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Étang du mont Rosser

Projet d’assainissement – Essais de pompes à boue – Résultats

 

 

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FICHE DE CONTRÔLE DES DOCUMENTS

Client	Rio Tinto Alcan
Titre du projet	Assainissement des actifs exclus de Rio Tinto Alcan
Titre du document	Essai de pompe à boue – Résultats
N° de document	MDE0182RP0038WPR
Le présent document comprend :	DCS	TOC	SMS	Liste des tableaux	Liste des figures	Non. de Annexes
	1	1	16	0	–	–

 

Rev.	Statut	Auteur(s)	Revu par	Approuvé par	Bureau d’origine	Date d’émission
D01	Brouillon	W Orsmond	C Masson, R Tapp		Jetée Ouest	22 oct ’11
F01	Final	W Orsmond	C Masson	W Orsmond	Jetée Ouest	15 nov ’11

 

1 INTRODUCTION

L’étang Mt Rosser est un barrage de résidus de bauxite (boue rouge) situé dans les montagnes Diablo, juste au nord de la ville d’Ewerton en Jamaïque.

Graphique 1.1

L’étang est en fait un barrage artificiel qui couvre une superficie d’environ 40 ha et a des remblais d’enrochement allant jusqu’à 53 m de haut le long du côté sud qui forme la retenue. Il a d’abord été construit en 1959 pour servir de bassin de résidus pour prélever les résidus de bauxite (boues rouges) de l’usine d’Ewarton située à environ 5 km et 300 m plus bas. La boue rouge a été pompée sous forme de boue comprenant environ 20 % de solides vers l’étang sur une période d’environ 32 ans jusqu’en 1991, date à laquelle l’étang a été remplacé par l’installation d’empilage et de séchage de la boue de Charlemount. Au cours de cette période, les remblais d’étangs (appelés barrages) ont été surélevés jusqu’à 7 fois, ce qui donne une élévation finale de 472 m. L’étang n’a cependant jamais été rempli à sa capacité de conception finale et le niveau de la plage de boue est resté à environ 469 m et la zone centrale à environ 458 m, laissant une dépression concave qui contenait environ 1,4 million de ^m3 d’eau avec un pH élevé et un certain contenu caustique.

Photo 1.1: Étang du mont Rosser regardant du coin sud-est au nord-ouest

Le plan d’assainissement de l’étang comprend l’enlèvement de l’eau de l’étang, puis le reclassement de la surface de la boue pour qu’elle soit librement drainée afin qu’elle puisse être stabilisée et végétalisée. Environ 500 000 ^m3 de boue devront être déplacés sur une distance allant jusqu’à 1 km afin de créer le profil requis. En raison de la nature très douce des boues de surface (résistance au cisaillement inférieure à 3 kPa), sa capacité portante est inférieure à 20 kPa, elle n’est donc pas accessible en utilisant même des équipements de terrassement modifiés. De plus, les boues sont thyrotrophes et, sous toute vibration ou charge de cisaillement, se liquéfient rapidement, ce qui entraîne une réduction significative de la résistance au cisaillement et une perte de capacité portante. L’utilisation d’équipements de terrassement conventionnels nécessiterait donc de vastes routes de transport « flottantes » avec un risque élevé d’immobilisation des machines ou de perte d’usine entière et de risque pour le personnel. Il a donc été décidé d’étudier la possibilité de pomper les boues rouges in situ.

Un essai de pompage de boue a été entrepris pour évaluer la faisabilité de l’utilisation de cette technique pour déplacer la boue en vrac. Le pompage de la boue rouge n’est pas inhabituel et les boues ont d’abord été pompées jusqu’à l’étang Mt Rosser. Cependant, les boues sont généralement pompées à une teneur en solides de 30% ou moins. Une fois déposés, ils peuvent prendre des années à se reconsolider et à se raffermir suffisamment pour permettre l’accès aux travaux de terrassement légers et aux plantes agricoles.

 

En plus du pompage de la boue, l’essai comprenait le remplissage de trois géotubes à petite échelle pour évaluer leur performance, car ceux-ci peuvent être nécessaires dans le cadre des travaux de nivellement.

