Brevet FR2000561A1 — publié le 19690912

i 2000561 La présente invention se rapporte à un procédé et un appareil servant au travail des matières minérales, et plus particulièrement à un procédé suivant lequel on applique des jets de flamme à la surface d'une roche afin d'y tailler une fente ou 5 une saignée. La saignée par jet est un procédé permettant de tailler une fente ou une saignée d'une largeur d'environ 7,6 cm, dans une pierre de carrière par l'utilisation d'une flamme supersonique dirigée contre la pierre et faisant désagréger la roche par un 10 processus connu sous le nom d'"effritement thermique". Dans le taillage classique des saignées par un jet, on forme une saignée par l'action d'une seule flamme qui est décalée suivant un angle de l'axe d'un brûleur à combustion interne qui est déplacé sur une direction sensiblement verticale et d'une manière qui maintient 15 la flamme dirigée vers le bas mais en l'inclinant par rapport à la verticale et contre la face généralement verticale de la roche à traiter, tout en le faisant avancer simultanément dans la direction de cette flamme le long d'un trajet de saignée choisi. Bien que les procédés de taillage des saignées par jet soient 20 effectués d'une manière classique en faisant travailler le brûleur sur une face verticale d'une manière générale, on peut utiliser le même procédé sur des bases rocheuses présentant n'importe quelle pente, depuis une perpendiculaire vraie à l'horizontale. La présente invention a pour but de fournir un procédé et 25 vin appareil capables de tailler une plus grande surface de saignée par unité de réactif consommé et avec une utilisation plus efficace de la main-d'oeuvre que cela n'était possible jusqu'à présent. Le procédé pour tailler une saignée dans une masse de matière minérale pouvant s'effriter selon la présente invention 30 consiste à diriger un jet de flamme à grande vitesse et à température élevée suivant un angle aigu contre une partie de la surface de la masse de matière minérale, à déplacer le jet de flamme le long de cette surface par passes successives et à faire avancer le jet de flamme dans la direction de la base de la saignée à 35 former à mesure que des parties de cette masse de matière minérale s'effritent, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'au moins un jet de flamme supplémentaire disposé dans le même plan que le premier jet de flamme est déplacé le long de la surface à saigner en même temps que le premier jet de flamme, les divers jets étant 69 01137 2000561 maintenus à une certaine distance 1'.un de l'autre suffisante pour empêcher tout recouvrement des zones respectives d'effritement intense. La présente invention fournit également un appareil servant 5 à mettre en oeuvre le procédé.décrit plus haut. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours-de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes 10 de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 est une vue latérale d'un brûleur à double jet, constituant un exemple de la présente invention; la figure 2 est une vue schématique représentant en coupe 15 partielle une masse de matière minérale, le brûleur à double jet de la figure 1 étant représenté en position de fonctionnement pendant qu'il est en train de former une saignée dans cette masse ; la figure 3 est une vue en plan d'une partie de la masse de matière minérale qu'on voit sur la figure 2, et elle représente 20 la formation de la saignée ; la figure 4 est une. vue schématique représentant un mode de réalisation du brûleur à double jet destiné à former une saignée par jet sur une paroi inclinée ; la figure 5 est une coupe longitudinale d'un brûleur à cham-25 bre de combustion unique et à orifices multiples constituant un premier mode de réalisation de l'appareil selon l'invention ; la figure 6 est une vue partielle, en partie en. coupe, d'un autre mode de réalisation de l'invention, représentant un chalumeau à collecteurs et à brûleurs multiples, constituant un autre 30 mode de réalisation de l'appareil selon .1'invention. En se reportant à la figure 1, un brûleur à double jet, selon la présente invention comprend un ensemble de chalumeau inférieur 10 et un ensemble de chalumeau supérieur 12. Les ensembles inférieur et supérieur 10 et 12, respectivement; sont constitués 35 par.des brûleurs à combustion.interne classiques .14 èt 16r respectivement, qui sont fixés à leurs extrémités d'entrée àt des tiges de chalumeau respectives lEl.