This research is an experimental, field and numerical study of the sedimentation and consolidation of in-line thickened oil sands fine tailings. In-line thickening is a process that adds flocculant and coagulant into a modified tailings pipeline in a multi stage fashion to improve the dewatering behaviour of oil sands fine tailings cyclone overflow. The parent untreated cyclone overflow, in-line thickened tailings and sheared in-line thickened tailings were investigated in the laboratory. In-line thickened tailings were produced in the laboratory using the same process as in the field project and sheared in-line thickened tailings were prepared by shearing the thickened tailings with a specified shearing effort to simulate tailings transportation. A combination of hindered sedimentation tests, compressibility standpipe tests and large strain consolidation tests with vane shear tests was then used to capture a full range of sedimentation, consolidation and shear strength characteristics for these materials. Results show that the in-line thickening process significantly improves hydraulic conductivity and undrained shear strength of the fine tails. Shearing damages some of the floc structure but does not cause the material to fully return to the original state of the cyclone overflow. The laboratory data of the in-line thickened tailings was compared with field performance at two in-line thickened tailings pilot scale ponds and with a validation standpipe test by utilizing a developed finite strain consolidation model. Good agreements were obtained between the field performance, the laboratory test results and the validation standpipe test. These good agreements confirmed the validity of the laboratory determined geotechnical parameters and of the developed numerical model and indicated that it is possible to model large scale field performance with small scale laboratory tests. Finally, composite tailings was made from the in-line thickened tailings and was found to have a similar segregation boundary to that of gypsum treated composite tailings made with mature fine tailings but had a much higher hydraulic conductivity and shear strength which were inherited from the flocculated fines. / Geotechnical Engineering

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Ingeniero Civil / Los depósitos de relaves espesados, o TTD según sus siglas en inglés (Thickened Tailings Disposal), son aquellos en los cuales el relave descargado ha sido sometido a un proceso de espesamiento, incrementando las concentraciones de sólido en peso en comparación al relave convencional. Esta tecnología está siendo cada vez más utilizada en los últimos años debido principalmente a que permite una utilización más eficiente del agua que los relaves convencionales. Desde la perspectiva ambiental, uno de los mayores problemas provocados por la depositación de relaves es la contaminación de las napas subterráneas debido a la infiltración de agua desde los depósitos. El uso de TTD, en teoría, reduciría en forma considerable este impacto, debido a que contienen un bajo contenido de agua, además de material altamente impermeable. Si bien existen estudios de laboratorio, terreno y modelación que muestran que la infiltración mediante este método es baja, aún es necesario avanzar en estudios que permitan entender de mejor manera este fenómeno. La presente investigación está enfocada en el análisis de los parámetros geotécnicos que controlan la infiltración de agua desde los relaves espesados hacia el subsuelo, considerando las características tanto de los relaves como de los suelos subyacentes a los depósitos. En esta investigación se implementó un ensayo de laboratorio que permite medir la humedad en el suelo subyacente al depositar sobre él una capa de relave. El aparato utilizado consistió en un cilindro de 40 a 50 cm de alto y 9,6 cm de diámetro dentro del cual se colocó una capa de suelo natural de 30 a 40 cm de espesor y sobre él la capa de relaves de 5 cm de espesor con las características típicas de depositación. La humedad fue medida en profundidad a través de sensores conectados a un datalogger. El programa de ensayos desarrollado consideró tres relaves provenientes de diferentes proyectos mineros y dos suelos naturales con distintas características geotécnicas, que provienen de sitios en donde se emplazarán depósitos de relaves. Los resultados de los ensayos permiten concluir que la infiltración en el suelo es producida en mayor medida inmediatamente después de la depositación del relave y la cantidad de agua infiltrada depende, principalmente, de las propiedades intrínsecas del suelo de fundación y no de las características del relave. Por otra parte, la infiltración al suelo de fundación no se ve afectada de manera importante por efecto de la radiación. En el relave, en cambio, la humedad final es controlada principalmente por este efecto. En los ensayos realizados, la infiltración producida en los suelos de fundación, los cuales no presentaban humedad al comienzo de los ensayos, no superó humedades finales de 7% y profundidades superiores a 25 cm al final del ensayo.

