Brevet FR2007166A1 — publié le 19700102

La présente invention concerne le travail des sols et des roches, par exemple pour y forer des trous ou pour y creuser des tranchées. Elle a pour but d'augmenter la vitesse de travail pour une tranchée ou un trou donnés, par rapport à ce que permet 5 d'obtenir le forage traditionnel par jet de flamme. Le forage ou le terrassement par jet de flamme peut être utilisé suivant deux techniques de base différentes. Lorsque le sol ou la roche est susceptible de travailler sous l'action de la chaleur, la flamme est capable à elle seule de forer le trou. De 10 nombreuses roches très dures peuvent être forées de la sorte à la flamme, par exemple le granit, la taconite, la dolomite, ou la quartzite. Pour un grand nombre de roches courantes, il n'est pas possible d'effectuer des forages en utilisant une flamme seule. 15 Dans ces cas, on accélère par le jet de la flamme un courant de particules abrasives auxquelles on communique une vitesse importante pour les projeter contre la surface du roc. Cela produit un effet de découpage mécanique. Des recherches visant à améliorer le procédé de forage à la 20 flamme ont fait apparaître un inconvénient de principe des méthodes traditionnelles. On a proposé d'utiliser des brûleurs internes alimentés en oxygène et dans lesquels la pression de la chambre de combustion peut atteindre 18 bar ; cependant, l'emploi de ces brûleurs est coûteux par suite du prix élevé de l'oxygène. 25 Afin d'obtenir des trous plus larges que le diamètre du brûleur, on envoie une forte proportion des produits de combustion dans une ou plusieurs buses qui divergent par rapport à l'axe du brûleur. Par ailleurs, si l'on utilise comme oxydant de l'air en-30 voyé à une pression courante de l'ordre de 7 bar, le diamètre du trou foré est supérieur à celui du brûleur, mais il arrive fréquemment qu'un tel trou soit trop large pour être pratiquement O utilisable. Par exemple, une unité de 17 Nm /mn produit dans le granit un trou d'un diamètre de 25 cm. XI serait très souhaita— 35 ble de pouvoir réduire ce diamètre à 15 cm ou même moins. Ce problème ne se pose pas si l'on utilise comme oxydant de l'oxygène pur éteint donné que le jet axial utilisé dans ce cas fournit un trou de petit diamètre ; cependant, ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, l'emploi de l'oxygène oblige à utiliser des to jets divergeant par rapport à l'axe afin d'obtenir tin diamètre de 69 12064 2007î66 trou supérieur au diamètre du brûleur. Selon la présente invention, on a constaté qu'en utilisant de l'air comme oxydant, le diamètre du trou dépend directement de la pression maintenue dans la chambre de combustion du brûleur, 5 et varie inversement par rapport à cette pression. Autrement dit, des pressions de chambre supérieures à 11 bar augmentent les vitesses de forage tout en réduisant la section transversale du trou, la limite inférieure étant bien entendu constituée par le diamètre du brûleur lui-même. Ce résultat dépend en partie du 10 fait que l'azot# présent dans l'air (78 $ de la masse) contribue notablement à l'opération par son effet mécanique sur la roche ou analogue, en liaison avec la forte température et la grande vitesse du jet du brûleur. Par exemple, un brûleur air/fuel de type conventionnel de Q 15 17 Nm /mn. permet de creuser un trou dteidiamètre de 25 cm dans une taconite particulière, à une vitesse de 7,6 m/heure. Ce brûleur fonctionne avec une pression de chambre de 5 bar avec pour le jet, une buse d'un diamètre de 32 mm. Si l'on réduit le diamètre de la buse jusqu'à 22 mm, la pression dans la chambre croît 20 jusqu'à environ 14 bar. Bien entendu, il est nécessaire d'augmen*» ter la pression de refoulement du compresseur d'air. L'unité utilisant la plus forte pression, qui consomme le même débit de O 17 Nm /mn d'air comprimé, fore un trou d'un diamètre de g>'0 cm à une vitesse de 10,5 m/heure ; on remarque que le volume de maté-25 riaux éliminé dans le dernier cas est notablement moindre; le rendement est très supérieur si l'on apprécie le résultat- en termes de vitesse linéaire de forage. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de 'l' in vô né ton. 30 Fig. 1 est une vue en coupe illustrant une.opération de forage à la flamme. Fig. 2 est une coupe longitudinale d'un brûleur selon l'invention. Fig. 3 est une variante du brûleur de la fig. 2, prévue 35' pour introduire des particules abrasives dans la flamme. Fig. 4a, 4b et 4c représentent schématiquement la surface d'une roche sur laquelle on envoie des jets de flamme de vitesses différentes. On a illustré sur la fig. 1 le forage par jet de flamme 40 d'un matériau 13 délitable sous l'effet de la chaleur, par exemple 69 12064 3 2007166 de la taconite. Un brûleur interne 11 produit un jet de flamme 15 dont 1*impact s'effectue sur le fond 21 du trou 12 en cours de forage. Les débris du terrain et les produits d'échappement de combustion forment un flux 16 qui est évacué par le haut à l'exté— 5 rieur du trou, au niveau de la surface 14 du sol. Le jet de flamme 15 est supersonique et il est caractérisé par des ondes de choc en losange 49 qui se trouvent décrites plus en détail à l'occasion de la fig,. 2, Le brûleur 11 est maintenu par un tube 17 qu'on utilise également pour canaliser l'air comprimé depuis 10 un conduit 19 jusqu'au brûleur. Par une canalisation 20, et à travers un tube 18, on envoie dans le plus gros tube 17 un combustible qui peut être constitué par de l'huile, du pétrole, du fuel, ou du mazout. On monte un joint d'étanchéité torique entre le tube 18 et la canalisation 20. Au fur et à mesure que le trou est 15 foré, on avance davantage l'appareil et son brûleur. On a représenté en détail sur la fig. 2 un brûleur alimenté en air et en fuel. Cette structure peut être désignée sous le nom de structure à trois tubes, ce qui fournit une unité compacte et symétrique. L'air de combustion est envoyé par le tube 17 dans 20 une chambre de distribution 39 puis, de là, vers l'extrémité avant, nez ou buse du brûleur à travers un espace annulaire 41 défini entre un tube extérieur 31 et un tube intermédiaire 32. L'air change alors de direction comme indiqué par les flèches, pour revenir vers le haut entre le tube 32 et une chemise interne 25 33 jusqu'à un puits central 44 auquel il accède par des trous radiaux 43 percés dans un embout 38. Le fuel est envoyé par le tube 18 dans une buse de pulvérisation 37 qui projette un cSne 46 où s'effectue le mélange de l'air comprimé avec le combustible qui brûle dans une chambre de combustion 45. Les produits de la com— 30 bustion se détendent à partir de la zone de pression élevée de la chambre 45, en passant à travers la buse 47 pour donner naissance à un jet de flamme 48. Le brûleur lui-même est assez simple. De plus, outre les trois tubes 31, 32 et 33, on prévoit l'embout 38 déjà cité ainsi 35 qu'une tuyère 47 pour former la paroi avant de la chambre de combustion 45. Cette tuyère 47-forme partie intégrante de la chambre de combustion à laquelle elle est réunie par une soudure 52. De même, l'embout 38 est solidaire de l'extrémité opposée de la chambre de combustion et il est relié par une soudure 53 à 40 la chemise 33 et à la tuyère 47» 69 12064 2007166 Le tube intermédiaire 32 canalise l'air jusqu'à l'extrémité avant du brûleur, cet écoulement d'aii- assurant un refroidissement suffisant du tube extérieur 31»lequel est sujet à un échauf-fement sous l'action des gaz chauds refoulés vers le haut à tra— 5 vers le trou 12 (fig. 1). La chemise 33 fonctionne chauffée au rouge pour faciliter les réactions intenses qui se développent dans la chambre 45o La température de fonctionnement élevée de la chemise 33 fait apparaître une dilatation axiale importante de ce tube. Une 10 chemise de 46 cm. se dilate par exemple de 9»5 mm. Pour éviter que les différents tubes ne se-voilent sous l'effet d'une dilatation inégalement répartie (les deux autres tubes 31 et 32 n'atteignent pas une température aussi élevée), on doit permettre un libre mouvement de la chemise 33 par rapport aux tubes 31 et 32. 15 Sur des structures précédemment connues, on fixait rigidement l'embout 38 et la tuyère 47 au tube extérieur 31» la chemise 33 ayant la possibilité de se déplacer librement sur les parties cylindriques des pièces extérieures supportant le tube 31» Un tel montage coulissant présente des inconvénients sérieux du fait 20 des inévitables fuites d'air résultant d'une dilatation inégale des différents éléments® Une telle fuite peut produire un sifflement très désagréable. De plus, oi^riutilise pas la totalité de l'air pour la combustion ou pour le refroidissement. Les tubes chauffent davantage et la combustion est moins intense. 