratoire à différentes échelles. Ces différences études issues de la littérature démontrent principalement que l'effet de l'ajout cimentaire peut être bénéfique dans certaines conditions, mais qu'il doit se faire sous certaines conditions. Des suggestions et recommandations sont proposées comme suite à cette étude sur l'utilisation de ciment dans les DPS.

## Abstract

Tailings that cannot be returned underground as backfill during the mining operation are deposited at the surface, generally in tailings ponds. These structures, often surrounded by large embankments, can be difficult to manage and costly to restore. When tailings are used as cemented paste backfill destined to backfilling underground stopes, they are mixed with a binder. One of the alternatives to conventional surface storage of tailings is the disposal of these materials in a paste-like consistency, known as surface paste tailings (SPT). SPTs are obtained by thickening the tailings to a pulp density that still allows transportation to the storage location. SPTs are typically deposited without any amendments. However, cement or other alkaline amendments can be a solution to prevent generation of acid mine drainage (AMD), and to improve the hydrogeochemical and geotechnical performance of the tailings. Surface disposal of paste tailings has many advantages, as there is little or no free water, which, for instance, may limit the need to build large containment embankments. Another advantage of thickening tailings is increasing water recirculation to the process plant. The mechanical properties of the paste tailings can also simplify site restoration. In certain conditions, SPTs could constitute an efficient way of reducing AMD due to their capacity to maintain a high saturation level, thus limiting oxygen ingress and consequently the generation of acidic water. Let us recall that AMD occurs when sulphide minerals are exposed to water and air (oxygen). This presentation first reviews the effects of alkaline amendments in AMD-generating mine tailings. It then compares them to SPTs, with a focus on binder addition to these materials. The hydrogeochemical performance of the surface paste tailings is presented at two laboratory scales: column and physical
intermediate model. The results of these studies found in the literature show that adding cement can be beneficial under certain conditions but that it must be carried out according to certain specifications. Suggestions pertaining to the use of cement in SPTs are also discussed.

# I - Introduction

L'industrie minière, importante pour les économies de nombreux pays (comme le Canada), génère une importante quantité de rejets minéraux solides. On peut les classer en deux principales catégories :

— les roches stériles : fragments de roches de granulométrie étalée (de grossière à fine) représentant la partie sans valeur de la roche extraite ; elles sont généralement stockées dans des haldes à stériles ;

— les rejets de concentrateur : minerai finement broyé, dont on a extrait les substances à intérêt économique.

Une partie des rejets miniers peut être renvoyée sous terre, sous forme de remblais cimentés, rocheux, hydrauliques ou en pâte, pour remblayer des chantiers souterrains et servir de support de terrain (e.g. Hassani et Archibald, 1998; Benzaazoua et al., 1999; Benzaazoua et al., 2002). Le reste doit être entreposé en surface.

Le principal problème environnemental lié au stockage de surface des rejets de concentrateur et des roches stériles issus des exploitations métallifères (métaux de base et métaux précieux) est la contamination du drainage minier. Il peut alors s'agir d'un drainage neutre contaminé (DNC) ou d'un drainage minier acide (DMA), comme illustré par l'exemple de la Figure 1.

Le DMA se forme lorsque des minéraux sulfureux acidogènes (pyrite, pyrrhotite, chalcopyrite, etc.) sont exposés à l'eau et à l'air. L'oxydation libère alors de l'acidité dans le milieu, favorisant ainsi la mise en solution des métaux lourds solubles à bas pH. La production de DMA peut être atténuée par les carbonates (et autres minéraux acidivores), qui se dissolvent pour neutraliser l'acidité produite. Une fois le potentiel de neutralisation épuisé, le DMA prend place et le milieu s'acidifie (Aubertin et al., 2002a).

La pyrite est le sulfure le plus commun dans les résidus miniers. Les équations ci-dessous présentent les réactions d'oxydation de ce minéral (Kleinman et al., 1981). La pyrite peut s'oxyder en présence d'eau et d'oxygène (eq. 1). Le $Fe^{2+}$ produit peut ensuite s'oxyder en $Fe^{3+}$ (eq.2). Pour un pH supérieur à environ 4,5, le $Fe^{3+}$ précipite sous forme d'hydroxyde (eq.3). À bas pH, le $Fe^{3+}$, qui demeure en solution, peut oxyder la pyrite sans dioxygène (eq.4).

$$2\text{FeS}_2 + 7\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Fe}^{2+} + 4\text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \quad [\text{eq. 1}]$$

$$2\text{Fe}^{2+} + \frac{1}{2}\text{O}_2 + 2\text{H}^+ \rightarrow 2\text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O} \quad [\text{eq. 2}]$$

$$\text{Fe}^{3+} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3 + 3\text{H}^+ \quad [\text{eq. 3}]$$

$$\text{FeS}_2 + 14\text{Fe}^{3+} + 8\text{H}_2\text{O} \rightarrow 15\text{Fe}^{2+} + 2\text{SO}_4^{2-} + 16\text{H}^+ \quad [\text{eq. 4}]$$

À la lumière de ces équations, on constate que l'on peut contrôler la production initiale de DMA (éq. 1) en limitant la disponibilité de l'oxygène et/ou de l'eau, de façon à empêcher l'oxydation directe des sulfures contenus dans les rejets miniers. On peut aussi utiliser des matériaux alcalins (principalement les carbonates) pour neutraliser, au moins temporairement, l'acidité intrinsèque associée au DMA (e.g. Aubertin et al., 2002a).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Photographies d'un parc à résidu abandonné affecté par la production de drainage minier acide et de ses environs (Abitibi-Temiscamingue, Québec)</figcaption></figure>
On distingue cinq approches principales pour aider à pré-
venir ou à contrôler la formation de drainage minier acide
(SRK, 1989; Aubertin et al., 2002a) :

