Angle de forage raisonnable et application technologique pour le pré-fissurage des toits épais et durs avant le creusement des galeries côté remblai dans des couches ultra- épaisses

Rendre l\'extraction profonde du charbon plus sûre

Dans certaines des plus grandes mines de charbon de Chine, des galeries souterraines doivent rester ouvertes juste à côté d\'immenses cavités laissées par l\'extraction du charbon. Ces passages, appelés galeries côté remblai, sont essentiels pour la ventilation et le transport. Mais lorsque des « toits » rocheux très épais et rigides surplombent ces ouvertures, ils peuvent se rompre soudainement et s\'effondrer, écrasant les soutènements et déformant les galeries. Cette étude explore une méthode pour affaiblir ce toit dur à l\'avance, en combinant un forage angulé contrôlé et une fissuration à base de dioxyde de carbone, afin que la roche se fracture de manière contrôlée dans la zone remblayée plutôt que de façon violente au-dessus de la galerie.

Pourquoi les toits épais sont une menace cachée

Dans des couches ultra- épaisses de plus de 20 mètres, l\'extraction crée de vastes cavités. Au-dessus, une fine couche faible est souvent située sous un toit rocheux beaucoup plus épais et très résistant. Parce que les déblais dans la zone excavée (le remblai) ne remplissent pas complètement l\'espace, le toit épais peut former un surplomb long et rigide qui s\'avance dans le charbon laissé pour soutenir la galerie. Quand cette dalle en surplomb se casse et bascule, elle impose une charge supplémentaire sur les parois et le sol de la galerie, pliant les poutres en acier, rompant les câbles d\'ancrage, comprimant les piliers de charbon et, parfois, menaçant de fermer la galerie. Des observations de terrain à la mine de Madaotou ont documenté des affaissements extrêmes du toit, des éclatements des parois et des bombements du sol dans de telles conditions lorsque aucun traitement préalable du toit n\'avait été effectué.

Faire casser le toit là où cela fait le moins de dégâts

Les auteurs proposent de renverser le problème : au lieu d\'intervenir après la rupture du toit, fissurer délibérément le toit épais et dur en amont, avant de creuser la nouvelle galerie côté remblai. En forant de longs trous depuis une galerie adjacente à un angle choisi puis en fracturant la roche le long de ces trous, ils peuvent contraindre les blocs clés à se rompre et à tomber dans la zone déjà excavée plutôt qu\'au-dessus de la galerie. À l\'aide d\'un modèle structurel qui traite la roche sus-jacente comme un empilement de poutres, ils montrent que l\'angle de ces pré-fissures contrôle où le toit casse, comment il fléchit et comment les efforts sont transférés latéralement dans le charbon. Quand la direction de la fissure oriente les blocs vers le remblai, la galerie est principalement sollicitée par une flexion plus douce de la roche située plus loin, au lieu d\'un porte-à-faux rigide directement au-dessus.

Déterminer le meilleur angle de forage

Pour passer du concept aux règles de conception, l\'équipe a construit un modèle mathématique détaillé décrivant comment les blocs de toit fléchissent et poussent sur la paroi de charbon selon différents angles de fissure. Ils ont ensuite utilisé des simulations numériques (FLAC3D) pour observer comment les contraintes et les zones endommagées autour de la galerie évoluent lorsque l\'angle de forage passe de l\'absence de fissuration à 60°, 70°, 80°, jusqu\'à 90° et au-delà. Deux indicateurs clés ont été examinés : la taille de la zone plastique (déformation permanente) dans le charbon et le toit, et une mesure de l\'énergie de distorsion stockée (J2) qui signale l\'énergie « ressort » prête à se libérer. Lorsque l\'angle de pré-fissuration augmentait de 60° à 90°, la pression latérale maximale sur la paroi de charbon a diminué d\'environ 18 %, la zone de rupture plastique a rétréci d\'approximativement 32 m à 20 m, et J2 dans le charbon et le toit a nettement diminué. Cependant, lorsque l\'angle dépassait 90°, les blocs fracturés avaient tendance à exercer de nouveau une poussée plus directe sur la galerie, élargissant la zone endommagée et écrasant le charbon au point qu\'il ne pouvait plus supporter la charge en toute sécurité.

Fissurer le toit avec du CO2 supercritique

Guidés par ces calculs, les chercheurs ont choisi une hauteur de fissuration atteignant la couche clé du toit (environ 45 m au-dessus de la veine) et un angle de forage quasi-vertical de 90° comme optimal. Dans la galerie 2209 de la mine de Madaotou, ils ont foré des groupes de puits profonds le long du côté proche du remblai et utilisé du dioxyde de carbone supercritique pour fracturer le toit. Le CO2 est stocké sous forme de fluide dense dans des cartouches étanches ; lorsqu\'il est déclenché, il se dilate rapidement en gaz, ouvrant les fractures dans la roche de façon plus contrôlée et à faible onde de choc que les explosifs. Des inspections de terrain des trous de forage et des essais d\'injection d\'eau ont confirmé que les fractures communiquaient bien entre les puits, formant une bande affaiblie continue au-dessus de la galerie qui a encouragé les blocs de toit à se casser et à tomber dans le remblai au fur et à mesure de l\'avancement du front d\'exploitation.

De l\'effondrement violent au mouvement contrôlé

En comparant deux galeries par ailleurs similaires — l\'une sans pré-fissuration et l\'autre traitée au CO2 — la différence était frappante. Sans pré-fissuration, le cintrement du toit atteignait près d\'un demi-mètre lors du creusement et plus d\'un mètre pendant l\'exploitation ; les parois et le sol se déplaçaient également de centaines de millimètres, nécessitant des réparations répétées. Avec une pré-fissuration à 90°, le mouvement du toit pendant le creusement est tombé à seulement quelques centimètres, et pendant l\'exploitation les déformations du toit, du pilier de charbon, du charbon massif et du sol ont été réduites de 75 à 82 %. Les parois de la galerie sont restées relativement lisses, le toit est demeuré intact et les défaillances de soutènement ont été rares. Pour les non-spécialistes, la conclusion est claire : en choisissant le bon angle de forage et en pré-fissurant le toit dur à l\'avance, les ingénieurs peuvent « indiquer » à la roche où se rompre — loin de la galerie plutôt qu\'au-dessus — transformant un effondrement dangereux et soudain en un tassement du terrain plus sûr et contrôlé.

Citation: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Mots-clés: stabilité des galeries de mine de charbon, pré-fissuration du toit, galerie côté remblai, fracturation par CO2, couches de charbon ultra- épaisses