Référence du projet : AuM 0894 Jamaïque. Réf. HSEQ Work Package : JWP# 11001

1.1 BUT DE L’ESSAI

L’objectif principal de l’essai de pompe était de déterminer si les boues pouvaient être pompées dans leur état insitu et, dans le cas contraire, quelle quantité d’eau est nécessaire et comment les variations de la teneur en eau affectent les taux de pompe.

Lié à cela était de:

• acquérir une appréciation des difficultés de pompage dans ces conditions
• comprendre le comportement des boues entourant la zone de la pompe.
• évaluer comment les boues se sont comportées une fois déposées et comment elles réagissent lorsqu’elles se déposent dans l’eau.

Pour les géotubes, l’objectif principal était d’évaluer comment les tubes contenaient les boues pompées et comment ils réagissaient avec le temps.

2 ÉQUIPEMENTS UTILISÉS

L’essai de pompage de boue a été entrepris à l’aide d’une pompe EDDY de 4 pouces. Cette pompe a été recommandée en raison de sa capacité à gérer des solides variables et de son mécanisme de fonctionnement robuste. L’unité de pompage incorporait un entraînement hydraulique et une tête de coupe. L’unité a été montée sur la flèche d’une pelle JCB 220 qui a également fourni l’alimentation hydraulique pour alimenter la pompe pour la plage requise de 30-40 GPM à 3 500 à 4 000 psi (2428MPa). La tête de coupe était alimentée par une unité de puissance hydraulique autonome capable de fournir les 30 gpm requis à 200 psi (1,9 l / s à 13,8 MPa). Si elle est montée sur une pelle de 30 tonnes avec un système hydraulique System 14 et deux alimentations auxiliaires de la flèche, toute la puissance hydraulique nécessaire pour la pompe et la tête de coupe peut être fournie par la pelle. Cet équipement n’était cependant pas disponible à l’époque en Jamaïque.

PHOTO 3.1: Pompe EDDY dans l’accessoire de l’excavatrice

En plus de la pompe montée sur la pelle, une pelle à longue portée (CAT 325) a été utilisée pour déplacer les boues vers la tête de coupe, mais aussi pour desserrer les boues et mélanger de l’eau supplémentaire pour faciliter le pompage. L’eau a été ajoutée en la pompant directement de l’étang à l’aide d’une pompe à eau diesel de 3 pouces.

Avant de pomper les boues, la pompe à boue fonctionnait en mode de recirculation afin d’amorcer la pompe. En mode de recirculation (re-circ), le matériau pompé serait détourné vers un tuyau de refoulement court monté sur la pompe dirigé vers l’arrière parallèlement à la tête de coupe. Cette action aiderait à agiter et à remuer les boues.

Photo 3.2: CAT 325 Longue portée (flèche de 60 pieds) et JCB220 avec pompe à boue Eddy.

Les géotubes pour les essais mesuraient 6 m de long et 1 m de haut (remplis) et étaient fournis par Tencate. Les tubes étaient fabriqués à partir d’un polyester tissé – GT1000M et avaient un point de remplissage supérieur central. Un ensemble de petits sacs avec un ensemble d’essai en polymère a également été fourni, mais cela n’a pas été essayé à cette occasion.

Photo 3.2 : Géotube avant le remplissage

3 PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX

Une étude géotechnique des sols a été entreprise sur les boues de l’étang du mont Rosser en 2004. Il a montré que le matériau était principalement du limon argileux avec environ 13% de sable, 29% d’argile et 58% de limon en utilisant l’analyse au tamis et l’hydromètre conventionnels. Les limites d’Atterberg indiquent que le matériau est une argile de plasticité intermédiaire à élevée. Les boues varient cependant à travers le lac et aussi verticalement. Ceci est principalement dû au processus de dépôt et à l’emplacement du rejet. Près de l’emplacement de décharge, les matériaux du coursier se déposeraient en premier et les matériaux plus fins se disperseraient le plus loin et à l’extrémité opposée de l’étang. Les résultats sont présentés à la figure 4.1.

