Résultats – Programme de recherche sur le développement durable du secteur minier

Mot de bienvenue et logistique

Auteurs : Louis Bienvenu, Katrie Bergeron (MRNF) et Marie Vachon (FRQNT)

L’objectif du Programme de recherche en partenariat sur le développement durable du secteur minier est d’aider l’industrie minière à relever les défis techniques, environnementaux et technologiques posés par le contexte géologique et industriel québécois. Ce programme est géré par le FRQNT et est financé par le MRNF.

Le processus d’octroi des subventions du FRQNT est un processus par appels de propositions. À chaque appel de propositions, le FRQNT publie un guide qui renferme toutes les caractéristiques du concours et les conditions à remplir par les requérants. Un comité de pertinence et un comité scientifique analysent les demandes retenues. Les demandes sont classées selon les résultats du comité scientifique et des recommandations de financement sont alors faites au conseil d’administration du FRQNT.

Pour l’ensemble de ce processus, on peut compter environ 9 mois entre le lancement d’un appel de propositions et l’annonce des résultats. Les projets d’une durée de deux ou trois ans peuvent alors débuter. À la fin des travaux, les chercheurs subventionnés doivent soumettre des rapports finaux qui seront analysés par le comité scientifique. En somme, il faut donc compter un maximum de 51 mois (4 ans et 3 mois) entre le lancement d’un appel de propositions et la remise du rapport final pour les projets de trois ans.

Durant les 10 ans de la période 2013-2022, le programme a pu financer 130 projets de recherche à partir de 333 demandes réparties selon 7 axes de recherche visant tous les domaines d’activité du secteur minier, incluant même les minéraux critiques et stratégiques. Les investissements du MRNF et du FRQNT durant ces 10 années ont totalisé plus de 42,6 M$. Ce budget n’a cependant pu financer qu’environ 43 % des demandes jugées pertinentes.

L’apport du milieu minier dans ces projets a surpassé les attentes, atteignant 32 à 39 % de la valeur des subventions, alors que l’apport minimal exigé était fixé à 10 %.

Le programme a été renouvelé pour la période 2022-2025, le temps de faire 3 nouveaux appels de propositions.

En somme, le FRQNT devrait avoir reçu entre 2013 et 2025 pas moins de 433 propositions et d’avoir financé plus de 182 projets de recherche grâce à des investissements de plus de 83,0 M$ incluant la participation des partenaires.

Ces investissements reflètent la confiance du MRNF et du FRQNT dans l’avenir de l’industrie minière, si importante pour le Québec.

Cette présentation portera sur les résultats des travaux de recherche effectués dans le cadre du projet « Optimisation des opérations minières en temps réel ». Dans un premier temps, nous chercherons à définir brièvement les concepts clés de la mine intelligente en résumant les attentes et la réalité existante des mines en trois catégories à savoir les objectifs, les moyens et le processus de gestion d’entreprise ciblé.

Par la suite, nous présenterons les résultats des travaux de recherche sur le développement d’un outil d’ordonnancement robuste des activités de minage à court terme et en temps réel. Cet outil cherche d’abord à construire des horaires pour les quarts de travail qui tiennent compte des contraintes d’exploitation des mines souterraines. Étant donné que l’environnement minier est très dynamique et engendre beaucoup de variabilités sur la durée des différentes opérations de minage (forage, transport du minerai, boulonnage, etc.), les modèles développés cherchent à produire des horaires robustes qui tiendront compte de cette variabilité afin d’éviter d’aménager constamment les horaires de travail. Ces modèles sont dits proactifs. Des tests effectués avec différents modèles démontrent l’efficacité et la robustesse des horaires conçus avec cette nouvelle approche. Afin de rendre cet outil plus réaliste, nous présenterons également les travaux effectués sur la valorisation des données des exploitations minières, plus particulièrement sur l’estimation des temps de transport, qui permettent d’obtenir une meilleure estimation des durées d’opération. Étant donné que les mines sont des environnements fortement dynamiques, il se peut que la solution proposée par les modèles proactifs s’éloigne de la réalité; il est alors essentiel de modifier cet horaire. On passe alors à un modèle réactif ou à une gestion en temps réel.

Finalement, nous exposerons les grandes lignes de la conception d’un jumeau numérique, plus spécifiquement sur la coordination en temps réel des équipements mobiles dans les mines souterraines.

