Étude expérimentale sur le mécanisme de diffusion du coulis dans les roches fracturées

Maintenir la sécurité des cavernes souterraines

Les espaces profonds sous terre — comme ceux qui abritent des pompes dans les mines de charbon — doivent résister à une pression intense exercée par la roche environnante. Si la roche commence à se fissurer et à bouger, les parois peuvent gonfler de dizaines de centimètres, menaçant l’équipement, les travailleurs et l’ensemble du chantier. Cette étude examine comment mieux « coller » les roches brisées entre elles à l’aide d’un coulis à base de ciment, afin que de longues chambres souterraines restent stables et sûres pendant de nombreuses années.

Une salle de pompe soumise à des contraintes extrêmes

Les chercheurs se sont concentrés sur une grande chambre de pompage de la mine de Wanfu en Chine, située à plus de 800 mètres sous terre. Malgré un système d’appui important composé de boulons en acier, de câbles et d’un revêtement en béton, les parois et le toit de la chambre continuaient de se déformer. Sur plus de 450 jours de surveillance, la paroi droite s’est déplacée vers l’intérieur jusqu’à 751 millimètres — presque la largeur d’une porte domestique — et le sol a subi un renflement de plus de 30 centimètres. Des forages effectués dans la roche environnante ont révélé une zone fortement fissurée « gravement endommagée » s’étendant jusqu’à 7 mètres de profondeur, une zone de transition intermédiaire, puis de la roche intacte. Les boulons et câbles existants étaient principalement ancrés dans la zone brisée, et ne pouvaient donc pas développer leur pleine résistance.

Comment le coulis se propage dans la roche fracturée

Pour comprendre comment renforcer de nouveau une telle roche endommagée, l’équipe a construit un dispositif de laboratoire de grande taille pouvant accueillir des blocs de roche artificielle fracturée de 1,2 mètre de long. Ils ont injecté du coulis de ciment dans ces blocs puis les ont découpés en segments pour tester la résistance de chaque portion en fonction de la distance par rapport au point d’injection. Deux variables simples ont été explorées : la taille des fragments rocheux et la fluidité du coulis (rapport eau/ciment). Dans tous les cas, la résistance en compression — la force de compression que le matériau peut supporter — diminuait à mesure que le coulis s’éloignait du point d’entrée.

Trois zones de résistance autour d’un boulon

Les essais de résistance ont révélé trois zones distinctes autour de la zone coulée. Près du point d’injection, une « zone de déclin initial » d’environ 400 millimètres présentait une forte résistance qui chutait rapidement. D’environ 400 à 1000 millimètres, apparaissait une « zone de déclin progressif », où la résistance diminuait plus lentement. Au‑delà se trouvait une « zone d’extrémité », où la qualité et la résistance retombaient à nouveau. Ce schéma reflète la façon dont le coulis s’écoule et se tasse : près de l’entrée, il est dense et bien compacté ; plus loin, il se déplace plus lentement, se sépare légèrement sous l’effet de la gravité et piège davantage de vides, laissant un matériau plus faible en bordure.

Pourquoi la taille des fragments compte plus que la fluidité

Modifier la taille des fragments rocheux s’est avéré plus déterminant que modifier la fluidité du coulis. Des fragments plus gros créaient des interstices plus larges qui permettaient au coulis de se propager davantage, faisant passer la distance de diffusion effective de 800 millimètres avec de petits morceaux à 1000 millimètres avec les plus gros. Cependant, des fragments très volumineux introduisaient aussi plus d’interfaces faibles où des fissures pouvaient apparaître. Ajuster le rapport eau/ciment a eu un effet plus modeste sur la portée du coulis — la distance de diffusion est restée proche du mètre — mais a fortement influencé la résistance globale et l’homogénéité. Un mélange moyen (rapport eau/ciment de 0,5) a produit un bon compromis : un matériau solide et relativement uniforme sans trop de vides d’air.

Des tests en laboratoire à la sécurité réelle de la mine

En se basant sur ces conclusions, les ingénieurs ont repensé le système d’appuis de la chambre de pompage. Ils ont ajouté des boulons coulés en quinconce et veillé à ce que la longueur des boulons et des câbles dépasse d’au moins 1 mètre la zone gravement endommagée pour s’ancrer dans la roche saine. Ils ont également adopté le rapport eau/ciment recommandé de 0,5 pour les injections sur le terrain. Après six mois de nouvelle surveillance, les mouvements de la paroi droite sont passés de plus de 750 millimètres à un peu moins de 40 millimètres — une réduction d’environ 95 %. En termes simples, un coulage soigneusement planifié a transformé une salle souterraine fortement déformée en un espace stable, montrant comment la compréhension de la diffusion du coulis et de la fragmentation de la roche peut se traduire directement par des ouvrages souterrains plus sûrs et plus fiables.

Citation: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Mots-clés: renforcement des ouvrages souterrains, coulage, roche fracturée, génie des mines de charbon, stabilité des roches