Analyse de la zone fracturée perméable à l'eau dans le recouvrement faiblement cimenté en tenant compte de l'affaiblissement par déformation des roches

Pourquoi les fissures au‑dessus des mines de charbon comptent

Dans les régions arides où l'eau est rare, les mines de charbon font bien plus que retirer un combustible du sous‑sol : elles peuvent aussi ouvrir des fissures cachées qui drainent des nappes précieuses et provoquer des afflux soudains d'eau dans les galeries. Cette étude examine comment ces zones fracturées se développent au‑dessus d'une mine à taille continue dans l'ouest de la Chine, où les couches sus‑jacentes sont faibles et facilement endommagées. En combinant mesures de terrain et simulations informatiques avancées, les auteurs montrent que les méthodes d'ingénierie courantes peuvent sous‑estimer la hauteur atteinte par ces fissures drainantes, avec des conséquences sérieuses pour la sécurité des mines et les écosystèmes locaux.

Les voies cachées de l'eau

Lorsqu'un banc de charbon est extrait sur une grande surface, le toit rocheux au‑dessus de l'espace vide s'affaisse, se plie, puis finit par se rompre. Ce processus crée une « zone fracturée perméable à l'eau » : une colonne de fissures et d'interstices interconnectés par lesquels l'eau peut circuler. Dans la région minière de Shendong, en Mongolie intérieure, les couches de charbon sont recouvertes de sables lâches et de grès et mudstone faiblement cimentés. Une fois perturbées, ces roches peuvent se fracturer largement, reliant des couches aquifères peu profondes au vide minier. Cette connexion peut drainer les eaux souterraines, provoquer des entrants soudains d'eau et de sédiments dans les galeries, et aggraver des problèmes de surface comme l'érosion des sols, la perte de végétation et la contamination de ressources en eau déjà limitées.

Mesurer les fissures depuis la surface

Pour déterminer jusqu'à quelle hauteur la zone fracturée s'étend réellement, les chercheurs ont foré deux sondages verticaux : l'un au‑dessus d'un sol non perturbé et l'autre au‑dessus de la zone exploitée, ou goaf. Pendant le forage, ils ont surveillé la quantité de fluide de forage perdue dans la roche environnante et l'évolution du niveau d'eau dans chaque trou. Dans le trou non perturbé, les pertes sont restées faibles et stables, indiquant seulement des fractures naturelles rares. En revanche, lorsque le forage dans la zone exploitée a atteint environ 97 mètres de profondeur, la perte de fluide a bondi d'un facteur de plusieurs milliers et le niveau d'eau a chuté brusquement au fond du trou, montrant que l'outil était entré dans une zone fortement fissurée et conductrice d'eau. Les images vidéo des sondages ont confirmé ce tableau : la roche intacte en profondeur peu élevée laissait place à des fractures denses et entrecroisées à plus grande profondeur. À partir de ces observations, la hauteur de la zone fracturée perméable à l'eau a été estimée à environ 142,6 mètres au‑dessus du banc de charbon.

Pourquoi les formules traditionnelles sont insuffisantes

Les ingénieurs en Chine se fient souvent à une ancienne formule empirique qui estime la hauteur de la zone fracturée à partir de l'épaisseur exploitée et d'une description générale de la dureté du toit. Pour le front d'exploitation étudié, cette règle empirique prédisait seulement environ 41 mètres de fracturation : bien en‑dessous de ce que les forages ont révélé. Une des raisons est que la formule a été élaborée principalement à partir de terrains plus anciens et plus durs des bassins charbonniers de l'est et ne reflète pas les roches plus faibles et plus variables des bassins occidentaux. Par conséquent, l'utiliser dans de tels contextes peut donner une fausse impression de sécurité, en sous‑estimant à la fois la perte potentielle d'eau souterraine et le risque d'afflux d'eau dans les travaux miniers.

Des roches qui s'affaiblissent en se déformant

Pour combler ce manque, les auteurs ont construit un modèle numérique tridimensionnel de la mine en utilisant une méthode d'éléments discrets, qui représente le recouvrement comme des blocs interactifs séparés par des joints. Ils ont comparé deux façons de décrire le comportement des roches : le modèle classique de Mohr–Coulomb, qui suppose qu'une fois la résistance maximale atteinte la roche conserve une résistance constante par la suite, et un modèle d'affaiblissement par déformation (strain‑softening), dans lequel la résistance diminue progressivement à mesure que la déformation s'accumule. Le modèle d'affaiblissement rend compte de la croissance des microfissures et de la rupture des liaisons dans les roches faiblement cimentées, entraînant une perte de cohésion et de friction au fil du temps. Les simulations ont montré que les deux modèles reproduisaient le schéma général d'affaissement du toit, d'éboulement et de croissance des fissures, mais les détails différaient de façon importante.

Appréhender l'étendue totale des dommages

Avec le modèle à résistance constante, les ruptures sont restées principalement dans la partie basse du toit, et la zone fracturée n'atteignait qu'environ 128,5 mètres. Dans les simulations avec affaiblissement par déformation, cependant, dès que la roche au‑dessus du goaf a commencé à céder elle s'est affaiblie progressivement, permettant aux fissures de s'étendre plus haut et plus largement. Des séparations antérieures du toit se sont refermées sous le tassement, tandis que de nouvelles fractures se sont formées plus haut, créant une voie d'eau plus haute et plus continue. Ce modèle a prévu une hauteur de zone fracturée de 144,5 mètres : à quelques mètres près des mesures en forage et sensiblement supérieure à l'estimation de Mohr–Coulomb. Tout au long de l'exploitation, le modèle d'affaiblissement a systématiquement produit des zones endommagées plus larges et plus réalistes, soulignant la sensibilité de la croissance des fractures à la manière dont on modélise le comportement post‑rupture des roches.

Ce que cela signifie pour l'eau et la sécurité

Pour les non‑spécialistes, le message est simple : dans des roches faibles et aquifères, les fissures situées au‑dessus d'une mine de charbon peuvent atteindre beaucoup plus haut que ne le suggèrent les règles simplifiées, surtout lorsque la roche continue de s'affaiblir après sa première rupture. Les modèles qui ignorent cet affaiblissement tendent à sous‑estimer jusqu'où l'eau peut s'engouffrer vers les galeries. En s'accordant étroitement aux données de terrain, l'approche par affaiblissement par déformation offre une base plus fiable pour définir des profondeurs d'exploitation sûres, planifier des mesures de protection des eaux et évaluer les impacts environnementaux dans les régions arides où les eaux souterraines sont à la fois précieuses et fragiles.

Citation: Xue, S., Wang, Q. & Song, Z. Analysis of water-permeable fractured zone in weakly cemented overburden considering rock strain-softening. Sci Rep 16, 10776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45413-4

Mots-clés: extraction de charbon, eaux souterraines, fracturation des roches, modélisation numérique, risques d'eau en mine