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CA 02541063 2006-03-30
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DISPOSITIF DE FORATION PAR ROTOPERCUSSION
La présente invention concerne le domaine de la foration lors de
travaux souterrains, en particulier dans les exploitations minières. Elle se
rapporte en particulier à un dispositif de foration par rotopercussion, adapté
pour une utilisation dans des galeries de mine de faible hauteur, en
particulier
pour foration de trous dans le "toit" de telles galeries. L'invention a aussi
pour
objet un procédé de foration par rotopercussion, mis en oruvre par ce
dispositif.
Un dispositif de foration conventionnel, dit "hors de trou", utilisable
à cet effet, comporte une perforatrice munie d'une barre de foration, la
perforatrice étant déplacée verticalement le long d'une glissière et exerçant
une
action roto-percutante. Ce dispositif n'est cependant pas bien adapté à une
utilisation dans des galeries de mine de faible hauteur, car la profondeur
maximale de trou est limitée par la hauteur de galerie et la longueur de la
perForatrice. Par exemple, dans une galerie de mine de 1,10 mètre de hauteur,
et avec une perforatrice de 300 mm de longueur, la profondeur maximale de
trou est d'environ 700 mm, compte tenu des jeux nécessaires à la manipulation
des outillages - ici environ 100 mm pour manaeuvrer la barre de foration.
Pour creuser des trous de longueur plus importante, une solution
connue consiste à monter un train de tiges de foration sur la perforatrice,
mais
cette solution est lourde et contraignante car elle nécessite de réunir des
tiges
allonges successivement les unes aux autres, et de déconnecter et
reconnecter la perforatrice au train de tiges, au fur et à mesure de
l'approfondissement du trou en cours de foration.
Un autre dispositif connu dit "marteau fond de trou", décrit par
exemple dans le brevet EP 0 733 152 BI, est mieux adapté pour une utilisation
dans des galeries de mine de faible hauteur. II comporte un corps de
perforatrice, de forme générale cylindrique, relié par un tubage à une pompe à
eau sous haute pression située à distance, un piston de frappe étant monté
mobile en translation dans le corps de perforatrice, et soumis à une haute
pression puisée d'eau de manière à être animé d'un mouvement de percussion
contre une enclume porte-taillant, le tubage transmettant simultanément au
corps de perforatrice un mouvement de rotation autour de son axe principal,
qui permet de faire varier le point d'impact des boutons du taillant au cours
de
la foration.
Dans ce brevet EP 0 733 152 B1, la distribution alternative d'eau
sous haute pression, qui provoque la percussion du piston de frappe, est
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toutefois réalisée par des moyens entièrement intégrés au corps de
perforatrice, de sorte que la longueur et le diamètre du corps de perforatrice
sont élevés. Le diamètre du corps de perforatrice empêche en particulier de
forer en pratique des trous de diamètre inférieur à 45 mm, alors qu'il est
parfois
souhaitable de pouvoir forer des trous de petit diamètre, de l'ordre de 25 à
35
mm, pour poser par exemple des boulons de soutènement dans le toit d'une
galerie de mine.
La présente invention vise à surmonter ces inconvénients en
fournissant un dispositif de foration permettant de forer des trous profonds
et
de petit diamètre, tout en demeurant adapté à une utilisation dans des
galeries
de mine de faible hauteur.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de foration du genre
décrit dans le brevet EP 0 733 152 BI tel que rappelé ci-dessus, dans lequel
le
corps de perforatrice est relié par un tubage flexible à une pompe à eau
placée
sur un véhicule porteur de faible hauteur et dans lequel une électrovanne est
intercalée, sur le véhicule porteur, entre la pompe à eau et ie point de
départ
du tubage flexible, l'électrovanne recevant en fonctionnement des impuisions
électriques successives pour commande d'ouverture et de fermeture, qui
créent des ondes de choc sur la ligne d'eau contenue dans le tubage flexible,
lequel transmet ces ondes de choc jusqu'au piston de frappe, rappelé
élastiquement, du corps de perforatrice.
Ainsi, l'idée à la base de l'invention consiste à déporter, à l'extérieur
du trou à forer, sur un véhicule porteur de faible hauteur, des moyens de
distribution puisée d'eau sous haute pression, agissant sur le piston de
frappe,
ce qui permet de réduire la longueur et le diamètre du corps de perforatrice
et
ainsi de forer des trous profonds et de petit diamètre, sans être iimité par
la
hauteur de la galerie de mine.
Selon une possibilité, un accumulateur hydraulique est associé, sur
le véhicule porteur, à la pompe à eau, afin d'écrêter les pics de pression
engendrés par la pompe.
De manière avantageuse, des moyens de déplacement en avant et
de guidage du tubage flexible sont prévus sur le véhicule porteur pour
transmettre au corps de perforatrice un mouvement de poussée, la profondeur
de trou foré étant sensiblement équivalente à la course d'entraînement du
tubage flexible.
