De nos jours, la demande croissante en énergie, ainsi que les préoccupations grandissantes concernant le réchauffement climatique, ont conduit à la recherche de sources d'énergie alternatives. Bien que considéré comme une ressource énergétique non renouvelable, le gaz de houille ou le méthane de houille (CBM) peut contribuer à cette diversification et jouer un rôle dans le futur mix énergétique. Actuellement, le CBM est une source précieuse d'énergie aux États-Unis, en Chine et en Australie. Les importantes réserves de gaz estimées en Lorraine, dans le nord-est de la France (3,7x10^11 m³ contre 2,3x10^13 m³ pour les ressources totales de CBM aux États-Unis) représentent une cible attrayante et prometteuse pour l'exploitation du CBM, comme le souligne le projet REGALOR. Basée sur la réutilisation des anciennes mines de charbon inondées, la production de méthane est stimulée par la baisse de la pression des pores dans le gisement de charbon lors du pompage de l'eau. Néanmoins, les mécanismes induits par la sorption dans les réservoirs de charbon rendent l'exploitation du CBM légèrement plus complexe que dans les réservoirs d'hydrocarbures conventionnels, d'où la nécessité de meilleurs outils de prédiction capables de décrire tous les processus impliqués. L'objectif de cette thèse de doctorat était de développer un modèle numérique conceptuel couplé hydro-mécaniquement fournissant une description détaillée de la désorption du méthane et de la récupération du gaz dans les couches de charbon. Une partie de la difficulté est liée à la nature multi-échelle hautement complexe du charbon. En effet, le charbon est un système à double porosité caractérisé par un réseau de fractures orthogonales, appelées cleats en anglais, à travers lesquelles l'eau et le gaz peuvent percoler, ainsi que par une matrice microporeuse où le méthane est principalement piégé sous forme de couche adsorbée et où la diffusion prédomine. De plus, la matrice a tendance à se dilater ou à se contracter en raison des processus induits par la sorption, ajoutant ainsi de la complexité aux processus multi-physiques déjà complexes en jeu dans un tel environnement. L'efficacité de la récupération du méthane est donc déterminée par le couplage entre la dynamique de l'écoulement du gaz et les mécanismes de sorption/désorption, ainsi que par les processus de compression/déformation liés aux variations de contrainte effective. Ici, je propose un modèle à l'échelle des pores en 3D couplant une méthode des éléments discrets (DEM) et une méthode de volume à l'échelle des pores (PFV) pour étudier ces processus couplés. Le DEM est utilisé pour représenter la phase solide comme une collection de particules liées, tandis que le PFV est utilisé pour simuler les processus de transport en jeu dans l'espace poreux, c'est-à-dire les diffusions de Knudsen et de surface dans la matrice microporeuse, ainsi que la convection dans les fractures. De plus, nous avons inclus la sorption sur les particules solides. Le maillage PFV est construit sur la base d'une triangulation de Delaunay des centres des particules, avec les fractures identifiés comme des interfaces discrètes. Le modèle est couplé dans le sens où il décrit les déformations induites par les changements de pression des pores qui, à leur tour, ont un impact direct sur les propriétés hydrauliques du système. La déformation induite par la sorption est également prise en compte grâce à la définition d'un terme de pression supplémentaire, appelé pression de solvation, qui est directement lié aux quantités adsorbées. À travers différentes études de cas, j'ai pu valider ce modèle en considérant d'abord la matrice seule (Mostafa et al., Fuel, 2023), et, ensuite, un système fracture-matrice (Mostafa et al., en préparation).