Étude sur l'influence du relâchement de contraintes dans le gaufre de couche de charbon à courte distance et de la perturbation par excavation de la voie d'accès sur la roche encaissante

Pourquoi la contrainte souterraine est importante

Les mines modernes doivent atteindre des profondeurs croissantes pour exploiter les réserves de charbon restantes, où le comportement des roches est complexe et parfois imprévisible. Lorsqu'une grande galerie est creusée sous une couche de charbon déjà exploitée, la roche environnante peut soit s'effondrer soit rester stable selon la manière dont les contraintes se redistribuent à travers les couches. Cette étude examine un projet réel dans l'est de la Chine pour comprendre comment une zone vide et effondrée laissée par un ancien ouvrage minier peut en réalité protéger une nouvelle galerie extra‑large située en dessous, et quels types d'appuis maintiennent le toit sûr pour les travailleurs.

Les couches de roche au‑dessus d'une galerie large

Les chercheurs se sont concentrés sur une large galerie dite open‑off cut, qui fait environ deux fois la largeur d'une galerie minière typique et se situe à 12–18 mètres sous une ancienne couche de charbon exploitée. Entre les couches de charbon se trouvent des bancs de grès, de siltstone et de mudstone, chacun présentant des résistances différentes. En forant des carottes et en évaluant leur qualité, l'équipe a constaté que certaines roches de toit avaient une résistance modérée, tandis que d'autres, surtout près du plancher de l'ancienne couche, étaient très faibles et fortement fracturées. Connaître quelles couches sont résistantes et lesquelles sont fragiles est essentiel, car ces couches forment ensemble la poutre rocheuse qui doit enjamber la nouvelle ouverture.

Comment une ancienne couche exploitée modifie la charge

À l'aide de simulations numériques, les auteurs ont recréé la séquence d'exploitation de la couche de charbon supérieure puis l'excavation de la galerie inférieure. Une fois la couche supérieure exploitée, elle a laissé un gaufre — une zone vide en partie remplie de roche de toit effondrée. Ce gaufre n'a pas augmenté la pression sur la galerie inférieure ; au contraire, il a agi comme une zone de relâchement des contraintes. La roche entre le plancher du gaufre et le toit de la nouvelle galerie a subi des contraintes beaucoup plus faibles, généralement de l'ordre de quelques mégapascals, comparé aux roches fortement chargées de part et d'autre. Une bande rocheuse d'environ trois mètres d'épaisseur entre les deux ouvertures est restée intacte, et les longues câbles de toit ancrés au‑dessus de la galerie sont restés dans des roches comprimées et stables, tandis que des boulons plus courts ont fonctionné dans une zone de traction plus proche de l'ouverture.

Galeries modèles et effondrement lent du toit

Pour tester ces idées de manière physique, l'équipe a construit un modèle réduit de l'ordre du mètre des couches rocheuses et des bancs de charbon en utilisant des matériaux à base de sable. Ils ont d'abord exploité la couche supérieure dans le modèle puis augmenté progressivement la charge venant d'au‑dessus pour simuler un enfouissement plus profond. À mesure que la charge augmentait, le toit au‑dessus de la couche supérieure s'est progressivement dégradé d'une poutre rigide en blocs articulés puis en une voûte de type maçonnerie formée par l'effondrement des roches. Une fois que la charge a dépassé un certain seuil, le toit supérieur s'est effondré complètement, formant un talus stable dont les flancs avaient une pente d'environ 60 à 65 degrés. Des capteurs placés près de la position future de la galerie ont montré que les contraintes dans le plancher sous le gaufre ont fini par passer de la compression à la traction puis se sont stabilisées à des valeurs constantes, confirmant que la zone exploitée avait en grande partie déchargé sa charge.

Observer l'accumulation des contraintes pendant l'élargissement de la galerie

Les chercheurs ont ensuite simulé l'excavation progressive de la grande galerie par étapes, reflétant la manière dont elle serait creusée en souterrain. Les jauges de contrainte dans le toit du modèle ont montré que chaque étape d'élargissement provoquait une nouvelle vague de perturbation, avec des contraintes compressives et tensiles alternant avant de se stabiliser lentement. Le centre du toit, directement au‑dessus de la galerie, supportait les plus fortes contraintes de traction, et ces contraintes augmentaient davantage lorsque la charge supplémentaire était appliquée d'en haut. Cependant, cette zone de forte traction se situait principalement dans la portée des boulons courts, tandis que les câbles plus longs, ancrés dans des roches comprimées, faisaient office d'armature solide. Les observations de terrain réalisées avec une caméra de forage dans la mine réelle ont étayé ce tableau : seules quelques fissures circulaires ont été observées dans le toit, et la plupart des roches autour de l'ouverture sont restées intactes.

Quelles implications pour une extraction profonde plus sûre

Pour un public non spécialiste, le message clé est qu'une ancienne couche exploitée au‑dessus d'une nouvelle galerie n'est pas toujours une menace ; si elle est correctement comprise, elle peut en réalité soulager la pression et aider à protéger l'ouverture située en dessous. Dans ce cas, le gaufre au‑dessus de la large galerie a créé un tampon de faible contrainte, tandis qu'une conception soignée des boulons et des câbles a permis de raccorder les couches faibles et fissurées près de la galerie à des roches plus résistantes situées en hauteur. En combinant le carottage, la modélisation numérique, des modèles d'échelle en laboratoire et des inspections par caméra sur site, l'étude montre que même des galeries souterraines très larges peuvent rester stables en conditions profondes lorsque les couches rocheuses et les chemins de contrainte sont soigneusement cartographiés et que le soutènement est adapté aux zones de contrainte réelles.

Citation: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Mots-clés: exploitation charbonnière souterraine, stabilité des roches, renforcement des galeries, relâchement des contraintes dans le gaufre, tunnels profonds