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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL MESURES EXPÉRIMENTALES DES CONCENTRATIONS EN OXYGÈNE SUR

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL MESURES EXPÉRIMENTALES DES CONCENTRATIONS EN OXYGÈNE SUR LE TERRAIN ET MODÉLISATIONS NUMÉRIQUES POUR ÉVALUER LE FLUX DE DIFFUSION DANS LA COUVERTURE DU SITE MINIER LTA JALILA HAMDI DÉPARTEMENT DES GÉNIES CIVIL, GÉOLOGIQUE ET DES MINES ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE MINÉRAL) OCTOBRE 2011 © Jalila Hamdi, 2011. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL UNIVERSITÉ DU QUÉBEC EN ABITIBI-TÉMISCAMINGUE Ce mémoire intitulé : MESURES EXPÉRIMENTALES DES CONCENTRATIONS EN OXYGÈNE SUR LE TERRAIN ET MODÉLISATIONS NUMÉRIQUES POUR ÉVALUER LE FLUX DE DIFFUSION DANS LA COUVERTURE DU SITE MINIER LTA Présenté par : HAMDI Jalila en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées le jury d’examen constitué de : M. AUBERTIN Michel, Ph.D., président M. MBONIMPA Mamert, Ph.D., membre et directeur de recherche M. BUSSIÈRE Bruno, Ph.D., membre et codirecteur de recherche Mme DAGENAIS Anne-Marie, Ph.D., membre iii DÉDICACE À l’âme des Martyrs de la révolution Tunisienne 2011 iv REMERCIEMENTS J’aimerais en premier lieu, exprimer ma gratitude envers mon encadreur, le professeur Mamert Mbonimpa, qui m’a guidé durant mes travaux de recherches. Je tiens à le remercier intensément pour son suivi constant, sa grande disponibilité et surtout m’avoir transmis des connaissances tout à fait nouvelles par rapport ma formation initiale. Je remercie également mon codirecteur, le professeur Bruno Bussière pour sa participation, ses corrections et contributions constructives. J’adresse mes remerciements pareillement à l’associé de recherches, AbdelKabir Maqsoud, pour toutes les contributions qu’il m’a offertes ainsi que son soutien et ses encouragements. Un grand merci à la Chaire Industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT en Environnement et gestion des rejets miniers et à mon directeur de recherche pour leurs contributions financières. Mes remerciements vont également à Thomas Pabst de l’École Polytechnique pour ses précieux conseils. Merci à tout le personnel de l’UQAT et de l’URSTM, pour votre aide et vos conseils surtout au personnel de laboratoire. C’est une grande famille où il fait bon de vivre. Enfin, je tiens à remercier ma famille et en particulier mes enfants pour leur patience durant mes années d’étude. v RÉSUMÉ Différents types de recouvrements jouant le rôle de barrière à l’oxygène peuvent être utilisés pour la restauration de parcs à résidus miniers potentiellement générateurs de drainage minier acide. C’est le cas de couvertures avec effets de barrière capillaire ou CEBC. La CEBC du site LTA est la première de ce type construite au Québec. Elle a été instrumentée peu après sa construction et son comportement hydrique a été suivi pour vérifier les critères de conception et évaluer indirectement son efficacité à limiter le flux d’oxygène vers les résidus. Le présent projet vient contribuer à évaluer la performance hydrique de la CEBC du site LTA, mais cette fois en termes de mesures directes de la concentration d’oxygène, ce qui n’avait pas encore été réalisé jusqu’ici. L’objectif des travaux réalisés est d’évaluer les profils verticaux de concentration d’oxygène au niveau de stations placées sur le plateau du site et sur les pentes. Dans un premier temps, les différentes techniques actives et passives d’échantillonnage et de mesure de l’oxygène interstitiel dans les milieux poreux, qui ont déjà été ou peuvent être appliquées en rapport avec la prévention du DMA, ont été inventoriées et comparées dans une revue de littérature. Par la suite, deux procédures d’échantillonnage actives et de mesure de l’oxygène interstitiel ont été appliquées: le fonçage direct du tube échantillonneur et l’installation de pointes perforées dédiées. Dans la suite, seule la technique des pointes dédiées a été appliquée. Un essai de validation du système a été réalisé au laboratoire avant d’utiliser ce système d’échantillonnage du gaz interstitiel avec pointes perforées dédiées sur le terrain. Le but de ce test était de comparer les concentrations d’oxygène mesurées directement avec un senseur optique installé à une profondeur donnée dans des rejets miniers réactifs et les valeurs mesurées par le système d’échantillonnage à l’aide d’une pointe perforée dédiée installée à la même profondeur. Les pointes dédiées ont été ensuite installées au niveau de deux stations d’échantillonnage situées sur le plateau du site LTA et de six stations situées dans les secteurs en pente potentiellement problématiques car des désaturations locales peuvent y être observées. Les stations d’échantillonnage de gaz ont été placées à côte des stations équipées des sondes TDR de mesure de la teneur