Figure 4.1 : Analyse de nivellement (méthode conventionnelle de mécanique des sols, 2004 SI)

Plus tôt cette année, d’autres échantillons de boue ont été analysés, car il était évident que les tests standard de mécanique des sols ne fournissaient pas une évaluation précise de ce matériau fin. Cela était particulièrement évident dans les essais effectués avec le tamisage à sec qui montre que le matériau est du sable bien classé (voir les résultats pour les échantillons 5300, 5301, 5302 sur la figure 4.2). Lorsqu’elle est dispersée dans l’eau, même avec un agent, la rhéologie « pseudo-plastique de rendement » des boues semble affecter les résultats de l’hydromètre avec de grandes variations entre les tests (voir les résultats des échantillons PFT4 & 5 prélevés lors d’essais de pompage de boue sur la figure 4.2).

Les essais supplémentaires consistaient à effectuer des étalonnages à l’aide d’un analyseur de particules laser. Les résultats ont indiqué que les boues sont principalement du limon, bien que le pourcentage de limon varie de 30% à 80%, le matériau étant soit plus sableux, soit plus argileux (jusqu’à 15% d’argile). Voir les résultats des échantillons se terminant par « L » à la figure 4.2 ci-dessous.

Figure 4.2 : Analyse de classement des boues sèches à l’aide du tamisage sec (5300-2), des boues humides à l’aide du tamisage et de l’hydromètre (PFT) et de l’analyse laser (L suffex).

Les tests de teneur en humidité sur les boues prélevées à l’intérieur de l’étang de boue mais sous l’eau de l’étang variaient de 100% à 150% (50% à 40% de solides). Les boues sur le site d’essai de la pompe étaient de 137 % (42 % de solides).

La résistance au cisaillement était généralement très faible, allant de 1 kPa à 6 kPa augmentant avec la profondeur. Les sondes dynamiques précédemment entreprises ont indiqué que les boues sont « très molles » à 5 m augmentant légèrement à « molles » à une profondeur de 9 m, après quoi elles augmentent pour se raffermir en devenant rigides.

Le pH des boues variait de 10,3 à 11,7 (ave 11,2). Des tests antérieurs ont indiqué que les boues de surface ont le pH le plus bas, bien qu’une fois à travers la croûte, le pH ait tendance à être plus élevé. Lors des essais, les boues jusqu’à une profondeur d’environ 2,5 m ont été mélangées, de sorte qu’aucune stratification du pH n’a pu être déterminée.

4 CONSTATATIONS

4.1 POMPAGE DE BOUE

Initialement, le pompage était problématique principalement en raison de la sous-puissance de la pelle. Cela a été diagnostiqué comme un problème de pompe hydraulique et la pelle a été remplacée. La tête de coupe (qui agit également pour protéger l’admission) avait tendance à aveugler avec de la boue (photo 5.1) et ne fournissait pas non plus assez d’agitation pour liquéfier les boues. Cela a été en partie résolu en ajoutant des « agitateurs » (2 boucles en acier soudées de chaque côté) à la tête de coupe rotative et aussi un « peigne » (Photo 5.2) pour garder les espaces à l’intérieur de la tête de coupe ouverts.

Photo 5.1: Tête de coupe aveuglée avec de la boue Photo 5.2: Tête de coupe avec peigne ajoutée

Les taux de pompage de la boue variaient de 21 l/s à 52 l/s (332 – 824 gpm) et il était clairement visible que plus les boues étaient liquides, plus la vitesse de la pompe était élevée. Les échantillons ont été prélevés à différents taux de rejet et à différente teneur en humidité et en pourcentage de solides déterminés par des tests de laboratoire. Les résultats sont représentés à la figure 5.1 et, bien que dispersés, donnent une indication des effets de la teneur en solides sur les débits. La teneur naturelle en humidité des boues (insitu) sur le site d’essai était de 137 %, soit 42 % de solides. Ceci est illustré à la figure 5.1 sous la forme d’une ligne verticale. Le pompage de boues proches du pourcentage de solides a été réalisé bien que les débits aient été faibles.

