Brevet FR2297991A1 — publié le 19760813

La présente invention est relative à un procédé d'extraction de minéraux tels que la houille à l'aide d'un appareil racleur que l'on peut faire aller et venir. Il est connu que l'on extrait les minéraux tels que la houille, qui ne peuvent pas être exploités à ciel ouvert, en passant par un ou plusieurs puits de grand diamètre que l'on creuse à cet effet Jusqu' la profondeur des couches à exploiter. En outre, il est nécessaire de percer en direction horizontale ou inclinée un certain nombre de travers-bancs et galeries de desserte qui servent à 1 'amenée ou au transport de personnel et de matériel, au transport de la matière extraite et à l'amenée d'air, d'électricité et d'autres fournitures nécessaires au progrès du travail. L'extraction de couches de iinéraux que l'on atteint de cette façon peut être effectuée entre autres au moyen dlap- pareils racleurs ou raboteurs que l'on peut faire aller et venir mécaniquement ou hydrauliqueuent. Ce procédé présente plusieurs inconvénients, dont le plus important est qu'il est coûteux et qu'il oblige les houes à faire leur travail en étant coupés longtemps de la lanière du jour, dans un environnement peu attrayant et assez dangereux. L'un des buts de l'invention est de fournir un procédé et un appareil permettant d'extraire mécaniquement des minéraux souterrains de façon telle qu'il ne soit plus nécessaire à des homes de descendre sous terre par des puits de grand diamètre pour extraire les minéraux et les transporter vers la surface par ces puits.Donc, selon l'invention, on descend à l'état déployé une structure segmentée de racleur pouvant se plier en zigzag, à travers un forage, dans une formation minérale puis on l'amène à l'état plié à l'aide d'un organe de traction, mettant ainsi les organes racleurs en position active, puis on les déplace vers le haut et vers le bas en agissant par le haut du forage et on renonte à travers le forage les linéaux détachés par raclage, au moyen de liquide que l'on fait circuler à travers le forage. Etant donné que dans ce procédé la couche minérale extraite est remplacée par un liquide ayant les propriétés rhéologiques voulues, il est possible aussi d'éviter que, comme dans le procédé usuel, la formation de toit ne s'écroule, ce qui peut causer des affaissements à la surface. Ci-après, pour plus de simplicité, on ne parlera que de couches de houille. On entend par là tous les minéraux déposés en couches à une profondeur telle que l'on ne puisse pas les exploiter à ciel ouvert. Ci-après, on mentionne seulement l'extraction de minéraux solides, mais le même procédé peut aussi s'appliquer à l'extraction de minéraux par dissolution ou suspension. En pareil cas, l'appareil racleur décrit ci-après peut être équipé de buses de pulvérisation au lieu d'organes racleurs ou en plus de ceux-ci et on peut alors faire circuler du liquide à travers l'appareil de manière à exercer une action hydraulique de jet. La structure de racleur doit être reliée aux moyens d'alimentation pour la circulation de liquide. Le procédé consiste à forer et à finir par un tubage un forage de diamètre usuel dans 1 'industrie du pétrole. On fait dévier ce forage de façon telle qu'à l'emplacement de la couche de houille, il pénètre dans celle-ci sous un angle assez petit pour qu'ensuite, le forage se prolonge dans cette couche. Cela est favorisé par le fait que la houille est beaucoup plus tendre et plus friable que les formations rocheuses environnantes. I1 est désirable pour le procédé que la couche de houille fasse un angle, marne petit, avec l'horizontale et que le forage pénètre la couche de houille de haut na bas, le plus possible dans le sens d'ipclinaison de la formation. La longueur du forage pratiqué dans la couche de houille est variable et dépend, par exemple, des conditions géologiques, par exemple de la présence de failles dans la formation. Ainsi, pour pouvoir faire dévier des forages avec succès dans les couches de houille, il est important évidemment de connaître la géométrie du sous-sol, par exemple de faire une étude géologique. Dans le forage, par dessus la couche de houille, il faut prendre les mesures qui s' appliquent dans l'industrie pétrolière afin de pouvoir, après l'extraction de la houille à l'endroit du premier forage, boucher celui-ci puis dévier