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Numerical study on roadway stress control of surrounding rock through hydraulic fracturing-induced cracks in gob-side roof based on phase-field theory

Cette étude emploie un modèle de champ de phase pour démontrer que l'optimisation des paramètres de fracturation hydraulique afin de maximiser la connectivité du réseau de fractures est cruciale pour contrôler efficacement le stress des voies de communication et atténuer la concentration de contraintes dans les galeries des mines de charbon de type gob-side.

Auteurs originaux : Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

Publié 2026-08-18

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

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

Profondément sous la surface de la terre, là où le charbon est extrait pour alimenter les villes, la roche entourant les tunnels fait face à un écrasement constant et broyeur. À mesure que les mineurs retirent une couche de charbon, le poids des montagnes au-dessus se déplace, concentrant une pression immense sur les étroites bandes de roche laissées derrière pour soutenir les plafonds des tunnels. Cette pression provoque la déformation, la fissuration et parfois l'effondrement de la roche, rendant les tunnels dangereux et difficiles à entretenir. Pour maintenir ces passages ouverts, les ingénieurs utilisent depuis longtemps une technique appelée fracturation hydraulique. Celle-ci consiste à pomper du fluide dans la roche pour créer des fissures qui agissent comme des soupapes de pression, permettant à la roche de se détendre et au stress de se redistribuer loin du tunnel. Cependant, prédire exactement comment ces fissures vont croître et quelle quantité de pression elles vont relâcher est incroyablement difficile, surtout dans l'environnement complexe et changeant d'une mine.

Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie minière de Chine a développé une nouvelle façon de simuler ce processus avec une grande précision. Au lieu de deviner où les fissures pourraient se former, ils ont construit un modèle informatique sophistiqué qui observe la rupture de la roche en temps réel, étape par étape. Leurs travaux se concentrent sur un scénario spécifique et exigeant : la voie de circulation « côté rebut » (gob-side), qui est le tunnel situé juste à côté de la zone où le charbon a déjà été retiré. Dans cette zone, la roche est soumise à un mélange de forces unique et violent. Les chercheurs ont utilisé une méthode appelée théorie du champ de phase, qui traite la roche non pas comme un bloc solide qui casse soudainement, mais comme un matériau qui s'affaiblit et se brise progressivement, permettant à l'ordinateur de suivre la naissance et la croissance de chaque minuscule fissure sans avoir besoin de savoir à l'avance où la rupture se produira.

Pour tester leur modèle, l'équipe a recréé les conditions de la face de travail 15108 d'une véritable mine de charbon, où la roche est enfouie à environ 400 mètres de profondeur. Ils ont simulé un scénario où la roche au-dessus du tunnel est épaisse et forte, sujette à former une structure lourde en forme de coin qui pend au-dessus de l'espace vide et presse sur le tunnel. Les chercheurs ont programmé leur modèle pour imiter un processus de fracturation hydraulique par étapes. Cela implique de forer une série de trous et d'injecter de l'eau en trois étapes distinctes, en reculant le long du tunnel. L'objectif était de trancher la roche suspendue d'un côté pour la faire tomber en toute sécurité, tout en créant simultanément un réseau de fissures de l'autre côté pour adoucir la pression sur les parois du tunnel.

Les simulations ont révélé que le comportement des fissures est une danse délicate entre la pression naturelle de la terre et les nouvelles fissures créées par l'eau. Lorsque la pression de la roche environnante était modérée, les fissures avaient tendance à se propager horizontalement, se reliant pour former un large réseau interconnecté. Ce réseau a réussi à transférer la charge lourde loin du tunnel, réduisant le stress sur les parois rocheuses de près de 20 %. Cependant, à mesure que les chercheurs augmentaient la pression simulée vers des niveaux plus extrêmes, les fissures changeaient de comportement. Au lieu de se propager, elles commençaient à monter et descendre verticalement. Cette croissance verticale empêchait les fissures de se connecter les unes aux autres, laissant des vides où la haute pression pouvait encore s'accumuler. Dans ces conditions de haute pression, le relâchement de la contrainte devenait beaucoup moins efficace, les parois rocheuses ne voyant qu'une réduction minime de la pression.

