Étude d’optimisation du zonage minier transversal lors de l’extension de capacité des mines de charbon à ciel ouvert presque horizontales

Pourquoi remodeler d’immenses carrières de charbon compte

Dans une grande partie du monde, l’électricité et l’industrie dépendent encore fortement du charbon. En Chine, de vastes mines à ciel ouvert fournissent une grande partie de ce combustible, mais à mesure que ces opérations s’étendent, elles peuvent devenir moins sûres, plus coûteuses et plus dommageables pour le paysage. Cet article examine comment une de ces mines dans le nord-est de la Chine peut réorganiser son aménagement pour augmenter la production en toute sécurité, tout en réduisant les déchets et en optimisant l’utilisation des terres et des équipements. Les idées développées ici sont pertinentes partout où de grandes mines de surface doivent s’étendre sans voir les coûts ou les risques s’emballer.

Passer d’un grand trou unique à des zones de travail plus intelligentes

La mine à ciel ouvert Baoqing Chaoyang produit actuellement environ 7 millions de tonnes de charbon par an et vise 11 millions. Elle exploite une seule couche de charbon presque plate selon un aménagement traditionnel « longitudinal » : le front d’exploitation est à peu près rectiligne et des camions évacuent les déblais vers des terrils. À mesure que la production augmente, cette configuration pose des problèmes. La ligne d’exploitation active est trop courte, obligant la carrière à progresser rapidement chaque année, ce qui met à rude épreuve l’équipement et la planification. Les terrils internes à l’intérieur du cratère se remplissent et leurs pentes basses et aplaties diffèrent des valeurs prévues, laissant présager une instabilité et peu de place pour des matériaux supplémentaires. Parallèlement, agrandir les terrils externes est difficile car cela demande plus de terrain. Les auteurs soutiennent qu’au lieu de creuser plus vite selon le même schéma, la mine devrait être divisée en plusieurs larges zones « transversales » qui s’accordent mieux avec la couche de charbon et allégeraient la pression sur les terrils.

Trouver la longueur optimale du front et son coût

La question centrale est : quelle devrait être la longueur du front d’exploitation actif ? S’il est trop court, la carrière doit avancer très vite, augmentant les risques de pente et contraignant les camions à des trajets plus raides. S’il est trop long, l’équipement peut être étalé et les distances de transport à l’intérieur de la mine augmentent, ce qui fait aussi monter les coûts. L’équipe a construit un modèle géométrique et économique simple qui relie la production annuelle de charbon, l’épaisseur et la densité de la couche, la vitesse d’avancement autorisée et l’épaisseur des déblais au ratio de décapage (quantité de roche à déplacer par tonne de charbon) ainsi qu’aux coûts de dynamitage, de creusement et de transport. Ils montrent que le coût total de décapage suit une courbe en U peu marquée lorsque la longueur de la ligne de travail augmente : des lignes très courtes sont coûteuses car il faut déplacer les déblais depuis des flancs raides, tandis que des lignes très longues augmentent les distances de transport. Pour l’objectif de 11 millions de tonnes par an, le modèle indique une longueur économique de la ligne de travail comprise entre environ 1,35 et 2,05 kilomètres, avec un point optimal autour de 1,35 kilomètre et un avancement annuel d’environ 400 à 500 mètres. Cet intervalle guide ensuite la largeur de chacune des nouvelles zones d’exploitation.

Orienter la mine transversalement pour des pentes de déblais plus sûres

Ensuite, les auteurs examinent ce qui se passe si la mine est progressivement réorientée du longitudinal vers un aménagement transversal, de sorte que l’exploitation et le remisage suivent davantage la pente douce de la couche de charbon. En utilisant une représentation simplifiée de la stabilité des pentes, ils expliquent que dans le schéma actuel, les terrils internes sont disposés en travers de la pente des couches géologiques sous-jacentes. Cette géométrie tend à augmenter l’angle effectif descendant qui contrôle le glissement et raccourcit le chemin éventuel de glissement, rendant les tas de déblais plus sujets au basculement. Dans une configuration transversale, les terrils internes sont construits plus parallèlement à la direction naturelle de la pente. Cela réduit la composante descendante, allonge le trajet potentiel de glissement et augmente les forces de résistance dans la roche et les déblais. En termes simples, la même quantité de déblais peut être empilée dans des formes et des directions moins susceptibles de céder. Cette meilleure géométrie facilite aussi un drainage plus ordonné et des banquettes plus régulières, éléments importants pour la santé à long terme des pentes.

