Étude expérimentale et application d’ingénierie du soutènement par boulons basée sur un grand glissement de charbon à grande échelle dans le massif houiller

Maintenir l’ouvrage souterrain

En profondeur, les mines de charbon ne sont pas des lieux calmes et stables. Les couches rocheuses se compressent et se déplacent, et parfois la paroi de charbon voisine d’une galerie se précipite soudainement vers l’intérieur dans un jaillissement dangereux appelé secousse de charbon. Cette étude porte sur un type particulier d’événement où une grande plaque de charbon glisse dans la galerie tandis que le toit et le sol restent quasiment intacts. Les auteurs montrent que la façon dont les boulons métalliques sont installés dans la paroi de charbon — et tout particulièrement leur angle et leur épaisseur — peut faire la différence entre un effondrement violent et une voie stable, et ils testent une nouvelle conception de soutènement dans une mine réelle.

Quand le charbon glisse comme un tapis

Dans le type d’accident étudié ici, l’ensemble de la paroi de charbon adjacente à la galerie peut soudainement se précipiter vers l’avant, obstruant le passage sans écraser le toit ni le sol. Les boulons et le treillis posés dans le charbon peuvent même sembler largement indemnes. Le problème se situe à la surface de contact cachée entre le charbon et la roche environnante : quand les contraintes s’accumulent puis se libèrent brusquement, le charbon peut glisser le long de ce plan lisse, un peu comme un tapis qui glisserait sur un sol poli. Pour protéger les mineurs, le système de soutènement doit renforcer cette surface de contact et absorber une partie de l’énergie libérée au lieu de se contenter d’immobiliser le charbon.

Essais de boulons en laboratoire

Pour comprendre comment la conception des boulons peut mieux résister à ce glissement, les chercheurs ont construit un moule en acier reproduisant deux blocs rocheux séparés par un vide représentant l’interface charbon–roche. Ils ont utilisé des tiges métalliques fabriquées dans deux alliages pour représenter les boulons, en trois épaisseurs différentes, et ont réalisé des essais de traction contrôlés. Les tiges ont été posées selon quatre angles par rapport à la direction du glissement : 30°, 45°, 60° et perpendiculaire à 90°. En écartant les deux moitiés du moule dans une machine d’essai, ils ont pu observer la façon dont les tiges se rompaient et mesurer la force et l’énergie que chaque configuration pouvait supporter avant la rupture.

Pourquoi l’angle et l’épaisseur comptent

Les expériences ont révélé un schéma net. Lorsque les tiges étaient positionnées à 30° ou 45° par rapport à la direction du glissement, elles avaient tendance à s’allonger puis à céder en traction, comme un fil tiré jusqu’à la rupture. Dans ce cas, les tiges supportaient des charges plus élevées et absorbaient plus d’énergie avant la défaillance. À des angles plus raides de 60° et 90°, les tiges étaient plutôt sectionnées par le glissement, un mode de rupture par cisaillement nécessitant moins de force et emmagasinant moins d’énergie. Pour tous les angles, les tiges plus épaisses supportaient systématiquement plus de charge et absorbaient plus d’énergie que les plus fines. Parmi toutes les configurations testées, les tiges placées autour de 45° offraient les meilleures performances globales, combinant un mode de rupture favorable avec une grande résistance et une bonne absorption d’énergie.

Du modèle à la mine

L’équipe a ensuite appliqué ces conclusions au chantier 7305 de la mine de Kongzhuang en Chine, une exploitation profonde soumise à de fortes contraintes de terrain et exposée au risque connu de secousses de charbon. L’air de retour — une galerie essentielle pour la ventilation et l’accès — était à l’origine soutenu par un dispositif standard de boulons de toit, boulons latéraux, câbles et treillis métallique. En s’appuyant sur leurs essais, les ingénieurs ont repensé l’agencement des boulons de sorte qu’un grand nombre d’entre eux intersectent le plan de contact charbon–roche avec des angles ne dépassant pas 45°, et que leurs parties ancrées atteignent des roches solides du toit ou du sol. Cela a créé une cage tridimensionnelle autour de la paroi de charbon, augmentant le frottement le long du plan de glissement, répartissant les contraintes concentrées et offrant un moyen intégré pour que les boulons s’allongent et absorbent l’énergie lors d’un jaillissement plutôt que de se rompre de manière fragile.

Des galeries plus sûres

L’utilisation sur le terrain du nouveau schéma de soutènement a réduit de manière significative les grands glissements de charbon dans la galerie et amélioré la stabilité de la voie, le tout sans ajouter d’équipements exotiques ni de coûts majeurs. Pour les non-spécialistes, le message principal est simple : en choisissant avec soin l’épaisseur des boulons et, surtout, l’angle sous lequel ils traversent la surface de glissement probable, les ingénieurs miniers peuvent transformer un système de soutènement rigide et sujet à la rupture en un dispositif qui se comporte davantage comme un absorbeur de chocs. Bien que l’approche doive encore être testée pour d’autres types de secousses de charbon, elle offre une voie pratique vers des galeries souterraines plus sûres et plus fiables dans les mines de charbon en profondeur.

Citation: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Mots-clés: secousse de charbon, ancrages métalliques, soutènement de galerie souterraine, sécurité minière, soutènement absorbant l’énergie