Étude sur la loi de répartition du champ de contraintes minières sous un pilier de charbon isolé dans une veine proche et emplacement raisonnable de la route souterraine

Pourquoi la forme du champ de contraintes souterrain importe

En profondeur, les mines de charbon s'appuient sur des galeries étroites, ou routes souterraines, pour déplacer les personnes, le matériel et l'air. Dans de nombreux bassins houillers chinois, plusieurs veines de charbon sont juxtaposées ; quand une veine est exploitée, la roche au‑dessus et au‑dessous est perturbée. Cette étude examine ce qui se passe sous un « îlot » de charbon laissé dans une veine supérieure et pose une question pratique aux conséquences vitales : où les ingénieurs doivent‑ils situer la prochaine galerie dans la veine inférieure pour qu'elle reste stable et sûre dans la durée ?

Couches de roche et charbon résiduel

Les chercheurs se sont concentrés sur une mine de la province de Guizhou, en Chine, où une veine supérieure (dénommée n°1) a déjà été exploitée, laissant un épais pilier de charbon isolé entre deux vides compactés (chantiers miniers effondrés, goafs). Environ 12 mètres plus bas se trouve une veine inférieure plus mince (n°3), où il faut creuser une nouvelle galerie. Parce que les veines sont proches et que la mine est profonde, les contraintes induites par l'exploitation antérieure ne disparaissent pas simplement : elles se concentrent autour du pilier isolé et se propagent vers le bas à travers la roche, modifiant le comportement de la veine inférieure. Comprendre ce schéma est crucial pour décider où positionner la galerie afin que la roche environnante se déforme progressivement plutôt que de céder violemment.

Cartographier les forces invisibles dans la roche

Pour suivre la façon dont la contrainte se déplace sous le pilier, l'équipe a combiné trois approches. D'abord, ils ont élaboré un modèle mécanique analytique qui considère la roche située sous la veine supérieure comme un milieu élastique chargé par le poids des couches sus‑jacentes, le pilier de charbon et les déblais compactés des zones exploitées. Ce modèle fournit des formules pour la variation avec la profondeur des contraintes horizontales, verticales et de cisaillement. Ensuite, ils ont utilisé FLAC3D, un programme de simulation numérique largement employé, pour créer une mine numérique tridimensionnelle intégrant le pilier supérieur, les goafs et la veine inférieure. Enfin, ils ont confronté ces résultats théoriques et numériques aux observations de terrain et aux données mesurées dans la mine réelle. Les deux méthodes concordent bien, montrant une forte concentration des contraintes aux bords du pilier isolé et un profil caractéristique en selle des contraintes dans la roche du banc.

Repérer la zone calme sous le pilier

Les simulations ont montré que la contrainte provenant du pilier de charbon isolé ne se transmet pas simplement vers le bas en ligne droite. Elle se diffuse dans la masse du banc de façon inclinée et s'atténue progressivement avec la profondeur. Près de la veine supérieure, les différences entre les contraintes principales sont importantes et présentent un schéma à double pic de part et d'autre de l'axe central du pilier. En profondeur, ces deux pics se transforment en un pic unique et plus aplati. Notamment, au niveau de la veine inférieure n°3 directement sous le centre du pilier, la différence entre les contraintes principales est relativement faible — sensiblement inférieure à celle observée sous les bords du pilier ou près des limites du goaf. Cela signifie que la roche y est moins sujette au cisaillement intense et à la fissuration, ce qui suggère une « zone calme » naturelle pour l'implantation d'une galerie.

Comment la position de la galerie modifie les dommages à la roche

Pour tester l'effet de la position de la galerie sur les dommages, les auteurs ont simulé des tunnels creusés à divers décalages latéraux sous le pilier. Ils ont examiné deux grandeurs liées : la contrainte déviatorique (qui provoque la déformation de forme) et la zone plastique (où la roche a cédé et subi des dommages permanents). Lorsque la galerie était placée directement sous l'axe du pilier, le champ de contrainte déviatorique autour d'elle était presque symétrique, et la zone plastique formait un halo compact, approximativement elliptique, concentré sur le toit et les flancs. À mesure que la galerie était déplacée pas à pas vers un côté ou l'autre, le champ de contraintes a tourné et s'est étiré, et la zone plastique a évolué de cette ellipse régulière en une forme déformée, en « papillon », s'étendant vers le plancher du goaf proche. Dans ces positions excentrées, les zones endommagées se reliaient aux régions affaiblies en surface, augmentant fortement le risque de déformations importantes et inégales et rendant le soutènement beaucoup plus difficile.

Choisir la zone la plus sûre pour la galerie

S'appuyant sur cette compréhension, les chercheurs ont utilisé un cadre d'analyse de « rupture en forme de papillon » pour diviser la zone potentielle d'implantation en trois secteurs, fondés sur deux indicateurs : le rapport des contraintes principales et leur différence. Un secteur est dominé par un rapport de contraintes élevé et est sujet à une rupture instable de type papillon ; un autre est fortement affecté par les deux indicateurs et constitue le pire choix pour l'implantation. Le troisième, appelé R‑III, correspond aux emplacements où à la fois le rapport de contraintes et la différence de contraintes sont relativement faibles. Dans leur cas d'étude, cette zone optimale se situe directement sous le pilier de charbon isolé. Une galerie excavée à cet endroit, soutenue par des câbles longs de toit et des boulons, a montré une déformation maîtrisable lors du suivi de terrain : fermeture toit‑plancher et convergence des parois sont restées dans des limites acceptables sur une période d'observation de 40 jours. Pour le lecteur non spécialiste, le message clé est que, en « cachant » la galerie dans la partie la plus calme d'un champ de contraintes complexe — directement sous le pilier plutôt qu'à côté — les ingénieurs peuvent améliorer sensiblement la sécurité et réduire les problèmes d'entretien dans des veines profondes et rapprochées.

Citation: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Mots-clés: pilier de charbon, route souterraine, contraintes dans la roche, stabilité de la mine, simulation numérique