Brevet FR2297994A1 — publié le 19760813

L'invention concerne un étai hydraulique de mine capable de supporter sûrement les charges même lorsque les forces engendrées par les charges agissent excentriquement sur l'étai. Dans-les solutions connues des constructions servant au soutènement des cavités de mine (étais et chapeaux), la pression des roches situées au dessus de la cavité agit par l'inter médiaire du chapeau sur la partie supérieure de l'étai, ensuite sur la partie inférieure de celui-ci et finalement sur la roche qui forme le mur de la cavité. Dans les étais dits à frottement, la pression des roches agit par l'intermédiaire d'une construction de fermeture, tandis que dans les étais hydrauliques elle agit par l'intermédiaire d'un coussin de liquide sur la partie inférieure de l'étai. Les roches de recouvrement ne touchent le chapeau quten quelques points. De mime, la surface inférieure du chapeau ne touche la tête de l'étai qu'en quelques points ou suivant une ligne. Les applications ponctuelles ou linéaires de force doivent être attribuées au fait que les cavités creusées manuellement ou au moyen de machines présentent dans le haut une surface qui n' est jamais lisse. Or cela n'est pas avantageux pour le soutènement car, par suite du fait mentionné, des forces concentrées agissent sur l'étai et le chapeau. Dans la partie supérieure de l'étai, il apparatt donc un état complexe de tensions mécaniques qui, étant donné les forces concentrées excentriques, se compose d'efforts de compression, de flexion et de rotation. Ce phénomène courant entre en ligne de compte dans les normes industrielles qui prescrivent les essais statiques des constructions minières. D'après les normes, un étai de mine peut être considéré comme fiable s'il ne présente pas de déformation permanente après avoir subi une charge d'une excentricité de 20 mm et d'une grandeur correspondant à 75 % de la grandeur nominale. En pratique, un étai donne satisfaction lorsqu'il ne subit qu'une légère flexion sous l'influence des forces excentriques. La longueur et la section des étais de mine sont habituellement déterminées d'après les formules des barres longues travaillant en compression, mais cette méthode ne donne pas un résultat sûr. Ni les étais à frottement, ni les étais hydrauliques ne peuvent se comparer à de simples barres soumises à une compression. Du point de vue des dimensions, ils n'appar- tiennent pas au même groupe. Pendant la charge, la partie supérieure de l'étai à frottement est enserrée étroitement et fermement dans la fermeture de l'extrémité supérieure de la partie inférieure de l'étai. Le fermeture donne lieu à une force de frottement qui maintient en mdme- temps ltéquilibre avec la pression du toit. Si la pression du toit dépasse une grandeur déterminée, la partie supérieure s'enfonce dans la partie inférieure. En pareil cas, l'énergie libérée par l'abaissement du toit est dissipée sous la forme d'un travail de frottement de la fermeture. Du point de vue statique, les étais de mine à frotte ment constituent un système porteur de longueur variable dans lequel les sections varient sur sa longueur, mais en même temps, la partie supérieure et la partie inférieure de l'étai peuvent, à cause de la fermeture, être considérées comme des poutres enserrées. Dans le cas d'étais hydrauliques ou à frottement, il se produit différentes conditions. Dans les étais hydrauliques, la charge engendrée par le poids du toit est transmise par l'intermédiaire de la tête de l'étai à une poutre de longueur constante (la partie supérieure de l'étai) qui transmet la charge (c'est-à-dire la pression) un liquide qui se trouve dans une cavité fermée en dessous de la partie supérieure, ce qui fait que la pression de ce liquide augmente.Si cette pression dépasse une grandeur prédéterminée, une partie du liquide s'échappe grâce à un- limiteur de pression. Par suite de l'écoulement du liquide, la partie supérieure glisse dans la partie inférieure en exerçant un travail qui consomme l'énergie du mouvement du toit. Une différence notable entre les étais hydrauliques et les étais à frottement réside dans le fait que dans les étais hydrauliques il n'existe pas de fermeture entre les parties supérieure et inférieure, de sorte que les deux parties peuvent être considé rées comme des poutres enserrées. La partie supérieure de