Comme mentionné précédemment, la pelle à longue portée a été utilisée pour desserrer les boues. L’eau était pompée de l’étang à l’aide d’une pompe de 3 pouces dans l’excavation et la longue portée travaillait ensuite les boues pour mélanger l’eau. La pompe à boue serait ensuite utilisée en mode de recirculation pour mélanger davantage les boues dans un état plus cohérent. Même avec ce mélange et cette agitation, l’eau avait tendance à se concentrer sur la surface. Cela a facilité le processus initial d’amorçage de la pompe et, une fois amorcé, des boues plus épaisses à 1 m à 2 m sous la surface ont pu être pompées. Cependant, il a été constaté que les boues plus profondes avaient tendance à être grumeleuses, ce qui réduirait considérablement ou arrêterait le débit nécessitant que la pompe soit soulevée dans des boues plus minces ou qu’elle doive retourner en mode re-circ ou qu’elle doive être complètement réamorcer. La décharge de la pompe était donc très incohérente car la position d’admission d’aspiration nécessitait constamment un ajustement pour tenter d’obtenir une décharge adéquate mais aussi de pomper les boues les plus épaisses possibles.

Photo 5.3: Pompe à boue en mode re-circ / amorçage Photo 5.4: Décharge de boues (±30l / s, ±37% de solides)

Figure 5.1 : Graphique du débit à diverses teneurs en solides

L’évacuation des boues pompées s’est faite par 30 m de tuyau flexible puis 60 m de tuyau en PEHD de 4 » qui avait un diamètre intérieur d’environ 87 mm (3,5 »). Les boues ont été déversées sur la plage de boue d’origine qui se trouve à une pente d’environ 9%. Lors du dépôt, les boues s’écoulaient lentement vers le bas du gradient. Parfois, l’écoulement s’arrêtait et les boues s’accumulaient puis s’écoulaient à nouveau dans un mouvement de vague. L’angle naturel de repos serait donc inférieur de quelques degrés à celui-ci – probablement de 5% à 6%.

Photo 5.5 : Point de décharge de boue Photo 5.6 : Boues en cours de déversement

Bien que les boues aient une très faible résistance au cisaillement et qu’à l’agitation, les côtés de l’excavation avaient une résistance suffisante pour se tenir à environ 2 m près de la verticale. Même du jour au lendemain, l’affaissement était limité et la banque pouvait être minée d’environ 0,5 m avec la tête de coupe / agitateur avant de s’effondrer.

À la fin du pompage, afin de rincer le pipeline, de fines boues aqueuses ont été pompées jusqu’à ce que la ligne soit dégagée. Un système de vanne en « T » a ensuite été utilisé pour connecter la conduite de pompe à eau de 3 pouces, puis pour rincer le tuyau avec de l’eau.

4.2 GÉOTUBES

Trois géotubes (1m x 6m) ont été remplis de boues rouges pompées à l’aide de la pompe Eddy de 4 ». Les taux de remplissage étaient d’environ 30 à 40 l/s, bien qu’il soit difficile à évaluer car l’écoulement et la consistance de la boue n’étaient pas visibles.

Le tube 1 a d’abord été rempli de boue plus épaisse, puis de boues plus épaisses à mesure que l’opérateur de la pompe avait une meilleure idée des conditions. Le tube a été rempli jusqu’à ce qu’il soit ferme. Le deuxième tube a été rempli de boues plus épaisses et le remplissage s’est poursuivi jusqu’à ce que le tube soit tendu. Ces deux tubes ont été positionnés sur la plage en pente afin de former une petite zone de retenue en « U » qui serait plus tard remplie de boues pompées. Bien que la zone ait été préparée, le sol en pente a fait tourner le premier tube à environ 20 degrés. Le tube a été jalonné et le côté de la pente descendante remblayé. Un lit plus défini a été créé pour le deuxième tube et le même problème de rotation a été limité. Les deux tubes remplis avec la boue de bassin sont montrés sur les photos 5.7 et 5.8. Mis à part une petite fuite au contact entre les deux géotubes, l’accumulation des boues a réussi.

Photo 5.7: Deux géotubes formant le bund de l’étang d’essai Photo 5.8: Les boues après le pompage sont liquides

Le troisième tube a été positionné sur un sol plat. Il était rempli de boues d’écoulement moyen (mais d’épaisseur constante) et était rempli jusqu’à ce que le tube soit tendu.

Photo 5.10: Geotube avant le remplissage Photo 5.11: Geotube rempli tendu – note infiltration / saignement

Dans les trois cas, il y avait très peu de perte de boue ou d’infiltration des tubes. Lorsqu’il était debout, de l’eau rouge se pressait autour de la zone de pression. Une fois rempli tendu, le sac entier aurait de petites gouttelettes d’eau rouges se formant à l’extérieur (visible sur la photo 5.11), mais l’infiltration était en général nominale.

