Évolution de la perméabilité et régulation microstructurale du corps de coulis argile‑ciment sous couplage écoulement‑contrainte

Pourquoi arrêter l’eau dans les mines importe

Les mines profondes doivent souvent lutter contre un ennemi constant : l’eau indésirable qui s’engouffre par des fissures dans la roche. Si cette eau n’est pas maîtrisée, elle peut inonder les galeries, arrêter la production et même coûter des vies. Une solution prometteuse consiste à injecter un mélange d’argile et de ciment dans la roche pour créer une paroi souterraine qui bloque l’écoulement. Cette étude pose une question pratique mais cruciale : dans quelle mesure cette paroi argile‑ciment retient‑elle l’eau au fil du temps alors qu’elle est comprimée par la pression de la roche et soumise à l’action des eaux souterraines en mouvement ?

Construction d’un bouclier souterrain

Les chercheurs ont travaillé avec un « corps de coulis » composé d’argile rouge, de ciment ordinaire et d’eau — des matériaux largement disponibles et relativement respectueux de l’environnement. Ils ont préparé des cylindres solides de ce mélange avec trois teneurs en ciment différentes : 50 %, 70 % et 90 % en masse. Ces cylindres représentent la barrière durcie qui se forme dans une mine après injection du coulis dans la roche environnante. Après une prise d’environ un mois, l’équipe a placé les échantillons dans un dispositif spécial capable de les comprimer de tous les côtés, de faire circuler de l’eau sous pression à travers eux et de suivre la facilité avec laquelle cette eau circule sur plusieurs heures.

Observer le mouvement de l’eau à travers des chemins microscopiques

Dans le système d’essai, les échantillons ont subi deux types de contraintes simultanément. La pression de l’eau poussait le fluide à travers eux, reproduisant le percolation des nappes vers une mine, tandis qu’une pression « confinante » externe comprimait le matériau comme le ferait la roche sus‑jacente dans la réalité. Les scientifiques ont mesuré la vitesse d’écoulement, la perméabilité et l’espace vide à l’intérieur du matériau (porosité). Au début de chaque essai, l’eau remplissait rapidement les plus grands pores, les débits culminaient et la perméabilité atteignait un pic. Au cours des heures suivantes, la pression confinante compactait progressivement le matériau, réduisant les pores et resserrant les voies d’écoulement jusqu’à ce que le débit et la perméabilité se stabilisent à des valeurs beaucoup plus faibles.

Comment la teneur en ciment modifie le labyrinthe intérieur

Pour comprendre ce qui se passait à l’échelle microscopique, l’équipe a utilisé la résonance magnétique nucléaire, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique pour sonder la structure interne avant et après les essais. Ils ont constaté qu’une augmentation de la teneur en ciment resserrait drastiquement le réseau poreux interne. Passer de 50 % à 90 % de ciment réduisait à la fois la perméabilité et l’espace total de pores, et faisait évoluer la population de pores des voies larges vers principalement de très petits pores. Les produits chimiques formés lors de l’hydratation du ciment comblaient les vides entre les particules d’argile, transformant un réseau relativement ouvert en un squelette dense avec moins de voies d’écoulement connectées. Les échantillons à 50 % de ciment présentaient davantage de pores de taille moyenne à grande reliés entre eux en canaux efficaces, tandis que les échantillons à 90 % étaient remplis de micropores qui ralentissaient considérablement l’écoulement.

Une lutte entre l’eau et la pression

L’étude montre que la performance de la barrière est contrôlée par une compétition entre la tendance de l’eau à ouvrir des chemins et celle de la pression à les fermer. Une pression d’eau plus élevée donne au fluide plus d’énergie pour éroder et élargir les pores, convertissant de nombreux micropores en pores plus larges et augmentant la perméabilité. À l’inverse, une pression confinante élevée comprime le matériau, referme les pores de taille moyenne et renforce la prépondérance de voies étroites qui résistent à l’écoulement. L’équilibre entre ces deux effets détermine si la barrière devient plus perméable ou plus étanche avec le temps. Parce que la chimie du ciment contrôle aussi la facilité avec laquelle les pores peuvent être compactés ou érodés, la composition minéralogique du coulis durci est un levier clé pour les ingénieurs.

Choix pratiques pour des mines plus sûres et plus écologiques

Pour le grand public, la conclusion est simple : en ajustant la proportion de ciment mélangé à l’argile, les ingénieurs peuvent concevoir des barrières souterraines qui laissent passer presque aucune eau, ou autorisent un flux limité lorsque l’obturation totale n’est pas nécessaire. Les auteurs suggèrent d’utiliser environ 90 % de ciment là où les mines bordent d’importants aquifères et nécessitent la paroi la moins perméable possible ; environ 70 % de ciment lorsque l’on recherche un compromis coût‑protection modéré ; et seulement 50 % de ciment dans les zones à faible risque et à pression d’eau modeste. En substance, ce travail relie ce qui se passe dans des pores microscopiques invisibles aux décisions concrètes en matière de sécurité des mines et de protection de l’environnement, montrant comment une paroi argile‑ciment soigneusement conçue peut garder l’eau là où elle doit rester.

Citation: Lujun, C., Yaoxiang, W., Kun, W. et al. Permeability evolution and microstructural regulation of clay cement grouted body under coupled seepage and stress conditions. Sci Rep 16, 9758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39995-2

Mots-clés: injection de coulis en mine, contrôle des eaux souterraines, barrières argile‑ciment, perméabilité des roches, sécurité souterraine