Ingeniero Civil, Mención en Estructuras y Construcción / El principal problema ambiental generado por los depósitos de relaves es la contaminación de las napas subterráneas debido a la infiltración en el subsuelo con aguas de proceso. La metodología de depositación de relaves TTD (Thickened Tailings Disposal), implica someter al relave a un proceso de espesamiento, incrementando las concentraciones de sólido en comparación al relave convencional. Este estudio presenta una comparación experimental del potencial de infiltración de relaves convencionales en comparación a relaves espesados con metodología TTD. Para ello se midió empíricamente en una columna de flujo de una dimensión, la infiltración en un suelo natural producida por la depositación sobre el mismo de capas sucesivas de relave de diferentes concentraciones de sólidos, buscando simular el crecimiento de un depósito de relaves. Se implementó una instalación experimental consistente en una probeta cilíndrica de acrílico de 20 cm de diámetro x 100 cm de altura en la que se dispuso en su parte inferior 50 cm de suelo natural compactado, instrumentado con sensores de humedad y un tensiómetro. Luego en forma sucesiva, se depositaron capas de relave, instrumentadas con medidores de humedad, tensiómetro y medidor de temperatura. El programa de ensayos consideró: 2 muestras de relave y 1 muestra de suelo de fundación. Se ejecutaron cuatro ensayos, dos por tipo de relave a dos distintas concentraciones de sólidos. Para el Relave 1 (cobre), tanto el relave convencional como el espesado con metodología TTD, infiltraron el total de la muestra de suelo. Es necesario mencionar que la masa de relave espesado TTD corresponde a 1,85 veces la masa de relave convencional depositado y que en la probeta con relave convencional, en su parte inferior, se acumuló un exceso de agua que permitiría alcanzar una infiltración extra de 12%. Para el Relave 2 (oro y plata), la infiltración alcanzada en la prueba con relave espesado TTD alcanzó aproximadamente el 50% de la muestra de suelo, mientras que durante la prueba con relave convencional, se infiltró el total de la muestra de suelo. La razón entre la masa de relave espesado y la masa del relave convencional equivale a 1,36. En base al análisis y resultados de los ensayos experimentales realizados se ha logrado concluir que la profundidad que alcanza la infiltración dentro del suelo de fundación es una función que depende de la cantidad de agua liberada por el relave hacia el subsuelo y de la curva de retención de agua del suelo, específicamente de su capacidad de campo.

Résumé : Ce projet de recherche s’inscrit dans le cadre d’une requête de l’entreprise partenaire, Golder Associés Ltée. Cette dernière s’interrogeait sur la consolidation d’un résidu minier épaissi, une approche de plus en plus utilisée dans le domaine de la gestion des aires de déposition des résidus miniers. Ce type de matériau est épaissi jusqu’à un point où une fois déposé, il ne connaît pas ou peu de ségrégation, rejette moins d’eau et possède généralement un angle de repos plus grand que les résidus conventionnels. L’intérêt de cette approche dans le cadre de cette étude consiste en la réduction des empreintes des aires de déposition par la combinaison des résidus épaissis et des rehaussements par l’amont. La consolidation de ce type de résidus a été peu étudiée depuis leur développement. En rassemblant les observations rapportées dans les écrits scientifiques, il est possible de ressortir que le mécanisme physique générant la dissipation des pressions interstitielles en excès et le tassement au moment de la déposition est essentiellement la consolidation sous le poids propre. Un essai en colonne de tassement instrumentée de transmetteurs de pression a permis l’étude de la consolidation sous le poids propre en termes de dissipation des pressions d’eau avec une grande précision. Un essai en consolidomètre a permis de définir la compressibilité du matériau durant cette étape de consolidation sous le poids propre avec une précision acceptable. Les résultats expérimentaux ont été reproduits à l’aide du modèle CS2 suite à quelques ajustements des relations constitutives. CS2 considère la consolidation sous le poids propre et les grandes déformations d’une déposition instantanée. Le rapprochement entre le modèle CS2 et les résultats expérimentaux est sans équivoque