Les tubes ont été surveillés et les photos les plus récentes prises le 10 octobre 2011 (6 semaines après le remplissage) montrent comment les tubes ont diminué en volume en raison de la déshydratation des boues contenues. La perte de volume est estimée à environ 30%. La teneur en humidité prévue serait donc d’environ 90% et les solides d’environ 53%.

Photo 5.12: Geotube #3 rempli à pleine capacité Photo 5.13: Geotube #3after 6 semaines

Photo 5.14: Geotube #4 après 6 semaines Photo 5.15: Geotube #1 après 6 semaines

Les boues pompées dans l’étang d’essai derrière les géotubes étaient d’épaisseur moyenne à épaisse, probablement de l’ordre de 37 à 40% de solides. Après 6 semaines, la boue s’est non seulement raffermie, mais s’est desséchée de manière significative avec des fissures de surface larges et profondes, comme en témoignent les photos 5.14 et 5.15.

La surveillance des tubes et de l’étang d’essai est en cours.

6 PROCHAINES ÉTAPES

L’essai a démontré que :

1. Les boues peuvent être pompées bien que de l’eau ait dû être ajoutée pour obtenir des volumes de décharge « normaux ».
2. Les boues peuvent être pompées à une teneur proche de leur teneur en humidité in situ et très probablement à leur teneur en humidité in situ si elles étaient plus agitées et que le système de canalisations a été conçu pour réduire les pertes par frottement.
3. La pompe a besoin d’une méthode d’amorçage car les boues sont trop épaisses pour lui permettre de s’amorcer.
4. L’accès à la surface de la boue est problématique et sera très difficile sur la boue pompée.

Par conséquent, si le pompage doit être utilisé comme méthode principale de déplacement des boues pour reclasser le bassin, la configuration de la pompe a besoin au minimum des éléments suivants:

1. Être en mesure d’accéder à la surface de boue et de se déplacer efficacement et en toute sécurité. La suggestion est d’avoir la pompe montée sur un ponton qui est positionné à l’aide d’un câble à haute résistance (dynema) ou d’un câble en acier. Le système de pompage devrait être contrôlé à distance, car cela limiterait les mouvements réguliers du personnel sur les boues.
2. Ayez un système d’amorçage qui ne nécessite pas d’eau à la surface.
3. Être capable d’agiter les boues autour de la tête d’aspiration pour les liquéfier complètement.
4. Avoir une puissance et une capacité de volume suffisantes pour pomper les boues à une teneur en humidité proche ou in situ et les évacuer à environ 1000 m à travers un pipeline flexible.

Il ressort également des essais que les boues ne s’affaissent pas et ne s’écoulent pas facilement. Il faudra donc disposer d’une pelle amphibie pour desserrer les boues dans la zone autour de la tête de pompe. Cette boue affaiblie et plus liquide faciliterait également le mouvement du ponton de la pompe. Pour limiter également la quantité de mouvement que le ponton devra faire, l’excavatrice amphibie pourrait également déplacer les boues vers l’emplacement de la pompe.

7 PROGRAMME

En utilisant la capacité de la pompe à boue de 4 », le déplacement de la boue prendrait environ 1,5 à 2 ans, la pompe devra cependant être plus adaptée à la tâche. Une période cible de 1 an semble cependant raisonnable. Cependant, avant cela, l’équipement devra être acheté et importé en Jamaïque. Les accessoires de pompe de dragage d’excavatrice de 6 et 10 pouces sont également considérés comme une option pour des BPF plus élevées et un calendrier d’achèvement plus serré. Un programme préliminaire est le suivant:

Déc 2011 – Mars 2012 : Achat d’une pelle à pompe et amphibie. Faites fabriquer un ponton en Jamaïque
Avril 2012 – Mai 2012 : Importation d’usine et implantation sur place
Juin 2012 – Juin 2013 : Pompage de boue et terrassement en vrac
Juillet 2013 – Juillet 2014 : stabilisation de surface et début de la végétation.[/et_pb_text]