Mécanisme et stratégies de contrôle de la soulèvement asymétrique du sol dans les galeries de veines de charbon extra‑épaisse sous forte contrainte

Pourquoi le sol de la mine se soulève parfois brusquement

En profondeur, les mines de charbon s’appuient sur de longues galeries pour déplacer le personnel, l’air et le charbon. Dans certaines veines extra‑épaisses en Chine, le plancher rocheux de ces galeries peut gonfler soudainement vers le haut de près d’un demi‑mètre, comprimant les équipements et mettant en danger les ouvriers. Cette étude examine pourquoi ce « soulèvement du sol » inégal se produit sous des contraintes très élevées et comment l’empêcher, en utilisant un chantier réel de la mine de Caojiatan comme laboratoire naturel à grande échelle.

Ce qui se passe sous une veine de charbon épaisse

Dans la mine étudiée, la couche de charbon dépasse dix mètres d’épaisseur et se situe à plusieurs centaines de mètres sous la surface. Lorsqu’un tel volume de charbon est retiré, il laisse au‑dessus une large zone vide, ou chandelle, au‑dessous de laquelle le toit miné s’effondre partiellement. Les couches rocheuses minces immédiatement au‑dessus du charbon s’effondrent, mais ne comblent pas complètement le vide. Plus haut, des couches rocheuses plus épaisses se brisent en larges dalles qui fléchissent, pivotent et s’empilent de manière inégale. Du côté où un bloc protecteur de charbon (la culée) est laissé pour soutenir le toit, ces dalles forment une structure en marches inclinées. À l’opposé, où le charbon reste continu, la couverture rocheuse conserve une géométrie plus régulière. Cette structure de toit inégale devient l’origine de forces fortement déséquilibrées dans et autour de la galerie.

Contrainte inégale sur le plancher de la galerie

Les auteurs ont combiné mesures souterraines, simulations informatiques et modélisation mécanique pour suivre la déformation de la galerie au fur et à mesure de l’avancement de l’exploitation. Ils ont constaté que le soulèvement du sol dépasse largement l’affaissement du toit, et que ce soulèvement est fortement unilatéral : des fissures et des bourrelets apparaissent du côté du charbon continu et se propagent vers le côté de la culée. Des instruments placés dans les parois de la galerie ont montré que, à mesure que le front d’exploitation passe, la roche près de la culée est comprimée beaucoup plus fortement que celle du côté du charbon continu. À environ 60 mètres derrière le front, la contrainte près de la culée est supérieure de plus de 20 %. Dans le même temps, le soulèvement maximal du plancher atteint environ 47 centimètres et le point le plus élevé se décale sensiblement vers le côté du charbon continu de la galerie.

Comment des forces inclinées remodèlent la roche

Pour expliquer ce comportement, les chercheurs ont développé un schéma mécanique montrant comment les poutres de toit brisées appuient sur le charbon et le plancher. Au‑dessus de la culée, des blocs bas forment une poutre en marches qui pousse fortement vers le bas, tandis que des blocs plus hauts fonctionnent comme un arc articulé qui transfère encore plus de charge sur cette structure en marches. Ce système « marches basses + articulations hautes » canalise le poids supplémentaire vers la culée puis vers le plancher sous‑jacent. Le centre de la galerie, en revanche, devient une poche de basse pression après l’excavation. Le résultat est un fort gradient latéral de contrainte à travers le plancher — comme une colline d’énergie inclinée avec une pression élevée sous la culée et une pression faible sous la galerie.

De la haute pression au soulèvement unilatéral du sol

Sous ce champ de contraintes incliné, la roche du plancher se comporte un peu comme une pâte très rigide et lentement fluide. En profondeur sous la culée, la roche est écrasée et cisail lée le long d’un trajet incliné qui converge en diagonale vers la galerie. Poussée par la différence de pression entre le côté à forte contrainte (culée) et le centre de la galerie soulagé, cette roche endommagée est progressivement extrudée vers le haut dans l’espace libre sous la chaussée. Toutefois, le côté de la culée reste fortement confiné par des masses rocheuses supérieures importantes, de sorte que l’essentiel du soulèvement visible apparaît sur le côté moins confiné du charbon continu. Le résultat est un schéma caractéristique : tassements et fortes fissurations au voisinage de la culée, et un dôme de soulèvement du plancher décalé vers la paroi opposée.

Comment maîtriser le soulèvement du sol

À partir de cette compréhension, les auteurs proposent une stratégie préventive en trois étapes. Premièrement, ils recommandent de couper et de préfissurer des parties du toit du côté de la culée avant qu’elles ne cèdent spontanément, raccourcissant les poutres rocheuses et réduisant les forces qu’elles peuvent transmettre. Deuxièmement, ils suggèrent d’exécuter des entailles dans le plancher près des coussinets, surtout du côté de la culée, pour interrompre le principal chemin de contrainte qui va de la culée vers le plancher de la galerie. Troisièmement, ils préconisent un renforcement plus robuste et délibérément asymétrique du plancher, en utilisant des ancrages plus longs et plus résistants du côté du charbon continu pour relier les couches superficielles fracturées à des roches profondes plus stables. Ensemble, ces mesures visent à réduire la pression motrice, à couper sa voie de transmission et à renforcer le plancher là où il est le plus susceptible de se soulever.

Ce que cela signifie pour une exploitation plus sûre

L’étude montre que le soulèvement extrême et unilatéral du plancher dans les mines à veines épaisses n’est pas seulement une question de roche faible, mais dépend de la manière dont les couches de toit brisées au‑dessus de la culée concentrent les contraintes dans le plancher. En révélant cette voie de charge cachée et en la reliant à des mesures réelles, le travail offre aux ingénieurs miniers une méthode plus claire pour maintenir les galeries ouvertes : traiter la structure du toit, rompre la chaîne de contrainte et renforcer le plancher de façon asymétrique. L’application de cette approche « source‑voie‑structure » peut aider les mines exploitant des veines extra‑épaisses à conserver des galeries plus sûres et plus stables sous forte contrainte.

Citation: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Mots-clés: voie de mine de charbon, soulèvement du sol, mécanique des roches, contrôle du massif, veine de charbon épaisse