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Les moyens de déplacement en avant du tubage flexible
comprennent, par exemple, une plateforme montée mobile en translation
horizontale sur un châssis du véhicule porteur, dans le sens de la longueur de
ce châssis, plateforme sur laquelle sont montés la pompe à eau, l'électrovanne
et un générateur d'impulsions électriques couplé à l'électrovanne, la
plateforme
étant déplaçable en translation dans le sens de la longueur du châssis, par
des
moyens motorisés de commande. La profondeur maximale de trou foré n'est ici
avantageusement limitée que par la longueur du tubage flexible, et par la
course d'avance de la plateforme.
Selon une autre possibilité, les moyens de déplacement en avant
du tubage flexible comprennent un dérouleur, monté sur le véhicule porteur,
sur lequel est enroulé le tubage flexible, un joint tournant reliant le point
de
départ de ce tubage flexible à la pompe à eau. Cette variante rend inutile
toute
partie mobile importante sur le véhicule porteur.
Les moyens de guidage en translation du tubage flexible peuvent
comporter une glissière ou un canal de déviation et de guidage en direction
verticale, notamment en forme de coude, disposé à l'avant du véhicule porteur.
Selon un autre aspect de l'invention, des moyens d'entraînement
en rotation du tubage flexible sont prévus sur le véhicule porteur pour
transmettre au corps de perforatrice un mouvement de rotation alternatif
autour
de son axe principal. Cette disposition permet de donner à!'enclume porte-
taillant le mouvement de rotation nécessaire pour briser la roche, sans avoir
à
entraîner en rotation l'ensemble, volumineux, des éléments montés sur le
véhicule porteur.
Le dispositif peut encore comprendre des moyens de support et de
guidage du corps de perforation à l'amorçage d'un trou à forer, pour assurer
alors le positionnement correct et le guidage vertical du corps de
perforatrice.
Le corps de perforatrice peut présenter des ouvertures, notamment
des rainures, par lesquelles sont évacués l'eau et les débris de roches
brisées
lors de la foration, l'eau étant ici utilisée de façon avantageuse pour
évacuer
les débris de roches dégagés par la foration.
Le choix de l'eau comme fluide de puissance permet également de
maintenir le diamètre du corps de perforatrice à une valeur minimum car aucun
conduit de récupération d'eau n'y est logé, l'eau étant, pour l'environnement,
un
fluide propre que l'on peut rejeter sans risque dans une galerie de mine.
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L'invention a aussi pour objet un procédé de foration par
rotopercussion, adapté pour une utilisation dans des galeries de mine de
faible
hauteur, avec mise en oruvre d'une perforatrice reliée par un tubage à une
pompe à eau sous haute pression, un piston de frappe étant monté mobile en
translation dans le corps de la perforatrice, et soumis à une haute pression
pulsée d'eau, ce procédé étant mis en oeuvre par le dispositif précédemment
défini et étant ainsi caractérisé par le fait que des ondes de choc sont
générées
dans l'eau à distance de la perforatrice, plus particulièrement à l'extérieur
du
trou en cours de foration, et sont transmises jusqu'au piston de frappe du
corps
de perforatrice par la ligne d'eau contenue dans le tubage, l'eau libérée au
niveau du corps de perforatrice étant utilisée pour évacuer les débris de
roches
dégagés lors de la foration.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit,
en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple,
une forme d'exécution de ce dispositif de foration, et illustrant ce procédé
de
foration :
Figure 1 est une vue de côté, dans une galerie de mine, d'un
dispositif de foration conforme à la présente invention, en début de foration
d'un trou ;
Figure 2 est une vue similaire à la figure 1 en fin de foration du
trou ;
Figure 3 est une vue en coupe longitudinale du corps de
perforatrice.
Comme l'indiquent les figures 1 et 2, un véhicule porteur 1 assure
le déplacement du dispositif de foration selon l'invention dans une galerie de
mine G de faible hauteur H comprise entre 1,0 et 1,5 mètre, par exemple 1,1
mètre. Le véhicule porteur 1 comporte un châssis monobloc rigide 2, de forme
générale parallélépipédique, situé à une hauteur relativement faible au-dessus
du sol sur lequel le véhicule porteur 1 se déplace par quatre roues motrices,
soit deux roues arrière 3 et deux roues avant 4. Sur la face supérieure du
châssis 2 est montée une plateforme mobile 5, déplaçable en translation dans
le sens de la longueur du châssis 2 sur une course C, par des moyens
motorisés de commande, non représentés, par exemple un moteur porté par le
châssis 2 et une transmission à chaîne sans fin.
Un corps de perforatrice 8, de forme générale cylindrique d'axe
principal A, et de longueur en L, est placé en cours d'utilisation au niveau
du
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trou à forer, et relié par un tubage flexible 7 à une pompe à eau 11 sous
haute
pression, environ 150 bars, montée sur la plateforme mobile 5 et reliée, à
l'arrière du véhicule 1, à une alimentation en eau 6. La pompe à eau 11 peut
comporter un limiteur de pression intégré.