- .et -20 . Les .brûleurs 14 et 16 sont pourvus., à. leurs extrémités dé sortie d'orifices- de jets - de flamme respectifs 22 et 24. Des tubes métalliques 26, 28 et 30 repré 69 01137 2000561 sentés en association avec l'ensemble inférieur 10 et prévus de même pour l'ensemble supériéur 12, servent à alimenter ces ensembles en gaz oxydant, en carburant et en réfrigérant. De plus, un tube métallique 32 est utilisé dans le brûleur supérieur 16 5 pour écarter le réfrigérant chauffé, tel que de l'eau, de la région de travail immédiate où il pourrait autrement faire obstacle à l'opération de taillage de la saignée. Un support rigide servant à relier entre eux les ensembles 10 et 12 suivant une position fixe et déterminée l'un par rapport 10 3 l'autre comprend deux colliers d'acier 34 et 36 fixés rigidement sur leurs ensembles respectifs 10 et 12 et également: l'un à l'autre. Les colliers 34 et 36 sont conçus de telle sorte qu'ils maintiennent d'une façon rigide le brûleur inférieur 14 suivant un angle par rapport au brûleur supérieur 16 et à une distance h 15 directement en dessous de ce dernier, de sorte que les deux orifices pour les flammes sont centrés sur le même plan vertical. En se reportant à la figure 2, le brûleur à double jet de la figure 1 est représenté comme étant supporté en position de fonctionnement par un ensemble de suspension 38 monté sur la face 20 supérieure d'une section de roche 40. En fonctionnement, les brûleurs 10 et 12 sont levés et abaissés ensemble à une vitesse souhaitable tout en les maintenant très près de la paroi d'extrémité 42 de la saignée ou en contact avec celle-ci. Une telle mise en position assure un contact maximal des flammes et de la roche 25 et par suite de plus grandes vitesses de taillage des ^ignées. A mesure que la flamme intense échauffe la paroi.d'extrémité 42 de la saignée en l'amenant à des températures élevées, vin effritement progressif s'effectue de façon à tailler une saignée dans la roche 40. En même temps qu'il est déplacé verticalement d'un 30 mouvement de va-et-vient, le brûleur à.double jet 10, 12 est avancé horizontalement le long d'un trajet de saignée choisi (sur la figure 2 cette direction va de la gauche vers la droite) à mesure que la roche chauffée s'effrite et tombe de la paroi d'extrémité 42, en laissant une surface fraîche de roche. 35 En se reportant à la figure 3, elle représente un plan d'une partie de 'la roche 40 qu'on voit sur la figure 2 et elle montre toute la saignée formée par deux parois latérales 46 et 48, la paroi d'extrémité 42 et le fond 44 de la saignée de la roche 40. 69 01137 2000561 En pratique, lorsqu'on taille une saignée par jet, il arrive souvent que la face verticale d'une manière générale de la roche (contre laquelle le jet de gaz à température élevée et grande vitesse est dirigé) est initialement presque perpendicu-5 laire, comme on le voit sur la figure 2, mais qu'à mesure que l'opération de taillage de la saignée se poursuit, la face de la roche prend progressivement une pente de sorte que la face verticale d'une manière générale de la roche devient inclinée par rapport à la perpendiculaire comme on le voit sur la figure 4. De 10 ce fait, le terme "vertical d'une manière générale", est destiné à englober ces deux types de configuration qu'on voit sur les figures 2 et 4. En se reportant à la figure 4, elle représente vin brûleur à double jet utilisé pour tailler par jet line saignée sur une paroi 15 inclinée avec le brûleur à jets multiples selon l'invention. Dans ce cas, les chalumeaux 50 et 52 du brûleur, et leurs orifices de jets respectifs 54 et 56 sont déplacés dans la direction de la paroi d'extrémité 58 de la saignée à une vitesse avantageuse tout en les maintenant très près de la paroi d'extrémité 58 ou en 20 contact avec celle-ci. Les chalumeaux 50 et 52 sont supportés à des positions appropriées espacées l'une de l'autre, les axes de leurs orifices étant fixés suivant un angle par rapport à la surface de la paroi d'extrémité 58 qui assure un contact maximal des flammes et de la roche. 