Étude sur l’effet de décompression et la portée de protection de l’exploitation à distance d’un banc protecteur inférieur basée sur une simulation physique similaire et PFC3D

Pourquoi une exploitation du charbon plus sûre est importante

Le charbon alimente encore une grande partie de l’électricité en Chine, mais son extraction peut provoquer des émissions soudaines de gaz et des effondrements rocheux mettant les mineurs en danger. Cette étude examine comment l’exploitation d’un banc de charbon profond peut soulager progressivement la pression dans un banc supérieur, facilitant le drainage du gaz et rendant l’exploitation suivante plus sûre. En combinant des modèles physiques en laboratoire et des simulations informatiques avancées, les chercheurs cartographient la manière dont la roche entre les bancs se fissure, se plie et se tasse au fur et à mesure de l’avancement des travaux.

Deux couches de charbon qui agissent ensemble

Le travail se concentre sur la mine n°6 de la province du Henan, où un banc plus profond appelé Wu 8 se situe à environ 72 mètres sous un banc supérieur nommé Ding 5.6. L’idée est d’exploiter d’abord le banc inférieur en tant que « banc protecteur ». Lorsque ce banc est retiré, le poids des couches sus-jacentes se réorganise, modifiant la pression dans le banc supérieur et ouvrant de petites voies permettant au gaz piégé de s’échapper. Si les ingénieurs peuvent prévoir où et jusqu’où cet effet de décompression se propage, ils peuvent positionner des forages de drainage de gaz et planifier l’exploitation future du banc supérieur de façon plus sûre et plus efficace.

Une mine à l’échelle réduite en laboratoire

Pour observer ce qui se passe hors de la vue sous terre, l’équipe a construit une grande maquette physique d’environ trois mètres de long et un mètre et demi de haut reproduisant les couches rocheuses réelles au-dessus du banc Wu 8. En utilisant du sable, du plâtre, du carbonate de calcium et de la mica pour représenter différents types de roche, ils ont recréé les couches empilées puis « exploité » le banc inférieur étape par étape. À mesure que la face de taille de la maquette avançait, ils ont observé comment la roche sus-jacente s’effondrait et où des fissures apparaissaient. Les fractures ont formé un trapèze large qui s’est étendu vers le haut et l’extérieur, traversant des stades d’initiation et de croissance, puis se refermant partiellement à mesure que les débris se compactaient.

Roches virtuelles et forces invisibles

Les modèles de laboratoire ne peuvent pas saisir tous les détails, aussi les chercheurs ont-ils utilisé des simulations informatiques tridimensionnelles basées sur des particules, connues sous le nom de PFC3D, pour suivre les contraintes et les motifs de fracture dans tout le massif rocheux. Dans cette mine virtuelle, la roche et le charbon sont représentés par des milliers de petites particules liées dont les interactions suivent les lois du mouvement. Au fur et à mesure de l’avancement simulé de la face de taille, le programme enregistre comment les contraintes verticales et horizontales évoluent à différentes hauteurs, comment les fractures se connectent en réseaux et comment le banc de charbon supérieur se déplace. Les résultats montrent que les contraintes verticales près de la zone exploitée atteignent environ quatre fois les contraintes horizontales, puis diminuent, creusant une zone de décompression qui se rétrécit avec la hauteur et prend une forme de plateforme trapézoïdale au-dessus du remblai (goaf).

Comment le banc supérieur se plie et s’étire

Les simulations révèlent également comment le banc protégé Ding 5.6 se déforme. Son profil de déplacement se transforme progressivement en un affaissement en forme de cuvette au-dessus du banc inférieur exploité. Au début, lorsque la progression de la face de taille est inférieure à la moitié de sa longueur, le tassement est faible et a une forme elliptique. À mesure que l’exploitation se poursuit, l’affaissement s’approfondit et s’élargit, avec la plus grande chute directement au-dessus du centre du remblai. Finalement, le fond de la « cuvette » s’aplatie à mesure que la roche sus-jacente se compacte et que le taux d’affaissement supplémentaire ralentit. En suivant la variation d’épaisseur du banc protégé, l’équipe calcule un taux de déformation par dilatation ; lorsque ce taux dépasse une valeur seuil, le charbon est considéré comme entièrement dépressurisé et beaucoup moins susceptible d’échouer violemment.

Tracer une zone sûre sous terre

En combinant les résultats de déformation et de contraintes, les auteurs décrivent la forme tridimensionnelle de la zone efficace de protection par décompression. Ils constatent que la région détendue dans le banc supérieur ne s’étend pas exactement au-dessus de la zone exploitée mais est décalée vers l’intérieur le long de la longueur et de la largeur de la face de taille. Le long de la longueur, la zone protégée commence et se termine environ 35–40 mètres à l’intérieur des limites réelles d’exploitation ; le long de la largeur, elle est reculée d’environ 11–14 mètres. Dans cette zone décalée, la contrainte verticale tombe en dessous d’une valeur critique d’environ 16,9 mégapascals et le taux de déformation par dilatation dépasse la norme utilisée dans les règles de sécurité chinoises. En termes pratiques, l’étude fournit aux planificateurs de mines des angles et des distances clairs qui indiquent où le drainage du gaz et l’extraction future du banc supérieur peuvent se dérouler avec un risque réduit d’éboulements de charbon et de gaz.

Citation: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Mots-clés: exploitation des couches de charbon, drainage du gaz, fissures dans la roche, sûreté des mines, simulation numérique