La préparation est la transformation du charbon tout-venant en un produit concentré à valeur marchande, de calibre uniforme et de qualité répondant aux exigences de l’utilisateur. L’utilisation finale du charbon vise:

•   la production d’électricité : la combustion du charbon produit de la chaleur servant à entraîner des turbines qui génèrent de l’électricité;
•   la sidérurgie : le charbon est chauffé dans des fours, sans air, pour éliminer les gaz (matières volatiles) qu’il renferme et produire ainsi du coke, combustible utilisé dans les hauts-fourneaux des aciéries. Le charbon peut être injecté directement dans le haut-fourneau sous forme pulvérisée;
•   les applications industrielles : la métallurgie utilise le charbon comme réducteur, sa teneur en carbone permettant d’éliminer l’oxygène dans les procédés de métallurgie;
•   le chauffage : le charbon est employé pour le chauffage domestique et industriel; il alimente également les fours de fabrication du ciment par voie sèche.

Pour être apte au traitement dans une usine de préparation, le charbon tout-venant est fragmenté à des dimensions acceptables au moyen d’appareils de concassage et de broyage:

•   les haveuses-chargeuses : machines à tambour ou à chaîne armés de pics pour l’abattage du charbon, qui est ensuite transporté sur un convoyeur à raclettes, le tambour tournant dans le même sens que le convoyeur. Les haveuses-chargeuses sont couramment utilisées dans les chantiers souterrains, mais on les trouve aussi en surface dans les circuits de préparation du charbon;
•   les trommels rotatifs : ce sont des tambours en acier à plaques perforées, tournant entre 12 et 18 tour/min; le tout-venant est relevé par les plaques puis retombe. Les composants plus tendres sont brisés par l’impact et passent à travers les trous; les composants plus résistants, restés intacts, sont déchargés du tambour. Les trommels rotatifs assurent la réduction des calibres et la valorisation du minerai par l’élimination de la roche;

•   les broyeurs à cylindres : ces concasseurs sont composés soit d’un seul cylindre rotatif et d’une enclume, soit de deux cylindres tournant à la même vitesse, mais en sens inverse. Les parois des cylindres sont habituellement cannelées ou dentées. Les concasseurs à deux étages, aussi appelés concasseurs «quad», sont fréquemment employés: le produit sortant du premier concasseur à deux cylindres arrive dans un deuxième concasseur à deux cylindres, dont la distance entre les axes de rotation est plus petite; ainsi, une seule installation permet un rapport de réduction élevé. Ces concasseurs servent habituellement à réduire le tout-venant à un calibre de 50 mm.

Le concassage est parfois effectué après la concentration du charbon, lorsqu’il s’agit de réduire les gros morceaux de charbon à une dimension convenant aux besoins du marché. Cette opération est habituellement réalisée à l’aide de concasseurs à cylindres ou à marteaux. Le broyeur à marteaux est composé de masses entraînées par la rotation de l’ensemble; le charbon est percuté puis projeté sur une plaque fixe, ce qui provoque le broyage.

Le charbon doit être calibré avant et après son enrichissement. Le procédé utilisé diffère selon la grosseur du charbon. A son arrivée à l’installation de traitement, le charbon brut passe à travers trois ou quatre cribles de grosseurs différentes pour ensuite être concentré. Le calibrage est habituellement effectué dans des cribles vibrants rectangulaires munis d’une toile ou d’une tôle perforée. Pour les morceaux de calibre inférieur à 6 mm, le criblage humide est le plus efficace; pour des calibres inférieurs à 0,5 mm, on place un tamis incurvé fixe avant le crible vibrant pour accroître l’efficacité de l’opération.

Après le processus d’enrichissement, le charbon concentré est parfois calibré suivant différentes granulométries satisfaisant aux besoins des marchés industriel et domestique. Le charbon concentré destiné à la production d’énergie (charbon thermique) ou à la sidérurgie (charbon métallurgique) est rarement calibré.

Le charbon est habituellement stocké et mis en dépôt à trois étapes de la chaîne de préparation et de manutention:

1. le stockage et la mise en dépôt du charbon brut entre la mine et l’installation de préparation;
2. le stockage et la mise en dépôt du charbon concentré, entre l’installation de préparation et le point de chargement ferroviaire ou routier;
3. le stockage du charbon concentré, aux installations portuaires exploitées ou non par la mine.

