Mécanisme d’instabilité du plancher des veines houillères profondément enfouies sous l’effet de l’exploitation et optimisation de l’implantation des galeries d’extraction

Pourquoi des galeries minières plus sûres importent

Les mines de charbon profondes font bien plus que produire du combustible : elles génèrent également des schémas complexes de pression dans la roche environnante. Si ces pressions se déséquilibrent, le plancher peut se fissurer, l’eau peut s’engouffrer, le gaz peut s’échapper et les galeries dont dépendent les mineurs peuvent se déformer ou s’effondrer. Cette étude examine la réaction de la roche sous une veine de charbon très profonde lorsque le charbon est retiré, et comment les concepteurs de mines peuvent positionner les galeries de drainage de gaz de façon à protéger à la fois les personnes et les infrastructures.

Comment l’exploitation comprime la roche

Quand une longue bande de charbon est exploitée, un vide appelé remblai (goaf) est laissé et la voûte finit par s’affaisser. Le poids des terrains sus‑jacents ne disparaît pas : il se redistribue sur les piliers de charbon restants et vers le plancher. En utilisant un modèle physique simplifié qui considère le plancher comme un demi‑espace continu de roche, les auteurs ont calculé comment les contraintes verticale, horizontale et de cisaillement se propagent sous la zone exploitée. Ils ont constaté que la contrainte verticale est maximale juste sous les piliers de charbon et décroît avec la profondeur, s’atténuant fortement dans les cinq premiers mètres puis plus lentement. En profondeur, la contrainte revient progressivement vers le niveau naturel qui existait avant l’exploitation.

Un schéma de contraintes souterraines distinctif

Pour une mine réelle du Shanxi, en Chine, l’équipe a inséré les propriétés locales de la roche et la profondeur—environ 730 mètres—dans leurs équations, puis a utilisé des simulations numériques pour vérifier les résultats. Les deux approches ont montré que la contrainte verticale sous la zone exploitée forme un profil caractéristique en « M » lorsqu’on l’observe transversalement au plancher : deux pics élevés sous les piliers de charbon et une dépression plus basse sous le centre du remblai. En s’enfonçant dans le plancher, ces pics s’atténuent et le champ de contraintes devient plus uniforme. Les calculs ont également indiqué que la décroissance la plus rapide du surcroît de contrainte se produit autour de 10 mètres sous le plancher. Au‑delà de cette profondeur, les perturbations liées à l’exploitation s’estompent et la roche se comporte davantage comme un terrain non perturbé.

Choisir la meilleure profondeur et position

Comme les galeries de drainage de gaz doivent être implantées dans le plancher sous la veine de charbon, leur emplacement par rapport à ce champ de contraintes changeant est crucial. À l’aide d’une formule d’endommagement rocheux établie, les auteurs ont estimé que l’exploitation pourrait fragiliser le plancher jusqu’à environ 16,5 mètres de profondeur. Pour rester sous cette zone fracturée tout en étant suffisamment proche pour un drainage efficace, ils ont retenu une profondeur de galerie de 17 mètres sous la veine. Ensuite, ils ont testé quatre positions horizontales différentes dans des modèles informatiques : directement sous le centre de la zone exploitée, légèrement à l’intérieur du pilier de charbon, exactement sous le bord du pilier, et à 30 mètres à l’extérieur du pilier. Pour chaque cas, ils ont examiné les contraintes verticales et horizontales maximales ainsi que la taille et la forme des zones plastiques (roche endommagée de façon permanente) autour de la galerie.

Trouver l’endroit le plus calme sous terre

Les simulations ont révélé que chaque position de galerie subit un environnement de contraintes très différent. Une galerie placée directement sous le front de taille rencontre des charges verticales et horizontales élevées et une large zone de dommage en forme de papillon dans la roche environnante. Déplacer la galerie vers l’intérieur sous le pilier de charbon réduit la contrainte verticale mais peut laisser encore des dommages substantiels au‑dessus et en dessous. Positionner la galerie exactement au niveau du bord du pilier crée des contraintes inégales d’un côté à l’autre, ce qui risque une déformation asymétrique. En revanche, la galerie décalée de 30 mètres à l’extérieur du pilier se situe dans une zone relativement calme : les pics de contraintes verticale et horizontale y sont plus faibles, et l’enveloppe de roche endommagée n’a qu’environ 2 mètres d’épaisseur, la plus faible de toutes les options.

Vérifications sur le terrain dans une mine en activité

Pour vérifier si la conception fonctionne en pratique, les chercheurs ont surveillé une galerie de drainage de gaz construite 17 mètres sous le plancher et décalée de 30 mètres par rapport au pilier de charbon dans la mine du Shanxi. À l’aide de sondes ultrasoniques et de caméras descendues en forage, ils ont mesuré jusqu’où les fractures s’étendaient dans la roche environnante et ont suivi les déplacements des parois, de la voûte et du plancher de la galerie au fil du temps. La zone fracturée a atteint un maximum d’environ 1,9 mètre—très proche des 2 mètres prévus par les simulations—et les déformations de la galerie ont ralenti puis se sont stabilisées après plusieurs semaines, restant dans des limites acceptables. Cette concordance étroite entre théorie, modèles numériques et données de terrain renforce la confiance dans le fait que l’implantation proposée offre un moyen robuste de maintenir la stabilité des galeries d’extraction profondes tout en répondant aux besoins de drainage des gaz.

Ce que cela signifie pour l’exploitation future

Concrètement, l’étude montre que l’emplacement d’une galerie sous une veine de charbon peut faire la différence entre un passage qui s’enfonce lentement et un autre fortement endommagé. En comprenant comment l’exploitation reconfigure le « paysage de pression » caché dans le plancher, les ingénieurs peuvent implanter délibérément les galeries juste au‑delà des zones de compression et de fissuration les plus intenses. Pour des veines de charbon profondes et très chargées, similaires à celles du Shanxi, positionner les galeries d’extraction à environ 17 mètres sous le plancher et à environ 30 mètres des piliers de charbon semble offrir un compromis plus sûr et plus économique entre le contrôle des gaz et la stabilité structurelle.

Citation: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

Mots-clés: exploitation charbonnière en profondeur, stabilité du plancher rocheux, galerie de drainage de gaz, redistribution des contraintes, sûreté minière