et permet de prendre connaissance de certains aspects de la consolidation sous le poids propre qui étaient peu détaillés jusqu'à maintenant dans les écrits scientifiques. L’importance de la consolidation sous le poids propre et son intégration dans le plan de déposition proposé par l’entreprise partenaire a été évaluée à l’aide du logiciel SIGMA/W. Les capacités de ce logiciel ont tout d’abord été étudiées en 1D. Ces vérifications visaient la considération de la consolidation sous le poids propre tout en examinant la formulation de SIGMA/W pour un remplissage progressif. Ces simulations 1D ont pu être comparées aux résultats du modèle CS4, un modèle calqué sur CS2 qui permet un remplissage progressif. Finalement, une campagne de simulation à grande échelle en 2D visant la simulation d’une aire de déposition de résidus épaissis a permis d’examiner les éléments importants dans la considération de ce mécanisme à l’aide du logiciel commercial SIGMA/W. Il en ressort que le logiciel SIGMA/W n’est pas le logiciel idéal pour simuler la déposition progressive de résidus épaissis en considérant la consolidation sous le poids propre et ce pour maintes raisons. Les résultats de cette étude viennent situer l’importance de la consolidation sous le poids propre dans les résidus épaissis et fournissent une base solide pour la compréhension et la modélisation numérique de ce mécanisme en 1D ou en 2D. // Abstract : This research project was done through an academic partnership between the Université de Sherbrooke and Golder Associés Ltée., a mining consultant from Montréal. The latter had interrogations at regarding consolidation mechanisms controlling thickened tailings deposition, a relatively new approach in tailings management. This type of material are thickened to a point from which they don’t show any segregation, they expulse less water and can be stacked with a greater beach angle than conventional tailings. The combination of this method with the upstream raising method results in the possible reduction of the footprint of the tailings disposal facility. Thickened tailings have not been studied extensively. However, by gathering available information from the existing technical literature, it is apparent that the sole mechanism creating both a dissipation of excess pore water pressure and a settlement following deposition is self-weight consolidation. A settling column monitored with pressure transmitters was used to define accurately the self-weight consolidation process in terms of dissipation of excess pore water pressure. A consolidometer setup was used to define the compressibility of this material during the self-weight consolidation. Experimental results were reproduced with the numerical model CS2 which considers the self-weight consolidation and large strains. Following a few adjustments of the constitutive relationships, the numerical reproduction is clear; it represents closely the experimental results. This made it possible to document certain elements that were not well defined in the technical literature about the self-weight consolidation. The use of the finite element model SIGMA/W and its capability to consider self-weight consolidation within a tailings deposition scheme were evaluated. Firstly, the model capabilities were verified through 1D simulations that helped to document the method to adopt to model the self-weight consolidation. The formulation of SIGMA/W related to the sequential tailings placement was also studied during this phase. A comparison with the model CS4 was also performed. Secondly, the tailings disposal facility was modeled at large scale by including the sequential tailings placement and the consideration of the self-weight consolidation for each deposition. This process allowed evaluating the capabilities of SIGMA/W in large scale analysis. It appears that this numerical tool presents some numerical weaknesses especially with regards to the sequential tailings placement. Moreover, the results of this study place the self-weight consolidation of hard rock thickened mine tailings as an important mechanism that needs to be considered in a deposition scheme as it controls the short term displacements of the impoundment. Finally, they document the self-weight consolidation mechanism and provide reliable information for modelling this process in one or two-dimensional numerical analysis.