à nouveau en partant d'un point situé plus haut dans le forage pour exploiter la même couche de houille en un autre point ou même pour exploiter une autre couche de~houille (voir la figure 1 qui indique cela schématiquement). Si l'on exploite une couche de houille en plusieurs endroits successivement, il faut veiller à ce qu'entre les sections exploitées il reste des bections encore non exploitées (procédé par chambres et piliers), celle, avec la pression de liquide, aide à supporter les formations de toit. Si ce n'est pas suffisamment le cas, il peut arriver que par rupture de formation les chambres communiquent, ce qui fait qu'elles risquent de s'écrouler prématurément. Lorsqu' on exploite la couche de houille conformément à l'invention, après avoir percé et fini le forage, on descend dans celui-ci à 1' étant déployé une structure segmentée et pliante de racleur et on la plie mécaniquement à l'endroit de la couche de houille ce qui fait qu'elle se plie latéralement de telle sorte que des couteaur, racles ou autres moyens de havage sont poussés horizontalement dans la houille. Selon la construction particulière de la structure de racleur, la force de pression des moyens de raclage augmente en fonction du degré de pliage ce qui fait qu'il est possible qu'initialement, une force suffisante ne puisse pas être exercée sur les couteaux. On peut imaginer, pour l'élargissement du forage, des types spéciaux de structures racleuses dans lesquelles, par exemple, l'action de la structure dépende moins du degré de dépliage. Si toutefois il n'est pas possible d'élargir ainsi le forage, on peut commencer par l'élargir en une chambre en brûlant la houille avant de commencer le raclage. Pour permettre cette combustion, il faut éliminer le liquide présent à l'aide d air comprimé en introduisant un mince tube à l'extrémité de la couche de houille de la façon usuelle dans 1 Tindustrie pétrolière, après quoi on brûle une partie de la couche de houille à l'aide d'air en circulation. I1 se produit ainsi de très hautes températures à cause desquelles il est nécessaire de protéger à la fois le tube intérieur et le tubage, par exemple en abaissant la température par injection d'eau en meAme temps que l'air ou par un deuxième tube supplémentaire que l'on descend simultanément dans le forage. Le sujet exposé est décrit approsXivativement par exemple dans un article traitant des "forages borgnes par Warner F.E. et intitulé Underground gasification of coal lIT', Proceedints A.I. Ch. E.-Chem. Eng. joint meeting, Londres 1965, Symposium nO 2 pages 49 à 55. Après avoir formé une chambre de diamètre suffisant, on peut la remplir d'eau ou d'un liquide un peu plus lourd. Par la suite, dans le cas d'une chambre encore plus large, on passe à l'utilisation d'un liquide lourd. I1 est possible que ce stade intermédiaire utilisant l'eau ou un liquide un peu plus lourd puisse être omis. Le liquide lourd a une densité supérieure à celle de la houille à extraire, maison supérieure à celle de la formation de toit. Le rôle de ce liquide est triple - Sa pression est assez élevée pour éviter que la chambre formée dans la houille ne s'écroule par l'action des couches de toit ou de sole. De préférence, sa pression est assez basse pour favoriser le clivage de la houille. - I1 permet la circulation des morceaux de charbon détachés à travers la chambre puis à travers le forage. Au lieu de circuler il est possible aussi que les morceaux de houille flottent vers le haut dans la chambre. - Par variation de la densité, le liquide peut assurer que le racleur segmenté fermé creux flotte contre la formation de toit ou soit suspendu Si nécessaire. Dans le premier cas, l'action du racleur n' est pas entravée par des morceaux de roche pouvant descendre vers lu sole de la chambre et ayant une densité encore supérieure à celle du liquide lourd. Â la surface du forage, on sépare la houille du liquide lourd, par exemple au moyen de cribles vibrants, après quoi on peut réutiliser ce liquide dans le même but. Etant donné qu'en vertu de la nature du procédé il est possible de construire un ou des racleurs pouvant être descendus dans la couche de houille à travers un forage, on explique ici à titre d'exemple une structure possible d'un racleur de ce genre. an racleur qui peut servir à extraire la houille comprend un tuyau