l'étai est guidée dans la partie inférieure à l'aide d'un piston court et est soutenue en direction transversale par un bord directeur prévu à ltextrémité supérieure de la partie inférieure ainsi que par la chemise du piston.La longueur de la partie supérieure de l'étal entre le piston et le bord directeur varie pendant le coulissement. La partie supérieure subit, sous l'influence d'une charge excentrique et concentrée, non seulement un effort de déviation mais encore -étant donné la portée variable déjà mentionnée- un effort de flexion pure et même de rotation. Ainsi, si l'on considère la déviation de 11 étai, il s'agit d'un système porteur soumis à un effort complexe. On ne peut pas calculer un tel système porteur en se basant sur les relations statiques connues. Les éléments complémentaires d'un étai à frottement présentant des dimensions qui varient dans une large gamme. Les surfaces sont travaillées assez grossièrement. C'est pourquoi les étais à frottement d'un m & e type présentent des capacités portantes qui peuvent varier me de 30 à 50 %. Dans les étais hydrauliques -afin d'assurer une cavité à liquide fermée- les surfaces d'adaptation doivent entre exactement ajustées entre elles et une bonne étanchéité est nécessaire. Par suite, la déformation des différents éléments, par exemple de la partie supérieure de l'étai, pose un probleme extremement important. Même si la partie supérieure subit une petite déviation ou si sa section circulaire devient légèrement elliptique, il ne peut plus pénétrer dans la partie inférieure, de sorte que l'étai devient inutilisable. Une partie supérieure de l'étai cintrée ou à section déformée ne peut plus titre remise en état. Un étai dont la partie supérieure a subi de tels dommages ne peut plus etre retiré de la mine, car le ressort disposé à l'intérieur de l'étai et qui pousse la partie supérieure à pénétrer dans la partie inférieure ne peut plus fonctionner quand le liquide sous pression s'échappe. Pour assurer une résistance suffisante aux charges excentriques, il faut fabriquer les étais hydrauliques avec une section relativement grande. La paroi de la partie inférieure comme de la partie supérieure doit entre si épaisse que toute la construction de la partie supérieure devient lourde et coûteuse Le prix de revient plus élevé doit être attribué d'une part à la grande dépense de matière, d'autre part aux frais d'usinage accrus. Le maniement des éléments lourds est en effet difficile. Il faut utiliser des appareils coûteux et la dépense de temps est accrue aussi. Le temps d'usinage effectif est notablement plus long. Une difficulté particulière, dans le cas d'étais hydrauliques lourds, réside dans le transport et dans l'installation dans la zone de travail. Ici, en effet, il n'y a pas d'appareil mécanisé approprié permettant de mouvoir et -de lever des éléments aussi lourds. Dans la pratique, le transport et la mise au point s'effectuent exclusivement par des moyens manuels. Dans ces conditions, mtme une diminution relativement faible du poids de l'étai a une grande importance. Une part notable des dommages aux étais hydrauliques peut être attribuée à une installation incorrecte. Le défaut le plus fréquent est que l'étai hydraulique subisse excentriquement la charge appliquée par le chapeau Dans le cas d'un étai installé en position excentrique, ce n'est pas seulement 11 étai luimême mais aussi le chapeau relié à celui-ci qui est exposé à un effort supérieur à la normale. L'installation excentrique de l'étai hydraulique ne peut pas seulement être le résultat d'une négligence. Cette installation excentrique et donc l'apparition de forces concentrées excentriques peuvent également être causées par la tête d'étai classique à quatre branches. Si la tette de l'étai présente une surface à membrures, la charge excentrique est transmise à la tête le long d'une ligne déterminée.La transmission de la charge est excentrique lorsque les angles entre les surfaces de contact de la tête et le chapeau sont inférieurs ou supérieurs à 900. En pareil cas, il apparat entre les surfaces de contact de grandes tensions de compression qui causent, en particulier dans le chapeau, des déformations excessives ou même des ruptures qui ont alors des répercussions désavantageuses sur l'absorption de charges par l'étai hydraulique. Pour exclure une installation