Optimisation de l'emplacement et de la section transversale des galeries routières sous la superposition de piliers de charbon résiduels et de chantiers adjacents dans des couches de charbon proches

Pourquoi les routes souterraines comptent pour la vie quotidienne

Une grande partie de l'électricité qui alimente les foyers, les usines et les villes provient encore du charbon extrait en profondeur. Pour atteindre ces couches de charbon en toute sécurité, les ingénieurs doivent creuser de longs tunnels, ou galeries, dans la roche. Si ces galeries sont mal positionnées ou mal dimensionnées, la roche environnante peut s'effondrer, mettant en danger les mineurs et coupant l'accès à des ressources précieuses. Cette étude menée dans une mine chinoise examine comment choisir à la fois l'emplacement le plus sûr et la forme transversale la plus sûre pour ces galeries lorsque plusieurs couches de charbon sont proches et qu'une partie de la couche supérieure a déjà été exploitée.

Couches de roche et charbon laissé en place

Dans de nombreux gisements, le charbon n'existe pas en une seule couche épaisse mais en plusieurs veines empilées comme un gâteau à étages. À la mine de Meihuajing, les veines principales, nommées n°2 et n°3, ne sont séparées que par 12 mètres. La veine supérieure n°2 a déjà été exploitée en deux grands panneaux, mais un bloc de 60 mètres de large de charbon intact a été laissé entre eux comme pilier de soutien. De part et d'autre de ce pilier se trouvent des vides exploités, appelés chantiers remblayés (goafs), qui se sont affaissés et sont maintenant remplis de roche brisée. Ensemble, le pilier solide et les chantiers plus meubles modifient la manière dont le poids de la roche sus-jacente est transmis vers la veine inférieure n°3, où de nouvelles galeries sont prévues.

Mesurer le comportement de la roche dans le temps

Les chercheurs ont d'abord vérifié si le pilier de charbon supérieur remplissait son rôle. Ils ont surveillé une galerie existante dans la veine n°2 pendant environ deux ans, après l'arrêt de l'exploitation sur ce front. Des instruments ont enregistré l'ouverture du toit et les déplacements des parois et du plancher les uns vers les autres. Les mesures ont montré des mouvements faibles : ouverture du toit d'environ un à deux centimètres au maximum, et convergence latérale et du sol généralement autour de cinq à dix centimètres. Comme aucune exploitation nouvelle n'avait lieu à proximité, ces déformations lentes et modestes reflétaient un état stable à long terme sous une charge statique. Cela suggère que le pilier de 60 mètres de large était suffisamment solide pour supporter le poids sus-jacent et maintenir la structure rocheuse au-dessus largement intacte.

Tracer la propagation des efforts dans la roche

Puis l'équipe a utilisé une théorie classique de la mécanique des roches qui traite la roche sous la veine comme un demi-espace élastique — un milieu profond et continu — et applique des charges en surface pour calculer les contraintes en profondeur. Ils ont représenté le pilier de charbon et les chantiers voisins comme une série de segments de charge simplifiés, chacun avec des intensités différentes reflétant la concentration de contraintes sous le pilier et la détente des contraintes dans les zones effondrées. À l'aide d'expressions mathématiques et d'outils informatiques, ils ont cartographié les contraintes verticale, horizontale et de cisaillement dans la roche en dessous. Les résultats ont montré un schéma net : directement sous le pilier solide, les contraintes se concentraient, tandis que sous les chantiers elles diminuaient, formant une zone de diminution des contraintes. Dans la veine inférieure n°3, la contrainte verticale était maximale juste sous le pilier et minimale à environ 13 mètres du bord du pilier, sous la zone correspondant au goaf. Les contraintes horizontales variaient moins fortement mais indiquaient également un environnement plus calme loin du pilier, tandis que les contraintes de cisaillement étaient les plus fortes près des bords du pilier.

