Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

Profondément sous la terre, là où le charbon est extrait, la roche située au-dessus de la mine est en lutte constante. Lorsqu'une couche de charbon est retirée, les lourdes couches rocheuses qui reposaient autrefois sur elle doivent trouver un nouveau moyen de se stabiliser. Dans de nombreuses mines, ces plafonds supérieurs sont constitués de roches épaisses et dures qui refusent de se briser facilement. Au lieu de s'effondrer dans l'espace laissé vide par le charbon, ce toit dur reste suspendu, tel un plafond pesant qui refuse de tomber. Avec le temps, le poids de cette roche suspendue presse sur les tunnels étroits laissés derrière pour transporter l'équipement et les personnes. Cette pression provoque l'écrasement des parois du tunnel vers l'intérieur et le soulèvement du sol vers le haut, menaçant de broyer le passage et d'interrompre les opérations. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps des moyens de gérer cette pression, souvent en renforçant le tunnel ou en essayant de briser la roche avant qu'elle ne devienne un danger. Le défi consiste à savoir exactement quelle couche de roche cause le plus de problèmes et où appliquer la force pour la briser en toute sécurité.

À la mine de charbon de Limin, en Chine, des chercheurs ont été confrontés à une version complexe de ce problème. La mine extrayait une nouvelle section de charbon à côté d'une zone déjà exploitée. Cela laissait une étroite bande de charbon agissant comme un pilier entre le tunnel actif et l'espace vide, une configuration connue sous le nom de galerie de côté de vide (gob-side entry). Au-dessus de ce tunnel, les couches rocheuses n'étaient pas uniformes ; elles consistaient en plusieurs strates dures, certaines épaisses et d'autres minces, toutes empilées les unes sur les autres. Les ingénieurs devaient déterminer quelles couches supportaient le plus de poids et provoquaient la déformation du tunnel. Ils devaient également déterminer précisément où forer des trous pour affaiblir la roche sans provoquer un effondrement soudain et dangereux. Pour résoudre cela, une équipe de l'Université technique de Liaoning a conçu un plan visant à utiliser la pression de l'eau pour fracturer la roche de manière contrôlée et par étapes, testant leur théorie sur le terrain pour voir si cela pouvait calmer la pression du sol.

Les chercheurs ont commencé par analyser les couches de roche au-dessus de la mine, en les traitant comme une seule poutre épaisse qui distribue le poids. Ils ont calculé comment la charge était partagée entre les différentes couches pour identifier les trois plus critiques. Leur analyse a désigné une couche de grès grossier juste au-dessus du charbon, une couche de siltite plus haut, et une autre couche épaisse de grès encore plus haut. Ces trois couches étaient les principaux coupables soutenant le poids de la montagne au-dessus. Cependant, l'équipe a réalisé que ces couches ne pressaient pas toutes au même endroit. Les couches inférieures concentraient leur poids juste à côté du tunnel, tandis que la plus haute des trois poussait son poids légèrement plus loin, vers l'espace vide de l'ancienne mine. Cette différence signifiait qu'une approche unique ne fonctionnerait pas ; ils avaient besoin d'une stratégie capable de cibler différentes hauteurs et différentes positions horizontales simultanément.

Pour tester leur idée, l'équipe a créé une simulation informatique détaillée de la mine et de la roche environnante. Ils ont modélisé l'extraction du charbon et le mouvement des couches rocheuses pour voir comment les contraintes s'accumulaient dans différentes zones. La simulation a confirmé leurs soupçons : les pics de contrainte pour les couches inférieures se trouvaient effectivement juste à côté du tunnel, tandis que le pic pour la couche cible la plus haute était décalé vers l'ancienne mine. Cette intuition leur a permis de concevoir un schéma de forage spécifique. Ils ont décidé de forer deux types de trous des deux côtés du tunnel : des trous courts destinés à la couche rocheuse inférieure et des trous longs atteignant les couches supérieures. En échelonnant ces trous et en les traitant par sections, ils pouvaient affaiblir la roche de manière précise et progressive. Le plan consistait à forer des trous dans la paroi rocheuse solide et dans l'étroite colonne de charbon, puis à utiliser de l'eau à haute pression pour fracturer la roche en segments isolés, en partant du bas du trou et en remontant vers le haut.