cylindrique creux de liaison passant à travers le forage et à l'extrémité inférieure duquel sont fixés des moyens de traction tels qu'un câble de traction.La partie inférieure de ce tuyau, c'est-à-dire la partie à introduire dans la couche de houille est creuse, segmentée et fermée pour des raisons que l'on a déjà expliquées. Ici, le câble passe à l'extérieur de la structure segmentée. Dans la partie inférieure du tuyau creux de liaison qui forme le premier segment fermé de la structure segmentée de racleur sont prévues une ou plusieurs ouvertures par lesquelles le cabale est guidé de façon étanche vers l'intérieur de sorte que plus haut il est situé à l'intérieur du tuyau creux de liaison. Pratiquelent juste au-dessus de cette ouverture ou de ces ouvertures, le cylindre creux par lequel le liquide lourd peut être amené est muni dans la plupart des cas d'ouvertures de circulation, de sorte que la circulation peut se faire jusqu' à cette profondeur qui, généralement, se situe là où le forage arrive dans la couche de houille. La partie fermée creuse du cylindre est divisée en segments qui sont fixés entre eux par des charnières. Sur ou près de ces charnières sont montés des organes racleurs dirigés la téralement, tels que des couteaux, etc... Ces charnières peuvent avoir diverses structures, parsi lesquelles une structure dans laquelle la direction des organes racleurs est constamment celle de la bisectrice de l'angle compris entre les segments de cylindre. Les organes racleurs peuvent avoir aussi de nombreuses structures. En quelques endroits, le capable de traction est relié de façon coulissante aux segments de cylindre ou aux charnières entre les segments, de manière à assurer que les charnières se plient alternativement d'un caté et de l'autre, en zigzag En pratique, cette liaison coulissante se fait par une charnière sur deux. On effectue ce pliage latéral en tirant le cible Quand on déplace alors vers le bas et vers le haut le câble de traction et le tuyau de liaison ensemble, depuis la surface, la structure de racleur q et rient dons le front de houille et ainsi, taille le front non pas par le bas (comme c'est le cas des racleurs antérieurs) mais par le haut. De cette manière, la houille dégagée de la surface sous-jacente est libérée et flotte vers le haut puisque sa densité est inférieure à celle du liquide lourd. Le racleur doit avoir une structure telle que lors de la course descendante, il rencontre le minimum de résistance de frottement contre la couche de houille. Si les segments pliés de la structure de racleur se coincent dans la houille dans la partie descendante de la course, on peut y remédier en laissant filer le câble de traction dans une mesure plus ou moins grande, ce qui donne au racleur la possibilité de se déployer, par exemple à l'aide de ressorts prévus à cet effet. On peut aussi réduire la tendance de la structure de racleur à se coincer en prévoyant des buses dites de circulation à l'endroit des organes racleurs et en prévoyant des moyens de liaison ces buses à l'arrivée de liquide du cylindre creux. Par suite de la circulation par ces buses, la structure de racleur a tendance à se déployer. I1 est évident que ces buses de circulation peuvent être prévues pour d'autres raisons, par exemple pour améliorer l'action de raclage. Dans ce cas, les ouvertures de circulation voisines du premier segment de la structure de racleur sont omises. Du côté de l'ouverture du forage, on place entre le tuyau de liaison et le câble de traction un "dispositif de tension égale" du genre connu dans l'industrie pétrolière pour maintenir constante la force des organes racleurs sur la paroi de houille pendant les courses de traction. Â l'ouverture du forage, on peut effectuer le mouvement ascendant et descendant du cylindre et du capable de traction au moyen de mécanismes appropriés, connus dans cette branche. I1 est évident que pour permettre la circulation de liquide, il faut que le câble de traction sorte du cylindre creux à la surface par un joint. Le cylindre creux doit aussi présenter à la surface une ou plusieurs ouvertures d'alimentation pour la cir culation de liquide. I1 est évident que le nombre des segments et donc le nombre d'organes racleurs peuvent varier comme on le désire, la longueur des segments déterminant la largeur qu' aura