25 Un avantage présenté par le brûleur à double jet par rapport à un brûleur simple classique réside dans une réduction de la maiii-d'oeuvre par unité de surface de saignée taillée. Dans certains cas, cette réduction peut s'élever jusqu'à 50 %. Une réduction de frais des réactifs par unité de saignée taillée, ainsi que de 30 main-d'oeuvre, peut être réalisée si deux ou plusieurs brûleurs sont conçus suivant la présente invention en choisissant d'une manière appropriée les taux de débit de réactifs suivant les dimensions du brûleur, l'angle des orifices des jets de flammes par rapport à la surface de la roche et l'espacement entre les brûleurs» 35 On a effectué des essais pour déterminer l'effet que les taux de débit d'oxygène ont sur le rendement en oxygène, en fonction des unités de surface de saignée formées par unité de volume d'oxygène consommé. Il est évident que le fait de n'essayer qu'un seul brûleur à combustion interne classique, tout en fonctionnant 69 01137 2000561 à des taux de débit à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de sa gamme de conception, afin de déterminer son rendement en fonction du taux de débit, n'est ni un essai valable, ni un essai concluant du fait que des variables, telles que la vitesse de 5 sortie des gaz et le rendement de la combustion, ont un effet important sur le rendement du brûleur en dehors de sa gamme de conception. Pour réaliser un essai significatif, on a fait fonctionner une série de brûleurs à combustion interne conçus pour fonctionner à des taux de débit différents allant de 28,3 à 3 10 84,9 m /heure d'oxygène, uniquement dans leur gamme de débit de conception particulière avec un rapport standard d'oxygène et de 3 carburant de 28,3 m d'oxygène pour 19,5 kg de kérosène. Le tableau I ci-après donne les résultats de cet essai : TABLEAU I 15 Taux de débit Taux de for- Rendement de l'oxygène 3 2 d'oxyqène m /h mation de la m de saiqnée 2 3 saignée m /h m de C>2 Jet de gaz simple 28,3 1,07 0,038 20 Jet de gaz simple 42,5 1,16 0,027 Jet de gaz simple 84,9 1,95 0,023 Les résultats indiquent d'une manière générale que le rendement de l'oxygène diminue lorsque les dimensions du brûleur à jet simple en fonction de son taux de débit de régime en oxygène aug-25 mentent. Parmi les brûleurs essayés, c'est le brûleur le plus petit qui a fonctionné avec le rendement le plus élevé. En plus des résultats d'essais d'un brûleur à jet simple indiqués dans le tableau I, on a effectué également des essais pour comparer le rendement d'un brûleur à jet simple avec des brûleurs 30 à jets multiples présentant le même taux de débit total. Ces résultats sont donnés dans le tableau II ci-après. TABLEAU II Taux de déb^t Taux de for- Rendement en oxygène d'oxygène irP/h mation de la 2 J3 ' 2 m de saignee 35 ra__de_Q2_ saignée m /h m3 Jet de gaz simple 84,9 1,95 0,023 Jet de gaz double (2 jets de 42,45m3/h de gaz) 84,9 2,36 0,028 Trois jets de gaz (3 jets de 28,3m3/h) 84,9 3,21 0,038 69 01137 . 2000561 D Le tableau III montre qu'on obtient un rendement plus élevé en utilisant un grand nombre de jets effluents au lieu d'un seul jet effluent présentant le même taux de débit total. C'est ainsi qu'un brûleur à deux jets fonctionnant avec des taux de débit 3 5 d'oxygène de 42,5 m par heure pour chaque jet donne un rendement de formation de la saignée de 21 % supérieur à celui d'un brûleur à simple jet utilisant un débit d'oxygène de même débit • 3 total, c'est-à-dire 84,9 m /h. De plus, le brûleur à trois jets a fonctionné avec un meilleur rendement que le brûleur à deux 3 10 jets comprenant deux jets de gaz d'un débit de 42,5 m /h. On pense que la partie supersonique intense d'une flamme fournit la plus grande partie de l'effritement. A mesure que l'angle que fait la flamme contre la surface de la roche diminue, la surface de la roche, qui peut être appelée "l'empreinte", sur 15 laquelle cette partie intense vient frapper, augmente, et que par suite le taux de formation de la saignée augmente. Bien entendu, on atteint un point près de 0° où la flamme devient presque parallèle à la roche et ne peut la toucher. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 20 2, l'ensemble supérieur de chalumeau 12 est supporté en position verticale, l'orifice 24 du brûleur étant décalé d'un a$gle a; par exemple de 12°, par rapport à la surface 42 de la roche. Les colliers 3 4 et 36 sont soudés ensemble de manière à fixer l'ensemble inférieur 12 suivant un angle b, par exemple de 6°, par 25 rapport à l'ensemble supérieur 12. L'orifice 22 du brûleur inférieur est décalé d'un angle c, par exemple de 6°, par rapport à l'axe du brûleur. La somme des angles b et c est représentée sur la figure 1 par un angle d qui est sensiblement égal à l'angle a de sorte que les flammes des deux brûleurs viennent frapper la 30 surface 42 de la roche suivant l'angle qui se traduit par un taux de formation de saignée qui est le plus élevé. Les axes longitudinaux des deux brûleurs sont disposés dans le même plan vertical. TABLEAU III Angle de la flamme par rapport à Taux de formation de la 2 35 la surface de la roche (degrés) saignée (m /h) 6 1,43 12 1,22 20 , 1,09 29 1,03 69 01137 2000561 Le tableau III montre l'effet de l'angle de la flamme sur le taux de formation de la saignée, lorsqu'on utilise un brûleur 3 classique suivant des taux de débit constants de 42,5 m /h d'oxygène et de .'