excentrique de l'étai hydraulique, on a tenté d'utiliser des têtes d'étai qui sont reliées à la partie supérieure de l'étai au moyen d'un joint à rotule. Toutefois, ces têtes sont coûteuses et lourdes. En outre, en cas de charge dynamique du toit, l'étai peut tourner sous le chapeau, ce qui fait que le soutènement de la cavité devient incertain. L'invention a-pour but de fournir un étai hydraulique de mine qui puisse absorber de grandes charges excentriques, qui nécessitent moins de matière et soit moins coûteux que les étais connus relativement à sa capacité portante, qui puisse être facilement transporté, mis au point et enlevé manuellement dans la zone de travail, qui ne change pas de forme malgré de grandes charges excentriques et ne soit pas endommagé. Selon l'invention, dans un étai de mine par ailleurs classique, le problème est résolu par le fait que la partie supérieure tubulaire présente un tube de liaison disposé inté -rieurement et muni le long de ses génératrices de nervures radiales arrivant jusqu'à la paroi intérieure de la partie supérieure et qu'à l'extrémité supérieure de la partie supérieure est disposée une tête d'étai assurant un soutien élastique. Dans un mode d'exécution avantageux de'l'étai hydraulique selon l'invention, la partie supérieure tubulaire et le tube de liaison disposé à l'intérieur de celle-ci et muni de nervures sont des éléments séparés et la paroi intérieure de la partie supérieure et les surfaces ciroenférentielles extérieures des nervures du tube de liaison sont de préférence coniques. Dans un autre mode d'exécution, la partie supérieure tubulaire, le tube de liaison et ses nervures sont fabriqués d'une seule pièce. Il peut être avantageux que l'étai hydraulique présente dans la partie supérieure de son corps de valve un creux concentrique rétrécissant coniquement vers l'intérieur, muni d'une surface de fond perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'étai et dans lequel est disposé un élément élastique tendu dans la tête de l'étai et dans lequel est disposé à son tour un élément d'insertion. Il est avantageux aussi qu'à l'extrémité supérieure du corps de valve soit prévue une tête d'étai fixée concentriquement au moyen d'une bague de fixation et à l'intérieur de laquelle est prévue une gorge annulaire dont l'épaisseur en direction axiale représente plusieurs fois le diamètre de la bague de fixation. L'étai hydraulique selon l'invention présente avantageusement un élément élastique en caoutchouc et l'élément d'insertion est formé d'aluminium. Il peut Entre avantageux aussi qu'entre le bord supérieur du corps de valve et le fond de l'évidement de la tête de l'étai soit disposée une cale élastique. On expliquera.plus précisément l'invention ci-après à propos d'un exemple d'exécution représenté par les dessins annexés sur lesquels La figure 1 montre en coupe longitudinale un étai de mine selon l'invention, et La figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. L'étai représenté comme exemple se compose de deux parties principales essentiellement tubulaires. Ce sont la partie inférieure 1 et la partie supérieure 2 disposée de manière à pouvoir coulisser dans celle-ci. La partie inférieure 1 est fermée dans le bas par un couvercle de fond 3 dans lequel est disposé un anneau de joint 4 en lui-même connu. Le couvercle de fond 3 est fixé par un fil de cisaillement 6 placé dans une gorge semi-circulaire 5 de la partie inférieure 1. La partie inférieure 1 est fermée par la partie supérieure 2 et par-un anneau de fermeture 7 muni d'une poignée, Cet anneau de fermeture 7 est également fixé à la partie inférieure par un fil de cisaillement 9 placé dans une gorge circulaire 8. La cavité de pression de la partie inférieure 1 est limitée, du c8té de la partie supérieure 2, par un piston 10, par le joint lîde celuici et en outre par un tube de liaison 13 fixé par vissage au piston 10 et rendu étanche par un anneau torique 12, la limitation étant encore assurée par un corps de valve 15, disposé à l'extrémité supérieure du tube de liaison 13 et fixé de façon étanche par un autre anneau torique 14. Dans le corps de valve 15 est disposé, de façon usuelle un obturateur 16 composé d'une valve de contre-pression, d'une valve de décharge et d'un limiteur de pression. A la partie supérieure du corps 15 est disposée une tue d'étai 