Résumé

Matthew Otwinowski

Scaling Analysis Of Acid Rock Drainage 

RÉSUMÉ 

La nature particulièrement non linéaire des équations cinétiques decrivant les processus géochimiques et physiques agissant ensemble dans l'oxydation de la pyrite a soulevé des questions importantes sur la prévisibilité des répercussions sur l'environnement du drainage des eaux acides provenant des stériles. En réponse à ces questions, le présent rapport décrit les résultats d'un projet de recherche qui a été amorcé dans le but d'analyser quantitativement les processus chimiques et physiques élémentaires combinés qui sont à l'origine de l'oxydation de la pyrite et de l'acidification des eaux de drainage des stériles. Ce projet fait partie de mesures prises pour concevoir des indicateurs pratiques qui combineraient les données quantitatives de laboratoire, obtenues de petits échantillons de stériles, dont les effets observés dans les haldes de stériles sont à grande échelle.

Le principal objectif du présent projet était de déterminer les simples lois d'échelle qui gouvernent le comportement géochimique et thermodynamique de la roche pyritique dans les haldes de stériles. L'indicateur d'échelle δ qui combine les informations sur les processus se produisant à différentes échelles, est un élément innovateur du projet.

Les équations cinétiques effectives des réactions chimiques couplées se produisant pendant l'oxydation de la pyrite ont été établies. La concentration d'oxygène dissous a été décrite par une simple formule qui corrobore quantitativement les données expérimentales pour tout l'intervalle des températures et des concentrations de l'oxygène dans la phase gazeuse, tel qu'exigé pour l'analyse du drainage des eaux acides provenant de stériles. La forte diminution de la concentration de l'oxygène dissous avec la température est incluse dans le modèle. Elie ne l'avait pas été dans les modèles antérieurs - ce qui a pu causer une surestimation du potentiel d'acidification.

L'énergie et le transport de l'oxygène sont décrits en utilisant un modèle de réaction- transport. La forte dépendance non linéaire des vitesses de réaction effectives sur les paramètres physiques, minéralogiques et chimiques a été décrite au moyen d'un paramètre d'échelle δ que l'on peut utiliser comme indicateur pratique de drainage d'eaux acides provenant de haldes de stériles. Le paramètre d'échelle sans dimension δ combine des informations sur la porosité de la halde, la faille de la halde, la superficie de réaction effective, l'effet de la température sur la vitesse d'oxydation de la pyrite, la diffusion de l'oxygène dans la phase gazeuse, la chaleur de réaction de l'oxydation de la pyrite, la conductivité thermique des stériles et la température ambiante.

L'analyse de la sensibilité foumit des informations sur la précision requise pour les essais expérimentaux et l'importance relative des paramètres agissant sur les différents processus physiques et géochimiques à l'origine des eaux acides provenant de haldes de stériles. En particulier, il est montré que l'efficacité des couvertures imperméables s'accroît avec la concentration de la pyrite.

L'analyse d'échelle indique que les processus géochimiques et de transport fonctionnent à l'échelle moyenne d'une façon fondamentalement différente de l'échelle réelle. Les valeurs critiques du paramètre d'échelle δ auxquelles ont lieu des bifurcations ou des catastrophes thermodynamiques aboutissant à une accélération de l'acidification, ont été déterminées dans différents scénarios. Le fait crucial que l'acidification des eaux drainant les haldes de stériles dépend de la porosité des haldes, de la taille des haldes et de leur surface de réaction est l'une des conclusions de l'analyse de bifurcation. Les résultats de l'analyse d'échelle offrent la possibilité d'une évaluation provisoire rapide et peu coûteuse des répercussions prévues sur l'environnement.

Tous les paramètres et toutes les variables du présent modèle peuvent être mesurés dans des expériences indépendantes. Le modèle produit des résultats réalistes en ce qui concerne les vitesses d'acidification sans l'introduction de paramètres ajustables utilisés par tous (connus de nous) les autres modèles de stériles. Plusieurs résultats de la présente étude different considérablement des conclusions et des hypothèses d'autres modèles.

Les résultats quantitatifs présentés dans l'étude devraient être confrontés aux données recueillies sur le terrain. Des essais thermocinétiques additionnels sur des échantillons de roches de stériles doivent être réalisés pour obtenir des données d'entrée fiables pour les modèles prédictifs futurs de stériles. Les effets du transport de l'oxygène par convection et du transport de l'eau sur les valeurs critiques du paramètre d'échelle sans dimension devraient être analysés dans une étude future.

Les essais habituels pour déterminer l'équilibre acide-base ne permettent pas de concevoir un modèle prédictif qui produirait des informations quantitatives sur les effluents. Pour obtenir les informations expérimentales nécessaires à un modèle prédictif des stériles, il est proposé de réaliser des essais thermocinétiques additionnels.

Nous espérons qu'après d'autres modifications et étalonnages, l'analyse d'échelle présentée facilitera la conception et la gestion des haldes de stériles.