Étude expérimentale sur l’évolution de la déformation de compaction et les caractéristiques de dissipation d’énergie d’un massif rocheux fragmenté gradé

Pourquoi la roche concassée compte sous terre

En profondeur dans les mines de charbon, les galeries sont souvent partiellement remplies de tas de roche brisée. La façon dont ces débris se compactent et la manière dont ils libèrent de l’énergie lorsqu’ils se réarrangent peuvent influencer si le gaz s’évacue en toute sécurité ou s’accumule au point de provoquer une explosion. Cette étude examine comment différentes combinaisons de gros et petits fragments se compressent, comment les vides entre eux évoluent et quelle quantité d’énergie stockée est relâchée lors du tassement — des connaissances susceptibles de rendre l’exploitation minière plus sûre et plus efficace.

Comment la roche a été comprimée et écoutée

Les chercheurs ont prélevé du grès fin dans une mine de charbon chinoise et l’ont concassé en particules réparties en cinq classes granulométriques, de quelques millimètres à 25 millimètres. À l’aide d’un indice de granularité mathématique, ils ont préparé cinq mélanges différents, allant de dominés par des particules fines à contenant davantage de gros blocs. Chaque échantillon de 2,4 kilogrammes a été versé dans un cylindre en acier robuste et comprimé par le haut, les parois étant maintenues rigides — à l’image du tassement de la roche brisée dans un vide minier sous le poids des terrains sus-jacents. Simultanément, des capteurs acoustiques sensibles «écoutaient» les petites ondes élastiques produites lorsque les grains glissaient, frottaient ou se rompaient, convertissant ces signaux en comptes et en valeurs d’énergie qui retracent la réorganisation interne du squelette granulaire.

Trois étapes de compression

En suivant la contrainte et la déformation, l’équipe a constaté que tous les mélanges traversent trois étapes bien distinctes de compaction. D’abord une étape initiale, où les particules faiblement empaquetées glissent, tournent et se réinstallent, entraînant un raccourcissement rapide sous des contraintes relativement faibles. Vient ensuite une phase linéaire, où la structure se stabilise et un chargement supplémentaire produit une relation presque linéaire entre contrainte et déformation ; à ce stade, la fragmentation des grains et un contact plus intense surface-à-surface dominent. Enfin apparaît une phase de consolidation plastique, où le massif devient raide et résistant à un raccourcissement supplémentaire : une contrainte accrue n’engendre que de petites déformations supplémentaires mais provoque un écrasement local plus intense. Les mélanges riches en fines atteignent plus tôt ces stades avancés et restent plus longtemps dans la phase finale raide, tandis que les mélanges à gros éléments requièrent des contraintes plus élevées pour obtenir le même raccourcissement.

Comment évoluent les vides et la taille des particules

Les vides entre les particules se sont réduits selon un schéma en trois étapes qui reflète les phases de déformation : une chute rapide, un déclin plus lent, puis un quasi-plateau à l’approche de l’état le plus dense. Les échantillons contenant davantage de gros éléments commençaient avec plus d’espace vide et ont perdu globalement plus de volume de vide, mais leur taux de réduction du vide était plus rapide aux faibles contraintes. Après compression, un tamisage a montré que tous les mélanges avaient produit de nombreux nouveaux fragments très fins (< 2,5 mm), tandis que la part des plus gros grains diminuait fortement. Une mesure fractale de la complexité de la distribution granulométrique a augmenté pour chaque échantillon, et les valeurs finales se sont regroupées dans une plage étroite, ce qui indique que la compaction tend à atténuer les différences initiales entre mélanges. Les mélanges riches en gros éléments ont cependant abouti à des distributions granulométriques légèrement plus simples (moins fragmentées) que celles riches en fines.

Chuchotements et soubresauts d’énergie à l’intérieur des décombres

Les mesures acoustiques ont révélé que les schémas de libération d’énergie suivaient aussi les trois étapes. En phase initiale, les signaux étaient fréquents mais faibles, traduisant des frottements et de petits réajustements entre grains. Pendant la phase linéaire, le nombre d’événements et leur énergie totale ont fortement augmenté lorsque des particules plus grosses ont commencé à se fissurer et que la structure interne s’est réorganisée. Dans la phase finale, le nombre d’événements a diminué, mais les impulsions individuelles d’énergie sont devenues beaucoup plus intenses, liées à la rupture occasionnelle des grands fragments restants à l’intérieur d’un cadre déjà rigidifié. Les mélanges comportant plus de fines ont produit bien plus d’événements de faible énergie, tandis que les mélanges dominés par les gros éléments ont généré moins d’événements mais beaucoup plus énergétiques, montrant une transition de « nombreux petits chuchotements » vers « rares et forts claquements » selon la composition granulométrique.

Ce que cela implique pour la sécurité en mine

Dans l’ensemble, l’étude montre que la granulométrie du massif rocheux fragmenté — la proportion de fines versus gros morceaux — contrôle fortement sa compaction, la fermeture des vides, le développement des pressions latérales et la manière dont l’énergie stockée est relâchée. Avec le temps, différents mélanges de départ tendent à converger vers des états similarly denses et finement fragmentés, mais ils empruntent des chemins mécaniques et énergétiques très différents pour y parvenir. Pour les ingénieurs miniers, comprendre ces trajectoires aide à prévoir comment les zones de goaf se resserrent, comment les voies de circulation du gaz s’ouvrent ou se ferment et quand des concentrations dangereuses de contrainte et d’énergie peuvent apparaître, fournissant une base scientifique pour de meilleurs schémas de drainage du gaz et un meilleur contrôle des risques roche-gaz dans les mines de charbon profondes.

Citation: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Mots-clés: compaction de roche fragmentée, chambre d’extraction de charbon (goaf), matériaux granulaires, émission acoustique, prévention des accidents liés au gaz