— Élimination de l'action des bactéries : certaines bactéries, comme les *Thiobacilles*, peuvent augmenter très forte- ment le taux de production du drainage minier acide (e.g. Nordstrom, 2000). L'utilisation de bactéricides peut per-mettre de réduire temporairement la vitesse de formation de DMA, sans pour autant arrêter définitivement le pro-cessus;

— Conditionnement des résidus miniers : il est, par exemple, possible de retirer les sulfures des résidus de concentrateurs par des techniques de concentration. La flottation a été utilisée avec succès, permettant une désul- furation environnementale efficace et économique (Bussière et al., 1995; Benzaazou et al., 2000; Benzaazou et al., 2008). On obtient alors un résidu non générateur d'acide et un concentré de sulfure que l'on peut retour- ner sous terre sous forme de remblais. Cette technique est par exemple utilisée à la mine Kemess en Colombie- Britannique, où les résidus ainsi désulfurés peuvent alors être utilisés comme matériaux de construction pour les digues de parc à résidus (Strogan et al., 2004). Une autre technique consiste à passiver la surface des grains de sul- fures en incorporant une substance (comme par exemple des phosphates, des silicates ou des molécules organi- ques), qui réagit avec les sulfures et forme ainsi une cou- che protectrice (complexe métallique stable) qui empê- che l'oxydation (e.g. Evangelou, 2001; Sorrenti, 2007);

— Exclusion de l'eau : une barrière étanche (géomem-
brane, géocomposite bentonitique, couche d'argile com-
pactée, etc.) peut permettre d'empêcher les infiltrations
d'eau et, donc, la formation de DMA ainsi que le transport
d'éventuels contaminants (e.g. Gulec et al., 2005; Lupo et
Morrison, 2007). Cependant, une telle infrastructure ne
peut être mise en place qu'à la fermeture du parc à rési-
dus et peut être difficile à gérer à long terme. L'exclusion
de l'eau est une approche plus intéressante sous des cli-
mats arides où l'utilisation des effets de barrière capillaire
peut permettre d'empêcher l'infiltration d'eau à court et
long termes (Zhan et al., 2001; Aubertin et al., 2006);

— Exclusion de l'oxygène : une méthode couramment utilisée pour gérer les résidus miniers est de les stocker dans un parc à résidus, sous une couverture aqueuse, afin de les priver d'oxygène (e.g. Romano et al., 2001; e.g. Vigneault et al., 2001; Peacey et al., 2002). L'efficacité de cette technique repose sur le fait que la solubilité de l'oxygène dans l'eau est relativement faible, et que son coefficient de diffusion effectif dans l'eau est environ 10 000 fois plus faible que celui dans l'air. Il est possible de déposer les résidus frais directement dans l'eau (dépôt subaquatique) ou bien d'ennoyer les résidus après la vie de la mine (ce

qui peut demander un ajout de matériaux neutralisants au
préalable). Une autre méthode d'exclusion de l'oxygène
consiste à construire, suite à la fermeture du parc à rési-
dus (ou d'une de ses sections), un recouvrement multi-
couche fait de matériaux naturels, dont une couche
demeure saturée en eau (grâce aux effets de barrière
capillaire), afin d'empêcher l'oxygène d'atteindre les rési-
dus (e.g. Bussière et al., 2003). Enfin, il est également pos-
sible de combiner le contrôle de la position de la nappe
phrétatique avec un recouvrement monocouche pour limi-
ter la migration de l'oxygène; ce concept est appelé
méthode de la nappe perchée (ou surélevée). La satura-
tion des rejets limite alors la diffusion de l'oxygène et, par
le fait même, la génération de DMA (e.g. Ouangrawa,
2007 ; Demers, 2008). Le stockage subaquatique, la
méthode de la nappe perchée et les recouvrements mul-
ticouches s'utilisent surtout en climats humides;

— Neutralisation : il est possible de maintenir le pH de l'eau interstitielle des résidus au dessus (ou près) de la neutralité, en y ajoutant des matériaux alcalins comme de la chaux ou de la pierre calcaire. En général, il s'agit d'une méthode de contrôle temporaire, qui doit être répétée périodiquement.

Dans la plupart des cas, les rejets de concentrateur sont stockés dans des parcs à résidus « conventionnels ». L'utilisation de parcs à résidus nécessite souvent la construction d'importantes digues. Les résidus y sont déposés sous forme de pulpe (avec un pourcentage solide entre 25 et 45 % ; (Aubertin et al., 2002a; Bussière, 2007). Une fois drainés, les résidus réactifs sont exposés à l'air et peuvent alors générer du DMA. Les digues de retenue sont des ouvrages assez complexes et coûteux à construire et à entretenir, surtout si la topographie n'est pas favorable (Bois et al., 2005). De plus, les propriétés hydrogéotechniques des rejets de concentrateurs (ex. : teneur en eau très élevée) peuvent, dans certains cas, favoriser l'apparition de problèmes de stabilité à long terme. De nombreux incidents majeurs relatifs aux digues de parcs à résidus miniers ont d'ailleurs été recensés au fil des ans (Aubertin et al., 2002b ; W.I.S.E., 2006).

