Hydromechanical behavior of filtered iron ore tailings stacks: geotechnical characterization and numerical analyses

Abstract

The increasing demand for sustainable mining practices has established filtered tailings stacking as a safer and more environmentally responsible solution for managing iron ore tailings (IOT). However, its implementation is challenged by the inherent variability of tailings materials, environmental conditions, and operational factors. This study integrates experimental characterization and numerical modeling to investigate the hydromechanical behavior of silt-sized IOT, focusing on water retention, hydraulic conductivity, void ratio variations, material heterogeneity, and compaction efficiency. Experimental analyses of three representative IOT samples revealed the critical influence of tailings variability and void ratio on hydraulic behavior. Slight variations in particle size distribution significantly affected water retention and hydraulic conductivity. A dual-porosity model captured the effects of fine particle aggregation, while a strong linear relationship was observed between void ratio and water retention curve fitting parameters. Additionally, hydraulic conductivity decreased exponentially with reduced void ratio. Mineralogical characterization was carried out by X-ray diffraction (XRD), while microstructural analyses using scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy dispersive spectroscopy (EDS) confirmed the distinctive bimodal pore structure of the materials, underscoring the importance of microstructure in controlling hydraulic behavior. Numerical simulations with fully coupled seepage-deformation models examined the impact of void ratio, tailings variability, and undercompaction on stack stability during construction under alternating weather conditions. Scenarios with lower void ratios effectively preserved matric suction and limited seepage, enhancing geotechnical stability despite material heterogeneity. In contrast, undercompacted scenarios, exacerbated by rainy periods, exhibited rapid saturation, perched water tables, and elevated pore pressures, significantly reducing the Factor of Safety (FoS), particularly during early construction stages. These findings highlight the critical role of precise compaction strategies in mitigating risks associated with tailings variability, environmental interactions, and seasonal rainfall. By integrating experimental and numerical approaches, this study provides a comprehensive framework for designing and evaluating filtered tailings stacks, addressing the complexities of unsaturated soil mechanics and ensuring safer waste management solutions. Keywords: iron ore tailings; filtered tailings; hydraulic behavior; unsaturated soil mechanics; numerical modeling; stability analysisA crescente demanda por práticas sustentáveis na mineração consolidou o empilhamento de rejeitos filtrados como uma solução mais segura e ambientalmente responsável para o gerenciamento de rejeitos de minério de ferro (IOT). No entanto, sua implementação enfrenta desafios devido à variabilidade inerente dos materiais, às condições ambientais e aos fatores operacionais. Este estudo combina a caracterização experimental e modelagens numéricas para investigar o comportamento hidromecânico de rejeitos de minério de ferro siltosos, com foco na retenção de água, condutividade hidráulica, variações no índice de vazios, heterogeneidade do material e eficiência da compactação. Análises experimentais de três amostras representativas de IOT destacaram a influência da variabilidade dos rejeitos e do índice de vazios no comportamento hidráulico. Pequenas variações na distribuição granulométrica impactaram significativamente as características de retenção de água e a condutividade hidráulica. Um modelo de dupla porosidade captou os efeitos da agregação de partículas finas, enquanto uma relação linear foi observada entre o índice de vazios e os parâmetros de ajuste das curvas de retenção de água. Adicionalmente, a condutividade hidráulica diminuiu exponencialmente com a redução do índice de vazios. A caracterização mineralógica foi realizada por difração de raios X (XRD), enquanto as análises microestruturais, utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM) acoplada à espectroscopia por dispersão de energia (EDS), confirmaram a estrutura bimodal de poros característica dos materiais, ressaltando a importância da microestrutura no controle do comportamento hidráulico. Simulações numéricas acopladas de fluxo e deformação avaliaram o impacto do índice de vazios, da variabilidade dos rejeitos e da subcompactação na estabilidade de pilhas durante a construção sob condições climáticas alternadas. Cenários com índices de vazios mais baixos preservaram a sucção matricial e limitaram o fluxo de água, melhorando a estabilidade geotécnica, mesmo com a heterogeneidade dos materiais. Em contraste, cenários com compactação insuficiente, agravados por períodos chuvosos, apresentaram saturação rápida, lençóis freáticos suspensos e poropressões elevadas, reduzindo significativamente o Fator de Segurança (FoS), especialmente nas etapas iniciais da construção. Esses resultados destacam o papel fundamental de estratégias de compactação na mitigação de riscos associados à variabilidade dos rejeitos, às interações ambientais e às chuvas sazonais. Ao integrar abordagens experimentais e numéricas, este estudo fornece uma base abrangente para o projeto e a avaliação de pilhas de rejeitos filtrados, abordando as complexidades da mecânica dos solos não saturados e promovendo soluções mais seguras para o gerenciamento de resíduos. Palavras-chave: rejeitos de minério de ferro; rejeitos filtrados; comportamento hidráulico; mecânica dos solos não-saturados; modelagem numérica; análise de estabilidade