finalement la chambre et la longueur que devra avoir initialement la course du racleur. Pour favoriaer le clivage de la formation de houille pendant le procédé, il peut être désirable de faire varier la pression et/ou la-densité du liquide en circulation, ce qui permet d'assurer des fluctuations de la tension de la couche de houille et des formations de toit et de sole. I1 est évident que comme organe de traction, au lieu d'un câble, on peut aussi utiliser une tige de traction massive ou creuse pour appliquer la force de traction voulue. Par une telle tige de traction creuse, on peut amener du liquide à l'extrémité de l'appareil racleur si cela est préférable. On expliquera l'invention à propos d'un mode d'esécution représenté, uniquement à titre d'exemple, par les dessins sur lesquels la figure 1 montre schématiquement des couches minérales en exploitation et les déviations de forage nécessaires à cet effet en partant d'un forage principal commun (comme expliqué plus haut) la figure 2 montre, en vue latérale et partiellement en vue par le haut, un forage terminé dont la partie inférieure n'est pas protégée et traverse une couche de houille ; l'appareil racleur mécanique est descendu jusqu'au fond, mais pas encore mis en action la figure 3 est une vue latérale du système dans un autre plan, perpendiculaire à celui de la figure 2 la figure 4 est une vue par le haut d'une opération de raclage, la couche de houille étant déjà partiellement enlevée la figure 5 est une vue par le haut de la situation lorsqu'un forage a été exploité et bouché et que l'exploitation de la meme couche par un deuxième forage est en cours. La figure 1 montre schématiquement deux couches de houille c et c', un forage b, des forages de déviation d, d' et d" menant dans la couche c et des forages de déviation e, e' et e" menant dans la couche c'. Â l'extrémité du forage de déviation, on a formé des chambres f, f', f", g, g', et gn au moyen d'un appareil racleur du type ici décrit. Une fois que l'on a percé le forage et qu'on l'a fait dévier dans la couche de houille de la façon indiquée, on le finit jusqu' au sommet de la couche de houille par deux séries de tubages d'acier 1. En divers endroits de ces tubages, on peut insérer des segments 2 (voir figure 5) d'autre matière, par exemple de "securaloy" de façon qu'il soit-plus facile par la suite de dévier vers d'autres points de la même couche ou d'autres couches de houille. On peut enlever les segments chimiquement ou par fraisage. Sans utiliser ce dernier procédé, on peut aussi former une ou plusieurs fenêtres dans les tubages afin d'utiliser à nouveau la partie supérieure du forage tubé. Pour montrer que l'on peut déplier latéralement dansa couche de houille une structure de racleur que l'on a fait passer à travers le forage, on décrit brièvement ci-après l'une des nombreuses constructions possibles. Dans le cas représenté (figure 4), la structure de racleur est formée de quatre segments qui sont articulés entre eux. On les contracte en tirant le câble 4 qui est fixé à l'extrémité inférieure de la structure de racleur en 5 et qui est aussi fixé avec guidage à la moitié des charnières 6 comme on peut le voir par la figure 4. lie premier segment est formé par le bas du tube 12. Afin de faciliter le déplacement de la structure de racleur en direction de l'extrémité inférieure du forage, on peut donner aux charnières une forme élastique, de telle sorte que l'état déployé est fixé temporairement par des liaisons à ressort ou à déclic. En tirant le câble 8, on plie à nouveau la structure de racleur. I1 est évident que le choix de l'épaisseur de paroi et du diamètre intérieur des segments fermés creux déterminent S toute la structure de racleur racle à l'état flottant, descendant ou suspendu. Si par exemple on fait une entaille à la surface supérieure de la couche de houille, on peut s'attendre à ce que la houille sous-jacente soit fendue par l'action de la pression des roches et commence alors à flotter par morceaux contre la formation de toit et qu'elle ait la possibilité d'arriver à l'entrée du forage tubé en passant par la chambre inclinée ou bien que l'on doive la déplacer mécaniquement ou hydrauliquement vers cette entrée. La figure 4 montre aussi que la longueur du racleur à tout moment dépend de sa largeur, étant entendu que l'appareil