Étude sur le mécanisme et les techniques de prévention des désastres dynamiques dans des veines de charbon quasi‑verticales et extra‑épaisses

Pourquoi l’exploitation charbonnière profonde peut soudainement devenir dangereuse

Alors que le monde continue de dépendre du charbon pour l’énergie et l’industrie, les entreprises minières sont contraintes d’exploiter toujours plus en profondeur et dans des géologies plus difficiles. Dans certaines régions de l’ouest de la Chine, certaines des veines de charbon les plus épaisses sont presque dressées, comme des livres sur une étagère. L’extraction de ces veines quasi‑verticales a provoqué des « désastres dynamiques » souterrains violents — effondrements soudains et éjections de roche qui peuvent endommager les équipements et menacer la vie des mineurs. Cette étude examine l’intérieur d’une de ces mines, la mine de Wudong au Xinjiang, pour comprendre pourquoi ces désastres surviennent et comment les prévenir.

Des veines de charbon dressées sur la tranche

Dans l’esprit de la plupart des gens, les bancs de charbon sont à peu près horizontaux sous terre. À Wudong, cependant, les veines principales ont 28 et 40 mètres d’épaisseur et s’inclinent d’environ 85–87 degrés, presque à la verticale. Entre elles se trouve une massive paroi rocheuse appelée pilier rocheux. À mesure que les mineurs enlèvent des couches horizontales de charbon à différents niveaux, de grands espaces vides (chambres d’extraction) sont laissés derrière. Dans de telles veines raides, la gravité agit latéralement autant que vers le bas, exerçant des contraintes inhabituelles sur les toits, les planchers et le pilier central. Des accidents passés dans cette zone — plusieurs éjections de roche à haute énergie liées au pilier et au toit — ont montré que ces structures peuvent emmagasiner et libérer soudainement d’énormes quantités d’énergie.

Comment les piliers et les toits emmagasinent une énergie cachée

Les chercheurs ont combiné modélisation mathématique, essais en laboratoire sur des échantillons rocheux, mesures souterraines et maquettes physiques à l’échelle pour suivre la déformation du massif rocheux au fur et à mesure de l’avancement des travaux. Ils ont constaté qu’une fois le charbon retiré autour du pilier, celui‑ci se comporte comme une gigantesque poutre en porte‑à‑faux, se courbant lentement vers l’un des vides d’extraction. Cette flexion et cette rotation comprimant et écartant le charbon restant de chaque côté, accumulent de l’énergie de déformation tant dans le pilier que dans le charbon. Les calculs montrent que les premières fissures du pilier apparaissent lorsqu’environ 150 mètres sont exposés, et qu’une rupture à grande échelle se développe lorsque la hauteur sans support atteint environ 350 mètres. La surveillance micro‑sismique — une sorte d’« écoute » souterraine des petits séismes de roche — a confirmé des dommages intenses et des événements à haute énergie dans le pilier à ces profondeurs.

Toits basculants, planchers glissants et effondrements violents

Les couches rocheuses sus‑jacentes au charbon se comportent de manière tout aussi critique. Parce que les veines sont presque verticales, le toit n’est pas comprimé verticalement de la façon habituelle ; il a plutôt tendance à basculer vers les espaces vides. Les modèles de l’équipe et une grande simulation en laboratoire ont montré que le toit immédiat peut rester en porte‑à‑faux sur plus de 40 mètres avant de céder. Lorsqu’il cède, les couches supérieures basculent principalement — comme des rangées de livres qui tombent — tandis que les couches inférieures peuvent également s’affaisser ou glisser. Les blocs brisés tombent alors et tournent dans la chambre d’extraction, formant parfois des appuis triangulaires temporaires qui s’effondrent ensuite de nouveau. Le plancher sous la veine inférieure est aussi chargé puis soudainement déchargé au fur et à mesure de l’avancement des travaux, le rendant susceptible au cisaillement et au glissement. Ensemble, piliers fléchissants, toits en surplomb et planchers affaiblis créent de puissantes contraintes statiques et, lorsqu’ils cèdent, des chocs dynamiques forts pouvant déclencher des éjections de roche.

De la compréhension du danger au changement de la roche

Sachant que les désastres résultent d’une combinaison de fortes contraintes statiques et de perturbations dynamiques soudaines, les auteurs se sont concentrés sur des moyens d’évacuer l’énergie avant qu’elle ne cause des dommages. Leur solution consiste à affaiblir délibérément des zones rocheuses sélectionnées par des tirs contrôlés. Ils forent deux séries de trous — peu profonds et profonds — dans le toit et le plancher en avant du front de taille, puis déclenchent des charges explosives contrôlées. Cela crée une « zone tampon » tridimensionnelle de roche fissurée qui redirige et assouplit les contraintes horizontales venant du pilier et des couches environnantes. Les simulations informatiques ont montré que, comparé à l’absence de tirs, ces mesures peuvent réduire la contrainte horizontale devant la veine de charbon d’environ un cinquième, les tirs en trous peu profonds offrant la meilleure performance dans leurs scénarios.

Mesurer si la protection fonctionne réellement

Pour tester la technique en souterrain, l’équipe a utilisé deux types de surveillance. D’abord, ils ont suivi le rayonnement électromagnétique émis naturellement lorsque le charbon et la roche se fissurent. Après les tirs, les niveaux de rayonnement dans la zone traitée ont diminué d’environ 30 % dans la roche et d’environ 13 % dans le charbon, ce qui indique une réduction des contraintes. Ensuite, ils ont examiné les données micro‑sismiques pendant un mois avant et après les tirs. Immédiatement après les explosions, le nombre et l’énergie des événements micro‑sismiques ont augmenté lorsque des fractures s’ouvraient et que la contrainte emmagasinée était libérée. Avec le temps, la fréquence et l’énergie ont ensuite décliné, ce qui suggère que le massif rocheux était devenu plus stable et moins susceptible de céder violemment.

Rendre l’exploitation de veines de charbon profondes et inclinées plus sûre

Pour un non‑spécialiste, le message principal est que les forces les plus dangereuses dans des veines de charbon raides et extra‑épaisses sont en grande partie invisibles : la flexion lente et le porte‑à‑faux de dalles rocheuses massives qui emmagasinent silencieusement de l’énergie jusqu’à ce que quelque chose cède. Cette étude montre qu’en comprenant où et comment cette énergie s’accumule — principalement dans le pilier rocheux central et les toits en surplomb — les ingénieurs peuvent intervenir tôt et affaiblir soigneusement la roche dans des zones choisies. Bien réalisée, cette atteinte contrôlée sert de soupape de sécurité, réduisant la contrainte, limitant l’ampleur des libérations soudaines et rendant les éjections de roche moins probables. L’approche offre une voie pratique vers une exploitation plus sûre dans certains des gisements de charbon les plus difficiles au monde.

Citation: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

Mots-clés: éclatement de roche, sécurité de l’exploitation minière du charbon, veines de charbon raides, détonation pour soulagement de contrainte, défaillance de pilier rocheux