University of Oulu

Enhancing the safety and surveillance of tailings storage facilities in cold climates

Saved in:
Author: Tuomela, Anne1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Civil Engineering, Structures and Construction Technology (SCT)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526233369
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-06-14
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 21 June 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Rauno Heikkilä
Professor Bjørn Kløve
Docent Anna-Kaisa Ronkanen
Reviewer: Professor Andy Fourie
Docent Peter Viklander
Opponent: Professor Leena Korkiala-Tanttu
Description:

Abstract

The mining industry is at the base of much of developed society worldwide. It is a major part of the economic well-being of many countries but has the significant drawback of the large amounts of waste it generates. One of the by-products of mining are tailings, a generic definition for the left-over materials after the process of separating the valuable elements from the economically unexploitable ore. Sustainable mining tends to reduce waste generation and find new ways to use these by-products. Arctic mining is a notable part of the mining industry. When mining in these cold climates, the presence of snow and ice must always be considered at every stage. The main aim of this thesis was to enhance mine tailings performance in cold regions by studying the monitoring and safety of tailings disposal from a geotechnical point of view.

The study included four metal mines in artic or sub-artic regions and gathered valuable knowledge on frost susceptible manners of tailings, which was known to correlate with the damages induced by frost. Based on the results, tailings frost performance was found to be similar than in natural soils. Therefore, an analogous characterization system can be adopted for tailings and the framework developed can help to evaluate the frost susceptibility of materials. The in-situ frost measurements were used to validate the developed one-dimensional thermal regime model. The findings showed a strong agreement between the modelled temperature in the tailing regime and the in-situ data. This study provides knowledge which can be used to improve the management of tailings storage facilities (TSFs) and avoid failures resulting from freezing.

UAV measurements were used as a practical tool for monitoring and gathering the large amounts of topographical data from TSF with an accuracy range of a decimetre. The subsidence maps created were beneficial for mapping the settlements and observing the erosion patterns in the pond. The method provided several ways to improve the process, like helping with planning a disposal strategy and following the volume capacity of the pond.

Much of the tailings cannot be utilised and therefore must be safely disposed of. The literature review showed that geomembrane lined TSFs can decrease harmful effects on the environment. The framework developed for identifying the lined tailings ponds as important for the mine project will increase the quality of the construction of the TSFs and thus reduce environmental impacts over the entire life cycle of the mining operation. The results obtained in this work can be exploited at various stages of mining design.

see all

Tiivistelmä

Kaivosteollisuus on tärkeä perusta kehittyneelle yhteiskunnalla. Se on osa myös maiden hyvinvointia, mutta toiminnan kääntöpuolena syntyy suuria määriä jätteitä. Yksi syntyvä sivuvirta on rikastushiekka. Se on yleisnimitys materiaalille, jota muodostuu rikastusprosessissa ylijäämänä, kun malmista on erotettu taloudellisesti hyödynnettävissä oleva osa. Kestävä kaivostoiminta pyrkii vähentämään syntyviä jätteitä ja löytämään uusia keinoja hyödyntää sivuvirroissa syntyviä materiaaleja. Arktinen kaivostoiminta on jokapäiväistä, jonka toiminnassa on huomioitava lumen ja jään läsnäolo. Työn päätarkoitus oli lisätä tietoa rikastushiekan käyttäytymisestä kylmissä ilmastoissa parantamalla seurantaa ja turvallisuutta geoteknisestä näkökulmasta.

Tutkimuksessa saatiin tietoa neljän metallimalmikaivoksen rikastushiekan routimisherkkyydestä, jonka tiedetään korreloivan syntyvien routavaurioiden kanssa. Tulosten perusteella rikastushiekat käyttäytyivät jäätyessä kuten luonnonmateriaalit. Sen vuoksi luonnonmateriaaleille käytettäviä routivuusluokitteluja voidaan käyttää myös rikastushiekoille. Työssä kehitettiin menetelmä, jonka avulla materiaalien routivuustestausta voidaan ohjata. Kentällä tehtyjä routa-/lämpötilamittauksia hyödynnettiin yksidimensionaalisen routamallin validoinnissa. Mallilla voitiin simuloida tarkasti lämpötiloja rikastushiekassa eri ajanjaksoilla. Tulosten avulla voidaan välttää jäätymisestä aiheutuvia ongelmia rikastushiekkaa läjitettäessä.

Lennokkimittauksien (UAV) todettiin olevan käytännöllinen työkalu monitoroimaan ja keräämään maanpinnan korkeustietoa rikastushiekka-altailta desimetrin tarkkuudella. Luodut painumakartat olivat hyödyllisiä painumien seurannassa ja eroosiokohtien havaitsemisessa. Menetelmällä todettiin olevan useita käyttömahdollisuuksia ja sitä voidaan hyödyntää esim. läjityksen suunnittelussa ja altaiden täytön optimoinnissa.

Kaikkea rikastushiekkaa ei voida hyödyntää ja sen vuoksi sitä tulee voida varastoida turvallisesti. Tutkimuksessa saatiin tietoa, että varastoaltaan pohjarakenteissa käytettävällä yhdistelmärakenteella voidaan vähentää rikastushiekasta aiheutuvaa haitallista kuormaa ympäristöön. Työssä laadittiin kirjallisuuskatsauksen perusteella ehdotus toimintamalliksi, jonka avulla voidaan parantaa rikastushiekka-altaiden rakentamisprosessia, sekä saavuttaa laadullisesti parempia rakenteita, jotka vähentävät läjityksestä aiheutuvia ympäristövaikutuksia toiminnan elinkaaren aikana. Työssä saatuja tuloksia voidaan hyödyntää kaivossuunnittelun eri vaiheissa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Tuomela, A., Ronkanen, A.-K., Rossi, P. M., Rauhala, A., Haapasalo, H., & Kujala, K. (2021). Using geomembrane liners to reduce seepage through the base of tailings ponds—A review and a framework for design guidelines. Geosciences, 11(2), 93. https://doi.org/10.3390/geosciences11020093

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Tuomela, A., Pekkala, V., Rauhala, A., Torabi Haghighi, A., & Leviäkangas, P. (2021). Frost susceptibility of Nordic metal mine tailings. Cold Regions Science and Technology, 192, 103394. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103394

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Knutsson, R., Tuomela, A., Rauhala, A., Knutsson, S., & Laue, J. (2021). Geothermal study of a tailings deposit: Frost line modelling and comparison to field data. Journal of Earth Sciences and Geotechnical Engineering, 11(3), 15–32. https://doi.org/10.47260/jesge/1133

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Rauhala, A., Tuomela, A., Davids, C., & Rossi, P. (2017). UAV remote sensing surveillance of a mine tailings impoundment in sub-Arctic conditions. Remote Sensing, 9(12), 1318. https://doi.org/10.3390/rs9121318

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3336-9
ISBN Print: 978-952-62-3335-2
Issue: 830
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 212 Civil and construction engineering
Subjects:
UAV
UAV
Funding: The study was funded by the Interreg Nord 2014–2020 program, Lapin Liitto, and Troms Fylkeskommune, K. H Renlund foundation, Maa- ja vesitekniikan tuki ry, Ministry of the Environment of Finland, The Centres for Economic Development, Transport and the Environment Kainuu, and Tauno Tönning Foundation.
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.