Étude sur le mécanisme d'endommagement de la structure de soutènement d'une entrée profonde perturbée par des tirs cycliques

Pourquoi les galeries minières nécessitent une protection supplémentaire

À mesure que les mines de charbon s'enfoncent plus profondément, les galeries reliant les puits verticaux aux voies horizontales deviennent des artères vitales pour l'air, le personnel et les équipements. Ces jonctions, appelées entrées, sont doublées d'un épais revêtement en béton pour contenir la roche environnante. Pourtant, les tirs utilisés pour creuser les galeries voisines peuvent progressivement affaiblir ce revêtement, augmentant le risque de fissures et d'instabilité à long terme. Cette étude examine comment les tirs répétés affectent les revêtements d'entrées profondes et comment l'emploi de bétons plus résistants peut préserver la sécurité de ces « goulots » souterrains au fil du temps.

Le carrefour souterrain à risque

Les chercheurs se sont concentrés sur une mine de charbon profonde dans l'est de la Chine, où un nouveau puits d'aération se raccorde aux galeries horizontales par une grande entrée complexe. En raison de sa taille, de sa forme courbe et de ses nombreuses ouvertures intersectées, cette jonction concentre les efforts et est difficile à consolider. Les tunneliers sont inadaptés ici, de sorte que les ingénieurs recourent au forage et au dynamitage pour excaver les voies environnantes. Une fois construit, le revêtement en béton autour de l'entrée doit supporter à la fois la pression constante de la roche profonde et les ondes de choc répétées des tirs voisins. Comprendre où et comment les dommages apparaissent dans ce revêtement est crucial pour concevoir des plans d'excavation plus sûrs et choisir de meilleurs matériaux.

Simuler les tirs plutôt que casser la roche

Plutôt que de réaliser des essais risqués à grande échelle en galerie, l'équipe a construit un modèle informatique tridimensionnel détaillé de l'entrée, de la roche argileuse environnante et des charges explosives. À l'aide du logiciel de simulation LS-DYNA, ils ont reconstitué à la fois la pression statique de la roche profonde et le chargement dynamique d'une série de tirs dans les galeries horizontales de part et d'autre du puits. Ils ont comparé deux matériaux de revêtement : un béton conventionnel à haute résistance et un béton renforcé par des fibres d'acier, similaire mais contenant de courtes fibres métalliques qui aident à relier et freiner la propagation des fissures. En appliquant différents niveaux de pression confinante et en faisant varier la charge explosive, ils ont suivi les contraintes, les vitesses de vibration et l'accumulation progressive des dommages dans le revêtement.

Où les contraintes s'accumulent et où les fissures commencent

Les simulations ont montré que, sous la seule pression statique de la roche, les points les plus faibles du revêtement ne sont pas là où la compression est la plus forte, mais là où il est soumis à la traction — en particulier le long des coins inférieurs et des parois latérales de la galerie horizontale. À mesure que la pression confinante augmente, les contraintes compressives globales restent bien en dessous de la limite d'écrasement du béton, mais les contraintes de traction atteignent une fraction significative de sa capacité. Lorsque le dynamitage est ajouté, il existe une charge explosive minimale claire, ou seuil, au‑delà de laquelle des dommages commencent à apparaître à la clé de l'arche où le puits et la galerie se rencontrent. Ce seuil diminue lorsque la pression de la roche environnante augmente, et il est toujours plus élevé pour le béton fibré que pour le béton haute résistance ordinaire, montrant que les fibres rendent le revêtement moins sensible aux chocs d'explosion.

Comment les tirs répétés usent le revêtement

En modélisant le dynamitage cyclique au fur et à mesure de l'avancement du front d'excavation, les chercheurs ont suivi l'évolution des vibrations et des dommages dans le temps. Les plus grandes vitesses de particules se sont produites dans les régions d'arche de la galerie horizontale, et les premiers tirs — environ les quatre premiers — ont été responsables des secousses les plus fortes. Les éléments qui se fissuraient en premier ont ensuite accumulé le plus de dommages, en particulier du côté de l'entrée faisant face au tir initial fort. Une séquence « d'abord fort, puis faible » sur un côté a produit plus de dommages cumulatifs que « d'abord faible, puis fort » sur le côté opposé, car les fissures initiales ont rendu les chocs ultérieurs plus efficaces pour étendre les dégâts. Les simulations ont aussi mis en évidence une distance sûre : une fois que le front de tir avancé s'est suffisamment éloigné — environ 26 mètres pour le revêtement en béton ordinaire et 18,2 mètres pour le revêtement fibré — les tirs supplémentaires n'augmentaient plus les dommages.

Pourquoi un béton plus résistant et un dynamitage maîtrisé comptent

Dans l'ensemble, l'étude a montré que le revêtement en béton renforcé par fibres d'acier subit beaucoup moins de dommages à long terme que le béton haute résistance conventionnel. Après deux cycles complets de tir, le dommage total dans le revêtement fibré était d'environ un quinzième de celui du revêtement ordinaire. Pour les concepteurs de mines et les ingénieurs sécurité, cela implique deux choses. Premièrement, choisir des matériaux offrant une meilleure résistance à la propagation des fissures — en particulier une performance en traction plus élevée — peut prolonger fortement la durée de vie et la fiabilité des entrées profondes. Deuxièmement, accorder une attention particulière aux tout premiers tirs près de ces structures, et limiter leur charge, peut réduire nettement les dommages cumulatifs qui s'accumulent au fur et à mesure de l'excavation. Ensemble, des matériaux plus intelligents et des stratégies de dynamitage plus prudentes offrent une voie pratique vers une infrastructure minière profonde plus sûre.

Citation: Li, X., Yao, Z., Liu, X. et al. Study on the damage mechanism of deep ingate lining structure disturbed by cyclic blasting. Sci Rep 16, 8171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39273-1

Mots-clés: galeries de mines profondes, vibrations d'explosion, dommages des revêtements en béton, béton renforcé par fibres d'acier, sécurité des excavations souterraines