L'étude a également introduit une nouvelle façon de mesurer la qualité du réseau de fissures. Les chercheurs ont découvert qu'avoir un grand nombre de fissures ou un motif très complexe et emmêlé ne garantissait pas nécessairement de meilleurs résultats. En fait, le facteur le plus important était simplement la manière dont les fissures se connectaient entre elles. Si les fissures formaient un chemin continu, la pression pouvait s'évacuer facilement. Si elles étaient isolées ou bloquées par l'intensité de la contrainte de la roche environnante, le relâchement de la pression échouait. L'équipe a découvert que les meilleurs résultats provenaient d'un réseau de fissures bien connecté sous des conditions de stress modéré, plutôt que d'un désordre chaotique sous un stress extrême.

En cartographiant exactement comment ces fissures croissent et interagissent, les chercheurs ont fourni un guide clair pour les ingénieurs concevant ces mesures de sécurité. Ils ont montré que le succès de la fracturation hydraulique dépend fortement des conditions de contrainte spécifiques de la mine. Si la pression est trop élevée, les fissures ne se lieront pas correctement, et la technique aura du mal à protéger le tunnel. Les conclusions suggèrent que les ingénieurs doivent ajuster soigneusement leurs angles de forage et le moment de l'injection pour encourager la formation de fissures connectées, garantissant que la roche puisse libérer en toute sécurité son énergie accumulée. Ce travail offre une façon plus fiable de prédire le comportement du sol, contribuant à rendre l'exploitation minière souterraine plus sûre et plus stable.

Résumé technique : Étude numérique sur le contrôle des contraintes des voies de circulation par fracturation hydraulique dans les toits de côté de vide (gob-side)

Énoncé du problème
Les voies de circulation de côté de vide des mines de charbon sont soumises à des déformations sévères et à des difficultés de soutènement en raison d'environnements de contraintes élevées prolongés, causés par la charge latérale du toit provenant des panneaux adjacents et les perturbations induites par l'exploitation minière. Bien que la fracturation hydraulique (FH) soit une technique reconnue de décharge de contraintes active, le mécanisme de couplage entre l'évolution du réseau de fractures et la décharge de contrainte de la roche environnante reste peu clair, particulièrement sous les conditions de contraintes complexes, hétérogènes et asymétriques des voies de circulation de côté de vide. Les approches numériques existantes reposent souvent sur des géométries de fractures ou des zones affaiblies prédéfinies, ce qui limite leur capacité à capturer avec précision le comportement de propagation dynamique des fractures hydrauliques et les mécanismes de décharge de contrainte qui en résultent dans des environnements aussi complexes.

Méthodologie
Cette étude développe un modèle numérique à champ de phase pour simuler la fracturation hydraulique segmentée du toit dans les voies de circulation de côté de vide. La méthodologie intègre les composantes suivantes :

Cadre de champ de phase (Phase-Field) : Un modèle poroélastique couplé est établi où les interfaces de fracture sont représentées implicitement par une variable de champ de phase ( $\phi$ ) continue. Cette approche évite le suivi explicite des fissures, permettant de simuler l'initiation, la propagation, la ramification et la coalescence des fissures sans dépendance au maillage. Le modèle prend en compte la déformation de la roche, l'endommagement par fracture et l'écoulement des fluides.
Mise en œuvre de l'environnement de contrainte : Pour reproduire la redistribution des contraintes induites par l'exploitation minière d'une voie de circulation de côté de vide, une fonction de contrainte linéaire par morceaux est prescrite aux limites du modèle. Cette fonction est dérivée de la théorie de l'équilibre limite afin de reproduire la distribution caractéristique de la pression d'abutment, incluant les zones plastiques et élastiques adjacentes au vide (goaf).
Configuration de la simulation : L'étude utilise COMSOL Multiphysics pour coupler les modules de mécanique des solides, de la loi de Darcy et de champ de phase. Une étude de cas est menée sur la face de travail 15108, présentant un pilier de charbon de 15 m de large et une veine de charbon de 4,6 m d'épaisseur. La simulation emploie un schéma de fracturation hydraulique segmentée vers l'arrière avec des doubles forages (inclinés à 60° et 75°) et trois étapes de fracturation par forage.
Évaluation quantitative : Quatre indices quantitatifs sont introduits pour caractériser les réseaux de fractures et évaluer la performance de décharge de pression :
1. Étendue de la fracturation ( $X_1$ ) : L'étendue spatiale globale du réseau de fractures.
2. Densité de fracture ( $X_2$ ) : Le rapport entre les cellules fracturées et le domaine de référence total.
3. Dimension fractale ( $X_3$ ) : Une mesure de la complexité géométrique du réseau.
4. Connectivité de fracture ( $X_4$ ) : La distance horizontale entre les pointes de fractures non connectées provenant de forages opposés.