Auteurs : L. Paul Bédard, Arnaud Back, Julien Maitre, Kevin Bouchard (UQAC), Cyril Kana Tepakbong et Réjean Girard (IOS Services Géoscientifiques)

Reconnaître les minéraux est une tâche importante dans de nombreux domaines tels que l’exploration et l’exploitation minière, la géologie, le génie civil, l’environnement, etc. Dans certains cas, comme le comptage des grains dans les sédiments glaciaires; l’identification et le comptage des minéraux s’avèrent des tâches difficiles et exigeantes en ressources matérielles et humaines. De plus, dans presque tous les cas, le comptage est séquentiel, c’est-à-dire un grain à la fois; à 0,1 seconde chacun, le comptage d’un million de grains prendrait donc 27,8 heures!. Une approche permettant d’analyser tous les grains en même temps serait donc nettement plus rapide et désirable.

Dans le cadre de nos travaux, un premier algorithme a été développé pour reconnaître les grains d’or en temps réel en utilisant le spectre unique de l’or en lumière réfléchie. Cependant, il n’existait à ce moment aucun matériau de référence pour assurer la qualité des comptages et calibrer les différentes méthodes d’analyse. Pour faire face à cette situation, nous avons mis au point un échantillon de référence pour le comptage des grains d’or. Par la suite, nous avons conçu un protocole plus complet permettant d’identifier optiquement un plus grand nombre de minéraux. Après quelques tentatives infructueuses, nous nous sommes orientés vers l’apprentissage machine en collaboration avec une équipe d’informaticiens de l’UQAC. Cette approche informatique se divise en plusieurs étapes : étiquetage des minéraux (incluant leur segmentation), extraction de leurs caractéristiques, traitement des données et entraînement par apprentissage machine. La vérité de terrain (ground truth), soit l’identification des minéraux, a été déterminée par fluorescence X à l’aide d’un microscope électronique à balayage. À l’issue de ces travaux, la reconnaissance des minéraux atteint une précision de près de 90 %. Il est utile de remarquer que dans la majorité des publications portant sur le sujet, l’apprentissage et la reconnaissance sont réalisées à partir d’une même photomicrographie. Dans la pratique courante toutefois, la reconnaissance est effectuée à partir de photomicrographies différentes de celles utilisées pour l’apprentissage. Un protocole exhaustif a aussi été développé pour assurer la qualité de l’acquisition des photomicrographies. Ainsi, ces travaux ont permis de mettre au point une chaîne de traitement complet, allant de l’acquisition des données (images), l’élaboration de matériaux de référence essentiels à la calibration du comptage jusqu’à une méthode d’identification rapide par apprentissage automatisé.

À cette étape de nos travaux, nous sommes à définir une nouvelle méthode qui permettra de quantifier les aspects texturaux des minéraux et des roches (arrondi, proximité des grains, relations mutuelles des minéraux, etc.).

Les résidus miniers riches en Mg réagissent spontanément avec le CO₂ atmosphérique pour former des carbonates de magnésium hydratés par des réactions exothermiques. Le processus de minéralisation du carbone atmosphérique a été étudié grâce à des expériences en laboratoire et sur le terrain sur un large éventail de temps (10^2 à 10^8 s) et de masse (1 à 10^8 g). Ces expériences démontrent que la brucite et le chrysotile sont les 2 minéraux communs les plus réactifs pour minéraliser le carbone. La saturation en eau et la fréquence d’arrosage des résidus sont cruciales pour optimiser la réaction. Le réglage de la composition de la solution afin de favoriser la dissolution du Mg, tout en évitant la passivation des sites réactionnels et en maintenant la perméabilité des résidus, est essentiel pour assurer la progression de la minéralisation du carbone. Les expériences sur le terrain démontrent que les réactions de minéralisation du carbone sont limitées par l’apport de carbone atmosphérique vers les sites de réaction, ce qui permet d’envisager des optimisations industrielles pour réduire l’empreinte environnementale des opérations minières.

Auteurs : Martin Grenon, Efstratios Karampinos, Christopher Durham, Antoine Caron et Hassan Hamze (Université Laval)

Les gisements miniers en surface ou à faibles profondeurs sont de plus en plus rares dans les régions septentrionales du Québec. L’exploitation minière au Québec est conséquemment réalisée dans des conditions géomécaniques de plus en plus difficiles (mines profondes, mines arctiques, etc.), augmentant ainsi les risques liés à la sécurité et à la rentabilité de ces activités.

Pour analyser adéquatement la stabilité des excavations et ouvrages miniers (galeries, pentes, chantiers, piliers), il est donc impératif de bien caractériser et modéliser le régime structural afin de mieux comprendre le potentiel d’instabilité structurale, les besoins en renforcement et l’impact des conditions arctiques (notamment les zones de pergélisol) sur les ouvrages miniers.

