Étude sur les couches clés et la prédiction de la déformation de surface pour le soutènement par injection de coulis lors de l’exploitation en panneaux adjacents, basée sur la théorie de la poutre de fondation

Pourquoi le sol au-dessus des mines de charbon s’enfonce

Dans de nombreuses régions minières, on observe des fissures qui parcourent les murs des maisons, des routes qui s’enfoncent en rigoles et de petits ponts qui se déforment. Ces changements proviennent souvent de la flexion et de la rupture lentes des couches rocheuses profondes lorsque le charbon est extrait. Cette étude explore une méthode pour prédire et contrôler cet affaissement en comblant soigneusement les vides cachés dans la roche avec du coulis, permettant ainsi de poursuivre l’exploitation tout en réduisant les dommages en surface.

Fissures souterraines et dommages en surface

Quand une couche de charbon est exploitée, la roche solide au-dessus perd son soutien complet. Certaines couches résistantes, appelées couches clés, se comportent comme des poutres rigides qui supportent le poids des terrains sus-jacents. À mesure que le charbon est enlevé, ces couches se courbent et parfois se fissurent, et ce mouvement remonte progressivement jusqu’à la surface. Dans la mine de Xiadian en Chine, ce processus a déjà entraîné des murs de bâtiments fissurés, des routes irrégulières et le risque de nouvelles failles de terrain. Avec l’extension et l’approfondissement de l’exploitation des veines, comprendre le comportement de ces couches clés est devenu essentiel pour protéger habitations, routes et écosystèmes locaux.

Remplir les vides cachés pour soutenir le toit

Une méthode courante pour limiter l’affaissement est l’injection de coulis de séparation. Après l’ouverture d’un espace par l’exploitation, de petits vides apparaissent souvent entre les couches rocheuses au-dessus du banc de charbon. Des forages sont réalisés depuis la surface et du coulis y est injecté. Une fois durci, le coulis agit comme un pilier de soutien qui aide à porter la charge et empêche les couches de trop se courber. L’étude se concentre sur une série de larges zones de travail, ou panneaux, de la mine de Xiadian où ce coulis est appliqué. Deux leviers simples sont examinés en détail : la quantité de coulis injectée, exprimée par le rapport injection–production, et la largeur de chaque panneau exploité.

Traiter les couches rocheuses comme une poutre enfouie

Pour décrire la flexion des couches clés, les auteurs les modélisent comme une poutre élastique reposant sur un substrat élastique. Dans cette image, la poutre représente la couche rocheuse rigide et les couches plus tendres ainsi que le coulis en dessous se comportent comme un matelas de ressorts. L’équipe a utilisé une méthode mathématique simplificatrice appelée la méthode des paramètres initiaux pour calculer la déformation de la poutre sur plusieurs zones : charbon intact, remblais lâche et roche et coulis densément compactés. Ils ont combiné cela avec des simulations numériques qui modélisent la rupture et le tassement des roches au fur et à mesure de l’avancement de l’exploitation. En rapprochant les formes de poutre calculées des résultats numériques, ils ont pu estimer la raideur réelle de chaque zone puis relier cette raideur à des variables de conception praticables comme la largeur du panneau et la quantité de coulis.

De la flexion souterraine à l’affaissement en surface

Connaître l’amplitude de la flexion des couches clés n’est qu’une partie de l’équation. Les chercheurs ont ensuite relié cette flexion à la géométrie de la surface en utilisant une méthode probabiliste qui répartit l’influence du mouvement souterrain vers le haut, ainsi qu’un artifice d’« hauteur équivalente » qui remplace des courbes complexes par des blocs rectangulaires simples. Pour des panneaux isolés et pour des panneaux voisins de largeurs différentes, ils ont déterminé comment la cuvette d’affaissement en surface se développe, se déplace latéralement et devient plus ou moins abrupte. Des essais avec des données de surveillance réelles du panneau 3119 ont montré que la subsidence maximale prédite différait des mesures d’environ six pour cent seulement, ce qui est considéré très précis dans des conditions de terrain.

Définir une fenêtre d’exploitation sûre pour les mines

Les résultats montrent des tendances claires dont les planificateurs miniers peuvent tirer parti. Augmenter la quantité de coulis réduit généralement l’affaissement des couches clés et de la surface, tandis qu’élargir un panneau augmente leur flexion et approfondit la cuvette. Lorsque des panneaux voisins ont des largeurs différentes, le schéma d’affaissement devient inégal et le point le plus profond peut se rapprocher d’ouvrages sensibles. Cependant, en choisissant un rapport injection–production adapté, cette irrégularité peut être largement atténuée. Dans le cas de Xiadian, un rapport d’environ 45 % pour le panneau 3119 a produit une flexion presque symétrique des couches clés et un mouvement de surface modéré.

Ce que cela signifie pour les communautés minières

Pour les populations vivant au-dessus des mines de charbon, l’étude offre un moyen de réduire le risque que leurs habitations et leurs routes subissent des dommages importants au fur et à mesure de l’exploitation. En traitant les couches rocheuses rigides comme une poutre soutenue et en reliant le modèle à des facteurs contrôlables tels que la largeur des panneaux et le volume de coulis, la méthode permet aux ingénieurs de prévoir où et combien le sol s’affaissera des mois à l’avance. Ils peuvent alors ajuster les plans d’exploitation, renforcer des bâtiments dans les zones à risque élevé ou modifier les schémas d’injection avant l’apparition des problèmes. Bien que les sites réels dépendent aussi de paramètres tels que la pression et le calendrier d’injection du coulis, ce travail constitue une étape importante vers une extraction du charbon souterraine plus prévisible et moins dommageable.

Citation: Shibao, L., Yan, L., Huaidong, L. et al. Study on key strata and surface deformation prediction for overburden separation grouting mining in adjacent panel based on foundation beam theory. Sci Rep 16, 14926 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44188-y

Mots-clés: exploitation houillère, affaissement du sol, injection de coulis, chefs de roche, déformation de surface