Les caractéristiques de déformation et le contrôle de la stabilité par soulagement de pression par fissuration préfabriquée d’un petit pilier de charbon dans une galerie soumis à la superposition de contraintes

Pourquoi les galeries souterraines de charbon sont importantes

Une grande partie du charbon mondial est extraite via de longues galeries creusées profondément sous terre. Entre ces galeries, de minces « piliers » de charbon sont délibérément laissés en place pour soutenir la roche sus-jacente. À mesure que les opérations s’intensifient et que les ingénieurs cherchent à laisser des piliers plus petits pour récupérer davantage de charbon, ces blocs résiduels peuvent devenir dangereusement surcontraints, provoquant l’écrasement, la fissuration voire la rupture de la galerie. Cet article examine comment et pourquoi de tels petits piliers de charbon sont surchargés, et présente une méthode consistant à fissurer volontairement le toit au-dessus d’eux afin de soulager les contraintes de manière sûre avant qu’un dommage sérieux ne survienne.

Forces cachées qui s’accumulent sous terre

Les auteurs se concentrent sur une galerie — la principale galerie d’accès — qui longe un petit pilier de charbon pris en sandwich entre deux panneaux miniers. À mesure que chaque panneau est excavé et que le front d’exploitation progresse, la roche autour du pilier ne subit pas une seule poussée mais une série d’ondes de contrainte répétées. À l’aide de modèles informatiques, l’équipe a simulé quatre étapes clés : la coupe de la première galerie, la coupe de la galerie opposée, le retrait (retrait minier) du premier panneau, puis celui du second. À chaque étape, la charge verticale sur le pilier augmente, atteignant finalement plus de trois fois la contrainte rocheuse initiale et approchant ou dépassant la résistance mesurée du charbon. Sous ces charges composées, le pilier et la galerie adjacente sont susceptibles d’être écrasés et de subir de graves déformations.

Énergie stockée comme un ressort comprimé

Pour comprendre la rupture de façon plus physique, l’étude suit non seulement la contrainte mais aussi l’énergie élastique stockée dans le charbon — l’« énergie de ressort » qui s’accumule à mesure que le pilier est comprimé. Les simulations numériques montrent qu’à chaque étape d’excavation, cette énergie s’accumule au centre du petit pilier. Lors du retrait des panneaux, la densité d’énergie plus que double par rapport à l’étape d’excavation de la galerie, dépassant finalement le niveau auquel des échantillons de charbon testés en laboratoire échouent. Au moment où le second panneau progresse, l’énergie stockée dans le pilier est suffisamment élevée pour s’approcher des conditions associées à des explosions de roche violentes. Autrement dit, le pilier n’est pas seulement surcontraint ; il est prêt à libérer de l’énergie soudainement, menaçant à la fois la stabilité de la galerie et la sécurité des mineurs.

Faire casser le toit où et quand nous le voulons

Plutôt que d’ajouter simplement davantage d’appuis dans la galerie — ce qui devient rapidement encombrant et peut rester insuffisant — les auteurs testent une idée différente : affaiblir délibérément le toit à une courte distance au-dessus du petit pilier afin qu’il s’effondre de manière contrôlée. Grâce à des maquettes physiques à l’échelle, ils comparent deux cas : l’un avec un toit fort et intact, l’autre où une étroite zone verticale de fissures préfabriquées est introduite au-dessus de la galerie à l’aide d’une technique proche du tir dirigé. Dans le cas intact, une longue poutre de toit rigide surplombe le vide miné, formant un long porte-à-faux qui retransmet de fortes charges vers le pilier. Dans le cas fissuré, le toit principal se rompt plus tôt le long des fractures préfabriquées, l’angle d’effondrement devient plus raide et la poutre en surplomb se réduit d’environ moitié. Les blocs de roche brisés tombent et se tassent étroitement dans le vide, contribuant à soutenir le toit restant et à diminuer la charge transmise au petit pilier.

Observer les déplacements des couches rocheuses

L’équipe utilise une photographie soignée et des mesures de déplacement dans leurs maquettes pour suivre le mouvement des couches rocheuses au fur et à mesure de l’avancement minier. Ils constatent que les fissures préfabriquées provoquent un tassement plus important et plus précoce des couches supérieures directement au-dessus de la zone de fissuration, ce qui accélère le compactage des déblais dans la zone excavée. En même temps, les mouvements des couches inférieures et du remblais du panneau adjacent changent seulement légèrement, ce qui signifie que la perturbation reste en grande partie confinée à l’endroit voulu. Des capteurs de contrainte intégrés dans le toit de la maquette montrent que, dans quelques hauteurs de fissure au-dessus du banc de charbon, la contrainte verticale diminue de plus de 10 % par rapport à un toit intact. Au-delà de cette hauteur, la roche « oublie » la fissure et les niveaux de contrainte s’équilibrent, indiquant une zone d’influence bien délimitée.

Preuve issue d’une mine en exploitation

Pour vérifier la méthode, les auteurs appliquent un préfendage directionnel par trous profonds dans le toit d’une galerie réelle de la mine de Wangzhuang en Chine. De longs forages sont percés depuis la galerie dans le toit, puis chargés avec des charges explosives façonnées pour créer une zone de fracture verticale au-dessus du petit pilier. Au fur et à mesure du recul du panneau minier, des jauges de contrainte installées dans des forages à l’intérieur du pilier enregistrent les variations de charge. Dans la section sans fissuration du toit, la contrainte augmente d’environ 5,5 mégapascals à 3 mètres de profondeur. Dans la section fissurée, l’augmentation est inférieure à la moitié de cette valeur, autour de 2,5 mégapascals. Des réductions similaires sont observées plus en profondeur dans le pilier, démontrant que les fractures conçues soulagent substantiellement la pression sur la galerie et le pilier.

Ce que cela signifie pour une extraction du charbon plus sûre et plus propre

Pour les non-spécialistes, l’idée clé est que les petits piliers de charbon peuvent devenir dangereusement surchargés à mesure que les panneaux voisins sont exploités, et ce de manière répétée. En introduisant intentionnellement des fissures dans le toit rocheux au-dessus de ces piliers, les ingénieurs peuvent amener le toit à se rompre selon un schéma plus favorable : il s’effondre plus tôt, selon un angle plus raide et sur une portée plus courte, permettant aux déblais de servir d’amortisseur et de support naturel. Les simulations de l’étude, les modèles en laboratoire et les essais à grande échelle sur le terrain convergent tous vers la même conclusion : cette approche de fissuration contrôlée réduit la concentration des contraintes et la déformation autour des galeries de petits piliers de charbon, contribuant à maintenir les tunnels plus stables tout en permettant une récupération élevée du charbon.

Citation: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Mots-clés: stabilité du pilier de charbon, renforcement des galeries souterraines, fissuration du toit, contrôle des explosions de roche, exploitation en taille