î*9r5 kg/h de kérosène, toutes les autres variables 5 telles que la vitesse et la composition des réactifs restant constantes, et l'orifice de jet du brûleur étant rapproche de la surface à traiter. L'utilisation d'un angle de 6° pour la flamme s'est traduite par un accroissement de 20 % du taux de formation de la saignée par rapport au taux obtenu avec un angle 10 de 12° pour la flamme. Bien que l'angle optimal pour la flamme soit du point de vue théorique compris entre 0 et 6°, l'utilisation d'angles plus petits que 6° n'est pas possible en pratique. Il convient de noter que l'angle optimal de la flamme peut va- . rier lorsqu'on utilise des brûleurs à air moins intense ou lors-15 qu'on forme des saignées sur des matières minérales de types autres que ceux utilisés pour obtenir les données présentées dans le tableau III. Il convient également de noter que pour obtenir les données du tableau III, on a formé une saignée sur une roche différente de la section de roche utilisée pour obte-20 nir les résultats des tableaux I et II. TABLEAU IV Espacement des brûleurs Taux de formation de la saignée cm m /h 15,2 1,81 25 25,4 2,01 38,1 2,32 50,8 2,36 En se reportant au tableau IV, il donne les variations de taux de formation de la saignée en fonction des espacements entre 30 deux brûleurs, telle que la distance indiquée par h sur la figure 1. On a fait fonctionner les deux brûleurs 14 et 16 à des 3 taux de débit constants de 42,5 m /h d'oxygène chacun et de 29,5 kg/h de kérosène, toutes les autres variables telles que la vitesse, la composition des réactifs et l'angle de la flamme 35 restant constantes. Au-dessus d'une distance égale à 50,0 cm, le taux de formation de la saignée a été constant et s'est maintenu 2 à une valeur de 2,36 m /h. Lorsqu'on a rapproche les bruleurs les taux de formation de la saignée ont été réduits considérablement pour des espacements inférieurs à 38,1 cm. Les résultats 69 01137 2000561 indiquent que le taux de formation de la saignée est le plus grand lorsque la distance h est suffisante pour empêcher les "empreintes" de la flamme formée sur la surface de la roche et qui sont constituées par la partie d'effritement intense de 5 chaque flamme, de se recouvrir. A cette distance, les flammes agissent indépendamment l'une de l'autre. L'espacement minimal nécessaire entre des jets effluents dépend du taux de débit du courant qui sort des orifices individuels. La théorie des jets turbulents indique que les jets 0 décroissent en fonction de x / d où d est le diamètre de l'orifice du jet et x est la coordonnée linéaire d'espace dans le sens du courant. En fait, ceci signifie que la longueur effective du jet est en rapport avec le diamètre de son orifice. Pour des vitesses de sortie équivalentes, le diamètre de l'orifice de 5 sortie est proportionnel à la racine carrée du taux de débit de l'orifice. Pour des applications de formation de saignée à l'aide de jets multiples, l'espacement minimal h peut être calculé par l'expression : h = 34,2 F 0 où h est la distance en centimètres et F le taux de débit nominal 3 de consommation d'oxygène par orifice de brûleur en m par heure. Cette relation donne des espacements minimaux de 31 cm, 38 cm et 54 cm pour des jets multiples présentant des régimes de débit d'oxygène de 28,3, 42,5 et 84,9 m /h, respectivement. 5 Bien que les figures de 1 à 4 qui servent à illustrer le présente invention représentent un brûleur à double jet comportant deux ensembles de chalumeaux séparés munis chacun de leur chambre de combustion individuelle, il va de soi qu'un brûleur à jet ne comportant qu'une seule chambre de combustion allant à 0 deux ou plusieurs orifices espacés d'une manière appropriée l'un de l'autre, convient également. De même", un brûleur à jets multiples semblable aux brûleurs à double jet représentés sur les figures de 1 à 4 mais comprenant plus de deux ensembles de chalumeaux séparés reliés rigidement ensemble, peut être utilisé. 5 En se reportant à la figure 5, elle représente un mode de réalisation du brûleur selon l'invention, lequel comprend un corps de brûleur 60 muni d'une seule chambre de combustion 62 allant à une série d'orifices de jets 64. 