C’est généralement après le concassage que le charbon brut est stocké, habituellement à ciel ouvert (en tas de forme conique, circulaire ou allongée), dans des silos (cylindriques) ou dans des abris. Il n’est pas rare que le mélange du charbon soit effectué à cette étape afin de pouvoir fournir un produit homogène à l’usine de préparation. Ce mélange peut s’effectuer simplement en déposant différents types de charbons sur un tas conique, tout comme il peut faire appel à des moyens plus complexes comme l’emploi de chargeurs de mise en stock ou d’engins de reprise à godets.

Le charbon concentré peut être stocké de plusieurs manières, par exemple, en tas à l’extérieur ou en silos. Le système de stockage de charbon concentré est conçu pour permettre le chargement rapide des camions ou des wagons de chemin de fer. Les silos sont habituellement construits au-dessus d’une voie ferrée; des convois pouvant compter jusqu’à 100 wagons de même type avancent lentement au-dessous de la trémie du silo, où ils sont chargés au poids voulu. Grâce au pesage effectué en mouvement, l’opération peut être accomplie en continu.

Les tas des dépôts de charbon comportent des dangers et peuvent être instables. Il devrait être interdit d’y marcher à cause du risque d’effondrement interne et de la possibilité de démarrage sans avertissement d’une opération de reprise. Le déblocage manuel des colmatages de charbon dans les silos ou dans les abris devrait mériter la plus grande attention; en effet, une masse de charbon en apparence stable peut soudainement se mettre en mouvement.

Le charbon brut couvre une gamme de produits allant du charbon pur à la roche, avec des matériaux de densité relative comprise entre 1,30 et 2,5. L’épuration du charbon est réalisée par séparation des matériaux à faible densité relative (produit commercialisable) de ceux à haute densité (résidus). La densité exacte retenue comme critère de séparation dépend de la nature du charbon et des exigences de l’utilisateur. Il est cependant impossible de séparer les fines de charbon suivant les caractéristiques de densité; ainsi, dans le cas d’un brut de 0,5 mm, le critère retenu est la différence entre les propriétés superficielles du charbon et celles de la roche, et la méthode généralement employée est la flottation par la mousse.

Ce procédé repose principalement sur deux méthodes. La première fait intervenir l’eau. En raison des densités différentes du charbon et de la roche, le charbon plus léger est entraîné dans le courant d’eau, et la roche, plus lourde, reste en place. Avec la deuxième méthode, le charbon est immergé dans un liquide de densité comprise entre celle du charbon et celle de la roche; le charbon monte à la surface et la roche, plus lourde, plonge (séparation en milieu dense).

Les différents systèmes utilisant l’eau comme milieu de séparation sont:

•   les bacs à pistonnage (jigs) : le charbon brut, placé dans un bac animé d’un mouvement de va-et-vient, circule au-dessus d’une plaque perforée traversée par des courants ascendants et descendants qui séparent les matériaux lourds des matériaux légers et produit une sédimentation stratifiée, la roche descendant au fond et le charbon remontant à la surface. A l’extrémité d’évacuation, les résidus sont séparés du charbon concentré. Le bac à pistonnage peut en général traiter des fragments de dimensions comprises entre de 12 et 75 mm. Il existe également des bacs à usage spécial pour les fines de charbon qui utilisent un lit filtrant de feldspath;
•   les tables de concentration : une table de concentration consiste en un plateau de caoutchouc avec riffles (cannelures) monté sur support relié à un mécanisme de tête qui lui imprime un mouvement rapide de va-et-vient dans une direction parallèle aux riffles. La pente de la table peut être réglée et un écoulement d’eau latéral réalisé grâce à une auge (goulotte) montée sur la partie supérieure de la table. Le charbon arrive juste en aval de l’alimentation en eau; il est distribué en éventail grâce à un mouvement différentiel et à un écoulement par gravité. On obtient une sédimentation stratifiée. Le charbon concentré va vers le coté bas de la table et les stériles sont évacués à l’extrémité. Ces tables servent au traitement des charbons d’un calibre compris entre 0,5 et 5 mm;

