Mécanisme de rupture du massif rocheux et contrôle synergique par soutien fort–soulagement de pression important pour les routes d’accès en banc inférieur dans des groupes de couches charbonnières à faible distance

Pourquoi des galeries minières plus sûres sont importantes

En profondeur, les mineurs dépendent de galeries étroites pour atteindre les bancs de charbon. Quand la roche autour de ces passages se déplace ou se rompt brutalement, cela peut provoquer des heurts violents, des effondrements et des fermetures coûteuses. Cette étude examine une situation particulièrement délicate dans une mine chinoise, où deux couches de charbon sont proches l’une de l’autre et où les galeries du banc inférieur se trouvent sous des zones déjà exploitées et des blocs de charbon résiduels. Les auteurs expliquent pourquoi la roche d’un côté de ces galeries cède plus facilement, et ils testent une approche combinée qui renforce à la fois les parois de la galerie et soulage en douceur la pression accumulée dans le massif rocheux environnant.

Contraintes cachées issues des anciennes exploitations

Dans la zone minière de Jiaoping, un banc de charbon a déjà été exploité, laissant des vides appelés chantiers abandonnés (goafs) et des piliers de charbon rigides qui soutiennent le toit. Un second banc, plus profond, est maintenant extrait en dessous. Le poids des couches sus-jacentes et des piliers rigides n’exerce pas une pression uniforme sur les galeries inférieures. Au contraire, la contrainte se concentre du côté situé sous le pilier de charbon, tandis que l’autre côté repose sous une zone partiellement relaxée. L’eau qui s’infiltre dans le goaf ancien peut aussi ramollir le charbon et la roche, augmentant le risque d’altération progressive des sols et des parois. Des calculs et des mesures géologiques montrent que les dommages dus au banc supérieur atteignent environ 10 à 15 mètres en profondeur, ce qui suffit à influencer l’emplacement et la conception des nouvelles galeries.

Choisir un meilleur tracé de galerie

En s’appuyant sur la théorie de la mécanique des roches, l’équipe a estimé la profondeur à laquelle le sol sous le banc supérieur avait été fissuré par les exploitations passées et par la charge concentrée des piliers résiduels. Elle a ensuite comparé différentes manières d’aligner la nouvelle galerie inférieure par rapport aux travaux anciens. Si la galerie inférieure chevauche la zone de haute contrainte sous le pilier, elle subit un chargement fort et inégal. Si elle est décalée vers l’extérieur, elle peut néanmoins demeurer à l’intérieur de cette zone. Le choix le plus favorable consiste à décaler la galerie inférieure vers l’intérieur, vers l’espace déjà exploité, où la pression a partiellement été relâchée. Cette disposition en décalage interne évite les roches les plus fortement chargées et réduit la tendance naturelle d’un côté de la galerie à se déformer davantage que l’autre.

Soutien fort combiné au soulagement de pression

Un bon soutènement reste essentiel. La mine a adopté un schéma de « soutien fort » utilisant des boulons d’acier denses, des bandes d’acier, des grillages et des câbles à haute tension ancrés dans le toit et les parois. Ce système serre la roche fracturée et permet à la roche peu profonde entourant l’ouverture de fonctionner comme une coque porteuse unique. Pour aller plus loin, les chercheurs ont ajouté une étape de « soulagement de pression important » : ils ont foré de longs trous inclinés depuis la galerie vers le charbon et la roche sus-jacents puis injecté de l’eau à haute pression pour créer des fractures contrôlées. Une analyse attentive de l’interaction entre la pression du fluide et le champ de contraintes naturel a guidé le choix des angles de forage afin que les fractures s’amorcent et se propagent à des pressions d’injection relativement faibles, ouvrant des voies pour que les contraintes et l’énergie se redistribuent loin de la galerie.

Observer la réponse de la roche

L’équipe a utilisé des simulations numériques et des mesures souterraines pour observer la réaction de la roche sous des chargements lents et des impacts brusques, qui imitent de petits événements sismiques. Dans des conditions statiques, la galerie renforcée ne s’est déformée que légèrement et les déplacements sont restés bien en deçà des limites de sécurité, bien que les contraintes et les efforts sur les boulons aient été nettement plus élevés du côté du pilier de charbon. Lorsque des charges d’impact ont été ajoutées aux modèles, deux schémas sont apparus. Les impacts portant principalement au-dessus du toit tendent à provoquer des fissures par traction au centre du toit. Les impacts près de l’angle toit–paroi provoquent un fort écrasement latéral de la paroi et un affaissement global du toit, un mode de rupture plus sévère. Après la fracturation hydraulique, des relevés électriques ont montré de larges zones de basse résistivité où des fissures remplies d’eau s’étaient formées, confirmant que la roche avait été fragilisée et que la contrainte avait été redistribuée. Les jauges de terrain ont enregistré que les efforts sur boulons et câbles restaient dans des plages sûres et que la zone de roche « desserrée », bien qu’en expansion, demeurait maîtrisée par le système de soutènement.

Ce que cela signifie pour la sécurité minière

Pout la mine étudiée, le travail montre que le chargement inégal causé par les piliers de charbon résiduels est la principale raison pour laquelle un côté des galeries du banc inférieur cède plus facilement. En positionnant la galerie dans une zone à pression relâchée, en ancrant solidement la roche avoisinante et en utilisant des fracturations hydrauliques ciblées pour évacuer les contraintes profondes, les ingénieurs peuvent maintenir les déformations dans des limites sûres même lorsque la roche subit de petites secousses. Les auteurs soutiennent que cette stratégie couplée de soutien fort et de soulagement de pression important, appuyée par une surveillance attentive, offre une voie pratique vers une extraction du charbon plus sûre et plus efficace dans d’autres mines présentant des couches empilées et des conditions de contrainte complexes.

Citation: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Mots-clés: exploitation charbonnière, stabilité des galeries, éclatement rocheux, fracturation hydraulique, simulation numérique