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Techniques d'exploitation des mines de charbon

Exploitation des mines de charbon

Voir l'infographie complète de l'exploitation des mines souterraines dans la partie « Fonctionnement technique » (©Connaissance des Énergies)

Définition et catégories

Les techniques d’exploitation des mines permettent d’évaluer les gisements et d’en extraire le charbon. Pour rappel, le charbon est un combustible fossile d’origine organique, provenant de la décomposition de végétaux enfouis sous forme de sédiments il y a plus de 300 millions d’années.

Les gisements sont des zones généralement profondes où l’on trouve de grandes quantités de charbon. Il faut forer des puits pour y accéder et extraire le minerai. Lorsque les réserves de charbon sont relativement proches de la surface de la terre, une exploitation à ciel ouvert peut être mise en place. Il existe également des gisements de charbon sous les océans, pour le moment inexploités.

Avant d’exploiter les gisements de charbon, il est nécessaire de les évaluer pour mettre en place les techniques d’extraction et d’exploitation appropriées. Les couches de charbon (appelées veines) ne sont pas toujours continues et peuvent former plusieurs strates sur des centaines de mètres de profondeur. L’ingénierie d’exploitation des mines de charbon a pour rôle de comprendre la structure de ces couches et de développer la meilleure méthode pour les atteindre et les exploiter.

Fonctionnement technique

Les techniques d’exploitation des mines se déclinent en deux phases.

En amont : l’évaluation des gisements

Il faut d’abord estimer un gisement afin de déterminer son volume, sa qualité, sa rentabilité et la nature géologique des sols environnants. Le sol est sondé afin d’obtenir des informations sur le gisement telles que la profondeur des couches ou l‘existence de failles. Grâce à cette prospection, les ingénieurs peuvent concevoir le plan de la mine et les techniques à utiliser. Ce travail permet de savoir si l’exploitation est économiquement viable face aux investissements à prévoir. Un centre industriel se crée ensuite autour du gisement, des explosifs sont utilisés, des puits et des galeries sont creusés afin de préparer l’accès aux veines de charbon.

L’abattage (exploitation)

En fonction de la profondeur du gisement, il existe deux types d’exploitations minières :

Les mines souterraines

Pour atteindre les couches de charbon, il faut creuser dans le sous-sol et construire des galeries. L’endroit où se trouve le charbon est appelé « gîte ». Les galeries de roulage (3 mètres sur 3 mètres) permettant la circulation des wagonnets. Elles s’étendent sur des kilomètres. Certaines tailles (galeries entre les galeries supérieures et inférieures), parfois boisées, peuvent ne pas dépasser un mètre de hauteur. Les mineurs y travaillent couchés.

La mine s’articule généralement autour de deux puits :

  • le puits principal relie la mine « au jour ». Une cage d’ascenseur descend et remonte les mineurs (jusqu’à 1 000 mètres en quelques minutes) ainsi que le minerai ;
  • le puits d’aération assure la circulation de l’air dans les galeries évitant ainsi les risques d’asphyxie et d’explosion.

A la surface, le carreau est le site industriel qui récupère et trie le charbon. Le gîte, le puits et le carreau sont à la base des termes employés dans le cadre de l'exploitation de mines souterraines.

techniques d'exploitation des mines de charbon

Exploitation des mines souterraines de charbon (©Connaissance des Énergies)

Les mines à ciel ouvert

Dans certains cas, il suffit de creuser en surface pour atteindre le gisement. Chaque couche est creusée successivement afin d’y exploiter l’intégralité du charbon. Les mines à ciel ouvert atteignent parfois plusieurs dizaines de mètres de profondeur.

Il existe également les mines à flanc de montagne, particulièrement exploitées aux États-Unis : on les exploite en détruisant le sommet d’une montagne pour accéder aux strates de charbon qui se trouvent dans la roche.

Enjeux

Les techniques d’exploitation des mines nécessitent de la précision et de la maîtrise pour répondre à un certain nombre d’enjeux.

L’aspect économique

  • Pour être fonctionnelle, l’exploitation d’une mine nécessite d’importants investissements (voies de transport, forage, aération, etc.)
  • Pour que l’exploitation de la mine dure, les techniques d’exploitation doivent être rentables. La rentabilité dépend de la profondeur, de la qualité et de la quantité de charbon et des techniques utilisées pour extraire ce charbon. La prospection détermine si les investissements nécessaires à l’extraction seront rentables.

La sécurité

  • Les conditions de travail dans les mines sont difficiles et dangereuses (manque d’air et de confort, chaleur, etc.) Il existe également des risques d’explosion, d’incendie ou d’éboulement. Le charbon contient en effet des matières volatiles (hydrogène, méthane, hydrocarbures, etc.), explosives ou asphyxiantes.
  • Les mineurs sont souvent affectés par des infections pulmonaires telles que la silicose, causées par les poussières de charbon qui se déposent dans les poumons des mineurs.
  • Améliorer les systèmes de ventilation est une des clés de l’hygiène et de la sécurité dans les mines de charbon.
  • Plusieurs pays émergents ont un taux d’accident encore élevé car l’amélioration de la sûreté dans les mines coûte cher et ne contribue pas directement à accroître la production et la rentabilité de l’exploitation. Tous les ans, des milliers de mineurs meurent encore dans les mines de charbon suite à des accidents ou des inondations. Le charbon est l’énergie dont l’exploitation provoque le plus d’accidents mortels. C’est le cas en Chine, dont les mines de charbon sont considérées comme les plus dangereuses au monde : 1 049 mineurs y sont morts en 2013 d'après les statistiques officielles (sous-évaluées selon les ONG).