•   les spirales : les fines de charbon descendent une auge en spirale où elles sont soumises à une force centrifuge faible; les particules lourdes restent au centre, les plus légères vont vers la périphérie. A la sortie de l’appareil, les particules de charbon et les résidus sont triés. Les appareils à spirale sont utilisés pour le tri des granulométries allant de 0,1 à 2 mm;
•   les hydrocyclones : le cyclone est alimenté latéralement en charbon brut dans l’eau, ce qui produit un effet de tourbillon. La force centrifuge pousse les matériaux lourds vers les parois du cyclone d’où ils sont transportés vers un orifice inférieur. Les particules légères (charbon) restent au centre du tourbillon et sont évacuées vers le haut par un tuyau (diaphragme), puis vers la surverse. Pour obtenir la densité voulue de séparation, on peut faire varier la pression, la longueur et le diamètre du diaphragme ainsi que le diamètre de la buse de sortie. L’hydrocyclone permet de traiter des particules allant de 0,1 à 0,5 mm. Son fonctionnement se fait en deux étapes pour une meilleure séparation.

La deuxième méthode de séparation par densité est réalisée en milieu dense. Dans un liquide lourd (milieu dense), les particules ayant une densité inférieure à celle du liquide (charbon) flottent à la surface et celles de densité plus forte (roche) plongent au fond. L’application industrielle la plus pratique de cette méthode est une suspension de magnétite finement broyée dans l’eau. L’utilisation de ce milieu présente beaucoup d’avantages, notamment:

•   le mélange est inoffensif, par rapport aux fluides organiques ou inorganiques;
•   la densité peut être ajustée rapidement par variation de la proportion magnétite/eau;
•   la magnétite peut être facilement recyclée; il suffit d’employer des séparateurs magnétiques pour l’extraire du flux de produits.

Il existe deux catégories de séparateurs en milieu dense: le séparateur à bac avec bain, pour obtenir du charbon grossier d’une granulométrie comprise entre 12 et 75 mm et le séparateur à cyclone, pour un charbon de 0,5 à 5 mm.

Le séparateur à bac peut être en bain profond ou peu profond; les matières légères sont transportées par-dessus la lèvre de l’appareil, tandis que les plus lourdes sont extraites du fond du bac au moyen d’un racleur ou d’une roue à palettes.

Le séparateur à cyclone utilise les effets combinés de la pesanteur et de la force centrifuge. L’accélération centrifuge agissant sur les particules est environ vingt fois supérieure à celle de l’accélération de la pesanteur qui s’exerce sur les particules dans le séparateur à bac, ou encore près de deux cent fois supérieure à l’accélération observée à l’orifice de pointe. Les forces considérables qui s’exercent expliquent le pouvoir séparateur élevé du cyclone et son excellent rendement dans le traitement des fines de charbon.

Les produits évacués des séparateurs à milieu dense, c’est-à-dire du charbon concentré et des résidus, passent au-dessus des grilles d’égouttement et de rinçage où la magnétite est extraite et renvoyée aux séparateurs. La magnétite diluée extraite des grilles de rinçage passe à travers des séparateurs et peut être réutilisée. Les séparateurs magnétiques consistent en des cylindres rotatifs d’acier inoxydable; des aimants enduits de céramique sont posés sur l’arbre fixe du tambour. Celui-ci est immergé dans un réservoir d’acier inoxydable contenant la suspension de magnétite diluée. Lorsque le tambour tourne, la magnétite colle à la surface près des aimants internes fixes. Elle est transportée à l’extérieur de la cuve, hors du champ magnétique; un racleur la détache de la surface du tambour d’où elle tombe ensuite dans un réservoir.

Les installations de préparation du charbon utilisent des jauges à radioéléments ainsi que des analyseurs de flux. Des précautions doivent donc être observées avec tous les appareils qui émettent des rayonnements ionisants.

Ce processus physico-chimique repose sur la fixation sélective de bulles d’air aux surfaces des particules de charbon et sur la non-fixation des particules de résidus. Des réactifs appropriés rendent hydrophobe la surface des solides que l’on veut faire flotter. Les bulles d’air sont générées dans une cuve (ou cellule) et s’élèvent à la surface; les particules de fines de charbon enduites de réactif collent aux bulles, tandis que les résidus non charbonneux restent au fond de la cuve. Des palettes raclent la mousse chargée de charbon de la surface; cette mousse est ensuite asséchée par filtration ou centrifugation. Les résidus (ou stériles) passent dans un conduit d’évacuation de section carrée et sont habituellement épaissis avant d’être pompés vers un bassin de retenue.