en volumique θw à différentes profondeurs dans la CEBC. De plus, certaines pointes vi dédiées étaient placées à la même profondeur que les sondes TDR. Des campagnes d’échantillonnage du gaz interstitiel in-situ ont ensuite été réalisées à partir de l’été 2007 jusqu’à l’automne 2009. Au cours de ces campagnes, le gaz du sol à différentes profondeurs a été pompé et analysé sur place à l’aide de senseurs optiques d’oxygène. Les teneurs en eau θw ont aussi été mesurées. Sur le site LTA, les mesures de concentration d’oxygène interstitiel ont été généralement réalisées à cinq profondeurs dans et au-dessous de la CEBC, au niveau de deux stations sur plateau et de six stations sur la pente. Les mesures dans toutes les stations d’échantillonnage de gaz sont cohérentes. Une réduction des concentrations en oxygène avec la profondeur a été observée. Les valeurs de concentration d’oxygène sont généralement plus élevées dans les pentes que sur le plateau, notamment à la base de la couche de rétention d’eau. Les valeurs de la teneur en eau volumique θw montrent un comportement hydrogéologique typique d’une CEBC; les effets de barrière capillaire maintiennent un degré de saturation élevé dans la couche de rétention d’eau, qui joue le rôle d’une barrière à la diffusion d’oxygène vers les résidus réactifs sous- jacents. Parallèlement aux mesures in-situ des profils de concentration d’oxygène, plusieurs essais de diffusion et/ou consommation d’oxygène ont été réalisés au laboratoire pour déterminer l’impact du degré de saturation sur le coefficient du taux de réaction des matériaux MRN de la couche de rétention d’eau de la CEBC et des résidus LTA sous-jacents. Les mesures ont été interprétées avec le code POLLUTE qui résout les lois de Fick modifiées définies en fonction des coefficients effectifs de diffusion (De) et du taux de réaction (Kr) des matériaux. Une bonne concordance entre les valeurs de De évaluées avec le modèle semi-empirique proposé par Aachib et al. (2004) et les valeurs de De calculées avec POLLUTE (selon les mesures) a été obtenue. Les valeurs du coefficient du taux de réaction Kr obtenues expérimentalement sont généralement inférieures aux valeurs estimées par le modèle de Collin (1987). Ce modèle est basé sur les cinétiques de surface et Kr varie linéairement avec la proportion en minéraux sulfureux sans tenir compte de la teneur en eau (ou du degré de saturation). Cette différence est marquée particulièrement pour les matériaux presque secs ainsi que pour ceux proches de la saturation. vii Les résultats des mesures in-situ des profils verticaux d’oxygène à travers la CEBC et les résidus sous-jacents sur le plateau du site LTA entre le 1er mai 2007 et fin décembre 2007 ont été interprétés en les comparants aux profils verticaux d’oxygène prédits à l’aide du code numérique VADOSE/W sous les conditions climatiques naturelles. Les propriétés hydriques utilisées sont prises de la littérature alors que la réactivité des matériaux est définie à l’aide de paramètres représentatifs des résultats obtenus au laboratoire. Des modélisations 1-D ont été utilisées pour les stations du plateau du site. Plusieurs scénarios ont été simulés pour voir l’influence de la position initiale de la nappe phréatique et de la réactivité des matériaux. Des modèles conduisant à une bonne concordance entre les profils d’oxygène mesurés et calculés ont été sélectionnés et utilisés pour calculer le flux cumulé d’oxygène entre le 1er mai 2007 et fin décembre 2007 à la base et à la surface de la CEBC et à l’interface des couches de rétention d’eau et de bris capillaire. Les résultats indiquent que le flux annuel ne dépasse pas le flux du design (environ 110 g/m2/an) et que la CEBC du site LTA est globalement efficace entre le 1er mai 2007 et fin décembre 2007 (pour les conditions climatiques modélisées). Pour ces modèles sélectionnés, le comportement de la CEBC a aussi été simulé en appliquant des conditions d’absence de recharge de 2 mois (juillet et août 2007) et de 3 mois (juin, juillet et août 2007). Le flux cumulé d’oxygène obtenu peut localement et légèrement dépasser le flux du design en l’absence de recharge de 3 mois. viii ABSTRACT Different types of covers acting as oxygen barrier can be installed over mine waste disposal sites potentially generating acid mine drainage (AMD). These include multilayered systems such as covers with capillary barrier effects or CCBE. The CCBE at the LTA site is the first demonstration of such a cover system used in Québec. It was instrumented shortly after its construction and the hydrogeological behavior was monitored to assess its effectiveness in limiting the oxygen flux to the tailings underneath. This project complements the evaluation of the hydrogeological performance of the CCBE at the LTA site, but this time in terms of direct measurement uploads/Geographie/2011-jalilahamdi.pdf