Il est possible d'ajouter des amendements aux rejets pour réduire l'impact environnemental du dépôt. On peut aussi ajouter des amendements comme traitement préliminaire, avant de restaurer un parc à résidus qui a été exposé pendant une longue durée. En effet, le DMA présent dans les résidus peut, s'il n'est pas neutralisé, entretenir la réactivité des rejets même après la mise en place d'une barrière à l'oxygène. La présence de fer ferrique (éq. 4) et la catalyse bactérienne peuvent, dans ce cas, entretenir le phénomène pendant de nombreuses années (Bussière et al., 2005; Gleisner et al., 2006). La neutralisation avant la restauration vise à réduire l'activité bactérienne et à faire précipiter le fer ferrique.
Dans ce papier, qui se veut une synthèse de la littérature, nous allons approfondir la notion de l'utilisation d'amendements alcalins pour lutter contre le DMA dans les parcs à résidus, avant d'aborder plus spécifiquement la technique de déposition en surface des résidus miniers en pâte (DPS). Enfin, l'utilisation possible d'amendements alcalins, principalement des ajouts cimentaires, combinée avec la méthode DPS, sera discutée.

## 2 - Stockage en surface amendements alcalins

Une des techniques couramment utilisées pour lutter contre la formation du DMA dans les résidus miniers est l'utilisation d'amendements alcalins (e.g. Lapakko et al., 1997; Mehling et al., 1997; Skousen et al., 1998; Lapakko et al., 2000; Barrie et Hallberg, 2005). Cette technique, qui consiste à mélanger les résidus générateurs de DMA avec des matériaux alcalins, ne vise pas à arrêter l'oxydation des sulfures, mais à l'atténuer et à neutraliser les eaux de drainage. Les carbonates de calcium (et de magnésium, dans une moindre mesure) sont les matériaux les plus communément utilisés comme amendement alcalin (e.g. Lapakko et al., 1997; Mylona et al., 2000). Cependant, le calcaire est une ressource coûteuse, et son efficacité peut être limitée dans le temps par sa faible solubilité et le développement d'une couche d'hydroxydes sur les surfaces, suite aux réactions de neutralisation (Skousen, 2001; Pérez-López et al., 2007). D'une manière générale, les matériaux cimentaires, qu'ils soient des sous-produits industriels ou non, peuvent être utilisés pour leurs effets alcalins pour lutter contre le DMA (pour plus de détails, voir Nehdi et Tariq, 2007). Comme les matériaux utilisés pour l'amendement devraient être efficaces et économiques, des sous-produits industriels peuvent s'avérer une alternative intéressante. Parmi ces sous-produits, on retrouve les cendres volantes produites par la combustion du charbon dans les centrales électriques (Doye, 2005; Pérez-López et al., 2005; Bertocchi et al., 2006; Pérez-López et al., 2007; Yeheyis et al., 2008). Les cendres volantes augmentent le pH, réduisent la teneur en sulfates et immobilisent les métaux lourds in situ (e.g. Pérez-López et al., 2007). L'addition des cendres volantes aux résidus miniers réduit, voire même arrête, l'oxydation de la pyrite en l'encapsulant par la précipitation du fer sous forme de ferryhydrite sur sa surface (Pérez-López et al., 2005). Cependant, Pérez-López et al. (2007) constatent que la capacité des cendres volantes à retenir les métaux diminue quand le pH est plus faible, ce qui peut causer un relargage. Les poussières de four de cimenterie (CKD Cement Kiln Dusts) produites lors de la fabrication du ciment portland peuvent aussi être utilisées comme amendement pour lutter contre le DMA (Mehling et al., 1997; Lapakko et al., 2000; Doye, 2005). Elles réduisent plus efficacement

l'acidité que la pierre calcaire broyée, vraisemblablement en raison de (1) la finesse des grains, (2) de la dissolution de l'arcanite couplée à la précipitation de l'ettringite générant de l'alcalinité et (3) de la grande réactivité de la chaux (CaO) qui, après sa dissolution, permet l'obtention d'un pH de 12,4 (Mehling et al., 1997, Duchesne et Reardon, 1998). Bellaloui et al. (1996) ont utilisé les CKD comme produit d'amendement (mélangés à la couche supérieure des résidus) et de recouvrement des résidus miniers. Ils ont constaté, au laboratoire et sur le terrain, que l'hydratation des CKD en couverture conduit à la formation d'une couche peu perméable qui empêche la diffusion de l'oxygène aux résidus amendés sous-jacents. L'efficacité de cette couche à long terme n'a pas été validée. Le caractère alcalin des CKD mélangés aux résidus générateurs du DMA induit une augmentation du pH, aboutissant à une réduction de la lixiviation des métaux.

Les boues rouges sont des sous-produits alcalins de l'industrie de l'aluminium. Leur ajout aux rejets de concentrateur potentiellement générateurs de DMA peut engendrer une neutralisation de l'acidité à court terme, mais leur efficacité à plus long terme est incertaine (Doye et Duchesne, 2003). Paradis et al. (2007) ont démontré que l'ajout de saumures (salinité de 33 %) aux boues rouges permet une neutralisation de l'acidité à plus long terme. En plus de leur capacité de neutralisation, les boues rouges possèdent une grande capacité de rétention des métaux par adsorption, ce qui est vraisemblablement lié aux quantités importantes d'oxydes et d'hydroxydes de fer et d'aluminium qu'elles contiennent (e.g. Bertocchi et al., 2006). Cependant, il n'est pas fait mention de la stabilité à long terme des métaux contenus originellement dans les boues elles-mêmes. L'utilisation de barrières réactives perméables en Bauxsol™ (produit commercial à bases de boues rouges) semble être efficace pour lutter contre le DMA, et retenir efficacement plusieurs métaux (Munro et al., 2004).