Les réactifs employés sont généralement des agents moussants et des collecteurs. Les moussants favorisent la formation d’une mousse stable (qui ne se dégrade pas) et réduit la tension superficielle de l’eau. Pour la concentration du charbon, le moussant le plus fréquemment utilisé est le méthylisobutylcarbinol (MIBC). Quant au collecteur, il a pour fonction de favoriser le contact entre les particules de charbon et les bulles d’air; une fine pellicule se forme sur les particules, rendant celles-ci imperméables. Parallèlement, le collecteur doit agir de façon sélective en n’enduisant pas les particules qui doivent descendre au fond (par exemple, les stériles). Le fioul est le collecteur le plus fréquemment utilisé en flottation du charbon.

Le briquetage du charbon remonte assez loin. Vers la fin des années mille huit cent, on comprimait les fines de charbon sans valeur, aussi appelées menu charbon, en briquettes ou agglomérés de charbon, produits répondant aussi bien aux besoins industriels que domestiques. Pour obtenir une briquette résistante, il fallait employer un liant acceptable, habituellement du goudron de houille ou du bitume de pétrole. Pendant quelques années, la fabrication des briquettes pour le marché domestique a été en perte de vitesse. Néanmoins, certains progrès ont été faits concernant la technologie et les applications.

Il est possible de valoriser les charbons pauvres à haut degré d’humidité en les soumettant au séchage thermique pour éliminer une partie de l’humidité inhérente ou prisonnière. Toutefois, le produit ainsi obtenu est friable; il est de plus susceptible de reprendre son humidité et de subir une combustion spontanée. Le briquetage des charbons pauvres donne un produit stable, facile à transporter. L’agglomération est également employée dans l’industrie de l’anthracite, où les produits de grand calibre ont des prix de vente bien plus élevés.

Les pays à économie émergente fabriquent également des briquettes qui sont utilisées comme combustible pour cuire les aliments dans les zones rurales. La fabrication de briquettes passe habituellement par l’extraction des matières volatiles ou des gaz, avant agglomération, aux fins d’obtention d’un combustible domestique ne dégageant pas de fumée.

La fabrication des briquettes comporte généralement les étapes ci-après:

•   le séchage du charbon : caractéristique importante des briquettes, la teneur en humidité influe sur leur résistance mécanique. Deux méthodes sont utilisées, le séchage direct (séchage instantané par gaz chauds) et le séchage indirect réalisé par sécheur à disque utilisant la vapeur;
•   l’extraction des matières volatiles : cette étape ne concerne que les charbons pauvres à haute teneur en gaz; elle est effectuée dans un autoclave ou dans un four à ruche;

•   le broyage : dans bien des cas, le charbon est broyé en fines particules nécessaires à la fabrication de briquettes plus résistantes;
•   l’addition de liants : sans liant, les briquettes ne pourraient résister aux manutentions normales. Pour cette opération, en emploie du brai de four à coke, du bitume de pétrole, du lignosulfonate d’ammonium et de l’amidon, dosé à raison de 5 à 15% en poids et mélangé à température élevée aux fines de charbon dans un malaxeur à hélice ou à palettes;
•   la compression des briquettes : la pâte de charbon et de liant arrive entre deux cylindres dont le dessin des empreintes définit la forme des briquettes, la plus connue étant le coussin. La pression mise en œuvre par la presse accroît de une fois et demie à trois fois la densité apparente du mélange;

•   l’enduction et la cuisson : certains liants (lignosulfonate d’ammonium et pétrole asphaltique) nécessitent un traitement thermique de l’ordre de 300 °C pour durcir les briquettes sur convoyeur fermé traversant un four à gaz;
•   le refroidissement : toujours sur convoyeur fermé, de l’air recyclé circule au-dessus des briquettes pour les ramener à la température ambiante. Les gaz résiduels sont collectés, lavés puis évacués dans l’atmosphère. On utilise parfois de l’eau pour refroidir les briquettes.