Résumé : Ce projet de recherche s’inscrit dans le cadre d’une requête de l’entreprise partenaire, Golder Associés Ltée. Cette dernière s’interrogeait sur la consolidation d’un résidu minier épaissi, une approche de plus en plus utilisée dans le domaine de la gestion des aires de déposition des résidus miniers. Ce type de matériau est épaissi jusqu’à un point où une fois déposé, il ne connaît pas ou peu de ségrégation, rejette moins d’eau et possède généralement un angle de repos plus grand que les résidus conventionnels. L’intérêt de cette approche dans le cadre de cette étude consiste en la réduction des empreintes des aires de déposition par la combinaison des résidus épaissis et des rehaussements par l’amont. La consolidation de ce type de résidus a été peu étudiée depuis leur développement. En rassemblant les observations rapportées dans les écrits scientifiques, il est possible de ressortir que le mécanisme physique générant la dissipation des pressions interstitielles en excès et le tassement au moment de la déposition est essentiellement la consolidation sous le poids propre. Un essai en colonne de tassement instrumentée de transmetteurs de pression a permis l’étude de la consolidation sous le poids propre en termes de dissipation des pressions d’eau avec une grande précision. Un essai en consolidomètre a permis de définir la compressibilité du matériau durant cette étape de consolidation sous le poids propre avec une précision acceptable. Les résultats expérimentaux ont été reproduits à l’aide du modèle CS2 suite à quelques ajustements des relations constitutives. CS2 considère la consolidation sous le poids propre et les grandes déformations d’une déposition instantanée. Le rapprochement entre le modèle CS2 et les résultats expérimentaux est sans équivoque et permet de prendre connaissance de certains aspects de la consolidation sous le poids propre qui étaient peu détaillés jusqu'à maintenant dans les écrits scientifiques. L’importance de la consolidation sous le poids propre et son intégration dans le plan de déposition proposé par l’entreprise partenaire a été évaluée à l’aide du logiciel SIGMA/W. Les capacités de ce logiciel ont tout d’abord été étudiées en 1D. Ces vérifications visaient la considération de la consolidation sous le poids propre tout en examinant la formulation de SIGMA/W pour un remplissage progressif. Ces simulations 1D ont pu être comparées aux résultats du modèle CS4, un modèle calqué sur CS2 qui permet un remplissage progressif. Finalement, une campagne de simulation à grande échelle en 2D visant la simulation d’une aire de déposition de résidus épaissis a permis d’examiner les éléments importants dans la considération de ce mécanisme à l’aide du logiciel commercial SIGMA/W. Il en ressort que le logiciel SIGMA/W n’est pas le logiciel idéal pour simuler la déposition progressive de résidus épaissis en considérant la consolidation sous le poids propre et ce pour maintes raisons. Les résultats de cette étude viennent situer l’importance de la consolidation sous le poids propre dans les résidus épaissis et fournissent une base solide pour la compréhension et la modélisation numérique de ce mécanisme en 1D ou en 2D. // Abstract : This research project was done through an academic partnership between the Université de Sherbrooke and Golder Associés Ltée., a mining consultant from Montréal. The latter had interrogations at regarding consolidation mechanisms controlling thickened tailings deposition, a relatively new approach in tailings management. This type of material are thickened to a point from which they don’t show any segregation, they expulse less water and can be stacked with a greater beach angle than conventional tailings. The combination of this method with the upstream raising method results in the possible reduction of the footprint of the tailings disposal facility. Thickened tailings have not been studied extensively. However, by gathering available information from the existing technical literature, it is apparent that the sole mechanism creating both a dissipation of excess pore water pressure and a settlement following deposition is self-weight consolidation. A settling column monitored with pressure transmitters was used to define accurately the self-weight consolidation process in terms of dissipation of excess pore water pressure. A consolidometer setup was used to define the compressibility of this material during the self-weight consolidation. Experimental results were reproduced with the numerical model CS2 which considers the self-weight consolidation and large strains. Following a few adjustments of the constitutive relationships, the numerical reproduction is clear; it represents closely the experimental results. This made it possible to document certain elements that were not well defined in the technical literature about the self-weight consolidation. The use of the finite element model SIGMA/W and its capability to consider self-weight consolidation within a tailings deposition scheme were evaluated. Firstly, the model capabilities were verified through 1D simulations that helped to document the method to adopt to model the self-weight consolidation. The formulation of SIGMA/W related to the sequential tailings placement was also studied during this phase. A comparison with the model CS4 was also performed. Secondly, the tailings disposal facility was modeled at large scale by including the sequential tailings placement and the consideration of the self-weight consolidation for each deposition. This process allowed evaluating the capabilities of SIGMA/W in large scale analysis. It appears that this numerical tool presents some numerical weaknesses especially with regards to the sequential tailings placement. Moreover, the results of this study place the self-weight consolidation of hard rock thickened mine tailings as an important mechanism that needs to be considered in a deposition scheme as it controls the short term displacements of the impoundment. Finally, they document the self-weight consolidation mechanism and provide reliable information for modelling this process in one or two-dimensional numerical analysis.