L'addition de boues alcalines de l'industrie papetière aux résidus miniers peut aussi être une alternative envisageable. Cela permet d'augmenter l'alcalinité et le pH, de réduire l'activité bactérienne et la lixiviation des métaux lourds ainsi que d'immobiliser ces derniers (Chtaini et al., 1996a; Chtaini et al., 1997). Une étude sur le terrain, au moyen de cellules expérimentales (Chtaini et al., 1996b), a démontré que l'incorporation de boues alcalines aux résidus et leur mise en place sous forme de couverture pourrait permettre de contrôler le DMA.

Les phosphates peuvent aussi être utilisés comme amendement pour la stabilisation in situ des métaux lourds dans les sols contaminés. Ils permettent la précipitation (par complexation) de minéraux phosphato-métalliques ayant une faible solubilité. Même s'ils ne sont pas typiquement utilisés pour leurs effets neutralisants, ils peuvent être uti-
lisés pour la stabilisation des métaux lourds dans les résidus miniers, souvent en complément d'un amendement alcalin. Une étude menée par Eusden et al. (2002) avait pour but d'évaluer l'utilisation de phosphate et de chaux pour stabiliser des résidus produits par une mine du Colorado. Cette étude a démontré qu'il se forme diverses phases phosphato-métalliques, ce qui tend à réduire forte- ment la concentration des métaux lourds dans l'eau inter-stitielle (principalement Pb²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, et Cu²⁺). Les phos- phates précipitent aussi le fer ferrique (Fe³⁺) sous forme de phosphates de fer, ce qui mène à la réduction de l'oxy- dation indirecte de la pyrite par le Fe³⁺ (Evangelou, 1995; Skousen et al., 1998; Barrie et Hallberg, 2005).

La neutralisation de l'acidité par la dissolution des miné- raux alcalins conduit généralement à la formation de pha- ses minérales secondaires (sulfates, carbonates, hydroxy- des), qui immobilisent les métaux dissous par co-précipi- tation ou adsorption (Lapakko et al., 1997; Bertocchi et al., 2006 ; Pérez-López et al., 2007). Ces minéraux secondai- res, essentiellement des hydroxydes, précipitent souvent à la surface des sulfures générateurs de DMA, ce qui peut aboutir à leur passivation (Lapakko et al., 1997). Avec cer- tains amendements, comme les cendres volantes et les poussières de cimenterie, la précipitation de minéraux secondaires (comme le gypse, l'aragonite, la jarosite et les hydroxydes de fer) favorise la formation d'une couche dure (hard pan). Cette couche joue le rôle d'une barrière contre l'infiltration de l'eau et la diffusion de l'oxygène, qui sont les deux principaux agents d'oxydation des sulfures (Blowes et al., 1991; Schippers et al., 1998; Pérez-López et al., 2007 ; Yeheyis et al., 2008). Pour que la barrière soit effi- cace, il faut qu'elle soit continue sur toute la surface des résidus sous-jacents.

Pour qu'un amendement soit efficace, il faut qu'il soit mélangé aux résidus miniers dans des proportions opti- males pour assurer une neutralisation de l'acidité à long terme. Il faut également que les phases secondaires soient chimiquement stables pour assurer une immobilisation in situ des métaux à long terme (Mehling et al., 1997; Doye, 2005). De façon pratique, l'amendement peut être réalisé sur le terrain à l'aide de machinerie d'épandage et de retournement (scarification) des sols, ou d'un engin de mélange en chantier, pour assurer des bons mélanges à la surface des tas de résidus. La technique d'incorporation des matériaux alcalins aux résidus et la machinerie doivent être choisis pour assurer un amendement optimal et efficace.

## 3 - Dépôt de pâte en surface

### Présentation de la méthode

La technique des remblais miniers en pâte cimentée (RMPC) a fait son apparition il y a plus d'une vingtaine

d'années comme une alternative aux remblais hydrauli- ques ou rocheux pour le remplissage des chantiers miniers souterrains (e.g. Hassani et Archibald, 1998). Cette méthode consiste à épaissir, puis à filtrer les rejets de concentrateur, dont la densité de pulpe massique initiale varie typiquement entre 15 et 35 %, jusqu'à une densité d'environ 80-85 %. On obtient alors un gâteau de filtra- tion. L'eau récupérée pendant l'épaississement et la filtra- tion peut être réutilisée par la mine comme eau de pro- cédé. Le gâteau de filtration est alors mélangé avec du liant et une eau de mélange, pour obtenir un matériau ayant la consistance d'une pâte, avec une densité de pulpe d'envi- ron 75 % (proportion de solide sur la masse totale). Ce pourcentage solide peut varier selon les propriétés du résidu (granulométrie, densité des grains, minéralogie...) La pâte ainsi obtenue est envoyée sous terre. La quantité de ciment ajoutée varie usuellement entre 2 et 7 %, selon le type d'utilisation que l'on désire en faire (i.e. chantier secondaire, chantier primaire ou bouchon). Le transport de la pâte se fait par pompage ou par gravité jusqu'aux chantiers souterrains. Les chantiers remblayés peuvent alors servir comme support de terrain et permettre d'op- timiser l'extraction du minerai. La très grande majorité des études menées sur les RMPC s'orientent donc vers les problèmes liés à la résistance mécanique (e.g. Benzaazoua et al., 2004a; Benzaazoua et al., 2004b; Revell, 2004; Fall et al., 2005; Belem et al., 2007) et sur les pressions exercées par le remblai sur les parois des chantiers et sur les barri- cades (e.g. Aubertin et al., 2005; Li et al., 2005).

