Mécanismes d’évolution de l’énergie et prévention des dangers dans un granite profond soumis à des chargements cycliques : étude de cas de la mine d’or de Sanshandao

Pourquoi la roche profonde compte pour la sécurité souterraine

À mesure que les gisements aurifères les plus accessibles sont exploités, les entreprises doivent poursuivre le minerai à des kilomètres sous la surface, où la roche est comprimée par des forces énormes. Dans ces conditions extrêmes, les tunnels peuvent se fissurer subitement, perdre des blocs de roche ou même connaître des projections violentes, mettant les mineurs en grave danger. Cette étude examine comment le granite dur en profondeur emmagasine et libère l’énergie au fur et à mesure de l’avancement des excavations, et comment des supports intelligents absorbant l’énergie peuvent transformer des ruptures potentiellement violentes en mouvements contrôlés et gérables.

Forces cachées dans une mine d’or profonde

La recherche se concentre sur la mine d’or de Sanshandao en Chine, où les galeries se trouvent à plus d’un kilomètre sous la surface. Les auteurs ont d’abord mesuré les contraintes in situ dans la roche environnante en forant des sondages et en relâchant soigneusement la pression naturelle. Ils ont constaté que la roche est plus comprimée latéralement que verticalement, avec des efforts horizontaux bien supérieurs à la charge verticale due au poids des couches sus-jacentes. Ces contraintes croissent de manière approximativement linéaire avec la profondeur, créant un champ de contraintes dominé horizontalement qui détermine la déformation et la rupture des galeries à mesure de l’avancement minier.

Reproduire les conditions profondes en laboratoire

Pour comprendre comment cette roche sollicitée se comporte sous des cycles répétés de chargement et de déchargement, l’équipe a découpé des blocs de granite issus de la mine et les a testés dans une machine de chargement personnalisée à trois directions. Cet appareil permet de contrôler indépendamment la pression selon trois axes, reproduisant l’état de contraintes véritable du sous-sol plutôt que d’utiliser une approximation simplifiée. Ils ont simulé des conditions équivalentes à des profondeurs de 500 à 2000 mètres et ont comprimé puis relâché à plusieurs reprises les échantillons selon un axe tout en maintenant constantes les deux autres directions, suivant comment le granite se déforme, se fissure et finit par céder au fil des cycles.

Comment la roche stocke et dissipe l’énergie

Les expériences montrent que le granite soumis à des chargements répétés ne reprend pas simplement sa forme comme un élastique. Au contraire, des déformations permanentes s’accumulent principalement le long des directions de compression et d’expansion les plus marquées, croissant approximativement de façon exponentielle à chaque cycle, tandis que la direction intermédiaire évolue plus progressivement. Du point de vue énergétique, une partie du travail appliqué à la roche est stockée comme énergie élastique récupérable, et une part est irréversiblement perdue dans des processus tels que la micro-fissuration et le frottement entre grains. Au début du chargement, le granite emmagasine principalement l’énergie de manière élastique ; à mesure que les contraintes approchent du seuil de plasticité, une plus grande fraction de l’énergie d’entrée est détournée vers les dommages, avec formation et connexion des fissures. Près et au-delà de la résistance maximale, une grande partie de l’énergie supplémentaire est consommée par l’aggravation des dommages plutôt que libérée soudainement, révélant un mécanisme de « conversion d’énergie induite par les dommages » qui peut soit amortir soit alimenter la rupture selon le type de soutènement.

Transformer les connaissances énergétiques en meilleurs soutènements

S’appuyant sur ces résultats, les auteurs proposent de concevoir les soutènements de galerie en fonction de l’énergie plutôt que seulement de la résistance. Ils estiment la quantité d’énergie supplémentaire qui s’accumule dans la zone endommagée autour d’une galerie lors de son creusement sous forte contrainte. Les systèmes de soutènement — en particulier les boulons d’ancrage — sont ensuite choisis de sorte que leur capacité d’absorption d’énergie totale dépasse cette valeur avec une marge de sécurité. À Sanshandao, ils ont optimisé des boulons « split-set » basés sur le frottement en ajustant diamètre et longueur et en injectant à l’intérieur des tubes un coulis chimique activé par l’eau, qui se dilate et durcit pour plaquer les boulons plus fermement contre la roche. Des essais d’arrachement sur site ont montré que ces boulons améliorés peuvent absorber beaucoup plus d’énergie avant rupture que les conceptions standards.

Des galeries profondes plus sûres grâce à un meilleur contrôle de l’énergie

Lorsque le système de soutènement amélioré et absorbant l’énergie a été installé dans une voie de transport située à 1050 mètres de profondeur, la surveillance sur 12 jours a montré une diminution et une stabilisation des charges sur les boulons et du niveau de vibrations, et une réduction significative des problèmes tels que l’écaillage des parois et les effondrements localisés. En termes simples, le granite autour de la galerie continue d’emmagasiner de l’énergie sous forte contrainte, mais les soutènements renforcés et plus ductiles dissipent désormais une grande part de cette énergie par déformation contrôlée, au lieu de permettre qu’elle provoque des ruptures violentes et soudaines. Cette approche de conception basée sur l’énergie offre une voie pratique vers une exploitation profonde plus sûre et plus fiable, partout où les ingénieurs doivent percer des ouvertures dans une roche dure fortement contrainte.

Citation: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

Mots-clés: exploitation minière en profondeur, prévention des éboulements dynamiques, tunnellisation dans le granite, supports absorbant l’énergie, chargement cyclique