Classification and utilization of different types of mine tailings: An environmental perspective

Thumbnail Image

Files

isbn9789526424248.pdf (2.47 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2025-03-24
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025

Department

Rakennustekniikan laitos
Department of Civil Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

47 + app. 55

Series

Aalto University publication series Doctoral Theses, 43/2025

Abstract

Concerns about the availability and sufficiency of raw materials for the green transition, as well as the need to operate within the limits of the Earth’s capacity, have created increasing interest in utilizing secondary raw materials instead of extracting primary ones. Utilizing mine tailings produced by the mining industry offers a way to utilize already extracted material suitable for many applications, with a smaller carbon footprint compared to primary materials. However, practical examples of mine tailings utilization outside the mining area remain rare due to economic viability and the complexity of the productization process. This issue is continuously evolving and is actively being pursued by the Finnish Ministry of Economic Affairs and Employment. This thesis seeks to enhance the use of secondary raw materials by identifying the differences and potential uses of various types of mine tailings, preliminarily classified into four groups based on their chemical and mineralogical properties. The groups are felsic mine tailings (FMT), mafic mine tailings (MMT), carbonate mineral-rich mine tailings (CMT) and hazardous mine tailings (HMT). Mine tailings classified as hazardous are challenging to utilize outside the mining area but are frequently used as cemented paste backfill (CPB) materials to fill mining cavities. The stabilization of HMT requires large amounts of cement, the production of which is known to result in carbon dioxide emissions. Hence, there is a need to replace cement with secondary binders. In this study, cement in gold mine tailings-based CPB was partially and completely replaced with blast furnace slag. According to the results, the partial replacement of cement yielded the highest compressive strength values for CPB materials. However, exposure of CPB materials to mine water revealed that replacing cement with blast furnace slag increased the dissolution of calcium-bearing phases, resulting in a reduction in the concentration of As, Sb and Ni in the mine water and unwanted deterioration of the CPB material. Further research with different cement-to-slag ratios is nevertheless needed to confirm the findings. These findings highlight the advantages and challenges of replacing cement with high proportions of blast furnace slag in the stabilization of gold mine tailings. The characterization and classification of mine tailings, as well as investigation of the properties of tailings-based materials, is crucial for facilitating mine tailings utilization. This helps in identifying suitable materials for various applications, thereby reducing the reliance on primary raw materials and minimizing the environmental footprint of mining.