Depuis une décennie, alors que les exigences et les nor- mes environnementales continuent à se resserrer, certai- nes entreprises minières ont proposé d'utiliser ce proces- sus d'épaississement et de filtration des résidus pour entreposer les résidus en surface sous forme de pâte (dépôt de pâte en surface - DPS). Le but principal est de créer un dépôt homogène et autoportant de résidus en pâte permettant le recyclage d'une grande partie de l'eau en eau de procédé.

Robinsky (1975) a été le premier à proposer de diminuer la teneur en eau des résidus de concentrateur, afin d'aug- menter la densité de pulpe en vue d'une déposition en surface. Cela permet de réduire la ségrégation des parti- cules, de mieux contrôler les tassements et de limiter les risques d'instabilités. On parle alors de « résidus densifiés ». Les RMP appartiennent à cette catégorie. Il existe une terminologie généralement admise pour décrire les rési- dus miniers selon leur teneur en eau (Jewell et al., 2002; Crowder, 2004; Martin et al., 2006) :

— Résidus en suspension : Quand les résidus n'ont pas été densifiés (ce qui est le cas avec la méthode conven- tionnelle de déposition), leur teneur en eau est élevée. La densité de la pulpe (P) est généralement inférieure à 45
Pour les rejets en suspension, il existe une vitesse d'écoulement critique en dessous de laquelle on observe une ségrégation avec sédimentation des particules solides. Les résidus en suspension (slurry) sont déposés dans des parcs à résidus « conventionnels » ;

— Résidus épaissis : ils ont une densité de pulpe P généralement entre 45 et 70 %. Ils présentent toujours une vitesse d'écoulement critique, mais la sédimentation se fait sans ségrégation des particules. Les résidus épaissis (thickened tailings) peuvent être utilisés pour l'entreposage en surface.

— Résidus en pâte (paste tailings) : pour ces rejets, la valeur de P est entre 70 et 85 %. Ils ne montrent théoriquement plus de vitesse critique d'écoulement. On ne constate donc aucune ségrégation ni sédimentation pendant le transport. On n'observe pas non plus, théoriquement, d'eau de suintement après le dépôt. Ce matériau peut être utilisé pour le dépôt en surface (DPS) ou pour le remblayage souterrain (RMPC).

— Résidus filtrés : dans ce cas, la valeur de P est supérieure à 85 %. On parle aussi de « gâteau de filtration ». Cette technique est parfois utilisée pour l'entreposage des résidus en région aride ou nordique. Les résidus filtrés sont

alors transportés par camion ou par convoyeur ; on parle alors de l'empilement à sec (dry stacking), comme c'est le cas à la mine Raglan (Canada), où l'on profite du pergélisol pour réduire la réactivité des sulfures (Bussière, 2007).

En ce qui concerne les différents usages des résidus en pâte, la terminologie utilisée dans la littérature est particulièrement variable. Nous proposons la terminologie suivante en langue française :

— « Résidus miniers en pâte (RMP) », cimentés ou non, pour désigner le matériau,

— « Remblais miniers en pâte cimentés (RMPC) » pour l'utilisation en souterrain,

— « Dépôt en pâte en surface (DPS) » pour l'entreposage des résidus miniers en surface sous forme de pâte, cimenté ou non.

Bien que peu d'études portent encore sur les DPS, de nombreux bénéfices lui sont associés (e.g. Newman et al., 2001; Cadden et al., 2003; Benzaazoua et al., 2004c; Landriault et al., 2005) : (i) il n'y a que peu ou pas d'eau libre et les résidus ont une meilleure résistance mécanique (que les résidus conventionnels), ce qui réduit la taille des digues de confinement des résidus et de rétention d'eau; (ii) la filtration facilite la récupération et la réutilisation de l'eau; (iii) la technique pourrait aider à réduire la production de drainage minier acide, en améliorant les propriétés hydriques des résidus, (iv) la création d'un relief positif qui facilite la gestion de l'eau (v) facilite la restauration du site et permet de faire une restauration progressive. L'ajout de liant, en faible proportion, pourrait entraîner d'autres avantages ; (vi) amélioration de la capacité de rétention d'eau; (vii) amélioration des propriétés mécaniques en ajoutant une cohésion aux résidus; (viii) réduction de la conductivité hydraulique saturée suite à une baisse de la porosité effective; (ix) augmentation du potentiel neutralisant en présence de ciment et d'autres agents liants; et (x) amélioration de la stabilisation des contaminants par fixation dans la matrice. D'un point de vue environnemental, on croit que les résidus en pâte cimentés devraient rester à un haut degré de saturation en eau (e.g. Ouellet et al., 2006) et, ainsi, ralentir la diffusion d'oxygène dans le milieu (et, donc, l'oxydation des minéraux sulfureux, car la diffusion de l'oxygène est beaucoup plus lente dans l'eau que dans l'air). La figure 2 montre un exemple synthétique de schéma de procédé pour une mine qui utilise le dépôt de résidus en pâte en surface et le remblai minier en pâte cimenté.