17. A l'ex- trémité inférieure de la partie inférieure 1 est fixée, au moyen dlun bouchon fendu 18, une semelle 19. Entre le couvercle de fond 3 et le corps de valve 15 est tendu un ressort 20 disposé à l'intérieur du tube de liaison 13 et qui tire constamment le corps de valve 15 et donc la partie supérieure 2 et ses éléments vers le couvercle de fond 3 de la partie inférieure 1. A une extrémité de la partie supérieure 2 est fixé le piston 10, à l'autre extrémité le corps de valve 15. Les deux extrémités du tube de liaison 13 sont également reliées respectivement au piston 10 et au corps de valve 15. Ainsi, la partie supérieure d'étai 2, le piston 10, le corps de valve 15 et le tube de liaison 13 forment un ensemble solidaire. Comme le montre la figure 2, à la paroi du tube de liaison 13 font saillie des nervures radiales 21 qui se dirigent vers la génératrice du tube de liaison 13. Les surfaces circonférentielles extérieures des nervures 21 sont adaptées à la paroi intérieure de la partie supérieure 2. La paroi intérieure de la partie supérieure 2 peut titre cylindrique ou conique. Si elle est cylindrique, les surfaces extérieures des nervures 21 sont également situées sur une surface cylindrique. Si la paroi intérieure est conique, les surfaces extérieures des nervures 21 sont situées sur une surface conique. La partie supérieure 2, le tube de liaison 13 et ses nervures 21 peuvent être fabriqués d'une seule pièce, par exemple par filetage à la presse. Le nombre des nervures 21 est supérieur à cinq et il est avantageusement de cinq à huit. Dans l'étai hydraulique de mine selon l'invention, en haut du corps de valve 15 est ménagé un creux dont le diamètre diminue coniquement vers l'intérieur et dont les arêtes sont arrondies. Dans ce creux 22 est disposé un élément élastique 23. Le creux 22 est coaxial à l'axe longitudinal de 11 étai et présente une section circulaire perpendiculairement à l'axe longitudinal. L'élément élastique 23 est avantageusement formé de caoutchouc. Il est maintenu dans le creux 22 par la tette 17. La tête 17 est fixée à l'extrémité supérieure du corps de valve 15 par une bague de fixation 24 formée de fil de cisaillement0 Dans la tette 17 de l'étai est ménagée une gorge annulaire 25 qui enferme une partie de la bague de fixation 24 et dont l'é- paisseur en direction axiale représente plusieurs fois le diamètre de la bague de fixation-24. Cette gorge 25 permet à la tette 17 de se déplacer en direction de la partie supérieure. Entre la paroi intérieure de la tête 17 et la paroi extérieure du corps de valve 15 est prévu un interstice d'air qui permet à la tête 17 de tourner de 120 au maximum relativement à l'axe longitudinal de l'étai. A l'intérieur de l'élément élastique 23 est disposé un élément d'insertion 26 en matière synthétique ou en aluminium. Entre le fond de l'évidement 27 de la tête 17 et le bord supérieur du corps de valve 15 peut être disposée une cale élastique 28 (par exemple en caoutchouc). Sur la figure 1, cette cale 28 est représentée sous la forme d'un anneau, mais elle peut être remplacée par plusieurs ressorts à boudin en acier convenablement espacés les uns des autres. A la tête de l'étai fait suite un chapeau non représenté, qui repose de façon usuelle sur la surface supérieure de la tête 17. Dans le cas d'une installation excentrique ou si le chapeau et l'étai hydraulique sont reliés entre eux excentriquement, la tête de l'étai peut tourner de telle sorte que la charge est transmise concentriquement du chapeau à la tête 17 dans la direction de l'axe de la toute, L'élément élastique 23 joue le r81e d'un quasi-liquide hydraulique, c'est-à-dire qu'il présente partout les mêmes tensions. La charge transmise par le chapeau est transmise par l'élément élastique 23 au fond du creux 22 du corps de valve 15. Le fonctionnement de l'étai selon l'invention est par ailleurs analogue à celui de l'étai classique. Les avantages les plus importants de l'étai selon l'invention sont les suivants La charge résultant d'un moment dû aux forces transmises excentriquement à la partie supérieure 2 est aussi trans mise par les nervures 21 au tube de liaison 13. Les nervures 21 elles-mEmes sont aussi des éléments porteurs. La charge est répartie de façon pratiquement uniforme par les nervures 21 sur toute la section de la partie supérieure 2. Par suite, la