Comparer quatre projets avec un système de notation équitable

Les planificateurs conçoivent ensuite quatre manières différentes de diviser la carrière en larges zones, chacune avec sa propre séquence d’avancement et de remise des déblais. Chaque schéma présente des avantages et des inconvénients pratiques : certains privilégient la commodité à court terme et des trajets de camion plus courts, d’autres favorisent une durée de vie plus longue ou des configurations plus simples pour de futurs matériels à grande échelle. Pour choisir, les auteurs construisent une grille d’évaluation en huit points qui pondère la géologie, la résistance des roches, les conditions hydriques, la forme de la surface, l’effort d’ingénierie, l’économie, la perturbation environnementale et les impacts sociaux tels que l’acquisition des terres. Plutôt que de s’appuyer sur un seul indicateur ou un classement purement subjectif, ils combinent deux types de pondération : le jugement d’experts (méthode AHP) et une méthode d’« entropie » qui mesure la quantité d’information contenue dans chaque indicateur. Ces facteurs pondérés sont ensuite intégrés dans un cadre appelé théorie de la mesure non déterminée (Unascertained Measure Theory), qui prend en charge les valeurs mixtes et les évaluations d’experts et attribue à chaque schéma un niveau de confiance le classant en « excellent », « bon », « moyen » ou « médiocre ».

Le plan gagnant et ses bénéfices

Avec cette évaluation combinée, le deuxième schéma se distingue nettement. Il réorganise la zone d’exploitation initiale en quatre larges zones transversales, avec des lignes de travail longues mais encore gérables et une configuration bien adaptée à de futurs systèmes d’exploitation continus ou semi-continus tels que broyeurs et convoyeurs in-pit. Cette option obtient un score de confiance d’environ 0,71 dans la catégorie « excellent », nettement en avance sur les autres. Sur sa durée de vie, elle permettrait d’extraire environ 971 millions de tonnes de charbon, avec un ratio moyen de décapage de 5,8 mètres cubes de roche par tonne de charbon et une durée de service maximale supérieure à 34 ans. Bien que les distances internes d’acheminement soient plus longues en termes absolus, lorsque les coûts sont répartis sur une production plus importante et plus efficace, elle offre toujours le coût global par tonne le plus bas et des marges de sécurité améliorées.

Ce que cela signifie au-delà d’une seule mine

Pour un non-spécialiste, le message clé est que la manière dont on découpe et exploite une gigantesque carrière peut compter autant que la quantité de charbon qui se trouve en dessous. En ajustant mathématiquement la longueur du front d’exploitation actif et en réorientant la mine en zones transversales alignées sur la géologie, il est possible d’augmenter la production tout en réduisant à la fois les déchets et les risques. L’approche de l’étude — une liste d’éléments structurée couvrant les aspects techniques, économiques, environnementaux et sociaux, combinée à une méthode de notation transparente — offre un modèle pour d’autres grandes mines de surface faisant face à une expansion. Elle suggère qu’une planification soigneuse peut transformer la croissance de capacité d’un pari en une trajectoire guidée et plus durable.

Citation: Wen, Y., Song, Z., Su, Q. et al. Optimization study on transverse mining zoning during the capacity expansion stage of nearly horizontal open-pit coal mines. Sci Rep 16, 3908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35908-5

Mots-clés: exploitation minière à ciel ouvert, planification minière, stabilité des pentes, extension de capacité, évaluation multicritères