se raccourcit quand on le plie davantage. Par conséquent, il n'est pas nécessaire que la chambre formée ait une forme rectangulaire dans le plan. I1 peut aussi être désirable d'utiliser plusieurs appareils présentant différentes portées de pliage en les changeant à la surface de manière à exploiter la couche de houille sur toutesa largeur et aussi à amorcer la formation de la chambre en partant du forage non tubé dans la couche de houille. lies dents, couteaux ou autres organes racleurs de la structure de racleur 3 peuvent avoir de nombreuses formes. Leur longueur doit cependant être telle qu'ils ne puissent pas gener le passage de la structure de racleur de haut en bas à travers le forage quand les segments sont dans l'état déployé. La structure de racleur est reliée A la surface par des tubes vissés ensemble de manière à former l'appareil racleur entier. Ces tubes ont un diamètre choisi de telle sorte qu'il reste un espacement annulaire raisonnable pour 11 extraction de la houille. Le cable de traction sort par l'ouverture 8 dans le tuyau creux de liaison, juste au-dessus de la structure de racleur, ce qui fait que la mise en boucle de tube de liaison est empêchée sous tension. Il n'est pas possible siaultanénent d'introduire le câble de traction tout en introduisant la structure de racleur et les tuyaux de liaison, car alors le câble serait formé par un grand nombre de segments détachés reliés entre eux.Etant donné que cela est peu pratique, on applique dans 1' exemple le procédé suivant : Après avoir descendu dans le forage la structure de racleur elle-meAme à laquelle le câble de traction est fixé extérieurement, on guide le cable de traction dans le segment supérieur de raclage, en-dessous du tube creux, par l'ouverture 8, après quoi l'extrémité est guidée par la plaque 9. Sur cette extrémité est fixé un dispositif de retenue 10 suffisamment grand pour 'appuyer sur la plaque 9 de sorte que le câble de traction ne peut pas être tiré à travers la plaque 10.Pour plus de simplicité, on a indiqué sur la figure 4 l'extrémité du câble et la structure de racleur en position pliée. I1 est évident que la longueur est telle que lorsque le racleur est dans l'état déployé, le dispositif 10 s'appuie tout juste sur la plaque 2 comme le montre la figure 3. Ce dispositif de retenue est de construction telle que depuis le haut, en opérant à distance, on peut l'attacher à volonté à un autre câble ou tige de traction ou l'en détacher. Une fois que l'on a descendu la structure de racleur dans le forage, on descend un câble lundi du dispositif d'accrochage approprié, puis on établit la liaison avec le segment inférieur du câble. La figure 4 montre aussi les trous de circulation 13 servant à faire circuler le liquide. Ce liquide circule de haut en bas par les tuyaux de liaison pour arriver à un point proche de la structure de racleur et avec les morceaux de houille, il retourne à la surface par l'espacement annulaire 11. Si les morceaux sont trop gros, on peut les réduire à la dimension correcte au moyen du racleur ou d'autres broyeurs mécaniques. Â cet effet, on peut avoir besoin de change l'appareil de temps en temps, ce qui nécessite quelques allées et venues. On peut extraire la houille à la surface au moyen de cribles vibrants et d'autres appareils en eux-memes connus pour le traitement des minerais. I1 est probablement nécessaire de régénérer le liquide de temps en temps par des procédés conus dans les domaines minier et pétrolier. Pendant le creusement, à mesure que la chambre devient plus grande, il faut allonger les tuyaux de liaison 12 à la surface. On peut le faire en arrêtant temporairement l'activité et en vissant ensemble un ou plusieurs raccords de tuyauterie 12, par exemple de 10 m de longueur chacun. Près de la surface, on peut replacer le câble de traction par des tiges de pompe et des "tiges polies". Ces dernières passent à travers un presse-étoupe placé à l'extrémité du tuyau de liaison 12 ; le tuyau de liaison et la tige polie sont tous deux suspendus, par un dispositif de tension égale, à un crochet rotatif et à un bloc mobile qui assure le mouvement ascendant et descendant. Des ouvertures de circulatiansont prévues pour faire arriver le liquide lourd dans le tuyau de liaison. L'appareil de levage qui donne ce mouvement ascendant et descendant n'est