## Exemple de Bulyanhulu

La mine de Bulyanhulu (Tanzanie) est une des premières opérations minières à avoir utilisé à grande échelle la technique des dépôts de pâte en surface (voir Figure 3). Dans ce cas, aucun agent liant n'est ajouté aux résidus. La pâte est déposée à partir de tours de déversement à un pourcentage solide de 73 %, ce qui correspond à un affaissement de 250 mm au cône d'Abrams (Le cône d'Abrams est un accessoire utilisé habituellement pour mesurer la

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2. Schéma synthétique illustrant le procédé de fabrication de résidus en pâte pour une mine utilisant le dépôt de résidus en pâte en surface et le remblai minier en pâte cimenté.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Photographie montrant le DPS à la mine de Bulyanhulu, Tanzanie (Octobre 2004, photo Vincent Martin).</figcaption></figure>

consistance des bétons, ici utilisé pour mesurer la consistance de la pâte). La pente du dépôt (loin des tours de déversement) est de l'ordre de 5 degrés. De nombreuses fentes de dessiccation sont observées à la surface du dépôt à mesure que les couches sont déposées, surtout en période sèche. Au début du dépôt, il a été déterminé que le cycle de déposition idéal était d'une couche tous les 5 jours ; chaque couche ayant une épaisseur maximum de 30 cm (Theriault et al., 2003). Le cycle de déposition permet d'optimiser le drainage et la dessiccation, ce qui augmente la résistance mécanique du dépôt sans affecter indûment la désaturation en surface. La pâte offre ainsi une bonne résistance à l'oxydation et à l'érosion éolienne (Theriault et al., 2003).

Les observations visuelles sur le site montrent que, lorsque la pâte est localement fissurée, elle tend à se désaturer, le taux d'oxydation augmente significativement. Cela peut amener à la formation de DMA. Sur le site, on observe aussi que la teneur en eau de la pâte ne dépend pas de la distance à partir du point de décharge, du moins à court terme, mais elle peut varier avec la profondeur :
la teneur en eau au milieu d'une couche est habituellement plus grande qu'à la surface (Theron et al., 2005).

Le contrôle de la géométrie de la surface du dépôt est un paramètre important pour la gestion des eaux de ruissellement. La géométrie de la surface peut être contrôlée en orientant la déposition des résidus vers des zones voulues, à partir des tours de déversement (Shuttleworth et al., 2005).

## 4 - Ajouts cimentaires

L'ajout de liant dans les RMPC sert principalement à améliorer les propriétés géotechniques. Pour les DPS, les liants peuvent être utilisés pour leurs effets alcalins, mais aussi pour modifier les propriétés géotechniques et hydrogéologiques de la pâte afin d'améliorer ses performances environnementales. Il n'existe pour l'instant que très peu d'études publiées (e.g. Verburg et al., 2003; Kwong, 2004; Deschamps et al., 2007; e.g. Deschamps et al., 2008) sur les DPS et leur comportement environnemental. Cependant, comme nous le verrons par la suite, certaines études sur les RMPC peuvent nous informer sur le comportement environnemental des DPS cimentés. Par exemple, les phénomènes de cimentation qui sont à la base de l'amélioration des capacités mécaniques de la pâte peuvent aussi être responsables de la diminution de sa conductivité hydraulique et de la modification de sa porosité.

### Hydratation des liants dans les RMPC

Il est important de préciser que l'hydratation du ciment ajouté à des résidus miniers en pâte présente plusieurs différences avec une hydratation classique, bien documentée, comme dans le cas des mortiers et bétons (Benzaazoua et al., 2004a) : (i) dans les remblais, l'hydratation se fait dans des conditions saturées ; (ii) le rapport eau/ciment y est plus important (>5 contre <0,5 dans les mortiers/bétons) ; (iii) la précipitation des phases secondaires y joue un rôle plus important dans le durcissement, au détriment de l'hydra-
tation directe du clinker. En effet, dans une première étape,
on observe une importante dissolution des anhydres
(jusqu'à 20 %), puis il y a précipitation lorsque l'eau des
pores atteint la saturation. De nombreux paramètres agis-
sent sur la cimentation dans les RMCP, et il est très risqué
de généraliser dans ce domaine. Un des paramètres les
plus importants semble être la teneur en sulfate de l'eau,
elle-même liée (en partie) à la teneur en sulfure du rejet.
Benzaazoua et al. (2002) ont remarqué que le remblai à
base de résidus très sulfureux (32 % de soufre) présentait
de mauvaises performances mécaniques avec les ciments
à base de laitier de haut-fourneau pour une période de
cure de 180 jours ou plus. Un mélange de ciments
Portland de type 10 et de type 50 permet d'atteindre de
bonnes performances mécaniques avec ce même rejet. En
effet, dans le cas de RMPC à base de rejets sulfureux, on
peut observer une dissolution des phases calciques des
hydrates de ciment et la formation de phases gonflantes
(attaque sulfatique) ; tout cela a comme effet d'altérer la
durabilité du remblai (Benzaazoua et al., 1999). L'eau de
gâchage peut aussi avoir son influence (Benzaazoua et al.,
2002; Ouellet et al., 2004). Elle peut notamment jouer
comme retardateur de prise si elle est riche en sulfates,
comme peut l'être, par exemple, une eau de procédé
minier, mais elle peut aussi contribuer à la résistance méca-
nique par la précipitation de sulfates calciques dans un sys-
tème poreux encore non complètement durci
(Benzaazoua et al., 2004a).

