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Mechanical Behavior and Dual-Peak Strength Evolution of Coal Pillar–Granular Backfill Composite Body in Highwall Mining

Cette étude examine le comportement mécanique et l'évolution de la double résistance de pic d'un corps composite pilier de charbon–remblai granulaire dans l'exploitation par paroi haute, révélant comment la largeur du pilier et la hauteur du matériau granulaire influencent la résistance à travers des modèles établis afin de soutenir une récupération des ressources verte et sûre.

Auteurs originaux : Ya Tian, Lixiao Tu, Xuyang Shi, Xiang Lu, Yukun Yang, Fuming Liu

Publié 2026-07-28

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Ya Tian, Lixiao Tu, Xuyang Shi, Xiang Lu, Yukun Yang, Fuming Liu

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez la croûte terrestre comme un gigantesque gâteau à plusieurs couches. Parfois, les mineurs veulent manger tout le gâteau, mais les couches supérieures sont trop abruptes ou les couches inférieures sont piégées d'une manière qui les rend impossibles à atteindre avec une pelle normale. C'est le monde de l'exploitation minière à ciel ouvert, où de gigantesques machines creusent le charbon de la surface. Mais en creusant plus profondément, elles laissent derrière elles un « mur » de roche et de charbon au bord de la fosse, emprisonnant des couches de charbon précieuses juste en dessous. Ce charbon piégé est appelé charbon de flanc de paroi (end-slope coal). S'il est laissé tel quel, il est perdu à jamais, enseveli sous des tonnes de déblais. Pour l'extraire, les ingénieurs utilisent une astuce ingénieuse appelée exploitation par haute paroi (highwall mining), qui envoie un robot mineur télécommandé dans la couche de charbon depuis le bord de la fosse, creusant de longs tunnels.

Cependant, ce robot ne peut pas creuser l'intégralité de la couche d'un coup, sinon le toit s'effondrerait. Il laisse donc derrière lui d'épais piliers de charbon pour soutenir le plafond, comme les piliers d'un temple antique. Le problème ? Avec le temps, ces piliers de charbon peuvent se fatiguer, se fissurer et céder, provoquant l'affaissement du sol ou même un incendie. Pour empêcher cela, les mineurs testent une nouvelle idée : le remblayage (backfilling). Au lieu de laisser les tunnels vides, ils remplissent l'espace autour des piliers de charbon avec des roches concassées et des graviers (matériau granulaire). Imaginez cela comme le fait de remplir un vase cassé avec des cacahuètes de calage pour l'empêcher de se briser. La grande question que se posent les scientifiques est la suivante : comment ce combo « pilier de charbon plus cacahuètes de calage » résiste-t-il réellement à la pression ? Est-ce que la roche meuble aide, ou est-ce qu'elle gêne simplement ?

Ce document plonge précisément dans cette question en construisant une version miniature de ce monde souterrain dans un laboratoire. Les chercheurs, dirigés par Ya Tian et Xuyang Shi de l'Université de technologie minière de Chine, ont créé une machine spéciale pour tester un Corps Composite Pilier de Charbon–Remblai Granulaire (CGCB). Ils n'ont pas seulement poussé sur un bloc de charbon ; ils ont construit un sandwich avec un pilier de charbon au milieu et de la roche concassée de chaque côté, puis l'ont compressé pour voir ce qui se passait.

Ce qu'ils ont découvert est étonnamment dramatique et ressemble un peu à une pièce de théâtre en deux actes. Lorsqu'ils ont compressé leur sandwich de charbon et de roche, celui-ci ne s'est pas contenté de se briser une fois en abandonnant la partie ; il a montré une résistance à double pic (dual-peak strength), ce qui signifie qu'il a eu deux moments distincts de puissance maximale. Le premier pic, qu'ils appellent résistance α, survient lorsque le pilier de charbon commence à se fissurer. Le second pic, la résistance β, survient plus tard, après que le charbon s'est un peu effrité mais que la roche meuble sur les côtés s'est resserrée et a pris le relais de la charge.