Choisir l'emplacement de la nouvelle galerie

Sur le plan pratique, les ingénieurs cherchent à placer la galerie là où la roche est soumise à des contraintes relativement faibles et équilibrées, afin qu'elle soit moins susceptible de se comprimer ou de se fissurer. D'après les courbes de contraintes calculées, les auteurs ont conclu que la bande idéale pour la nouvelle galerie de la veine n°3 se situe dans la zone verticale de diminution des contraintes, légèrement sous le goaf plutôt que directement sous le pilier. Le minimum absolu de contrainte verticale se situe à environ 13 mètres du bord du pilier, mais cette position laisserait plus de charbon inexploité. En équilibrant sécurité et récupération des ressources, ils recommandent de situer la galerie à 10 mètres du bord du pilier, toujours dans la région de faibles contraintes mais plus proche du charbon restant, réduisant le gaspillage tout en conservant un environnement de contraintes favorable.

Pourquoi la forme du tunnel modifie la stabilité de la roche

La position ne fait pas tout ; la forme de l'ouverture du tunnel contrôle également la réponse de la roche. En utilisant un modèle numérique tridimensionnel (FLAC3D), les chercheurs ont construit une coupe virtuelle de la mine, incluant les deux veines, le pilier, les chantiers effondrés et une galerie inférieure à l'emplacement privilégié. Ils ont testé quatre formes de section transversale tout en conservant la même largeur et la même hauteur : une voûte semi-circulaire à parois droites, une voûte à trois centres (une arche plus complexe composée de trois courbes), un trapèze et un rectangle. Après avoir simulé l'excavation de chaque galerie, ils ont examiné la réorganisation des contraintes autour de celle-ci et la profondeur de la zone plastique ou d'effondrement de la roche environnante. Dans tous les cas, le toit et le plancher au-dessus et au-dessous de l'ouverture ont connu un allègement de contrainte, tandis que les parois latérales ont subi une certaine réaccumulation de contraintes.

Trouver la conception la plus sûre et la plus simple

La comparaison a révélé que les formes voûtées supportent mieux la charge que les profils à sommet droit. La voûte semi-circulaire à parois droites présentait la plus faible concentration de contraintes sur son côté le plus sollicité et la profondeur d'endommagement la plus faible au niveau du toit, du plancher et des parois latérales. La voûte à trois centres offrait des performances presque équivalentes en termes de stabilité, tandis que la section trapézoïdale et surtout la section rectangulaire montraient des pics de contraintes plus élevés et des zones d'endommagement beaucoup plus profondes, ce qui signifie plus de roche fracturée et affaiblie autour d'elles. Parce que la voûte à trois centres est géométriquement plus compliquée à creuser et à soutenir en souterrain, nécessitant un contrôle précis de plusieurs rayons et points de jonction, les auteurs la jugent moins pratique pour la construction courante. Ils recommandent donc la voûte semi-circulaire à parois droites comme section transversale préférée : elle offre une bonne stabilité sous l'influence combinée du pilier et des chantiers tout en restant relativement simple à mettre en œuvre et à soutenir sur le terrain.

Conclusion pour une exploitation du charbon plus sûre et plus efficace

Pour le grand public, le message clé est que de petits choix de conception en souterrain — l'endroit exact où une galerie est creusée et la forme de son profil — peuvent faire une grande différence pour la sécurité et l'efficacité. Dans cette mine en particulier, l'étude montre que laisser un pilier de charbon robuste dans la veine supérieure, puis placer la galerie inférieure légèrement sous la zone effondrée plutôt que sous le pilier, crée un environnement de contraintes plus doux. Façonner la galerie avec des parois voûtées et un toit arrondi aide en outre la roche environnante à « s'écouler » plus harmonieusement autour de l'ouverture, limitant les dommages. Si les distances et dimensions précises varient d'un site à l'autre, l'approche combinée de cartographie du transfert de contraintes entre les veines et de comparaison des formes de tunnels fournit une feuille de route pour concevoir des galeries souterraines à la fois plus sûres pour les mineurs et plus respectueuses des ressources en charbon.

Citation: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Mots-clés: conception de galeries de mine de charbon, pilier de charbon résiduel, stabilité des tunnels souterrains, mécanique des roches numérique, exploitation multi-couches