Influence des liants sur les propriétés
hydrogéotechniques des RMPC

Belem et al. (2001) ont observé la microstructure et ont
quantifié la diminution de la taille des pores entre le résidu
seul et la pâte cimentée, obtenue avec l'ajout de 5 % de
ciment, sur des échantillons de RMP préparés en laboratoire,
en utilisant la porosimétrie d'intrusion au mercure (PIM).
Ces changements dans la porosité influent sur la perméa-
bilité du matériau : lors de la cure de la pâte cimentée, la
diminution de la conductivité hydraulique saturée se fait
très rapidement et se stabilise après 7 jours de cure. La
pression d'entrée d'air augmente graduellement sur une
période plus longue et se stabilise après environ 14 jours.
Cependant, l'ajout d'une faible quantité de liant (moins de
2 %) à un DPS peut aussi, paradoxalement, faire augmen-
ter la porosité finale totale du matériau (Deschamps et al.,
2008). Il semblerait en effet qu'une petite quantité de liant
réduise très fortement le tassement durant la cure (par
rapport au matériaux non cimenté), sans pour autant
remplir la porosité de manière significative.

Godbout (2005) s'est intéressée aux propriétés hydriques
(conductivité hydraulique saturée ou ksat et courbe de
rétention d'eau [CRE]) de remblais miniers en pâte cimen-
tés au cours de la cure. Les essais en laboratoire ont
démontré que, de manière générale, la valeur de ksat dimi-
nue et la capacité de rétention d'eau s'améliore pendant
la cure; le changement dépend alors de la quantité et du

type de ciment ajouté au remblai. La plus forte réduction
de ksat a été obtenue en ajoutant 4,5 % de liant (composé
de ciment Portland type 10 à 20 % et de laitier à 80 %);
cette réduction était de plus d'un ordre de grandeur (par
rapport aux rejets non cimentés) après 28 jours de cure.
L'ajout de liant permet aussi d'améliorer les propriétés de
rétention d'eau de la pâte, notamment en augmentant sa
pression d'entrée d'air et la teneur en eau résiduelle. Cette
 évolution peut être très différente selon le type de liant
utilisé (Godbout et al., 2004).

Influence des liants sur la réactivité des RMPC

En modifiant la porosité, l'ajout de liant influence aussi la
diffusion et la consommation de l'oxygène et, donc, la
réactivité du matériau. Des tests de consommation d'oxy-
gène en laboratoire ont été effectués sur des rejets de
concentrateur avec différentes teneurs en pyrite ainsi que
sur des RMP (contenant 4,5 % de différents liants) formés
à partir de ces mêmes rejets (Ouellet et al., 2003). Les
résultats démontrent que, dans les deux cas, leur réactivité
est une fonction de la teneur en pyrite et du degré de
saturation. Dans le cas des remblais en pâte cimentés, la
réactivité est aussi fonction du type de liant utilisé et se
stabilise alors après 28 jours de cure. En comparant les
tests sur les rejets et ceux effectués sur les remblais en
pâte cimentés, on remarque que les échantillons de rem-
blais sont moins réactifs que les rejets de concentrateurs
pour des degrés de saturation inférieur à 70 % (pour un
même pourcentage de sulfure). Pour des degrés de satu-
ration supérieurs, les rejets de concentrateurs ont des
réactivités similaires, voire même inférieures, aux remblais
en pâte.

D'autres tests de consommation d'oxygène ont été
effectués *in situ* (Ouellet et al., 2006), pendant 80 jours, sur
la face exposée d'un RMPC (5 % de ciment, mélange
50 :50 de ciment portland de type 10 et de type 50)
contenant 53 % de pyrite. Il a été observé que la consom-
mation de l'oxygène est élevée au début du test, lorsque
le RMPC est fraîchement exposé, puis elle baisse progres-
sivement pour atteindre 0,2 mol O₂/m²/jour après 80 jours.
Une couche oxydée, au niveau des surfaces exposées du
remblai, a été examinée. La couche oxydée possède une
porosité plus faible (21 %) que le remblai non oxydé
(39 %). Cette baisse, qui semble liée à la précipitation de
minéraux secondaires, pourrait diminuer la diffusion d'oxy-
gène dans le remblai. Un enrobage calcique autour des
grains de pyrite a aussi été observé, ce qui devrait limiter
l'oxydation de la pyrite.

Influence d'amendements sur le comportement
géochimique des RMP

Un programme d'études, commencé en 2001, visait à étu-
dier la possibilité d'utiliser la méthode des DPS à la mine
de Neves Corvo au Portugal. Dans le cadre de ces tra-
vaux, Verburg et al. (2003) ont étudié en laboratoire l'effet
neutralisant de différents amendements sur plusieurs
types de rejets épaissis préparés à partir des résidus de
cette mine (pâte ou gâteau de filtration pour des teneurs en amendements de 0 à 1 %). Il est à noter que les résidus utilisés ici contiennent 29 % de soufre et sont fortement générateurs de DMA. Pour les échantillons de pâte préparés avec une quantité d'eau suffisante pour obtenir un affaissement de 250mm à l'essai au cône (valeur idéale pour le dépôt de surface), les résultats montrent que, dans tous les cas étudiés, le pH des échantillons tend à converger vers une valeur proche de 5 après six mois. L'ajout d'une faible quantité de ciment (0,5 et 1 %) semble augmenter le pH initial et, ainsi, retarder l'acidification de la pâte. Ce temps de latence pourrait permettre de commencer une restauration progressive du site. Cependant, ces travaux ne tiennent pas compte du mode de déposition (résidus ayant été déposés en continu), de la circulation des fluides, etc. Dans le même ordre d'idées, une étude menée par Kwong (2004) sur des RMPC avec 8 % de différents liants (ciment Portland et ciment Portland et laitier) a montré que le ciment Portland seul était plus efficace pour diminuer l'oxydation initiale du mélange. Cependant, dans les deux cas, on observe une importante augmentation de l'oxydation et, après 15 semaines, les taux d'oxydation sont devenus similaires pour les deux types de liants.

