Amélioration globale des performances de tir et de la suppression de la poussière en mines à ciel ouvert grâce à un matériau d’obturation géopolymère modifié à base d’argile et de cendres volantes

Tirs plus propres pour les grandes mines

Les mines de charbon à ciel ouvert sont essentielles pour l’énergie, mais chaque explosion qui fracture la roche génère d’énormes nuages de poussière, en particulier dans les zones de steppe sèches et venteuses. Cette poussière endommage les poumons des travailleurs, use les machines et se propage loin au-delà de la mine, affectant les écosystèmes voisins. Cette étude explore une nouvelle façon d’attaquer la poussière à sa source lors des tirs, tout en améliorant l’efficacité de chaque explosion, en transformant des déchets miniers locaux en un bouchon intelligent qui durcit rapidement à l’intérieur des trous de tir.

Les problèmes de poussière en exploitation à ciel ouvert

À mesure que la production de charbon à ciel ouvert a augmenté en Chine, les pressions environnementales se sont accrues dans ses steppes du Nord. Les carrières sont vastes et profondes, les étés sont chauds et secs, et des vents forts transportent facilement les particules fines. Dans ces conditions, la poussière générée par les tirs et par les surfaces rocheuses perturbées constitue le principal problème de qualité de l’air. Les mines s’appuient souvent sur l’arrosage ou des solutions chimiques pour faire retomber la poussière après un tir, mais l’eau est rare, l’arrosage coûte cher et l’effet s’atténue rapidement lorsque les surfaces sèchent ou sont à nouveau perturbées. Les auteurs soutiennent que la lutte contre la poussière et l’optimisation des tirs doivent être traitées comme un même problème, gouverné par la qualité de l’obturation des trous de tir.

Transformer la roche de rebut en bouchon utile

Les chercheurs ont mis au point un nouveau matériau d’« obturation » — le bouchon qui scelle le haut d’un trou de tir — composé de déblais d’argile et de cendres volantes, deux déchets solides courants. Ils mélangent ces poudres avec un liquide fortement alcalin à base de verre soluble et d’hydroxyde de sodium, plus un accélérateur chimique, de sorte que la boue s’écoule facilement puis durcit en moins d’une demi-heure. À l’intérieur du bouchon, des gels microscopiques se forment et s’entrelacent pour constituer un réseau dense et peu poreux qui adhère fortement à la roche environnante. En ajustant la quantité d’accélérateur et de liquide, l’équipe a trouvé une formule qui équilibre la facilité de pompage, une prise rapide et un comportement résistant et légèrement flexible lorsqu’elle est frappée par l’explosion.

Comment le nouveau bouchon réagit à une explosion

Pour évaluer le comportement de ce matériau en conditions proches d’un tir réel, l’équipe a mené des expériences physiques et des simulations numériques. Les essais en laboratoire, y compris des impacts à grande vitesse, ont montré que le bouchon géopolymère est plus tenace que l’argile naturelle : au lieu de se pulvériser, il a tendance à se fissurer de manière contrôlée, « quasi-ductile », absorbant l’énergie sans se désintégrer. Des analyses microscopiques et par rayons X ont révélé que des gels de silicate de calcium et de silico-aluminate de calcium s’entrelacent pour remplir les pores et lier les particules, créant une microstructure compacte et résiliente. Des simulations numériques d’un banc de mine entier, utilisant une méthode par particules pour suivre les gaz explosifs et les mouvements de roche, ont montré que si le bouchon géopolymère est trop court, les gaz s’échappent prématurément et l’énergie monte ; s’il est trop long, l’énergie est piégée et la roche casse mal. Une longueur de bouchon intermédiaire, d’environ 2,5 mètres dans leur cas, permet une distribution plus homogène des fractures dans la masse rocheuse.

Essais sur le terrain dans une mine en activité

Le véritable test a été réalisé dans une mine de charbon à ciel ouvert en activité. Les chercheurs ont comparé l’obturation traditionnelle par argile et leur nouveau géopolymère argile–cendres volantes sur des séries de 20 trous de tir chacun. Des drones équipés de capteurs de poussière ont survolé les panaches de tir, tandis que des instruments au sol ont enregistré les vibrations et la granulométrie des roches fragmentées. Là où le nouveau bouchon a été utilisé, les pics de poussière ont chuté d’environ 40 %. Le tas de déblais contenait moins de particules trop fines et moins de blocs très volumineux, avec davantage de matériaux de taille moyenne, plus faciles et moins coûteux à transporter et concasser. Les vibrations au sol près du tir ont été légèrement réduites et, parce que chaque explosion était plus efficace, la mine a pu utiliser moins de trous de tir pour déplacer la même quantité de roche.

Une voie plus verte pour les tirs en mine

Pour les non-spécialistes, le message clé est que ce nouveau bouchon transforme un déchet local — les déblais d’argile — en un scellement durcissant rapidement et durable qui aide chaque tir à fragmenter la roche de manière plus propre tout en générant beaucoup moins de poussière. En confinant l’énergie explosive suffisamment longtemps pour qu’elle effectue un travail utile sur la roche, le matériau d’obturation géopolymère réduit la poussière au moment même où elle se crée, au lieu de tenter de la maîtriser à l’eau par la suite. Cela rend les tirs plus sûrs pour les travailleurs, moins impactants pour les communautés et les écosystèmes voisins, et plus efficients pour les exploitants, offrant une étape pratique vers une exploitation à ciel ouvert plus propre et plus respectueuse de l’environnement.

Citation: Ding, X., Wang, Y., Shi, Z. et al. Comprehensive enhancement of blasting performance and dust suppression in open-pit mines using a modified mudstone–fly ash geopolymer stemming material. Sci Rep 16, 12877 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43442-7

Mots-clés: exploitation houillère à ciel ouvert, réduction de la poussière, obturation géopolymère, optimisation des tirs, valorisation des déchets solides