pas représenté, mais peut être un appareil de levage classique comme ceux qu'on emploie dans l'industrie pétrolière. REVESDICATIONS 1. Procédé d'extration de minéraux tels que la houille au moyen d'un appareil racleur que l'on peut faire aller et venir, caractérisé par le fait que Iron descend à l'étant déployé une structure segmentée de racleur pouvant se plier en zigzag à travers un forage, dans une formation minérale, que de la surface, on l'amène à l'état plié à l'aide d'un organe de traction, mettant ainsi les organes racleurs en position active, quton la déplace alors vers le haut et vers le bas en agissant par le haut du forage de manière à exercer une action de raclage au sein de la formation minérale et que l'on remonte par le forage les minéraux détachés par raclage, au moyen d'un liquide que l'on fait circuler à travers le forage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que selon les besoins, à plusieurs profondeurs du forage, on fait dévier de nouveaux forages vers la même couche minérale ou vers d'autres couches. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en plus de l'action mécanique de raclage, on exerce une action hydraulique de jet grâce aux organes racleurs. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide de circulation utilisé a une densité qui ne dépasse pas l'équivalent de la pression de la formation de toit. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on règle la densité du liquide de façon telle que, selon ce que l'on désire, le racleur flotte, soit suspendu ou s'enfonce, 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on règle la densité du liquide de façon telle que la pression des roches restantes puisse cliver la couche minérale, mais en pareil cas, de façon telle que la formation de toit ne s'écroule pas ou à peine. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on favorise le clivage des minéraux grâce à la pression de liquide exercée à la surface du forage par des variations de pression ou par des oscillations. 8. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'après la fin de l'extraction du minéral, on remplace le liquide d'une chambre où l'on a raclé les minéraux par un liquide moins coûteux, sous une pression approprée, qu-'ensuite on bouche la chambre sous pression de façon telle que les activités d'extraction dans les chambres adjacentes à construire ensuite ne soient pas gênées et que l'écroulement de la formation de toit de la chambre restante soit empêché le plus possible. 9. Appareil racleur destiné à l'exploitation souterraine de minéraux et caractérisé par le fait qu'il comprend un tuyau cylindrique creux de liaison destiné à être inséré dans un forage et présentant dans le bas une structure creuse fermée de racleur qui comprend plusieurs segments, des segments adjacents étant reliés par des articulations de telle sorte que l'on peut plier en zigzag la structure de racleur, des moyens étant prévus pour l'amenerà cette position pliée dans la mesure désirée, la structure comprenant en outre des organes racleurs montés sur les charnières de telle sorte que lorsqu'on plie la structure de racleurs, ils font saillie latéralement par rapport à l'axe central de la structure de racleur dans son ensemble, le tuyau creux de liaison se terminant par un premier segment creux de 1' appareil racleur et le tuyau de liaison étant muni de moyens permettant de faire circuler du liquide à travers le forage. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens servant à donner à la structure de racleur une position pliée comprennent des moyens de traction fixés à l'extrémité inférieure de la structure de racleur et reliés de façon coulissante à une charnière sur deux et arrivant finalement dans le tuyau cylindrique creux de liaison où ils sont fixés de façon coulissante de manière à être actionnés depuis la surface. 11. Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le tuyau de liaison présente, juste auprès du premier segment de la structure de racleur, des ouvertures de décharge destinées à la circulation du liquide. 12. Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le tuyau de liaison comprend, juste auprès du premier segment des organes racleurs, des buses de pulvérisation servant à faire circuler du liquide jusqu'au dispositif d'alimention par le tuyau de liaison.