L'équipe a mis ce plan en œuvre dans une section de 100 mètres du tunnel, en forant un total de trente-six trous. Ils ont utilisé un outil spécialisé pour sceller de petites sections de chaque trou et ont injecté de l'eau à haute pression pour créer des fissures dans la roche. Ce processus a été répété pour chaque section de chaque trou, garantissant que la roche soit affaiblie sur toute sa longueur. Pendant qu'ils travaient, ils ont installé un réseau de capteurs pour surveiller ce qui se passait. Ils ont placé des instruments pour mesurer l'ampleur du mouvement des parois du tunnel, ont surveillé la pression sur les supports hydrauliques qui soutiennent le toit, et ont écouté les petits bruits de fracture de la roche dans les profondeurs du sol. Ils ont comparé cette section traitée avec une section non traitée du tunnel qui avait été exploitée plus tôt, afin de voir la différence que la fracturation par l'eau apportait.

Les résultats étaient frappants. Dans la section non traitée, les parois et le sol du tunnel bougeaient de manière significative à mesure que la face de taille approchait, le toit et le sol se comprimant d'environ 225 millimètres. Le côté du tunnel situé à côté de la colonne de charbon s'est déplacé de 180 millimètres, et le côté de la roche solide de 125 millimètres. Dans la section où la roche a été fracturée par l'eau, le mouvement a été considérablement réduit. Le toit et le sol n'ont bougé que d'environ 22 millimètres, le côté de la colonne de charbon de 18 millimètres, et le côté de la roche solide de seulement 12 millimètres. Les supports hydrauliques, qui supportent le poids du toit, ont également montré une nette amélioration. Dans la zone non traitée, la force moyenne sur les supports était de 9 725 kilonewtons, mais dans la section traitée, cette moyenne est tombée à 8 943 kilonewtons, soit une réduction d'environ huit pour cent.

L'équipe a également écouté la roche elle-même. Dans la section non traitée, les capteurs ont enregistré plusieurs événements à haute énergie, indiquant des ruptures de la roche larges et soudaines qui pourraient être dangereuses. Dans la section traitée, l'activité était beaucoup plus calme. Les capteurs n'ont détecté que des événements à faible énergie, de petites fissures fréquentes qui libéraient l'énergie graduellement, sans qu'aucune rupture majeure à haute énergie ne soit enregistrée. Les chercheurs ont également examiné l'intérieur des trous après le traitement et ont vu des preuves claires que la roche s'était fracturée comme prévu. Bien que les données aient montré que la fracturation par l'eau avait réussi à réduire la déformation et la charge, l'équipe a noté que la comparaison n'était pas parfaite car les deux sections ont été exploitées à des moments différents et dans des conditions légèrement différentes. Ils ne pouvaient pas isoler l'effet de la fracturation de chaque autre variable, mais la tendance générale était claire. La réponse sur le terrain correspondait à leurs objectifs de conception : la roche bougeait moins, les supports supportaient moins de poids et les ruptures dangereuses à haute énergie avaient été éliminées.

Cette étude démontre qu'en comprenant les couches spécifiques de roche au-dessus d'une mine et en les ciblant avec une stratégie de forage sur mesure, les ingénieurs peuvent améliorer considérablement la sécurité et la stabilité des tunnels souterrains. L'approche consistant à utiliser des trous longs et courts pour traiter différentes couches rocheuses à différentes positions s'est avérée efficace pour calmer la pression du sol. Bien que les chercheurs aient reconnu que davantage de données seraient nécessaires pour séparer pleinement les effets du traitement des autres facteurs, la réduction du mouvement et de la charge était substantielle. Ce travail constitue une référence pratique pour d'autres mines confrontées à des défis similaires avec des plafonds suspendus durs, montrant qu'une planification minutieuse et une exécution précise peuvent transformer une situation géologique dangereuse en une situation gérable.