Le briquetage de la lignite tendre ayant un degré d’humidité de 60 à 70% fait appel à un procédé légèrement différent. Il est fréquent de recourir au briquetage pour valoriser les lignites qui sont donc broyées, tamisées, séchées jusqu’à réduction de leur humidité à 15%, puis pressées par extrusion sans adjonction de liants et compactées. De grandes quantités sont ainsi traitées en Allemagne, en Inde, en Pologne et en Australie, séchées dans des séchoirs à tambour rotatif chauffé à la vapeur et pressées par extrusion. Le charbon comprimé est ensuite coupé, refroidi et transféré sur des transporteurs à courroie vers des wagons de chemin de fer, des camions ou des installations de stockage.

Dans les usines de briquetage, les travailleurs manipulent de grandes quantités de matières très combustibles associées à des mélanges potentiellement explosifs d’air et de poussières de charbon. L’élimination, le captage et le traitement de ces poussières ainsi qu’un bon entretien sont primordiaux pour garantir la sécurité.

L’élimination des déchets est une composante intégrante d’une installation moderne de préparation du charbon. Les résidus grossiers et les fines stériles sous forme de boue doivent être transportés, puis évacués selon des méthodes qui respectent l’environnement.

Les résidus grossiers sont transportés par camions, par convoyeurs à bande ou par blondins vers l’aire d’élimination des matières solides; ils constituent habituellement les parois de l’aire d’entassement des stériles. Ces résidus peuvent également servir de remblai dans la mine à ciel ouvert.

L’industrie a mis en œuvre des méthodes innovatrices et rentables de transport des déchets grossiers; par exemple, les stériles sont broyés puis transportés sous forme de boue pompée vers les bassins de retenue, ou ils peuvent être acheminés par des pompes vers une aire de stockage souterraine.

Le site d’élimination retenu doit présenter la plus petite surface exposée possible, tout en bénéficiant d’une bonne stabilité. Une structure exposée sur tous ses côtés favorise le ruissellement et est plus susceptible d’entraîner la formation de dépôts dans les cours d’eau avoisinants, sans compter le risque plus élevé de combustion spontanée. Pour éviter ces conséquences, on utilisera de plus grandes quantités de matériaux de remblayage, de compactage et d’étanchéité. Le remblayage en vallée est la solution idéale pour éliminer ces matériaux.

Les digues de retenue des déchets issus de la préparation ne sont pas recommandées, à cause des nombreux risques de défaillance dus à l’une ou à l’autre des conditions ci-après:

•   la faiblesse des fondations;
•   des talus trop hauts, de trop forte pente;
•   l’écoulement non contrôlé des eaux et l’infiltration ou la pénétration de fines dans le sol;
•   la maîtrise insuffisante des eaux durant les fortes pluies.

Les principales techniques permettant de réduire considérablement les risques environnementaux reliés à l’élimination des résidus de charbon sont:

•   le drainage des tas de résidus;
•   la déviation des eaux de ruissellement;
•   le compactage des résidus pour prévenir leur combustion spontanée;
•   la stabilisation des tas de résidus.

Les stériles (particules fines qui sortent des cellules de flottation) sont habituellement transportés par des conduites jusqu’à une aire de retenue. Toutefois, certaines techniques de retenue sont inacceptables du point de vue de l’environnement; d’autres s’imposent, comme par exemple l’assèchement des stériles dans une presse ou dans une centrifugeuse à grande vitesse, suivi du transport du produit asséché, par bandes transporteuses ou par camions, jusqu’à l’aire de retenue des résidus grossiers.

Dans les bassins de retenue, les stériles se déposent au fond et l’eau clarifiée est pompée vers l’usine pour être réutilisée. Le niveau du bassin permet le stockage temporaire des eaux pluviales, qui sont ensuite épuisées par pompage ou par de petits systèmes de décantation. De temps en temps, il peut être nécessaire d’enlever les sédiments des bassins de retenue afin de prolonger leur durée de vie. La digue de retenue du bassin est habituellement construite avec les résidus grossiers. Des murs de retenue mal conçus ou une liquéfaction des stériles causée par un drainage inefficace risquent de créer des situations dangereuses. Des agents stabilisants, habituellement des produits chimiques à base de calcium, ont déjà été utilisés pour obtenir un effet de cémentation.

Les aires de retenue des résidus évoluent normalement pendant une bonne partie de la durée de vie d’une mine, sous l’influence de conditions qui changent continuellement. Aussi est-il nécessaire de surveiller de près et à intervalles réguliers la stabilité de l’ouvrage de retenue.