Recherche sur la technologie intégrée de reconstruction de la structure porteuse et de contrôle du soutènement dans la zone à haut risque de galeries de charbon supérieures dans des couches charbonneuses épaisses

Pourquoi des galeries de charbon plus sûres sont importantes

En profondeur, dans des couches charbonneuses épaisses, les ouvriers circulent et déplacent le charbon par de longues galeries souterraines. Par endroits, ces galeries souffrent d'affaissements du toit, d'éboulements des parois et de chutes soudaines de charbon et de roche, mettant les mineurs en danger et ralentissant la production. Cette étude examine pourquoi ces problèmes sont si sévères dans certaines sections à haut risque et teste une nouvelle façon de renforcer la roche pour que les galeries restent plus sûres et plus stables dans le temps.

Où le problème commence

La recherche se concentre sur une grande galerie d'une mine de charbon en Chine qui traverse une couche charbonneuse très épaisse. Dans ce contexte, le tunnel passe principalement dans le charbon plutôt que dans une roche dure, et le charbon au-dessus et sur les côtés de l'ouverture est faible et fracturé. Des failles naturelles dans la roche et le poids important des couches sus-jacentes concentrent les contraintes autour du tunnel, entraînant des séparations du toit, des chutes de toit, des renflements des parois latérales et la nécessité de réparations constantes. Les méthodes de soutènement antérieures, comme le simple coulis ou les écrans de tuyaux, échouaient souvent parce que le coulis ne pouvait pas pénétrer le charbon serré et ne créait pas une structure de soutien solide et unifiée.

Comment le tunnel se déplace et se déforme

Pour comprendre ce comportement, l'équipe a combiné mesures de terrain, essais en laboratoire et modélisation mécanique. Ils ont considéré le charbon au-dessus du toit de la galerie comme une poutre chargée et ont montré que l'affaissement du toit augmente très rapidement quand la largeur du tunnel croît et quand le charbon devient plus faible. Ils ont aussi constaté que le toit et les parois ne se déforment pas de manière isolée. Quand le charbon latéral s'assouplit et fléchit vers l'intérieur, cela élargit effectivement l'ouverture, ce qui accroît alors l'affaissement du toit. À son tour, un mouvement supplémentaire du toit comprime davantage les parois latérales. Cette interaction entre mouvements verticaux et latéraux aide à expliquer pourquoi un soutènement local, posé pièce par pièce, échoue souvent dans des couches charbonneuses épaisses.

Essais avec tunnels virtuels

À l'aide de simulations informatiques tridimensionnelles, les chercheurs ont fait varier deux facteurs clés : l'épaisseur du charbon conservé au-dessus du tunnel et la résistance de ce charbon. Augmenter l'épaisseur de la couche de charbon au-dessus du toit a augmenté l'affaissement du toit mais réduit le bombement du sol, tandis que le déplacement des parois a peu changé. Augmenter la résistance du charbon supérieur a fortement diminué à la fois l'affaissement du toit et le déplacement intérieur des parois, même si le schéma global de contraintes ne changeait que légèrement. Les calculs ont montré que des fissures et des zones plastiques se formaient d'abord près du toit puis se propageaient plus profondément, avec une zone de dommages en forme de « papillon » caractéristique près des parois latérales, ce qui souligne la nécessité de renforcer une zone large plutôt qu'une simple coque mince.

Une nouvelle méthode pour étayer les zones faibles

Guidés par cette compréhension, les auteurs ont conçu un système de soutènement combiné utilisant des tuyaux d'avance injectés de coulis et un réseau de boulons et de câbles. Avant d'avancer la galerie dans une zone à risque, les équipes forent des rangées de tubes d'acier dans le charbon en avant du front et y injectent un coulis à prise rapide. Ce coulis durcit rapidement à l'intérieur et autour des tuyaux, resserre les fissures et transforme le charbon fragmenté en un bloc plus compact. Au fur et à mesure de l'excavation, des boulons et des câbles relient le toit et les parois renforcés pour former un cadre porteur unique. Les modèles informatiques de différentes configurations ont montré qu'un espacement modéré des tuyaux apportait presque la même réduction des déplacements qu'un maillage très dense, mais à moindre coût.

Preuves issues de la mine en exploitation

L'équipe a ensuite appliqué le schéma retenu dans la galerie réelle. Ils ont surveillé l'affaissement du toit, la convergence des parois latérales, le bombement du sol, la séparation entre les couches rocheuses et les efforts dans les boulons et câbles. Après excavation et soutènement avec la nouvelle méthode, l'affaissement du toit est resté autour de 110 mm, le mouvement des parois latérales environ 80 mm et le bombement du sol a été très faible. La séparation des couches au-dessus du toit est restée bien en dessous des niveaux d'alerte, et les charges dans les boulons et câbles sont devenues stables et inférieures à celles du précédent dispositif. Parce que le coulis gagnait en résistance en quelques minutes, les équipes ont pu avancer plusieurs fois plus vite qu'auparavant tout en gardant une distance de sécurité entre le front d'excavation et la zone renforcée.

Ce que cela signifie pour les mineurs

En termes simples, l'étude montre que faire agir le charbon faible autour d'un tunnel comme une arche et des parois bien liées peut réduire fortement les chutes de toit et les effondrements dangereux. En renforçant par avance le charbon avec des tuyaux injectés de coulis puis en liant le toit et les côtés avec des boulons et des câbles, la galerie peut supporter la lourde charge sus-jacente avec des mouvements plus faibles et des efforts de soutènement réduits. Les auteurs estiment que cette approche intégrée offre un guide pratique pour des tunneliers plus sûrs et plus efficaces dans des couches charbonneuses épaisses présentant des conditions géologiques similaires, réduisant à la fois les risques pour la sécurité et les besoins d'entretien en exploitation souterraine.

Citation: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Mots-clés: stabilité des galeries de charbon, soutènement du toit, renforcement par coulis, boulons et câbles d'ancrage, sécurité en mine souterraine