L'ajout de liant peut aussi permettre de fixer les contaminants. Fried, 2006 et Fried et al., 2007 ont mené une étude en laboratoire à l'aide de mini-colonnes, afin d'étudier la lixiviation et la dissolution sélective de différents échantillons de RMPC contenant 5 % de liant hydraulique. L'eau de gâchage était dopée en métaux (Cu et Zn) et en sulfates dans certains échantillons. Dans cette étude, les résidus miniers étaient simulés par des poudres de quartz ou de pyrite. Après 100 jours de lixiviation, à raison d'un rinçage par jour, le pH du lixiviat était toujours au basique. Une décalcification massive a été observée, de telle façon qu'à la fin du test, il ne restait plus qu'une petite portion de la matrice cimentaire initiale. Le cuivre n'a pas été libéré pendant la lixiviation. Le relargage du zinc était associé à la dissolution des phases contenant de la silice, du calcium, du magnésium et de l'aluminium; il est donc probablement lié aux C-S-H et MSH (« calcium silicate hydrate » et « magnesium silicate hydrate », composés non stœchiométriques du ciment). Différents paliers de pH sont observables; ils correspondent à la dissolution de différentes phases cimentaires (portlandite au tout début puis ettringite et C-S-H). Ces résultats sont confirmés par des tests de dissolution sélective qui montrent aussi que les échantillons préparés avec du ciment portland de type 10 comme liant résistent mieux à l'acidification que ceux préparés avec un mélange de ciment et de laitiers. En effet, la dissolution de la portlandite (Ca(OH)₂) favoriserait, dans ce cas, la précipitation de sulfates et d'hydroxydes de métaux.

Les ajouts de liant semblent également être efficaces pour la stabilisation de l'arsenic. Benzaazoua et al. (2004b) ont réalisé des tests d'extraction en cellules Soxhlet sur des rejets contenant 60 % de sulfures (pyrite et arsénopyrite) stabilisés avec différents liants (ciment Portland, ciment métallurgique, ciment alumineux). On observe que les sulfures (pyrite et arsénopyrite) s'oxydent et provoquent la dissolution des hydrates les plus vulnérables, notamment la portlandite. Le calcium ainsi libéré peut alors précipiter sous forme de gypse (CaSO₄·2H₂O) et d'arséniate de calcium. Bien entendu, ce processus de stabilisation/solidification dépend du type de ciment utilisé.

Deschamps et al. (2007; 2008) ont étudié, à l'aide de tests de lixiviation en colonnes, l'effet de l'ajout de ciment sur les propriétés environnementales des DPS. Différentes colonnes, correspondant à différentes configurations de dépôt, ont été préparées : sans ciment, avec cimentation homogène ainsi qu'avec couches cimentées alternées avec des couches non cimentées. Chaque colonne était constituée de 9 couches de 4 cm d'épaisseur et était arrosée chaque semaine pendant 30 semaines (avec 500 mL d'eau déminéralisée) ; l'eau de drainage était ensuite récoltée et analysée. Les résidus utilisés contenaient 30 % de soufre, et le ciment était un portland de type 10. Dans tous les cas, moins de 1 % de ciment a été utilisé pour la préparation de chaque colonne. Les résultats montrent que l'ajout de ciment permet, dans certains cas, de stabiliser les résidus (à l'échelle du laboratoire), mais une mauvaise utilisation du ciment peut fortement dégrader les propriétés environnementales de la pâte, et générer plus de DMA que la pâte non cimentée. Les colonnes où le ciment était concentré (2 %) dans certaines couches ont donné de bons résultats du point de vue environnemental. Les plus mauvais résultats venaient des colonnes contenant des couches à 1 % de ciment. Lors du démantèlement, il a été observé que ces dernières étaient très riches en fractures, vraisemblablement causées par une attaque sulfatique. Ces fractures constituaient, avec les interfaces entre les couches, un réseau propice à l'oxydation et à l'infiltration préférentielle. L'ajout de ciment a aussi fait perdre à la pâte ses propriétés cicatrisantes, c'est-à-dire qu'une fois ouvertes, les fractures ne peuvent plus se refermer totalement, de sorte qu'elles sont alors plus exposées à l'oxydation.

## 4 - Dernières considérations et perspectives

Pour conclure, il semble important de préciser que la technique des DPS est encore relativement récente ainsi que peu utilisée. Nous n'avons donc que peu de
recul. Comme nous l'avons vu, les effets de l'ajout de liant dans les DPS ne sont pas forcement bénéfiques du point de vue environnemental. Les efforts de recherche doivent se poursuivre pour comprendre les bénéfices possibles de l'ajout d'alcalins (par exemple cimentaire) dans les DPS. Il serait important, par exemple, de pouvoir déterminer la quantité et la répartition optimale de liant ou autre amèndement à ajouter à la pâte selon la teneur en sulfure, la minéralogie et la granulométrie du résidu. Il pourrait aussi être intéressant d'étudier la possibilité d'utiliser, avec les DPS, d'autres amendements, pas forcément cimentaires, alcalins ou non, qui ne feront pas perdre à la pâte ses propriétés cicatrisantes. L'utilisation d'amendements alcalins pour stabiliser les résidus miniers a bien sûr, un coût, mais cet investissement peut fortement faire baisser le coût de restauration du site, s'il a permis de contenir la formation de DMA.

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