Les chercheurs ont découvert que la taille du pilier de charbon est très importante. Si le pilier est trop étroit, il se brise facilement. S'il est juste assez large (environ 100 mm dans leur test), le premier pic est fort. Mais si le pilier devient encore plus large, le premier pic s'affaiblit en réalité car le charbon lui-même contient plus de fissures cachées (un phénomène connu sous le nom d'« effet de taille »). Cependant, le second pic — la résistance β — est une autre histoire. Il devient de plus en plus fort à mesure que le pilier de charbon s'élargit, suivant une courbe mathématique spécifique.

Plus intéressant encore est le rôle de la roche meuble. L'équipe a découvert que la hauteur du matériau granulaire (la quantité de « cacahuètes de calage » utilisées) agit comme un superchargeur. Plus ils empilent de roche, plus le second pic devient fort. En fait, lorsqu'ils ont rempli l'espace jusqu'à une hauteur de 95 mm, la résistance du second pic était jusqu'à 6,48 fois plus forte que lorsqu'il n'y avait aucune roche. Cela suggère que la roche meuble ne se contente pas de remplir l'espace ; elle comprime activement le charbon, l'empêchant de s'effondrer complètement, et prend elle-même le poids une fois que le charbon est endommagé.

Ils ont également testé différents types de tailles de roche. Ils ont constaté que les roches ayant un « angle de frottement » plus élevé (une façon élégante de dire que les roches sont plus rugueuses et s'agrippent mieux entre elles) rendaient l'ensemble du système plus solide. Plus les roches sont rugueuses, mieux elles maintiennent le charbon ensemble.

Les auteurs ont construit un modèle mathématique pour expliquer cela, traitant le pilier de charbon comme un mur et la roche meuble comme un sol poussant contre lui. Ils ont réalisé qu'à mesure que le charbon se fissure, la roche meuble pousse en retour (comme un ressort qui se comprime), créant une « pression de terre passive » qui sauve la structure. Cela se produit en trois étapes : d'abord, le char

Résumé technique : Comportement mécanique et évolution de la résistance à double pic du corps composite pilier de charbon–remblai granulaire en exploitation par décapage de haute paroi

Énoncé du problème
L'exploitation par décapage de haute paroi (highwall mining) est une technique critique pour la récupération des ressources de charbon « de pente terminale » (end-slope) isolées dans les mines à ciel ouvert, qui représentent autrement 5 à 15 % des réserves totales. Cependant, l'exploitation traditionnelle par décapage laisse des piliers de charbon qui sont sujets à une instabilité à long terme, entraînant un affaissement de surface et un risque de combustion spontanée. Bien que le remblayage offre une solution, les recherches existantes se sont largement concentrées sur les remblais pâteux cohérents. L'utilisation de déblais granulaires in situ (remblai solide) est souvent perçue avec scepticisme en raison des limites des méthodes analytiques traditionnelles pour capturer les gains de résistance post-consolidation et les mécanismes de confinement latéral dynamique. Il existe une lacune critique dans la compréhension de l'évolution de la résistance d'un corps composite formé par des piliers de charbon et un remblai granulaire sous l'influence de divers paramètres d'exploitation.

Méthodologie
Pour combler cette lacune, les auteurs ont développé un nouveau cadre expérimental et théorique centré sur un « Corps Composite Pilier de Charbon–Remblai Granulaire » (CGCB).

Appareillage expérimental : Un dispositif de test de compression axiale spécialisé a été conçu de manière indépendante pour simuler le champ de contraintes in situ. L'appareil comprend une base, des plaques de retenue avant/arrière, des plaques de retenue latérale et un mécanisme de transfert de pression latérale. Il intègre plusieurs capteurs de pression (modèles F5Y et F9Y) pour surveiller en temps réel les variations de contrainte dans le matériau granulaire (latéral et vertical) et dans le pilier de charbon.
Matériaux : Les spécimens de charbon proviennent du gisement de charbon de Zhundong (résistance à la compression uniaxiale ~11,16 MPa). Les matériaux granulaires ont été collectés de la mine à ciel ouvert de Tianchi Energy South, avec des tailles de particules ajustées via une méthode de gradation par similitude jusqu'à un maximum de 5 mm. Trois schémas de gradation ont été testés pour faire varier l'angle de frottement interne et la cohésion.
Matrice de tests : Trente-cinq schémas de tests ont été réalisés à l'aide d'une machine d'essai hydraulique WAW-600. Les variables comprenaient les largeurs de piliers de charbon (50–150 mm), les hauteurs de matériau granulaire (0–95 mm) et les gradations de particules. Les tests ont été effectués sous contrôle de déplacement jusqu'à une déformation axiale de 10 %.
Modélisation théorique : Un modèle mécanique par étapes a été établi sur la base de la théorie de la pression des terres et du critère de Mohr–Coulomb. Le modèle divise le processus de portance en trois étapes : portance collaborative stationnaire, portance collaborative dynamique et stabilisation de la portance collaborative. Il calcule l'évolution de la résistance en ajustant de manière itérative la pression de terre passive exercée par le matériau granulaire à mesure que le pilier de charbon échoue et se consolide.

