Mechanical Deterioration and Micro-macro Damage Evolution Mechanisms of Underground Reservoir Coal-Pillar Dams Subjected to Drying-Wetting Cycles

La bataille cachée sous nos pieds

Imaginez la croûte terrestre non pas comme un sol solide et immuable, mais comme une géante éponge poreuse faite de roche et de charbon. Profondément sous terre, les mineurs ont laissé derrière eux de vastes cavernes vides appelées « goafs » après avoir fini d'extraire le charbon. Les scientifiques considèrent désormais ces espaces abandonnés comme des mines d'or potentielles pour un autre type de trésor : le stockage d'énergie. L'idée est d'inonder ces anciennes mines avec de l'eau pour créer de gigantesques réservoirs souterrains. Quand le soleil brille ou que le vent souffle, nous pompons l'eau vers le haut ; quand nous avons besoin d'électricité, nous la laissons redescendre pour faire tourner des turbines. C'est un plan brillant pour stocker l'énergie renouvelable, mais il y a un hic.

Les parois qui retiennent ce lac souterrain géant sont constituées des piliers de charbon restants. Ces piliers sont constamment imprégnés d'eau puis séchés à mesure que les niveaux d'eau montent et descendent, un processus que les scientifiques appellent « cycles de séchage-humidification ». Pensez à une éponge que vous imprégnez d'eau, que vous essorez, laissez sécher au soleil, puis imprégnez à nouveau. Avec le temps, ce trempage et ce séchage répétés peuvent faire s'effriter l'éponge. Dans le monde de la géologie, cet « effet éponge » est une préoccupation majeure car si les piliers de charbon deviennent trop faibles, l'ensemble du barrage souterrain pourrait céder. Ce document plonge au cœur de la manière exacte dont cet effritement se produit, en utilisant des dispositifs d'écoute de haute technologie et des scanners magnétiques pour voir ce qui se passe à l'intérieur du charbon à un niveau microscopique.

L'histoire du pilier qui s'effrite

Alors, qu'ont réellement fait les chercheurs ? Ils ont pris des morceaux de charbon provenant d'une véritable mine en Chine (la mine de charbon de Daliuta) et les ont soumis à un « traitement de spa » rigoureux qui était en réalité un test de torture. Ils ont imprégné le charbon d'eau, l'ont séché dans un four à 60 °C et ont répété ce cycle jusqu'à quatre fois. Ensuite, ils ont pressé ces blocs de charbon humides et secs dans une machine géante qui simulait la lourde pression de la terre au-dessus d'eux (en utilisant des pressions de 2, 4, 6 et 8 MPa). Pendant la compression, ils ont écouté le charbon avec des microphones ultra-sensibles (capteurs d'émission acoustique) et ont réalisé des « examens IRM » de l'intérieur (en utilisant la résonance magnétique nucléaire) pour voir comment les minuscules trous à l'intérieur du charbon changeaient.

Voici ce qu'ils ont découvert, et c'est un choc : la première fois que vous imprégnez et séchez le charbon, c'est là qu'il subit le plus gros impact.

Le charbon ne s'est pas seulement un peu affaibli ; il s'est considérablement affaibli immédiatement. Après un seul cycle, la capacité du charbon à maintenir sa cohésion (sa résistance à la compression) a chuté d'environ 17 % dans des conditions de faible pression. Au bout de quatre cycles, la résistance avait diminué d'environ 33 %. C'est comme un biscuit qui devient mou la première fois que vous le trempez dans du lait ; le deuxième et le troisième trempage le rendent plus mou, mais le premier trempage est celui où il perd son croquant. Les chercheurs ont également remarqué que la « colle » du charbon (appelée cohésion) était la première chose à disparaître, chutant de près de 36 % après quatre cycles, tandis que son « adhérence » (angle de frottement interne) a peine changé, ne chutant que d'environ 3 %. Cela nous indique que l'eau dissout les substances collantes qui maintiennent les particules de charbon ensemble beaucoup plus rapidement qu'elle ne modifie la façon dont les particules frottent les unes contre les autres.

Mais la véritable magie s'est produite lorsqu'ils ont écouté le charbon « hurler » pendant qu'ils le pressaient.