Liquefaction is a major challenge in geotechnical engineering in which soil strength and stiffness are compromised due to earthquake activity. Understanding and predicting the behaviour and liquefaction susceptibility of soils under cyclic loading is a critical issue in civil engineering, mining and protective engineering. Numerous earthquake-induced ground failure events (e.g., substantial ground deformation, reduced bearing capacity) or liquefaction in natural fine-grained soils or manmade fine-grained soils (i.e., fine tailings) produced by mining activities have been observed and reported in the literature. Tailings are manmade soils that remain following the extraction of metals and minerals from mined ore in a mine processing plant. Traditionally, such tailings are stored in surface tailings impoundments at the mine’s surface. However, geotechnical and environmental risks and consequences related to conventional tailings impoundments have attracted the attention of the engineering community to develop novel methods of tailings disposal and management to minimize geotechnical and environmental risks. Thus, engineers have introduced and implemented innovative tailings technologies—thickened tailings and paste tailings—as cost-effective means for tailings management in mining operations. As both thickened tailings and paste tailings have lower water content and higher solid content than tailings in conventional impoundments, these tailings may be more resistant to liquefaction. However, it should be noted that the seismic or cyclic behaviour of these thickened and paste tailings, with and without heavy rainfall effects, are not fully understood. There is little technical information or data about the behaviour and liquefaction of thickened and paste tailings under seismic or cyclic loading conditions. The objective of the present PhD research is to investigate the response of layered thickened and paste tailings deposits, with and without heavy rainfall effects, to cyclic loads by conducting shaking table tests. To simulate the field deposition of thickened and paste tailings, tailings were deposited in three thin layers in a flexible laminar shear box (FLSB) attached to the shaking table equipment. A sinusoidal seismic loading at a frequency of 1 Hz and peak horizontal acceleration of 0.13g was applied at the bottom of the layered tailings deposits. Acceleration, displacement and pore water pressure responses to the cyclic loading were monitored at the middle depth of each layer of the tailings deposits. Regarding the acceleration response of these thickened and paste tailings deposits (without the effect of heavy rainfall), there was no difference between the middle of the bottom and middle layers or at the base of the shaking table. However, the acceleration at the middle of the top layer differed from the acceleration at the base of the shaking table. Throughout shaking, the layered tailings deposits (with and without the effect of heavy rainfall) exhibited contraction and dilation responses. The excess pore water pressure ratios of the layered thickened tailings deposit that was not exposed to heavy rainfall prior to shaking were found to exceed 1.0 during shaking. However, for the layered paste tailings deposit that was not exposed to the effect of heavy rainfall prior to shaking, the excess pore water pressure ratios were found to be lower than 0.85 during shaking. This reveals that without the effect of heavy rainfall, the layered thickened tailings deposit was susceptible to liquefaction, whereas the layered paste tailings deposit was resistant to liquefaction during shaking. The excess pore water ratios of the layered thickened and the paste tailings deposits that were exposed to heavy rainfall prior to shaking were found to be lower than 0.8 during shaking. This reveals that with the effect of heavy rainfall, the layered thickened and paste tailings deposits were resistant to liquefaction during shaking. The results and findings of this PhD research thus provide valuable information for the implementation of tailings in earthquake-prone areas.