Stabilité du massif rocheux autour des routes souterraines en roche fissurée : mécanismes et effets de l’optimisation de l’implantation

Pourquoi la roche fissurée compte en profondeur

Bien sous la surface de la Terre, les mines de charbon reposent sur de longs tunnels, ou galeries, creusés dans la roche. Ces passages doivent rester stables pour permettre le déplacement des travailleurs et le fonctionnement des équipements. Mais la roche est rarement intacte : elle est parcourue de fissures et de joints naturels qui peuvent s’élargir et se relier sous contrainte, provoquant parfois des effondrements. Cette étude pose une question pratique aux conséquences potentiellement mortelles : comment ces fractures cachées se comportent‑elles à mesure que l’on creuse en profondeur, et comment optimiser l’implantation des galeries pour éviter la rupture du massif environnant ?

Comment les scientifiques ont reproduit la roche fracturée

Pour étudier ce problème dans des conditions contrôlées, les chercheurs ont d’abord fabriqué des échantillons imitant la roche en laboratoire. Plutôt que d’utiliser de la roche naturelle, difficile à fissurer de manière précise, ils ont coulé des blocs de béton comportant une fissure artificielle unique, inclinée selon différents angles, de l’horizontal au vertical. Ils ont vérifié la qualité de chaque échantillon à l’aide d’ondes ultrasonores, confirmant que seule la région centrale présentait une fracture nette tandis que le reste du matériau restait homogène. Ces échantillons ont ensuite été comprimés dans une machine d’essai pour observer où et comment de nouvelles fissures apparaissaient, comment elles croissaient et comment l’échantillon finissait par se rompre.

Des spécimens de table aux modèles numériques

Les essais en laboratoire ne suffisent pas à rendre toute la complexité des mines réelles, aussi l’équipe a‑t‑elle construit des modèles numériques détaillés des échantillons fissurés en utilisant une approche dite par éléments discrets. Dans cette roche virtuelle, le matériau est divisé en nombreux petits blocs polygonaux qui peuvent glisser, se séparer ou se casser les uns contre les autres — un comportement semblable à celui des grains de roche réels. En ajustant soigneusement le modèle pour que sa résistance et ses modes de rupture correspondent aux essais physiques, les chercheurs ont pu lui faire confiance pour explorer bien plus de scénarios qu’en laboratoire, notamment l’effet de pressions environnantes variables, comme celles rencontrées à plus grande profondeur, sur la croissance des fissures.

Que devient une fissure sous pression

Les simulations et les expériences ont montré de concert que l’angle de la fracture initiale contrôle fortement la façon dont les dommages se propagent, en particulier lorsque la fissure est inclinée entre environ 30 et 60 degrés. Dans cette gamme, de nouvelles fissures ont tendance à apparaître près de la fracture existante et à croître dans des directions qui s’alignent progressivement sur elle. À mesure que la pression extérieure augmente — comme lorsque l’on descend plus profondément — la fracturation se concentre davantage dans le voisinage immédiat de la fissure au lieu de se répandre dans tout le massif. La résistance globale des échantillons présente une tendance en V bien marquée selon l’angle de la fissure : la roche est relativement résistante lorsque la fissure est presque horizontale ou verticale, mais sensiblement plus faible pour des angles intermédiaires où les fractures se raccordent le plus facilement.

Concevoir des implantations de galeries plus sûres

Fort de cette compréhension à petite échelle, l’équipe s’est intéressée à des plans de mines réelles comportant plusieurs galeries proches. À l’aide de leurs modèles validés, ils ont simulé comment les contraintes dues au poids des couches sus‑jacentes et à l’exploitation du charbon provoquent la formation de zones plastiques — des régions où la roche a cédé et fissuré — autour de chaque galerie. Ils ont constaté qu’à mesure que le niveau de contrainte global augmente, les déformations croissent rapidement et les zones plastiques s’approfondissent. Lorsque deux galeries sont trop proches, ces zones endommagées peuvent fusionner, créant une vaste région affaiblie menaçant les deux tunnels. Des images de carottes de terrain provenant d’une mine de charbon en exploitation ont confirmé le portrait fourni par le modèle : la roche de toit peu profonde au‑dessus de galeries très rapprochées était fortement fissurée, tandis que la roche plus profonde restait relativement intacte.

Ce que cela signifie pour la sécurité des mines de charbon

L’étude conclut qu’il existe une règle pratique pour une conception plus sûre : maintenir un espacement entre galeries principal supérieur à environ cinq fois le rayon de la galerie (soit approximativement plus de 15 mètres dans le cas étudié) aide à prévenir le chevauchement des zones de fracture et améliore la stabilité à long terme. Elle souligne aussi que des contraintes naturelles élevées, combinées aux contraintes supplémentaires créées par l’exploitation minière, sont les principaux moteurs de la croissance des fissures et de l’approfondissement des dommages. En termes concrets, ce travail montre comment un positionnement soigneux des tunnels — guidé par des expériences et des simulations réalistes — peut réduire significativement le risque d’effondrement, protéger les travailleurs et diminuer les coûts d’entretien dans les mines profondes et autres projets souterrains similaires.

Citation: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Mots-clés: routes de mines de charbon, roche fissurée, stabilité souterraine, espacement des galeries, modélisation par éléments discrets