Le son de la rupture :
Les chercheurs ont utilisé les capteurs d'émission acoustique (AE) pour écouter les minuscules fissures se formant à l'intérieur du charbon. Ils ont constaté qu'au fur et à mesure que le charbon subissait des cycles de séchage-humidification, les « cris » (sons de haute amplitude) commençaient à se produire beaucoup plus tôt dans le processus de compression. En termes simples, le charbon abandonnait et commençait à se briser plus tôt. Ils ont également suivi un nombre appelé « valeur b », qui est comme un bulletin de notes sur la taille des fissures. Une valeur b élevée signifie beaucoup de petites fissures inoffensives ; une valeur b faible signifie moins de fissures, mais des fissures beaucoup plus grandes et dangereuses. Le document a révélé qu'à mesure que le charbon devenait plus humide et plus sec, la valeur b chutait. Cela suggère que le charbon passait de la formation d'un million de petites fissures gérables à la formation de quelques fissures massives et catastrophiques qui pourraient faire s'effondrer toute la structure.

Le grand changement : de la déchirure au glissement :
La découverte la plus intéressante est peut-être la manière dont le charbon se brise réellement. Au début, le charbon avait tendance à se briser par déchirure (fissures de traction), comme si l'on déchirait une feuille de papier. Mais après des cycles répétés de séchage-humidification, le mode de rupture a complètement changé. Le charbon a commencé à se briser par glissement (fissures de cisaillement), comme un jeu de cartes glissant sur une table. Les chercheurs ont utilisé un graphique spécial (RA vs AF) pour le prouver. Ils ont trouvé que la proportion de ruptures par « glissement » est passée d'environ 64 % pour le charbon sec à plus de 80 % pour le charbon ayant subi quatre cycles. L'eau a essentiellement transformé la structure interne du charbon en un toboggan glissant, le rendant beaucoup plus susceptible de subir un cisaillement et de céder.

L'effet éponge microscopique :
Enfin, ils ont regardé à l'intérieur du charbon via la RMN, qui agit comme un scanner pour l'eau et les pores. Ils ont découvert que le charbon est principalement composé de minuscules trous (micropores). Cependant, les cycles de séchage-humidification ont agi comme un ciseau microscopique. L'eau a dissous les minuscules particules minérales qui maintenaient ces petits trous ensemble. À mesure que ces minéraux se dissolvaient et s'en allaient, les minuscules trous fusionnaient et s'élargissaient en trous moyens et grands. Le pourcentage de micropores est passé de 95,6 % à 88,5 %, tandis que les gros pores dangereux sont passés d'un infime 0,6 % à 4,4 %. C'est comme si l'eau avait dévoré les murs entre les petites pièces, les transformant en une seule grande salle instable.

L'essentiel

Ce document suggère que le plus grand danger pour ces réservoirs souterrains n'est pas seulement que le charbon soit mouillé, mais que le cycle d'humidification et de séchage modifie fondamentalement la manière dont le charbon se brise. Il ne se contente pas de s'affaiblir ; il change de personnalité. Il passe d'un matériau qui se déchire à un matériau qui glisse, et il commence à céder bien plus tôt que nous ne pourrions l'attendre. Les premiers cycles sont ceux qui causent le plus de dommages, dissolvant la « colle » interne et transformant les micropores en zones de faiblesse majeures. Bien que la pression lourde de la terre (pression de confinement) aide à maintenir le charbon ensemble, elle ne peut pas totalement stopper cette transformation.

Pour les ingénieurs qui construisent ces centrales électriques souterraines, la leçon est claire : vous ne pouvez pas simplement examiner le charbon une seule fois. Vous devez tenir compte du fait qu'à chaque fois que le niveau de l'eau monte et descend, le charbon devient un peu plus glissant et un peu plus sujet au glissement. Les premières fois que cela se produit sont les plus critiques, et si vous ne concevez pas l'installation en tenant compte de cet affaiblissement initial rapide, tout le système pourrait être en danger. L'étude ne dit pas que le projet est impossible, mais elle affirme que nous devons être très prudents quant à la largeur de ces piliers de charbon pour garder l'eau — et l'énergie — en sécurité.