25 La présente invention concerne une structure qui assure non seulement une possibilité de libre mouvement des différents tubes du brûleur, mais encore l'élimination des risques de fuite d'air. Ainsi que cela apparaît sur la figo 2, 1'extrémité inférieure du tube intermédiaire 32 flotte librement et ce tube peut se dila-30 ter ou se contracter indépendamment de l'importance de la dilatation de l'un quelconque des autres éléments. La chemise 33 peut se dilater et son allongement est compensé par le déplacement du tube 18 qui glisse sur la canalisation de fuel 20, De plus, la structure du brûleur selon l'invention permet 35 à la fois l'allongement des éléments, et leur déplacement latéral qui peut résulterd'un échauffemènt inégal tout autour de la circonférence des éléments tubulaires, La canalisationjie fuel 20 n'est pas fixée mécaniquement, ce qui permet un tel mouvement. Bien que la tuyère 47 ait été représentée (en traits pleins) 40 comme possédant un profil conv^ergent , on peut également utiliser 69 12064 2007166 un détendeur 57 (en trai^ts interrompus) incorporé à une tuyère divergente 58» Les différentes parties du jet de flamme projeté par la tuyère 47 résultent de la vitesse supersonique de ce jet de flamme. Lorsqu'apparaissent des pressions gazeuses non 5 compensées, le phénomène se caractérise par des ondes de choc en losange 49» Dans le plan de sortie de la tuyère 47, la pression gazeuse (dans le cas d'une forte pression de chambre de combustion) est nettement supérieure à la pression de l'atmosphère environnante. Le jet se détend quand il entre dans l'atmosphère. 10 Cependant, étant donné que la vitesse du jet est supérieure à celle du son, la pression au sein du jet et la pression atmosphé— tique ne s'équilibrent pas immédiatement. Cela fait apparaître des ondes de choc et la surface du jet lui-même se trouve alternativement soumise à une expansion et à une contraction. 15 On va décrire maintenant en se référant à la fig. 4, le mé canisme suivant lequel un jet de flamme à grande vitesse peut permettre de forer plus vite et d'obtenir un trou de plus petit diamètre. Sur les trois vues 4j£, 43g, 4^ de la fig. 4, on a supposé que les débits d'air et de fuel sont les mêmes. De plus, la vi— 20 tesse du jet sur la vue 4b est deux fois supérieure à celle du jet de. la fig. 4a j la vitesse du jet sur 4ç_ est à son tour double de celle du jet de 4b. En augmentant la vitesse du jet, on réduit le diamètre de celui—ci. On peut également agir sur le brûleur lui-même et lui choisir un diamètre plus faible pour les 25 pressions de combustion plus élevées. Dans le cas de la fig. 4a, on suppose que la vitesse Vj^ du jet est égale à 460 m./s. Ce jet de flamme est subsonique et il se caractérise par le forage d'un trou de relativement grand diamètre. Les gaz de l'impact doivent contourner le point 30 mort 74 et s'en éloigner radialement, étant donné que leur inertie est relativement faible. Ainsi, le transfert de chaleur à la roche est défini en grande partie par la répartition des vitesses. du gaz dans la zone où il s'épanouit plus ou moins horizontalement sur le fond du trou. Pour un jet dont l'impact est 35 large et s'effectue à basse vitesse, le gradient des vitesses de contact est relativement faible. Par exemple, l'augmentation de vitesse du point 75 au point 76 (séparés par l'unité de distance) reste faible. Un transfert thermique peu intense au niveau du point de stagnation 74 correspond à tin plus faible affouillement 40 au centre du jet. Les gaz chauds se répandent vers l'extérieur 69 12064 6 2007166 pour continuer à déliter la roche à une distance relativement grande du point 74. XI en résulte le forage d'un trou de grand diamètre, avec une vitesse d'avancement axial relativement lente. Sur la fig» 4b, on a supposé que la vitesse Vj_ du jet est IC 5 égale à 1 320 m./s., cette valeur correspondant à une pression de 3,5 bar environ dans la chambre> L'impact des gaz du jet couvre une surface centrale plus faible et la vitesse tangentielle à partir du point 84 dans le sens des flèches 85 et 86 est beaucoup plus élevée que dans le cas précédent. Cela assure dans la roche 10 un affouillement pratiquement uniforme dans un trou dont le fond reste pratiquement hémisphérique. Le diamètre du trou est plus faible tandis que la vitesse de forage est augmentée. Cependant, la quantité globale de roche enlevée est plus faible que dans le cas de la fig. 4a. 15 On obtient les plus grandes vitesses de forage et les plus petits diamètres du trou lorsque la vitesse Vj^ du jet (fig. 4çî) est augmentée jusqu'à 2 650 m./s. environ. Si l'on utilise un mélange d'air et de fuel, la pression correspondante dans la chambre est de l'ordre de 21 bar. Ici, la vitesse tangentielle 20 augmente dans le sens radial autour du point de stagnation 94 et elle