Analyse des facteurs influençant la largeur de la zone plastique et la stabilité des bandes de remblayage à base de sable éolien

Protection des terres au‑dessus des mines cachées

De nombreuses mines de charbon se trouvent directement sous des villages, des routes et des terres agricoles. Lorsque le charbon est extrait, les couches rocheuses supérieures peuvent s’affaisser et la surface du sol se rétracter, provoquant des fissures dans les bâtiments et perturbant les écosystèmes. Cette étude explore une façon de soutenir ces cavités souterraines à l’aide d’un matériau de remplissage spécial à base de sable, afin de permettre l’extraction du charbon tout en maintenant la sécurité et la stabilité des terrains et des ouvrages situés au‑dessus.

Transformer le sable désertique en support souterrain

Les chercheurs ont commencé par développer un nouveau matériau de remblayage utilisant le sable éolien — du sable fin déposé par le vent dans les zones désertiques — comme ingrédient principal. Dans l’ouest de la Chine, ce sable est abondant, facile à recueillir et peu coûteux. Ils l’ont combiné avec des cendres volantes industrielles activées chimiquement par la chaux et le gypse afin qu’elles durcissent en une masse solide. Les essais ont montré que la boue obtenue s’écoule facilement dans des tuyaux puis prend en une masse suffisamment résistante, ce qui la rend pratique à pomper dans les vides laissés par l’exploitation.

Comportement du remblai sableux sous pression

Pour comprendre comment ce matériau se comporterait en profondeur, l’équipe a fabriqué des éprouvettes cylindriques et les a comprimées de tous côtés dans une machine d’essai puissante. En faisant varier la pression environnante, ils ont pu simuler différentes profondeurs minières. À mesure que la pression autour de l’éprouvette augmentait, le remblai devenait plus résistant et se déformait moins avant la rupture. À partir de ces expériences, les scientifiques ont calculé des propriétés mécaniques clés nécessaires aux ingénieurs, comme la résistance au cisaillement du matériau. Ces valeurs ont été utilisées pour estimer la capacité portante d’une bande de remblai supportant des centaines de mètres de roche au‑dessus.

Cartographier le « bord mou » autour des bandes de remblai

Dans l’exploitation par bandes de remblayage, le front de taille est exploité en longues bandes, laissant des bandes pleines alternées qui agissent comme des poutres souterraines pour soutenir le toit. Plutôt que de laisser ces bandes entièrement en charbon, la méthode consiste à en construire certaines à partir du remblai sableux. À l’aide de simulations numériques d’une mine réelle dans la province du Shaanxi, l’équipe a étudié ce qui se passe à l’intérieur d’une bande de remblai lors de l’affaissement du toit. Ils ont constaté que chaque bande développe un noyau central solide entouré de part et d’autre de zones « plastiques » où le matériau a cédé et perdu une grande partie de sa résistance. La largeur de ces zones affaiblies augmente avec la hauteur et la profondeur d’extraction, mais diminue quand une plus grande fraction de la zone exploitée est remblayée.

Une règle simple reliant conditions minières et sécurité des bandes

Parce que la largeur du bord mou dépendait simultanément de plusieurs facteurs, les chercheurs ont utilisé un ajustement statistique pour établir une équation la reliant à la profondeur d’exploitation, à la hauteur du gisement et au taux de remplissage de la dalle. Cela leur a permis d’intégrer la largeur de la zone plastique dans une théorie établie qui considère chaque bande comme ayant un noyau solide et des côtés faibles, et d’adapter une seconde théorie décrivant la répartition du poids de la roche sus‑jacente entre zones remblayées et non remblayées. La combinaison de ces idées a produit, pour la première fois, une expression mathématique claire de la stabilité d’une bande de remblai à base de sable selon des conditions minières données.

Application de la méthode dans une mine réelle

La nouvelle méthode de conception a ensuite été appliquée à un front de taille en exploitation situé à environ 300 mètres de profondeur sous des habitations éparses. À partir des limites tolérables de déplacement de la surface, les ingénieurs ont calculé les largeurs des vides non remblayés et des bandes remblayées. Ils ont choisi des bandes de remblai de 56 mètres séparées par des vides de 46 mètres et ont installé un système de modules de soutènement pour placer et maintenir le remblai pendant son durcissement. Sur près de trois ans de surveillance, le tassement maximal de la surface et les déformations du sol sont restés dans les objectifs stricts, et aucun dommage n’est survenu aux bâtiments situés au‑dessus.

Implications pour une exploitation du charbon plus verte

Ce travail montre que le sable désertique fin, associé aux cendres volantes industrielles, peut devenir un matériau structurel fiable pour soutenir des ouvertures souterraines. En reliant précisément profondeur d’exploitation, épaisseur de la veine et taux de remplissage à la largeur de la zone molle et à la résistance globale des bandes, les ingénieurs peuvent concevoir des bandes de remblai capables de porter en sécurité la roche sus‑jacente tout en utilisant moins de matériau que dans un remblaiage complet. Concrètement, la méthode offre aux exploitants des régions sablonneuses un moyen de récupérer les ressources de façon plus efficace, de protéger les communautés de surface et de recycler des déchets, rapprochant l’exploitation minière souterraine d’une opération réellement « verte ».

Citation: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

Mots-clés: exploitation par remblayage, sable éolien, affaissement du sol, stabilité des mines de charbon, remblai pâteux