L’objectif général de ce projet de recherche était d’intégrer de manière holistique le régime structural, le facteur le plus critique pour comprendre le comportement du massif rocheux en milieu minier arctique, lors des analyses de la stabilité des ouvrages miniers. Ceci en développant nos connaissances théoriques et pratiques dans le domaine tout en collaborant étroitement avec l’industrie minière et finalement en assurant la formation de personnel hautement qualifié nécessaire pour l’industrie.

Les travaux ont permis de développer une méthodologie pour caractériser à l’aide de Lidar fixe et de Lidar mobile le régime structural dans le contexte d’une mine arctique en activité. Les approches Lidar permettent l’acquisition de données nécessaires à la réalisation d’une analyse structurale. L’impact de cette méthode de caractérisation sur les propriétés des réseaux de fractures (discrete fracture network, DFN) modélisés a été examiné. Une approche a été développée afin de caractériser le comportement mécanique des discontinuités gelées. Plusieurs types de discontinuités ont été testés. Un nouveau code informatique a été développé afin d’analyser la formation de blocs rocheux aux parois d’un tunnel minier. Ce code intègre la modélisation DFN ainsi que les géométries des tunnels obtenus directement des logiciels de planification minière. Les résultats de l’analyse peuvent également être visualisés grâce à ces outils. Cette approche a été notamment utilisée pour évaluer l’impact de la représentation des galeries sur les résultats des analyses. La présence de ponts rocheux au sommet de blocs potentiellement instables a aussi été étudiée. La rétroanalyse d’une importante instabilité à la mine a de même été réalisée. Nous nous sommes penchés sur l’intégration de DFN dans le logiciel 3DEC. Des analyses paramétriques sont en cours pour quantifier l’impact des conditions de pergélisol sur la stabilité d’un bloc. Ce projet de recherche a permis d’améliorer le processus d’analyse de la stabilité structurale dans le contexte de mines arctiques.

Auteurs : Jocelyn Veilleux, Valérie Charbonneau, David Nadeau, Maxime Goulet, Matthias Audren-Paul, Astou Diop, Gervais Soucy (Université de Sherbrooke), François Larouche et Kamyab Amouzegar (Hydro-Québec, CEETSE)

L’essor de l’électronique portable, de l’électromobilité et du stockage d’énergies renouvelables a fortement accéléré la demande, la production et l’utilisation de batteries lithium-ion (Li-ion). Celles-ci contiennent des minéraux critiques et stratégiques (MCS) tels le lithium, le cobalt et le nickel, dont l’approvisionnement à l’échelle mondiale est un enjeu prioritaire. En parallèle, l’usage intensif des batteries Li-ion conduit à une augmentation importante de la quantité de batteries en fin de vie qui doivent être gérées pour limiter leurs impacts environnementaux. Or, certains MCS dans ces batteries en fin de vie se trouvent en concentration bien supérieure que dans les gisements primaires. Dès lors, le recyclage des batteries et la valorisation des MCS pour fabriquer de nouveaux matériaux de cathode constituent des avenues intéressantes à étudier.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet débutent après le démantèlement des batteries et le traitement mécanique des composantes (collecteurs de courant, anode, cathode, séparateur). Notre matière première est appelée broyat noir (ou black mass). Elle renferme des oxydes des éléments d’intérêt (Ni, Co, Mn), ainsi qu’une quantité considérable d’impuretés métalliques dites primaires (principalement Al, Cu et Fe) et d’impuretés secondaires.

Dans l’objectif de simplifier le processus de synthèse des matériaux de cathode à partir du broyat noir, nous avons étudié la synthèse des précurseurs de matériaux de cathode (pCAM) en utilisant un lixiviat acide tiré de matériaux vierges. Des voies de synthèse par coprécipitation et par sol-gel ont été comparées. Nous nous sommes intéressés à l’impact des impuretés métalliques primaires (jusqu’à 5 % at.) sur la synthèse des pCAM sous forme de carbonates. Les pCAM ont été lithiés et oxydés pour former le matériau de cathode LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC 811). Des analyses physiques et électrochimiques ont été effectuées pour évaluer les effets individuels et synergiques des impuretés Al, Cu et Fe sur les matériaux cathodiques. Les résultats montrent que des hydroxydes coprécipitent au même pH que les carbonates, ce qui a été quantifié à l’aide d’une nouvelle procédure thermoanalytique. Par ailleurs, les impuretés affectent le mélange cationique et les paramètres de maille du NMC 811, mais il devrait être possible d’en optimiser les proportions pour préserver, voire améliorer les propriétés électrochimiques.