Raaka-aineiden saatavuus ja riittävyys ovat nousseet huolenaiheiksi, kun ymmärrys maapallon kantokyvyn rajoista on kasvanut. Tämän lisäksi myös vihreä siirtymä on kasvattanut kiinnostusta sekundääristen raaka-aineiden hyödyntämiseen primäärien sijaan. Kaivannaisteollisuuden tuottamat kaivannaisjätteet, kuten rikastushiekat, tarjoavat mahdollisuuden hyödyntää pienemmän hiilijalanjäljen omaavaa, valmiiksi louhittua ja jauhettua materiaalia useisiin käyttökohteisiin primäärien materiaalien sijaan. Käytännön esimerkit rikastushiekkojen hyödyntämisestä ovat kuitenkin vähäiset mm. taloudellisen kannattavuuden ja tuotteistusprosessin monimutkaisuuden vuoksi. Näihin seikkoihin pyritään aktiivisesti etsimään ratkaisuja ja parempia toimintatapoja työ- ja elinkeinoministeriön toimesta. Tämä väitös pyrkii omalta osaltaan edistämään sekundääristen raaka-aineiden hyödyntämistä siten, että tunnistetaan erityyppisten rikastushiekkojen eroja ja niiden mahdollisia hyödyntämiskohteita. Väitöstutkimuksen yhteydessä tutkitut rikastushiekat on jaettu neljään ryhmään niiden kemiallisten ja mineralogisten ominaisuuksien perusteella. Ryhmiä ovat felsiset rikastushiekat (FMT), mafiset rikastushiekat (MMT), karbonaattipitoiset rikastushiekat (CMT) ja vaarallisiksi luokitellut rikastushiekat (HMT). Vaarallisiksi luokiteltujen rikastushiekkojen hyödyntäminen kaivosalueen ulkopuolella voi osoittautua liian haastavaksi, mutta niitä voidaan hyödyntää kovettuvina kaivostäyttömateriaaleina (CPB) maanalaisissa kaivoksissa. CPB:n valmistamiseen tarvitaan suuria määriä sementtiä, jonka tuottamisen tiedetään aiheuttavan runsaasti hiilidioksipäästöjä. Mikäli toiminnan hiilijalanjälkeä halutaan pienentää, on sementin korvaaminen sekundäärisellä sideaineella suositeltavaa. Tässä väitöksessä tutkittiin kultakaivoksen rikastushiekasta valmistettavan CPB:n ympäristöominaisuuksia ja siinä käytettävän sementin korvaamista osittain ja kokonaan masuunikuonalla. Lopputuloksena havaittiin ensin, että sementin osittainen korvaaminen masuunikuonalla paransi koekappaleiden puristuslujuustuloksia. Kun koekappaleita altistettiin kaivosvedelle, havaittiin, että sementin korvaaminen masuunikuonalla lisäsi kalsiumpitoisten faasien liukenemista CPB:stä. Tämä vähensi As-, Sb- ja Ni-pitoisuuksia kaivosvedessä mutta samalla heikensi CPB-materiaalia. Nämä tulokset tuovat tietoa CPB-materiaalien hyödyistä ja haasteista, kun suuri osa valmistuksessa käytettävästä sementistä on korvattu masuunikuonalla. Rikastushiekkojen karakterisointi ja luokittelu kuten myös rikastushiekka-pohjaisten tuotteiden ominaisuuksien tutkiminen on tärkeää rikastushiekkojen hyödyntämisen edistämiseksi. Nämä toimet auttavat tunnistamaan ja hyödyntämään eri sovelluksiin sopivia rikastushiekkoja, mikä vähentää riippuvuutta primääreistä raaka-aineista ja pienentää kaivostoiminnan ympäristövaikutuksia.

Description

Supervising professor

Leveinen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, Finland

Thesis advisor

Kauppila, Tommi, Prof., Geological Survey of Finland, Finland

Keywords

mine tailings, circular economy, environmental geochemistry, rikastushiekka, kiertotalous, ympäristögeokemia

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Solismaa, Soili; Ismailov, Arnold; Karhu, Marjaana; Sreenivasan, Harisankar; Lehtonen, Marja; Kinnunen, Paivo; Illikainen, Mirja; Räisänen, Marja Liisa. 2018. Valorization of Finnish mining tailings for the use of ceramic industry. Bulletin of the Geological Society of Finland, 90, 33-54.
    DOI: 10.17741/bgsf/90.1.002 View at publisher
  • [Publication 2]: Solismaa, Soili; Torppa, Akseli; Kuva, Jukka; Heikkilä, Pasi; Hyvönen, Simo; Juntunen, Petri; Benzaazoua, Mostafa; Kauppila, Tommi. 2021. Substitution of Cement with Granulated Blast Furnace Slag in Cemented Paste Backfill: Evaluation of Technical and Chemical Properties" Minerals 11, no. 10:1068.
    DOI: 10.3390/min11101068 View at publisher
  • [Publication 3]: Solismaa, Soili; Muniruzzaman, Muhammad; Kuva, Jukka; Szlachta, Małgorzata; Hyvönen, Simo; Kauppila, Päivi; Kauppila, Tommi. 2024. Interaction of cemented paste backfill (CPB) and circumneutral mine water during column experiments. Applied Geochemistry, Volume 165.
    DOI: 10.1016/j.apgeochem.2024.105965 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2424-8

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG