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Modified Mohr-Coulomb Criterion and Risk Coefficient for Mining-Induced Fault Slip

Cette étude propose un critère de Mohr-Coulomb modifié et un coefficient de risque de glissement de faille dynamique ( $R_f$ ) pour évaluer la stabilité des failles induites par l'exploitation minière, révélant, à travers des simulations physiques et une modélisation FLAC3D, que les pendages élevés et les coefficients de pression latérale importants augmentent significativement les risques de glissement.

Auteurs originaux : Shi Ruiming, Wang Hongwei

Publié 2026-08-10

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Shi Ruiming, Wang Hongwei

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 gâteau géant à plusieurs couches, mais au lieu de glaçage et de génoise, elle est faite de roche, de charbon et d'anciennes failles — des fissures où le sol a glissé par le passé. Profondément sous terre, les mineurs creusent des tunnels pour extraire le charbon, ce qui revient à prélever une tranche de ce gâteau. Mais voici la partie délicate : lorsque vous retirez une tranche, les couches supérieures ne se contentent pas de rester là ; elles se déplacent, s'affaissent et parfois se brisent. C'est là que les choses deviennent dangereuses. Si une fissure cachée (une faille) se trouve à proximité, le déplacement du poids de la roche au-dessus peut pousser ou tirer sur elle. Si la poussée est trop forte, la fissure peut soudainement glisser, libérant une énorme quantité d'énergie. Dans le monde minier, c'est ce qu'on appelle un « coup de charbon » (coal burst), et c'est comme un minuscule tremblement de terre souterrain qui peut être dévastateur. Pour prédire cela, les scientifiques utilisent une règle classique appelée le critère de Mohr-Coulomb. Voyez cette règle comme une équation mathématique simple qui dit : « Si la force de glissement sur une fissure devient plus forte que la friction qui la maintient ensemble, la fissure va glisser. » Cependant, cette vieille règle a été conçue pour des situations statiques, comme une roche immobile. Elle ne tenait pas compte du stress chaotique et mobile causé par une machine minière avançant avec force.

Cet article, écrit par Shi Ruiming et Wang Hongwei, tente de corriger cette ancienne règle en y ajoutant l'« effet minier ». Ils voulaient voir exactement comment le stress sur une faille change à mesure qu'une face de taille se rapproche, et ils voulaient créer un nouveau « score de risque » pour avertir les mineurs lorsqu'une faille est sur le point de glisser. Ils n'ont pas fait que deviner ; ils ont construit un modèle physique utilisant du sable et de la chaux pour imiter les couches rocheuses, et ils ont utilisé de puissantes simulations informatiques (FLAC3D) pour tester des milliers de scénarios. Ils ont observé comment l'angle de la faille et la pression provenant des côtés de la terre (pression latérale) modifient la donne. Leur principale conclusion est que le risque ne dépend pas seulement de la proximité du mineur avec la faille ; c'est une danse complexe entre l'angle de la faille, la pression latérale et la distance. Ils ont découvert que les failles à angle élevé (fissures abruptes) sont particulièrement délicates car elles ont tendance à retenir le stress jusqu'à ce qu'elles se brisent soudainement, tandis que la pression latérale détermine où sur la faille le stress se relâche. Ils proposent un nouveau « Coefficient de Risque de Glissement de Faille » ( $R_f$ ) qui agit comme un tableau de bord en temps réel, montrant aux mineurs exactement à quel point ils sont proches d'un désastre en fonction de ces conditions changeantes.

L'histoire de la fissure qui glisse

Alors, comment savoir si une fissure dans le sol va céder ? Les auteurs ont commencé par mettre à jour l'ancienne « règle de glissement ». Par le passé, les scientifiques utilisaient une formule qui comparait la force de glissement à la friction maintenant la roche ensemble. Si le glissement était plus fort, la roche glissait. Mais cela revenait à essayer de prédire un accident de voiture en ne regardant la voiture que lorsqu'elle est garée. Cela ne tenait pas compte du fait que le sol tremble parce qu'une machine géante est en train de creuser à proximité. Les auteurs ont modifié la formule pour inclure l'« effet minier ». Ils ont réalisé qu'à mesure que la face de taille avance, elle crée une zone de stress élevé juste devant elle et une zone de faible stress (relâchement) derrière elle. Cette onde de stress mobile frappe la faille, modifiant les forces exercées sur elle en temps réel.

Pour tester cela, ils ont construit un monde miniature en laboratoire. Ils ont utilisé un bloc de matériau composé de sable fin, de chaux et de gypse pour représenter les couches rocheuses, avec une « faille » traversant l'ensemble. Ils ont placé des capteurs (de petits détecteurs de pression) partout sur le modèle pour observer ce qui se passait alors qu'ils « minaient » (coupaient) la couche de matériau strate par strate. Ils ont découvert qu'en creusant plus près de la faille, le stress sur la faille ne faisait pas que monter progressivement ; il se comportait par étapes. D'abord, c'était stable. Ensuite, à mesure qu'ils approchaient, le stress commençait à augmenter lentement. Enfin, quand la face de taille était très proche (environ 70 cm dans leur modèle), le stress a bondi brusquement, et la faille a effectivement glissé. Le modèle physique a montré que la roche du toit s'effondrait en gros blocs, libérant de grandes quantités d'énergie qui déclenchaient le mouvement de la faille.

Mais un modèle de sable ne peut vous dire qu'une partie de la vérité. Pour obtenir un regard plus profond, les auteurs se sont tournés vers une simulation informatique. Ils ont construit une version numérique de la mine, large de 192 mètres et profonde de 48 mètres, et ils l'ont testée avec des failles à différents angles : 35°, 45°, 55°, 65° et 75°. Ils ont également modifié le « coefficient de pression latérale », qui est essentiellement un nombre indiquant à quel point la terre comprime la roche par les côtés. Ils ont testé trois niveaux : 0,7 (faible compression), 1,0 (compression moyenne) et 1,3 (haute compression).

C'est ici que l'histoire devient intéressante. L'angle de la faille importe énormément. Les simulations ont montré que les failles abruptes (angles de pendage élevés) sont plus dangereuses que les failles peu inclinées. Pourquoi ? Parce que les failles abruptes ont tendance à conserver leur « contrainte normale » (la force pressant les deux côtés de la fissure l'un contre l'autre) même lorsque l'extraction se rapproche. Lorsque la face de taille devient très proche, ce stress ne s'atténue pas ; il reste élevé, ou augmente même par endroits, tandis que la « contrainte de cisaillement » (la force tentant de faire glisser la fissure) grimpe et chute de manière erratique. C'est comme un élastique tendu qui finit par se rompre brusquement. Les auteurs ont découvert que pour ces failles abruptes, la contrainte de cisaillement peut passer de son point le plus bas à son point le plus haut très rapidement, créant la tempête parfaite pour un glissement soudain.

La pression latérale (coefficient de pression latérale) joue également un rôle majeur dans la détermination de l'endroit où se situe le danger. Lorsque la pression latérale est faible (0,7), le relâchement de stress se produit principalement au sommet de la faille. Cela signifie que la partie supérieure devient lâche, mais que la partie inférieure reste serrée, de sorte que la faille entière ne glisse pas d'un coup. Cependant, lorsque la pression latérale est élevée (1,0 ou 1,3), l'histoire change. Le relâchement de stress se déplace vers le bas de la faille. Désormais, la partie inférieure devient lâche tandis que la partie supérieure reste serrée, mais plus important encore, la contrainte de cisaillement s'accumule sur l'ensemble de la faille. Le tout devient une « zone d'accumulation de stress », ce qui signifie que l'ensemble est prêt à glisser d'un coup. C'est la différence entre une charnière de porte un peu lâche en haut et une porte qui a été coincée puis soudainement forcée pour s'ouvrir.

Le nouveau score de risque

Pour rendre tout cela utile aux vrais mineurs, les auteurs ont créé un nouvel outil : le Coefficient de Risque de Glissement de Faille ( $R_f$ ). Imaginez un tableau de bord dans une salle de contrôle de mine. Ce nombre est calculé en divisant la force tentant de faire glisser la faille par la force la maintenant ensemble.

Si le nombre est inférieur à 1,0, la faille est sûre (la force de maintien l'emporte).
Si le nombre est exactement de 1,0, la faille est sur le point de glisser.
Si le nombre est supérieur à 1,0, la faille a glissé ou est sur le point de le faire.

Les auteurs ont utilisé leurs simulations pour voir comment ce nombre change à mesure que la face de taille avance. Ils ont trouvé que le risque n'est pas constant. Lorsque la face de taille est éloignée, une faille avec un angle de 45° présente en réalité le risque le plus élevé. Mais à mesure que la face de taille se rapproche de la faille, le risque change. Soudain, les failles abruptes (65° et 75°) deviennent les plus dangereuses. C'est comme une course où le leader change selon la proximité de la ligne d'arrivée.

De plus, la pression latérale change aussi la course. Dans les premières étapes de l'extraction, une pression latérale plus faible (0,7) rendait en fait le score de risque plus élevé. Mais à mesure que la face de taille se rapprochait, une pression latérale plus élevée (1,3) faisait grimper le score de risque de façon fulgurante sur toute la faille. Les auteurs suggèrent que le scénario le plus dangereux est la combinaison d'une faille abrupte et d'une haute pression latérale lorsque la face de taille est juste à côté de la faille. Dans cette situation, la faille est sous une forte « cisaillement-compression », ce qui signifie qu'elle est compressée et poussée à glisser en même temps, rendant un glissement soudain et violent très probable.

Ce que cela signifie

L'article ne prétend pas avoir résolu le problème des coups de charbon pour toujours. Au lieu de cela, il offre une nouvelle façon d'aborder le problème. En modifiant l'ancienne règle de glissement pour inclure le stress mobile de l'extraction, et en créant un score de risque dynamique, les auteurs fournissent une méthode pour voir le danger au moment où il se produit. Ils ont montré qu'on ne peut pas simplement regarder l'angle de la faille ou la pression séparément ; il faut observer comment ils interagissent à mesure que la face de taille avance. Leurs simulations suggèrent que si vous avez une faille abrupte et une haute pression latérale, vous devez être extrêmement prudent lorsque la face de taille s'approche. Le risque n'est pas un chiffre statique ; c'est une cible mouvante qui change avec chaque mètre de charbon extrait.

En résumé, cette recherche donne aux mineurs une meilleure carte. Elle leur indique que le danger ne dépend pas seulement de la profondeur ou de la taille de la faille, mais de la danse spécifique entre l'angle de la faille, la pression latérale de la terre et la proximité de la machine minière. En surveillant la montée du « Coefficient de Risque » ( $R_f$ ), ils pourraient être en mesure d'arrêter la machine avant que le sol ne décide de lâcher prise.

Résumé technique : Critère de Mohr-Coulomb modifié et coefficient de risque pour le glissement de faille induit par l'exploitation minière

Énoncé du problème
Les opérations d'exploitation minière de charbon profond font face à des menaces croissantes liées aux fortes contraintes in situ et aux perturbations intenses induites par l'exploitation, le déclenchement de failles et leur glissement étant identifiés comme les principaux facteurs de déclenchement d'accidents de coup de charbon destructeurs. Bien que le critère classique de Mohr-Coulomb soit largement utilisé pour prédire le glissement de faille, il est limité aux analyses statiques ou quasi statiques et ne parvient pas à capturer les changements dynamiques de trajectoire de contrainte ainsi que la redistribution des contraintes en temps réel causée par l'avancement des fronts de taille. Les méthodes d'évaluation des risques existantes reposent souvent sur des paramètres géologiques statiques et manquent d'un indice discriminant dynamique capable de refléter de manière exhaustive l'interaction entre la géométrie de la faille, les coefficients de pression latérale et la distance de l'exploitation. Par conséquent, il existe un besoin urgent d'un cadre théorique et d'un outil d'évaluation capables d'évaluer la stabilité des failles sous des conditions minières dynamiques.

Méthodologie
Cette étude emploie une approche multidimensionnelle combinant modification théorique, simulation physique et modélisation numérique :

Modification théorique : Les auteurs modifient le critère classique de Mohr-Coulomb pour y intégrer les effets des contraintes induites par l'exploitation. Un modèle mécanique est établi pour calculer les contraintes normales et de cisaillement sur un plan de faille sous l'influence de la contrainte de pointe induite par l'exploitation et de la redistribution des contraintes. Sur cette base, un Coefficient de Risque de Glissement de Faille ( $R_f$ ) est défini comme le rapport entre la contrainte de cisaillement et la résistance au cisaillement ( $R_f = \tau_m / (\mu \sigma_{Nm})$ ). Ce coefficient permet une évaluation en temps réel : $R_f < 1,0$ indique la stabilité, $R_f = 1,0$ indique un état critique, et $R_f > 1,0$ indique un glissement.
Simulation physique : Un modèle physique (210×120×20 cm³) simulant les conditions géologiques du front de taille 21221 de la mine de charbon de Qianqiu a été construit. En utilisant du sable fin, de la chaux et du gypse, le modèle a reproduit les couches de grès, de mudstone, de charbon et de conglomérat. Des cellules de pression et des capteurs de déformation ont surveillé l'évolution des contraintes dans les strates sus-jacentes et à l'interface de la faille pendant la simulation de l'excavation.
Simulation numérique : Le logiciel FLAC3D a été utilisé pour mener des simulations numériques systématiques basées sur le contexte de la mine de charbon de Qianqiu. L'étude a examiné les effets de la variation des angles de pendage des failles (35°, 45°, 55°, 65°, 75°) et des coefficients de pression latérale (0,7, 1,0, 1,3) sur la distribution des contraintes et l'évolution du coefficient de risque.

Résultats clés

Caractéristiques de l'évolution des contraintes : Les résultats physiques et numériques indiquent qu'à mesure que le front de taille avance, les contraintes de la faille passent par trois étapes : stable, augmentation lente et augmentation brutale. Les failles à fort pendage présentent une contrainte normale résiduelle plus élevée et une distribution de la contrainte de cisaillement non uniforme, caractérisée par des transitions abruptes entre les valeurs minimales et maximales.
Impact de l'angle de pendage :
- Stade initial de l'exploitation : Les failles ayant un angle de pendage de 45° présentent le coefficient de risque le plus élevé.
- Stade tardif de l'exploitation (approche de la faille) : Les failles à fort pendage (ex. 65°–75°) montrent le risque le plus marqué. À mesure que l'angle de pendage augmente, la contrainte normale résiduelle s'élève, et les failles à fort pendage sont plus sujettes à la concentration de contraintes et à des mutations soudaines de la contrainte de cisaillement.
- Distribution des contraintes : Dans les modèles à fort pendage, la contrainte de cisaillement minimale peut soudainement se transformer en contrainte de cisaillement maximale à mesure que le front de taille approche, révélant un potentiel de glissement sévère.
Impact du coefficient de pression latérale :
- Inférieur à 1,0 : La libération de la contrainte normale se concentre dans la partie supérieure de la faille, tandis que la libération de la contrainte de cisaillement se produit dans la section supérieure et s'accumule dans la section inférieure. Cela entraîne un état de déverrouillage local avec un risque de glissement global relativement faible.
- Égal ou supérieur à 1,0 : La zone de libération de la contrainte normale se déplace vers la partie inférieure de la faille. La contrainte de cisaillement s'accumule de manière significative sur l'ensemble du plan de faille, plaçant la faille dans un état de cisaillement-compression élevé. Cette condition augmente considérablement le risque technique de glissement de cisaillement soudain.
Dynamique du coefficient de risque : Le coefficient de risque de glissement de faille ( $R_f$ ) augmente dynamiquement à mesure que le front de taille progresse. Le risque le plus prononcé se produit sous l'influence combinée d'un coefficient de pression latérale élevé et d'un angle de pendage élevé lorsque le front de taille est proche de la faille.

Signification et revendications
L'étude affirme fournir une base scientifique pour l'évaluation de la stabilité des failles affectées par l'exploitation et la prévention des coups de charbon dans les environnements miniers profonds. En modifiant le critère de Mohr-Coulomb pour inclure les effets de l'exploitation, les auteurs établissent un modèle mécanique qui reproduit le processus dynamique du glissement induit par l'exploitation. L'introduction du Coefficient de Risque de Glissement de Faille ( $R_f$ ) offre un indice discriminant dynamique qui surmonte les limites de l'analyse statique, permettant l'évaluation en temps réel des risques de glissement. Les résultats suggèrent que la surveillance du $R_f$ peut aider à ajuster dynamiquement les stratégies minières et les mesures de sécurité, soulignant particulièrement le danger critique posé par la combinaison de coefficients de pression latérale élevés et d'angles de pendage de faille élevés lors des phases finales de l'avancement du front de taille vers une faille.

L'histoire de la fissure qui glisse

Le nouveau score de risque

Ce que cela signifie

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