Effets de la concentration massique et de l’âge de cure sur les propriétés mécaniques et l’évolution des dommages d’un remblai en sable éolien

Remplir les vides cachés pour sécuriser les mines

Bien sous la surface de certaines mines de charbon à ciel ouvert se trouvent d’anciennes galeries et espaces vides—appelés chantiers d’exploitation ou goafs—laissés par des extractions antérieures. Si ces vides cachés ne sont pas correctement soutenus, le terrain au-dessus peut s’affaisser ou s’effondrer, mettant en danger les travailleurs, les équipements et les communautés proches. Cette étude examine comment transformer du sable soufflé par le vent en un matériau de remblai solide et fiable capable de soutenir en sécurité la roche au-dessus de ces vieux vides, tout en recyclant des déchets locaux et en réduisant le recours au peu abondant sable de rivière.

Transformer le sable du désert en matériau porteur

Les chercheurs se sont concentrés sur le sable éolien—sable fin transporté par le vent, répandu dans le nord-ouest de la Chine—comme ingrédient principal du remblai minier. Ils ont mélangé ce sable et du loess (un sol riche en limon) avec un liant à base de ciment et de cendres volantes, puis ajouté de l’eau pour obtenir une boue pompable. Une fois pompé dans les vides souterrains, ce mélange durcit en une « roche artificielle » solide qui soutient les couches sus-jacentes. Pour évaluer les performances de ce matériau, l’équipe a préparé des cylindres de taille standard avec différentes « concentrations massiques » (la proportion de matière solide dans le mélange) variant de 74 % à 80 %, et les a soumis à des durées de cure de 3 à 28 jours.

Tester la résistance, la rigidité et la rupture

Les échantillons durcis ont été comprimés dans une machine jusqu’à la rupture, tandis que des capteurs enregistraient de faibles émissions de craquements à l’intérieur du matériau. Ces essais ont montré que la charge que pouvaient supporter les échantillons (résistance) et leur rigidité (la faible déformation sous charge) augmentaient régulièrement à mesure que le mélange devenait plus dense. À une concentration massique de 80 % et après 28 jours de cure, le matériau atteignait sa résistance et sa rigidité maximales. Le temps jouait aussi un rôle : la résistance n’augmentait pas de façon linéaire, mais croissait rapidement durant les deux premières semaines puis plus lentement, au fur et à mesure que le ciment et les cendres volantes réagissaient avec l’eau et liaient les grains entre eux.

Écouter les fissures et suivre l’énergie

Pour mieux comprendre la rupture du matériau, l’équipe a utilisé la surveillance par émission acoustique—autrement dit « écouter » l’activité microfissurante—et analysé comment l’énergie mécanique était stockée et libérée pendant le chargement. À faibles concentrations, les fissures apparaissaient plus tôt et se propageaient graduellement dans l’échantillon, produisant de nombreux signaux faibles et une rupture plus ductile et progressive. À plus haute concentration, la structure interne était plus uniforme et fortement adhérente, de sorte que le matériau pouvait emmagasiner davantage d’énergie élastique, comme un ressort comprimé. Juste avant la rupture, cette énergie stockée était libérée soudainement, provoquant une rafale de signaux acoustiques intenses et une cassure nette et fragile. Avec l’augmentation de la concentration, la part de l’énergie d’entrée stockée élastiquement augmentait, tandis que la part dissipée en dommages permanents et frottements diminuait, révélant un passage vers une rupture plus résistante mais plus brutale.

Observer la structure interne

Les chercheurs ont également examiné la structure interne du matériau au microscope électronique. Dans les mélanges à plus faible teneur en solide, le liant ne pouvait pas combler entièrement les interstices entre les grains de sable et de sol ; le résultat était une structure lâche et poreuse avec de nombreux chemins favorisant la formation et la croissance de fissures. En augmentant la concentration massique, davantage de produits de réaction se formaient et comblaient ces vides, reliant les particules en un réseau plus dense et homogène. À la concentration la plus élevée, le remblai apparaissait compact et bien lié, avec bien moins de pores. Cette image microscopique corrélait avec les résultats mécaniques : des structures plus denses et mieux liées menaient à une résistance et une rigidité accrues, mais aussi à une rupture plus soudaine et fragile en cas de surcharge.

Implications pour une exploitation minière plus sûre et plus propre

Pour un public non spécialiste, le message est simple : en ajustant soigneusement la proportion de solide dans le mélange et la durée de cure, les ingénieurs peuvent transformer le sable désertique abondant en un support solide et prévisible pour d’anciennes structures minières souterraines. Des concentrations plus élevées et un temps de cure suffisant produisent une « roche artificielle » plus dense et plus uniforme, capable de porter des charges plus importantes et d’offrir un soutien plus fiable, bien qu’elle tende à céder de façon plus soudaine si ses limites sont dépassées. Ces résultats fournissent aux concepteurs de remblais des recommandations pratiques pour choisir des recettes de mélange et des durées de cure conciliant sécurité, usage des matériaux et impact environnemental dans les mines de charbon à ciel ouvert.

Citation: Zhao, G., Zhang, Y., Zhang, G. et al. Effects of mass concentration and curing age on the mechanical properties and damage evolution of aeolian sand backfill. Sci Rep 16, 6321 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37254-y

Mots-clés: remblai minier, sable éolien, stabilité des vides souterrains, résistance du remblai cimenté, exploitation houillère à ciel ouvert