Application sur le terrain et loi de diffusion du coulis de scellement dans l’aquifère de plancher d’une mine de charbon

Pourquoi il est vital d’empêcher les inondations minières

Les mines de charbon profondes ne creusent pas seulement la roche — elles intersectent aussi des rivières cachées emprisonnées sous pression. Si ces eaux se déversent soudainement dans les galeries, elles peuvent inonder les équipements, menacer des vies et interrompre l’approvisionnement en énergie. Cette étude examine comment mieux colmater les fissures sous un banc de charbon à l’aide de mélanges cimentaires soigneusement conçus, afin que les nappes pressurisées restent confinées et que les mineurs puissent travailler en sécurité.

Colmater les fissures cachées avec de la « roche liquide »

Pour maîtriser les afflux d’eau provenant des aquifères de plancher, les ingénieurs injectent souvent un « coulis » pompable à base de ciment ou de ciment mélangé à de l’argile dans la roche. Ce liquide s’infiltre dans les fissures et pores fins puis durcit en une barrière solide. Les auteurs se sont concentrés sur deux questions pratiques : comment choisir la meilleure recette pour le coulis, et comment ce coulis se propage réellement dans une roche fracturée sous forte pression d’eau. Ils ont testé en laboratoire des mélanges de ciment purs et des mélanges ciment–argile, puis ont utilisé des simulations numériques et une mine de charbon réelle pour observer le comportement de ces mélanges en conditions souterraines.

Trouver la bonne recette

En laboratoire, l’équipe a préparé des dizaines de petits lots différant par leur densité et par la quantité d’eau, de ciment et d’argile. Ils ont mesuré cinq propriétés clés pertinentes en chantier : la facilité d’écoulement du coulis, la quantité d’eau libre qui s’en sépare, la part solide restante après durcissement, le temps de prise et la résistance des blocs durcis. Les mélanges plus denses coulaient généralement plus lentement mais formaient un matériau plus compact et plus résistant, tandis que les mélanges plus légers libéraient davantage d’eau et mettaient plus de temps à durcir. En équilibrant ces compromis, les chercheurs ont retenu un mélange ciment pur et un mélange ciment–argile comme optimaux : tous deux limitaient les pertes d’eau, remplissaient efficacement les fissures et atteignaient une résistance suffisante sans prendre si vite que les ouvriers manqueraient de temps pour l’injecter.

Comment le coulis se propage dans une roche fissurée

Ensuite, l’équipe a construit un modèle numérique détaillé d’un massif rocheux comprenant une zone écrasée peuplée de nombreuses petites fractures et une fissure principale plus large susceptible d’évacuer l’eau. Ils ont simulé l’injection du coulis ciment–argile choisi dans ce système en tenant compte de l’écoulement des fluides et de la déformation de la roche. Les simulations ont montré qu’une pression de pompage plus élevée pousse le coulis plus loin et plus rapidement, mais que sa pression décroît progressivement avec la distance jusqu’à se rapprocher de la pression hydraulique naturelle. Des fissures plus larges et une roche plus poreuse permettent au coulis de circuler plus vite et d’occuper une plus grande zone ; dans certains cas, une fois qu’une quantité suffisante de coulis s’est accumulée, il « perce » soudainement la fissure principale, étendant rapidement la zone scellée avant que l’écoulement ne ralentisse et se stabilise.

Mise en œuvre souterraine

Les chercheurs ont ensuite appliqué leur coulis optimisé dans une mine de charbon chinoise où le plancher repose au‑dessus d’une couche calcaire riche en eau à environ 140 mètres de la surface. Ils ont foré trois groupes de trous d’injection et pompé plus de 100 000 tonnes du mélange ciment–argile sous des pressions strictement contrôlées. En suivant la quantité de coulis absorbée par chaque trou et la réponse du massif aux essais de pression réalisés après injection, ils ont confirmé que les fissures et les conduits dans les zones les plus dangereuses avaient été efficacement comblés. Les trous injectés plus tard ont requis moins de coulis, ce qui indique que les injections antérieures avaient déjà renforcé et scellé une grande partie du réseau de fractures.

Ce que cela implique pour la sécurité minière

Pour les non‑spécialistes, le message principal est que les inondations en mine causées par des nappes pressurisées ne relèvent pas du seul hasard — elles dépendent fortement de la manière dont l’eau peut circuler à travers des fissures invisibles sous les travaux. Cette étude montre qu’en ajustant la composition de la « roche liquide » et en comprenant son écoulement sous pression, les ingénieurs peuvent concevoir des plans de coulis qui scellent ces fissures de façon plus fiable et avec moins de risques. La combinaison d’essais en laboratoire, de simulations physiques et d’essais à l’échelle d’une mine indique des approches plus prévisibles et fondées sur la science pour maintenir l’exploitation du charbon profond au sec et en sécurité.

Citation: Zhengzheng, C., Fangxu, G., Tao, R. et al. Field application and diffusion law of grouting slurry in floor aquifer of a coal mine. Sci Rep 16, 8329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z

Mots-clés: contrôle des eaux en mine de charbon, coulis de ciment, aquifère de plancher, scellement de roche fracturée, simulation numérique