Étude sur la grande déformation du massif et le mécanisme de rupture du sol de galerie en roche meuble riche en eau

Pourquoi les sols de galerie peuvent se soulever soudainement

Les galeries profondes des mines de charbon doivent rester stables pour assurer la sécurité des travailleurs et la circulation des équipements. Dans certaines mines, le sol d’une galerie gonfle lentement vers le haut, déformant les rails et fissurant les structures de soutènement. Cette étude examine un cas de ce type dans une mine de charbon chinoise, où la galerie traverse une roche meuble imprégnée d’eau. Les chercheurs ont cherché à comprendre pourquoi le sol s’est élevé de plusieurs mètres et comment une nouvelle méthode de soutien pourrait empêcher que cela se reproduise.

Une galerie en difficulté en profondeur

L’équipe s’est concentrée sur la route principale de l’aile nord de la mine de Hongqi dans le Shandong, en Chine. Cette galerie de transport, d’environ quatre mètres de large et de haut, coupe une couche d’argilite meuble et repose au‑dessus d’une couche de calcaire remplie d’eau souterraine sous pression. Les contrôles de terrain ont révélé d’importantes infiltrations d’eau à la jonction des galeries, et le plancher près de cette source d’eau s’était élevé jusqu’à 2,5 mètres. Les rails d’acier se sont déformés en S, les doublages en béton ont fissuré et les boulons dans les parois ont rompu, montrant que la masse rocheuse autour de la galerie ne pouvait plus conserver sa forme.

Une roche meuble qui se délite au contact de l’eau

Pour comprendre la vulnérabilité du sol, les chercheurs ont testé des échantillons d’argilite provenant du plancher. Ils ont trouvé une forte teneur en minéraux argileux, qui attirent l’eau et peuvent gonfler et se fragiliser au contact de l’humidité. Au microscope, la roche apparaissait poreuse et peu cohésive, avec de nombreux grains fins et un ciment faible entre eux. Dans de simples essais d’immersion, des blocs d’argilite ont commencé à s’effriter après seulement une minute sous l’eau et ont continué à se désagréger en absorbant davantage d’eau. Ces résultats montrent que la roche n’est pas seulement molle, elle est aussi facilement altérable par l’eau, ce qui la rend particulièrement sujette au gonflement et à la perte de résistance.

Modèles numériques de l’eau poussant le plancher vers le haut

Ensuite, l’équipe a construit un modèle informatique tridimensionnel de la galerie et des couches rocheuses environnantes. Ils ont simulé différentes pressions d’eau dans la couche calcaire profonde sous le plancher, de conditions sèches jusqu’à la pression élevée mesurée sur le terrain. Le modèle a suivi les déplacements du toit et du plancher de la galerie ainsi que l’étendue de la zone de roche dépassant sa limite de résistance. En conditions sèches, le soulèvement du plancher était faible et les dommages restaient superficiels. Lorsque la pression d’eau a été portée à la valeur souterraine réelle, le soulèvement simulé a atteint environ 2,5 mètres, et la zone de roche endommagée sous le plancher s’est approfondie à plus de six mètres, tandis que le toit bougeait à peine. Cela montre que la pression de l’eau depuis le bas, agissant sur une argilite déjà faible, est le principal moteur de la rupture du plancher.

Un schéma simple du mécanisme de rupture du sol

En s’appuyant sur des idées de la théorie des pressions des sols, les chercheurs ont ensuite proposé une représentation mécanique du mouvement du plancher. Ils ont divisé le plancher en une zone superficielle, où la roche a été affaiblie par l’infiltration, et une zone plus profonde, fortement affectée par l’aquifère sous pression. Dans ce schéma, des blocs de roche ramollie de part et d’autre du plancher sont comprimés vers l’intérieur et vers le haut sous le poids des terrains sus‑jacents et la poussée ascendante de l’eau. Leurs calculs suggèrent que la profondeur critique de rupture atteint environ 4,5 mètres. En termes simples, une épaisse tranche de roche ramollie sous la base de la galerie est poussée vers le haut et l’intérieur, provoquant le bombement du plancher dans l’espace de la galerie.

Un système de soutènement en couches qui tient l’eau à distance

Sur la base de ce diagnostic, l’équipe a conçu un nouveau système de soutènement adapté aux deux zones en profondeur. Dans la zone superficielle, ils ont installé des boulons courtscollés (groutés) pour solidariser la roche meuble et colmater les fissures. Dans la zone profonde, ils ont utilisé de longs câbles‑boulons coulis pour ancrer dans la roche plus compétente et limiter les déplacements là où la pression de l’eau est la plus forte. Une voûte en béton inversée a été construite dans le plancher et reliée à des soutènements en acier en U le long des parois, transformant l’ensemble du doublage en une anneau fermé qui résiste mieux au pistonnement depuis le bas. Ce dispositif vise à couper le contact direct entre l’eau souterraine et l’argilite la plus faible tout en répartissant les charges de façon plus homogène.

Du soulèvement incontrôlé à un mouvement maîtrisé

Le nouveau schéma de soutènement a été mis en œuvre dans une galerie de liaison voisine présentant les mêmes conditions de roche et d’eau. Sur deux mois de surveillance, le tassement du toit et les déplacements des parois sont restés faibles, et le plancher n’a monté que de 33 millimètres avant de se stabiliser, au lieu des mètres observés auparavant. Pour un public non spécialiste, le message clé est que comprendre comment l’eau fragilise la roche souterraine et comment la pression de l’eau agit sur les planchers de galerie permet de concevoir des soutènements ciblés et zonés qui réduisent fortement les mouvements dangereux dans les mines profondes.

Citation: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Mots-clés: soulèvement du sol, roche meuble, eau souterraine, renforcement de galerie, mine de charbon