L’aspect environnemental

  • Les explosions et les incendies dans les mines libèrent une grande quantité de gaz carbonique dans l’atmosphère.
  • L’exploitation des mines dénature le paysage, engendre une quantité de gravats (les terrils), pollue l’eau avoisinante et dégage du CO2. Les mines à ciel ouvert sont celles qui ont le plus lourd impact environnemental.

De nouvelles techniques d’exploitation tentent de réduire l’impact sur l’environnement en cherchant à réhabiliter les mines, une fois les gisements épuisés. Des recherches sur la capture et le stockage du CO2 sont en cours. Les mines dont les gisements ont été épuisés pourraient être utilisées pour ce stockage.

Acteurs majeurs

Le charbon est la deuxième source d’énergie produite et consommée dans le monde. Les pays producteurs ont mis au point des techniques d’exploitation efficaces maîtrisant au mieux la géologie de leurs sous-sols.

Les principaux producteurs de charbon en 2013 sont la Chine (3 561 Mt, soit 45,5% de la production mondiale de charbon), les États-Unis (904 Mt), l’Inde (613 Mt), l’Indonésie (489 Mt), l’Australie (459 Mt), la Russie (347 Mt) et l’Afrique du Sud (256 Mt)(1). Pour ces pays, le charbon constitue souvent la principale source d’énergie pour produire de l’électricité. Ils recherchent les techniques d’exploitation les plus efficaces et économiques afin de satisfaire rapidement et à faible coût leurs besoins en électricité.

Ces techniques d’exploitation constituent un thème central du partenariat Asie-Pacifique pour le Développement Propre et le Climat, qui regroupe la Chine, les États-Unis, l’Inde, l’Australie, le Japon, la Corée du Sud et le Canada. Il vise à améliorer les techniques d’exploitation des mines grâce à des échanges de technologie et de procédés entre ces pays.

Unités de mesure et chiffres clés

La production mondiale de charbon atteint 7 823 Mt en 2013(2). La production peut également se mesurer en tep (tonne équivalent pétrole) qui mesure le rendement énergétique du charbon. Ce rendement peut varier selon la qualité du type de charbon. 1,5 tonne de charbon de haute qualité (ex : l’anthracite) correspond à une tep.

En termes de prix, le charbon reste accessible : en 2013, le prix de détail du charbon pour les industriels était de 79,4 $/tonne aux Etats-Unis. Le prix du charbon américain a chuté depuis 2010 en raison de la production croissante de gaz de schiste (qui se substitue en partie au charbon sur le marché intérieur).

Afin de maintenir cette compétitivité dans la durée, l’efficacité des techniques d’exploitation peut avoir un impact significatif.

Zone de présence ou d'application

Les principaux consommateurs sont également les détenteurs de l’essentiel des réserves de charbon.

Différentes techniques d’exploitation sont utilisées selon la taille et la profondeur du gisement. Aux Etats-Unis et en Chine, une grande partie des gisements est exploitée à ciel ouvert. Cette technique d’exploitation est la moins chère. En Chine, les salaires sont très bas et les contraintes environnementales largement ignorées. La situation est très différente en Australie où des techniques avancées moins polluantes sont mises en œuvre.

Passé et présent

L’exploitation des mines existe depuis la préhistoire. Des puits et des galeries creusées il y a 9 000 ans ont été retrouvés. Au XIXe siècle, on parle « d’âge d’or » de l’industrie minière en Europe. Le charbon étant devenu une source vitale d’énergie pour la révolution industrielle, on cherche à améliorer les techniques d’exploitation des mines. Une véritable industrie du charbon se développe. Lorsque les ressources aisément accessibles s’épuisent, les progrès scientifiques, notamment en géologie, permettent d’exploiter des gisements de charbon de plus en plus profonds. 

La maîtrise de la mine devient aussi vitale pour prolonger la suprématie européenne. Du XIXe au XXe siècle, de nombreuses écoles d’ingénieurs des mines sont créées.

Après la Première Guerre mondiale, le charbon subit une rude concurrence face à l’arrivée d’autres formes d’énergie comme le pétrole. Les techniques d’exploitation doivent se moderniser sans cesse pour augmenter la productivité. Cette compétition met fin à de nombreuses exploitations minières devenues peu rentables (France, Royaume-Uni, Belgique). Aujourd’hui, la même situation affecte l’Europe de l’Est (Pologne, Ukraine, République tchèque) qui tente d’améliorer ces techniques d’exploitation pour faire face à la fois à un charbon moins cher produit en Chine ou aux Etats-Unis, et à la concurrence du gaz naturel et du nucléaire.

Futur

Les besoins croissants en électricité nécessitent l’amélioration des techniques d’exploitation du charbon afin d’augmenter les capacités d’extraction tout en minimisant les coûts économiques et environnementaux des nouveaux gisements.

Un premier axe de progrès est de renforcer la sûreté des mines souterraines grâce à de meilleures méthodes de prospection et de sondage du sous-sol. Une diminution des risques permet d’augmenter les rendements et la rentabilité de l’exploitation. Simultanément, la découverte de nouvelles réserves exploitables de charbon constitue un atout majeur face au prix croissant du pétrole. Auparavant trop coûteuses, les exploitations minières pourraient redevenir rentables grâce aux améliorations technologiques en cours.

La combustion du charbon et son impact environnemental se trouvent au cœur des débats énergétique et écologique. Des techniques sont mises au point pour une combustion « propre » et pour capturer et séquestrer les gaz à effet de serre qu’elle génère. Elles sont encore coûteuses et nécessitent une main d’œuvre qualifiée, souvent rare et onéreuse dans les pays émergents.