5 Un piston de frappe 15 est monté mobile, rappelé étastiquement
par un ressort de rappel 16, dans le corps de perforatrice 8 (voir figure 3),
et
soumis à une haute pression pulsée d'eau de manière à être animé d'un
mouvement de percûssion contre une enclume porte-taillant 17, par les
moyens détaillés ci-après. Le corps de perforatrice 8 comporte, à l'arrière,
un
raccord 19 pour sa liaison au tubage flexible 7.
Une électrovanne 13 est intercalée, sur la plateforme mobile 5,
entre la pompe à eau 11 et le point de départ du tubage flexible 7.
L'électrovanne 13 est couplée à un générateur d'impulsions électriques 12 dont
la fréquence peut être comprise entre 30 et 70 Hz. Un accumulateur
hydraulique 14, également monté sur la plateforme mobile 5, permet l'écrêtage
des pics de pression liés à la pompe à eau 11.
Des moyens d'entraînement en rotation du tubage flexible 7,
notamment des galets 10, sont prévus sur la plateforme mobile 5. Une glissière
de guidage 9, en forme de coude, est disposée à l'avant du véhicule porteur 1
afin de dévier et guider en translation, en direction verticale, le tubage
flexible 7.
La foration est assurée par les différents mouvements, décrits ci-
après, de percussion, poussée et rotation.
L'électrovanne 13 reçoit, de la part du générateur d'impulsions 12,
des impulsions électriques I successives pour commander alternativement son
ouverture et sa fermeture, qui créent des ondes de choc sur la ligne d'eau
contenue dans le tubage flexible 7. Le tubage flexible 7 transmet ces ondes de
choc jusqu'au piston de frappe 15 monté dans le corps de perforatrice 8.
Soumis à cette haute pression pulsée et rappelé élastiquement par
son ressort de rappel 16, le piston de frappe 15 est animé d'un mouvement de
percussion contre l'enclume porte-taillant 17 du corps de perforatrice 8.
Les galets 10'entrai'nent le tubage flexible 7 en rotation de manière
à ce qu'il transmette simultanément à l'enclume porte-taillant 17 un mouvement
de rotation alternatif R autour de l'axe principal A du corps de perforatrice
8. Ce
mouvement de va-et-vient rotatif est avantageux par rapport à un mouvement
de rotation unidirectionnel, car il permet de briser la roche sans avoir à
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entrasner en rotation l'ensemble volumineux des éléments montés sur le
véhicule porteur 1.
Simultanément, la plateforme mobile 5 est déplacée en translation
longitudinalement sur le châssis 2, au fur et à mesure de la foration, d'une
position initiale, qui correspond à un début de foration (voir figure 1), à
une
position de fin de course dans laquelle est atteinte la profondeur P souhaitée
du trou foré T (voir figure 2). La profondeur P du trou foré T est équivalente
à la
course d'entraînement du tubage flexible 7, laquelle n'est avantageusement
limitée que par la longueur totale du tubage flexible 7, augmentée de la
longueur L du corps de perforatrice 8, et par la course de translation C de la
plateforme mobile 5.
Durant sa course, la plateforme 5 fait avancer progressivement le
tubage flexible 7 dans la glissière de déviation et de guidage vertical 9. Le
tubage flexible 7 transmet ce mouvement de poussée au corps de
perforatrice 8, ce qui permet à celle-ci de forer plus profondément dans la
roche, jusqu'à atteindre la profondeur maximale P de trou, ici par exemple
1,50
mètre. il est bien entendu possible d'atteindre de moindres profondeurs, en
réduisant la course C de la plateforme 5. On notera qu'à l'amorçage du trou à
forer T, on fait avantageusement intervenir un organe 18 de support et de
guidage du corps de perforatrice 8 (voir figure 1), de manière à positionner
convenablement ce corps de perforatrice 8 et à assurer son guidage initial
rectiligne, avant qu'il ne se guide de lui-même dans la portion de trou déjà
forée.
Grâce à un orifice central 20 de sortie d'eau, ménagé dans
l'enclume porte-taillant 17, les débris de roches brisées lors de la foration
sont
évacués avec l'eau, éventuellement par des ouvertures, par exemple des
rainures (non représentées), ménagées dans le corps de perforatrice 8.
Comme il va de soi, l'invention ne se timite pas à la seule forme
d'exécution de ce dispositif de foration décrite ci-dessus à titre d'exemple ;
elle
en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation et d'application
respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait
pas du cadre de l'invention en modifiant des détails constructifs du corps de
perforatrice, ou en ayant recours à tous moyens équivalents, notamment en
remplaçant le système d'avance à plateforme mobile, monté sur le véhicule
porteur, par un système équivalent de déroulage du tubage flexible, avec un
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dérouleur monté sur le véhicule porteur et pourvu d'un joint tournant reliant
le
point de départ du tubage flexible à la pompe à eau.