résistance de la partie supérieure 2 aux moments engendrés par des forces excentriques représente plusieurs fois celle des parties supérieures d'étai connues. Le poids de l'étai selon l'invention correspond pratiquement à celui des étais classiques sans nervures, puisque la quantité de matière des nervures est insignifiante relativement à celle de l'étai. Par suite un étai de ce genre est peu coûteux facile à transporter et à manier. Par suite de la capacité portante accrue, on peut soutenir une zone de travail déterminée avec un nombre d'étais notablement plus petit. Le chapeau et la tête de l'étai s'appliquent l'un contre l'autre de telle sorte qu'il ne peut se produire, ni dans le chapeau ni dans la toute, de force concentrées excentriquement et nuisibles. L'effort est transmis, pratiquement sans action excentrique, de la tête au corps de valve et à la partie supérieure de l'étai, par la cale. L'invention n1 est pas limitée à l'exemple d'exécution décrit. Les éléments représentés peuvent être remplacés par d'autres éléments ayant le méme effet et la méme fonction. Les nervures peuvent s'étendre sur toute la longueur du tube de liaison entre le piston et le corps de valve, mais elles peuvent aussi être plus courtes. L'étai selon l'invention peut aussi être conçu de façon telle qu'il puisse servir non seulement dans les mines mais encore dans d'autres domaines, par exemple comme colonne porteuse en métal léger. REVENDICATIONS 1. Etai hydraulique de mine comportant une partie inférieure tubulaire fermée dans le bas par un couvercle de fond et une partie supérieure tubulaire, disposée de manière à pouvoir coulisser dans la première et munie d'un piston à son extrémité inférieure, dans lequel à l'extrémité supérieure de la partie inférieure est fixé un anneau de fermeture qui assure l'étanché- ité entre la cavité intérieure de la partie inférieure et la partie supérieure, à l'extrémité supérieure de la partie supérieure est disposé un corps de valve fixé de façon étanche à celle-ci, tandis qu'à l'intérieur de la partie supérieure est disposé un tube de liaison assurant la communication pour le liquide entre les valves du corps de valve et la cavité de pression de l'étai et qu'à l'intérieur du tube de liaison est disposé un ressort à charge qui tire la partie supérieure vers la partie inférieure, étai caractérisé par le fait que le tube de liaison disposé à l'intérieur de la partie supérieure tubulaire présente le long de ses génératrices des nervures arrivant radialement jusqu'à la paroi intérieure de la partie supérieure et qu'à l'extrémité supérieure de la partie supérieure est disposée une tête d'étai soutenue élastiquement. 2. Etai selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie supérieure tubulaire et le tube de liaison disposé à l'intérieur de celle-ci et muni de nervures sont des éléments séparés. 3. Etai selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la paroi intérieure de la partie supérieure et les surfaces circonférentielles extérieures des nervures du tube de liaison sont coniques. 4. Etai selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie supérieure et le tube de liaison avec ses nervures sont fabriqués d'une seule pièce. f 5. Etai selon la revendication 1, caractérisé par le qu'il présente, dans la partie supérieure de son corps de valve, un creux concentrique rétricissant coniquement vers l'intérieur, muni d'une surface de fond perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'étai et dans lequel est disposé un élément élastique tendu dans la tête de l'étai et dans lequel est disposé à son tour un élément d'insertion. 6. Etai selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé par le fait qu'à l'extrémité supérieure du corps de valve est prévue une tête d'étai fixée concentriquement au moyen d'une bague de fixation et à l'intérieur de laquelle est prévue une gorge annulaire dont l'épaisseur en direction axiale représente plusieurs fois le diamètre de la bague de fixation, 7. Etai selon l'une des revendications 1, 4 et 5, caractérisé par le fait qu'il présente un élément élastique en caout shouc et que l'élément d'insertion est formé d'aluminium. 8. Etai selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'entre le bord supérieur du corps de valve et le fond de l'évidement de la tête est disposée une cale élastique.