Height ratio‑dependent creep failure of coal‑rock composites: A multi‑scale analysis integrating stepwise creep, AE monitoring, and SEM characterization

Résumé Technique : Rupture par Fluage des Composites Charbon-Roche en Fonction du Rapport de Hauteur

Énoncé du Problème
La stabilité à long terme des piliers de charbon dans les abattages souterrains et les talus de mines à ciel ouvert dépend de manière critique du comportement de fluage des combinaisons charbon-roche. Bien que le rapport de hauteur roche-charbon ($K_{rc}$) soit reconnu comme un paramètre directeur pour la réponse mécanique de ces composites, son influence spécifique sur la déformation par fluage à long terme, l'atténuation de la résistance et les mécanismes sous-jacents d'accumulation de dommages par fluage reste insuffisamment caractérisée. Les recherches existantes se sont largement concentrées sur les mécanismes de rupture instantanée sous des taux de chargement conventionnels, laissant une lacune dans la compréhension de la manière dont le $K_{rc}$ module la rupture dépendante du temps et l'évolution des fissures sous une charge soutenue.

Méthodologie
Cette étude a employé une approche expérimentale multi-échelle intégrant des essais de fluage uniaxial par paliers, une surveillance en temps réel par émission acoustique (AE) et une caractérisation par microscopie électronique à balayage (MEB). Cinq groupes d'échantillons distincts ont été préparés avec des rapports de hauteur roche-charbon ($K_{rc}$) variables : charbon pur (0:1), trois configurations composites (1:3, 1:1 et 3:1), et grès pur (1:0).

• Essais de Fluage : Les échantillons ont été soumis à des protocoles de chargement par paliers où les niveaux de contrainte étaient augmentés par incréments et maintenus constants pour observer la déformation par fluage jusqu'à la rupture.
• Surveillance AE : Un système AE a suivi le nombre de comptages d'événements (ring counts) et la libération d'énergie pour caractériser l'évolution des microfissures internes, distinguant entre l'initiation, la propagation et la coalescence des fissures. Des paramètres tels que la Fréquence Moyenne (AF) et l'Angle Ascendant (RA) ont été utilisés pour différencier les mécanismes de fissuration par traction et par cisaillement.
• Analyse Microstructurale : Des observations MEB ont été effectuées sur les surfaces de rupture fraîches du charbon et du grès afin de vérifier les défauts microstructuraux et leur rôle dans la concentration de contraintes.

Résultats Clés

1. Relation de Résistance : Une relation linéaire robuste a été établie, où la contrainte de rupture par fluage ($\sigma_{cr}$) approchait systématiquement 90 % de la résistance à la compression uniaxiale de pointe ($\sigma_c$) pour toutes les configurations de $K_{rc}$. Ce résultat suggère que la résistance à long terme peut être estimée de manière fiable à partir d'essais de résistance statique à court terme.
2. Configuration Optimale (Rapport 1:1) : L'échantillon composite présentant un rapport de hauteur roche-charbon de 1:1 ($K_{rc} = 1:1$) a démontré une résistance au fluage supérieure par rapport aux autres configurations. Il a présenté le temps le plus long avant la rupture par fluage, les plus faibles déformations instantanées et dépendantes du temps, ainsi que le taux de fluage stationnaire le plus bas.
3. Seuils Non Monotones : La contrainte d'initiation des fissures ($\sigma_{ci}$) et la contrainte de dommage des fissures ($\sigma_{cd}$) ont suivi une tendance non monotone par rapport au $K_{rc}$. Ces seuils ont culminé au rapport 1:1 avant de décliner à mesure que la proportion de roche augmentait, indiquant que la configuration 1:1 offre le régime de croissance de fissures stable le plus large.
4. Transition du Mécanisme de Rupture : À mesure que la proportion de roche augmentait, le mécanisme de rupture passait d'un contrôle par cisaillement à un contrôle par traction. La proportion de fissures de cisaillement a diminué (passant de 25,56 % pour le charbon pur à 11,97 % pour la roche pure), tandis que les fissures de traction sont devenues dominantes. Le rapport 1:1 présentait la plus faible proportion de fissures de cisaillement parmi les composites, ce qui est corrélé à sa stabilité accrue.
5. Influence Microstructurale : L'analyse MEB a révélé que le charbon possède une microstructure fragmentée avec des microfissures et des pores interconnectés, tandis que le grès présente un squelette de grains dense et rigide. La couche rocheuse plus rigide dans les composites a fourni un confinement latéral au charbon, supprimant l'expansion latérale et retardant la croissance instable des fissures, un effet qui a été maximisé au rapport 1:1.

Signification et Revendications
Les auteurs postulent que ces résultats fournissent des orientations quantitatives pour la conception géométrique rationnelle des piliers de charbon dans les exploitations minières souterraines et les mines à ciel ouvert. Plus précisément, l'étude affirme que l'identification du rapport de hauteur 1:1 comme configuration optimale pour la résistance au fluage peut éclairer le dimensionnement des piliers de charbon afin d'assurer la stabilité structurelle à long terme. De plus, le rapport établi de 90 % entre la contrainte de rupture par fluage et la résistance de pointe offre un outil prédictif pratique pour les ingénieurs évaluant la sécurité à long terme des structures de piliers existantes. Cette recherche comble le fossé entre les propriétés mécaniques statiques et les comportements de rupture dépendants du temps, offrant une base théorique pour comprendre comment la géométrie structurelle influence la transition d'un fluage stable vers un fluage instable dans les systèmes hétérogènes charbon-roche.