69 01137 9 2000561 La figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention représentant une variante du concept à jets multiples de celle-ci. Dans ce mode de réalisation, une série de brûleurs individuels à combustion interne 68 comportant chacun une 5 chambre de combustion 70 et un orifice de jet 72 qui lui est associé, sont reliés à un collecteur 66. Bien qu'on ait décrit les brûleurs comme utilisant de l'oxygène, d'autres oxydants tels que de l'air ou de l'air enrichi d'oxygène peuvent également être fournis aux brûleurs. 10 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 69 01137 2000561 REVENDICATIONS 1. Procédé pour tailler une saignée sur une masse de matière minérale pouvant s'effriter, ce procédé consistant à diriger un jet de flamme à température élevée et grande vite-5 se suivant un angle aigu contre une partie de la surface de „• masse de matière minérale, â déplacer le jet de flamme le Ion;, de cette surface par passages successifs et à faire avancer le jet de flamme dans la direction de la base de la saignée à former à mesure que des parties de cette masse s'effritent et tombent, 10 procédé caractérisé en ce qu'au moins un jet de flamme supplémentaire disposé dans le même plan que le premier jet de flarr est déplacé le long de la surface sur laquelle doit être taillée la saignée en même temps que le premier jet de flamme, les divers jets étant maintenus à une certaine distance l'un de l'autre 15 qui est suffisante pour empêcher tout recouvrement des zones respectives d'effritement intense. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les jets de flamme supplémentaires sont dirigés à peu près parallèlement au premier jet de flamme. 20 3. Procédé suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque jet de flamme est dirigé suiv-un angle aigu compris entre 6° et 12° contre la surface de la masse de matière minérale sur laquelle une saignée doit être taillée * 25 4 o Appareil servant à mettre en oeuvre le procédé suivant les revendications 1 à 3, comprenant un brûleur comportant un brûleur à combustion interne pourvu d'une chambre de combustion communiquant avec des conduits d'entrée pour un gaz oxydant et un gaz carburant et un passage de sortie de la flamme, un support 30 étant destiné à déplacer ce brûleur par passages successifs si'-la surface d'une masse de matière minérale sur laquelle une saignée doit être taillée tout en maintenant l'orifice du passage de sortie à une distance permettant à la flamme de vexïir frapper la dite surface et permettant de faire avancer le brûleur 35 dans la direction de la base de la saignée à former â mesure que des parties de cette masse s'effritent, appareil caractérisé en ce que le brûleur comprend au moins un passage supplémentaire de sortie de la flamme partant d'une chambre de combustion interne, l'axe de chacun des passages supplémentaires de sortie 69 01137 2000561 de la flamme se trouvant dans le même plan que l'axe du premier passage de sortie de la flamme et les orifices des passages séparés de sortie de la flamme étant espacés les uns des autres d'une distance suffisante pour empêcher tout recouvrement des 5 zones respectives d'effritement intense. 5. Appareil suivant la revendication^, caractérisé en ce que les axes des passages de sortie des flammes sont disposés à peu près parallèlement les uns aux autres. 6. Appareil suivant la revendication 4 et la revendication 10 5, caractérisé en ce que les orifices des passages de sortie des flammes sont disposés à une distance les uns des autres qui n'est pas inférieure à h suivant l'équation : h = \ 34,2 F, où h = distance en centimètres, F = taux de défait nominal de consommation d'oxygène par ori- 3 15 fice de brûleur en m par heure. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que chacun des passages supplémentaires de sortie de la flamme est constitué par un brûleur à combustion interne sgparé qui est fixé rigidement au premier brûleur. 20 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le ou les passages supplémentaires de sortie de la flamme sont compris dans le premier brûleur, tous les passages de sortie des flammes communiquant avec la chambre de combustion unique de ce brûleur. 25 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications - "... it 5 ou 6, caractérisé en cé que le ou les passages de sortie supplémentaires de la flamme et le passage de sortie de la flamme du premier brûleur sont prévus dans des brûleurs individuels fixés à un collecteur, chaque brûleur comprenant une 30 chambre de combustion séparée qui communique avec un seul collecteur.