Impact du remblai pâteux cimenté sur les propriétés mécaniques et la stabilité des piliers de charbon dans l’exploitation en muraille haute à ciel ouvert

Transformer les déchets miniers en système de soutènement

Les carrières de charbon à ciel ouvert laissent souvent d’importantes quantités de charbon précieuses emprisonnées sous leurs versants finaux, car l’enlever peut affaiblir le terrain et déclencher des glissements. Cette étude examine comment un « remblai pâteux cimenté » spécialement conçu — fabriqué principalement à partir de déchets miniers — peut être utilisé pour soutenir ces versants de manière sûre tout en permettant d’extraire beaucoup plus de charbon. Pour les lecteurs intéressés par une exploitation plus propre des ressources, une extraction plus sûre et le recyclage créatif des déchets industriels, ce travail offre un exemple concret de la façon dont l’ingénierie peut transformer une charge en un élément structurel utile.

Pourquoi les piliers de charbon sont essentiels à la sécurité

En exploitation en muraille haute, des machines creusent des galeries horizontales dans la veine de charbon exposée le long du front de taille, laissant en place des colonnes solides de charbon — appelées piliers — pour soutenir la roche sus-jacente. Ces piliers sont cruciaux pour prévenir la déformation ou l’effondrement du versant, mais les laisser signifie qu’une grande quantité de charbon ne peut jamais être récupérée. Dans une mine à ciel ouvert en Chine, l’utilisation précoce de la muraille haute sans remblai a entraîné un affaissement des bancs et des voies de transport, suscitant des inquiétudes quant à la stabilité à long terme. La question posée par les chercheurs était la suivante : peut-on remplacer partiellement la fonction de ces piliers de charbon en comblant les vides excavés avec un remblai pâteux cimenté contrôlé, de sorte que plus de charbon puisse être retiré en toute sécurité ?

Construire et casser des piliers miniatures

Pour répondre à cela, l’équipe a recréé en laboratoire le système charbon–remblai en utilisant des échantillons cubiques de charbon provenant d’une mine réelle. Ils ont moulé du remblai pâteux cimenté, composé de déchets rocheux concassés, de cendres volantes, de ciment et d’eau, de part et d’autre du charbon, formant un « remblai–pilier de charbon–remblai ». En faisant varier deux facteurs principaux — la hauteur du remblai par rapport au pilier de charbon (le ratio de remblai) et la résistance de la pâte elle‑même — ils ont pu mesurer le soutien réel fourni par le remblai. Ces spécimens ont ensuite été comprimés dans une cuve en acier robuste imitant la forte contrainte latérale d’une vraie muraille, tandis que des instruments enregistraient la réponse du charbon et du remblai à l’augmentation de la charge.

Comment le remblai modifie le mode de rupture du charbon

Les courbes contrainte–déformation — les empreintes digitales de la manière dont un matériau supporte la charge — ont révélé une histoire en cinq étapes : compactage des pores, comportement élastique du charbon, formation et connexion des fissures, rupture principale du charbon, et enfin, dans certains cas, le charbon continuant à porter une partie de la charge grâce au remblai contraignant. À faibles ratios de remblai et avec une pâte de faible résistance, le comportement du charbon était pire que celui d’un charbon sans remblai ; le remblai ne contraignait pas complètement le pilier et déplaçait la rupture vers la partie supérieure, moins soutenue, qui se brisait de façon explosive en fragments. En augmentant la hauteur et la résistance du remblai, le mode de rupture a changé. La fissuration s’est répartie plus uniformément dans le pilier, le gonflement latéral important a été réduit et, avec un ratio de remblai de 95 % et une pâte de forte résistance, le charbon n’a présenté que des fissures de surface mineures et est resté en grande partie intact.

Du remplissage passif au partenaire structurel actif

Une conclusion clé est que le remblai fait plus que simplement occuper un volume. Lorsqu’il est trop court pour toucher la roche de toit, il ne peut agir que de façon passive après que le charbon s’est déjà déformé vers l’extérieur, offrant une protection limitée. Mais lorsque le remblai est assez haut pour entrer en contact avec le toit — essentiellement un ratio de remblai de 100 % — il devient un partenaire structurel actif. Il prend en charge une partie de la charge verticale, se dilate latéralement sous compression et presse contre le pilier de charbon avant l’apparition de fissures majeures, mettant le charbon dans un état de contrainte tridimensionnel plus favorable. Dans les essais, la résistance à la rupture des piliers de charbon a augmenté régulièrement avec le ratio de remblai et la résistance de la pâte, puis a fortement bondi une fois le contact avec le toit atteint, et les piliers ont conservé une certaine capacité même après la rupture initiale. Des simulations numériques d’un versant de carrière entier ont confirmé que le remblai haut et résistant réduisait nettement la déformation des piliers, réduisait les zones endommagées dans le versant et permettait de récupérer en toute sécurité tout le charbon entre les ouvertures.

Conséquences pour une exploitation plus sûre et plus propre

Pour les non‑spécialistes, le message principal est que la façon dont nous remblayons les espaces exploités peut déterminer de manière décisive la sécurité et l’efficacité de l’utilisation des ressources. Cette étude montre qu’un remblai pâteux cimenté bien conçu — en particulier lorsqu’il atteint et contacte fermement le toit — peut passer du simple stockage de déchets à un système de soutènement ingénierique. Il peut permettre aux carrières à ciel ouvert d’extraire quasiment tout le charbon situé sous les versants, tout en maintenant de faibles déplacements du terrain et en réduisant le risque de rupture de pente. En pratique, notent les auteurs, les ingénieurs doivent encore surmonter des difficultés techniques, telles que le retrait et les petits vides au niveau du toit, au moyen d’additifs ou d’injections secondaires. Mais la conclusion de fond est claire : une utilisation intelligente du remblai peut aider les mines à récupérer davantage de ressources, stabiliser leurs versants et recycler simultanément d’énormes volumes de stériles.

Citation: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

Mots-clés: exploitation en muraille haute, remblai pâteux cimenté, stabilité des piliers de charbon, déformation de pente, recyclage des déchets miniers