Résultats clés
Les simulations numériques révèlent plusieurs découvertes critiques concernant l'évolution des fractures et le contrôle des contraintes :

Mécanismes de propagation des fractures : La propagation des fractures est conjointement régie par le champ de contrainte in situ, les fractures préexistantes et l'interférence de contrainte des forages adjacents. Les fractures de la première étape sont principalement pilotées par le champ de contrainte induit par l'exploitation, tandis que les étapes suivantes sont dominées par les interactions entre les fractures voisines.
Évolution des contraintes : Pendant le processus de fracturation, la concentration de contraintes augmente initialement sur les parois de la voie (jusqu'à 30 % lors de la troisième étape) avant de se transformer en une zone de faible contrainte à grande échelle lors de la compaction des fractures. La réduction finale de la contrainte sur les parois de la voie atteint respectivement 19 % et 34 %.
Impact du facteur de concentration de contrainte (FCC) :
- Faible FCC (1,2–1,4) : Les fractures se propagent principalement horizontalement, formant un réseau bien connecté qui crée des zones de faible contrainte superposées. Alors que la contrainte moyenne dans la roche environnante (RSR) montre des réductions d'environ 20 % dans cette plage, la réduction de la contrainte de pointe dans le pilier de charbon présente une tendance différente, atteignant une valeur minimale de -0,5 % pour un FCC de 1,4.
- FCC élevé (≥1,5) : La propagation des fractures du côté du pilier de charbon passe d'un mode horizontal à un mode vertical. Une forte inhibition entre les étapes se produit, et les fractures de la troisième étape ne parviennent pas à se connecter. Cela conduit à une détérioration de la performance de décharge de pression. Spécifiquement, lorsque le FCC est égal à 1,6, l'effet de décharge de pression est le plus faible, avec des réductions de contrainte de pointe sur les deux parois de la voie limitées à 6,66 % et 5,64 %.
Corrélation avec la performance : Une analyse de régression linéaire multivariée ( $R^2 = 0,976$ ) établit que l'étendue, la densité et la dimension fractale sont négativement corrélées avec l'efficacité de la réduction de contrainte. Inversement, la connectivité des fractures présente une corrélation positive. Cela indique qu'un réseau hautement complexe ne garantit pas une meilleure performance ; plutôt, un réseau bien connecté est essentiel pour une décharge de contrainte efficace.

Signification et revendications
L'article affirme fournir un cadre numérique robuste pour l'étude de la décharge de pression par fracturation hydraulique sous des conditions minières complexes. En incorporant une fonction de contrainte de bordure et en utilisant la méthode de champ de phase, l'étude offre une représentation plus précise de l'évolution des fractures par rapport aux méthodes nécessitant des géométries prédéfinies.

La principale importance réside dans l'établissement d'une relation quantitative entre les caractéristiques du réseau de fractures et la performance de décharge de contrainte. Les auteurs affirment que ces conclusions fournissent des orientations pratiques pour la conception de la fracturation hydraulique, suggérant que les ingénieurs doivent prioriser la formation de réseaux de fractures bien connectés sous des conditions de contrainte spécifiques au site. Plus précisément, l'étude conseille d'ajuster les paramètres de processus (tels que l'orientation des forages, la durée et l'espacement) pour maximiser la connectivité et éviter les effets négatifs des fortes concentrations de contraintes qui inhibent la coalescence des fractures. Ce travail vise à améliorer la stabilité des voies de circulation de côté de vide en optimisant l'environnement de contrainte de la roche environnante grâce à une fracturation hydraulique ciblée.

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