atteint immédiatement des valeurs très élevées, si bien que 1'affouillement est plus intense au centre du trou que dans les zones périphériques du fond. La vitesse de forage est plus importante, bien que le débit volumétrique de roche éliminé soit 25 plus faible. Le diamètre du trou reste maintenu à une valeur seulement peu supérieure au diamètre externe du brûleur. Si l'on augmente la pression dans la chambre nettement au-dessus des valeurs usuelles dans la technique du forage par flamme, on accroît notablement la vitesse de forage, l'air four-30 nissant l'oxydant nécessaire tandis que les composants inertes de cet air contribuent à former la masse de l'écoulement gazeux qui circule à haute température et à grande vitesse. Le tableau suivant indique à titre d'exemple un jeu de valeurs pratiques pour un brûleur'qui met en oeuvre correctement le 35 procédé de l'invention.- • O Alimentation en air : 17 Nm /mn. à 18 bar Alésage de la tuyère : 22 mm. Combustible : fuel 2 ; 118 litres à 1'heure {longueur : 46 cm.;diamètre 40 Chemise : (intérieur : 51mm. 69 12064 7 2007166 Diamètre extérieur du tube externe : 76 mm, Paroi du tube extérieur : 3,2 mm» d'épaisseur Paroi du tube intermédiaire : 3>2 mm. d'épaisseur 5 Pression dans la cliambre : 13>5 bar Température du jet s 1 650°C Vitesse du jet : 1 58O m./s. (10 losan ges d'ondes de choc). Si l'on utilise un forage par abrasion, soit seul, soit en 10 combinaison avec le forage à la flamme, l'augmentation de la vitesse du jet selon l'invention accroît notablement l'effet d'érosion des particules lorsqu'elles viennent frapper la roche avec une énergie cinétique plus grande. Ici encore, l'accroissement de la vitesse de forage correspond à une diminution du dia— 15 mètre des trous. La fig. 3 illustre la structure d'un brûleur prévu pour permettre le libre mouvement d'une unité de combustion dans laquelle on peut en outre envoyer des particules abrasives. Ces dernières sont fournies par un tube 65 fermement maintenu dans l'embout 38. La cavité du puits 44 est décalée suffisamment 20 pour permettre l'adjonction du tube 65. Le combustible est envoyé comme précédemment, tandis que les particules abrasives sont véhiculées par un flux d'air à travers le tube 65» si bien qu'elles constituent une partie des produits soufflés par le brûleur. 25 Dans l'optique de la présente invention, l'expression "brû leur interne" concerne un dispositif de combustion dans lequel on envoie l'oxydant et le combustible suivant un débit relativement stable, pour les recevoir dans une chambre où la combustion se développe en continu» Conformément à cette définition, on ne 30 considérera donc pas comme des "brûleurs internes", des dispositifs dont le principe de fonctionnement reste ba.sé sur l'apparition d'une ou plusieurs réactions explosives. Il doit être entendu qu'on a décrit à titre d'exemple non limitatif un système de brûleur pour la mise en oeuvre de l'in-35 vention. Cependant, l'objet de l'invention concerne également la méthode générale de forage ou de terrassement ou de tous autres travaux sur des minéraux, des roches ou des sols divers. 69 12064 2007166 REVENDICATIONS 1- Procédé de forage ou de terrassement à l'aide d'un jet de flamme dans line masse solide telle que de la roche, un sol, 5 ou des minerais, en utilisant un brûleur interne comme source de chaleur et de l*air comme oxydant, caractérisé en ce que s a) on utilise le brûleur pour une pression supérieure à 10,7 bar dans la chambre de combustion, alors que b) on dirige le jet de flamme résultant contre la masse à forer. 10 2— Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on incorpore des particules abrasives au courant gazeux for*» mant le jet du brûleur» 3- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les particules abrasives sont introduites dans la chambre de 15 combustion du brûleur. 4- Brûleur interne pour le travail thermique par jet de flamme de masses rocheuses et minérales, caractérisé en ce qu'il comprend : a) un boîtier extérieur j b) une chambre de combustion logée dans ce boîtier et comportant une ouverture pour la 20 tuyère du jet, cette chambre pouvant se déplacer librement dans le sens axial et dans le sens latéral par rapport au boîtier sous l'effet de la dilatation thermique } et c) des canalisations déformables pour envoyer le combustible et l'oxydant dans la chambre. 25 5- Brûleur interne suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour introduire des particules abrasives dans la chambre de combustion.