Résultats clés
L'étude a révélé une réponse contrainte-déformation distinctive à « double pic » dans le CGCB, caractérisée par un pic initial ( $\alpha$ -résistance) et un pic secondaire ( $\beta$ -résistance).

Évolution de la résistance à double pic :
- $\alpha$ -résistance (Défaillance initiale) : Cette résistance augmente initialement avec la largeur du pilier de charbon (atteignant un sommet à 100 mm) puis diminue, reflétant une compétition entre l'effet de largeur et l'effet de taille (où les piliers plus larges contiennent plus de défauts). Elle présente une augmentation linéaire avec la hauteur du matériau granulaire.
- $\beta$ -résistance (Défaillance ultérieure) : Cette résistance suit une relation de loi de puissance et augmente continuellement avec la largeur du pilier de charbon. Elle est nettement plus sensible à la hauteur du matériau granulaire que l' $\alpha$ -résistance ; pour un pilier de 150 mm, la $\beta$ -résistance à 95 mm de hauteur était jusqu'à 6,48 fois supérieure à celle à 0 mm de hauteur. Dans certains cas, la $\beta$ -résistance a dépassé l' $\alpha$ -résistance, particulièrement dans les piliers plus larges où l'échelle de la défaillance initiale était faible par rapport au spécimen.
Influence de la gradation granulaire :
- Bien que la cohésion granulaire ait eu un effet négligeable, l'angle de frottement interne a influencé de manière significative la résistance. Des angles de frottement interne équivalents plus élevés (obtenus grâce à des gradations spécifiques) ont augmenté à la fois l' $\alpha$ et la $\beta$ -résistance.
- L'influence de la gradation sur la $\beta$ -résistance était plus prononcée dans les piliers plus étroits (jusqu'à 41,67 % de variation) et diminuait à mesure que la largeur du pilier augmentait.
Mécanismes de contrainte et de rupture :
- L'augmentation de la hauteur granulaire et de la largeur du pilier a élevé la contrainte horizontale dans la couche granulaire, fournissant un confinement latéral qui a limité la propagation des fissures dans le pilier de charbon.
- Les modes de rupture sont passés d'un éclatement axial fragile (dans les piliers étroits sans remblai) à une rupture par cisaillement ductile (dans les pilières plus larges ou avec un remblai élevé).
- La modélisation théorique a confirmé que la transition de la résistance $\alpha$ à la résistance $\beta$ correspond à la défaillance initiale du pilier de charbon et à la génération subséquente de pression de terre passive par le matériau granulaire en cours de consolidation.

Signification et revendications
L'article affirme fournir des informations fondamentales sur le mécanisme d'évolution de la résistance des composites pilier de charbon–remblai granulaire, un sujet auparavant sous-étudié. En établissant un cadre de recherche systématique et un parcours complet d'évolution de la résistance, l'étude offre une base scientifique pour :

Évaluer la stabilité à long terme des pentes remblayées.
Concevoir des mesures efficaces de contrôle de l'affaissement.
Promouvoir des stratégies plus sûres et plus respectueuses de l'environnement pour la récupération des ressources de charbon de pente terminale en utilisant du remblai solide.

Les auteurs maintiennent un ton modeste concernant la portée de leurs conclusions, notant explicitement que les conclusions sont dérivées d'échantillons à l'échelle du laboratoire. Ils précisent que l'applicabilité de ces résultats à l'ingénierie de terrain à pleine échelle nécessite une vérification supplémentaire dans des études ultérieures. Le travail vise à combler le fossé entre la compréhension théorique et la mise en œuvre pratique des pratiques minières vertes dans les environnements à ciel ouvert.

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