Brevet FR2323652A1 — publié le 19770408

La présente invention concerne le renforcement de couches souterraines, ainsi que les compositions pouvant être injectées dans lesdites couches, par exemple dans des mines ou tunnels, aux fins de renforcement des roches. On sait renforcer les roches au voisinage d'ouvertures souterraines par insertion de boulons ou de chevilles de renforcement, en association avec une composition résineuse ou de cimentation, destinée A effectuer une liaison. Dans les couches de roches fortement fracturées, on préfère injecter une composition de liaison capable de pénétrer dans une certaine mesure dans les failles, ce qui restaure dans une certaine mesure la cohérence de la structure rocheuse. Une technique particulière 'd'injection d'une composition de liaison, sur une distance relativement importante, dans une formation rocheuse souterraine, et qui a été mise en pratique avec succès, est décrite dans la demande de brevet français n" 73.20408 déposée par la demanderesse.Selon cette technique, la composi tion de liaison est utilisée en association avec un assemblage tubulaire de renforcement maintenu en position dans un trou foré convenable par la composition de liaison. Les compositions résineuses pour injection dans les couches étalent initialemert à base de systèmes de résines de polyuréthanne ou époxy, ou de polyesters insaturés, mais le caractère inflammable de ces matériaux, au moins a ltétat non durci, s'est révélé etre un inconvénient sérieux et a limité leur utilisation dans le domaine de l'industrie minière du charbon. Un développement ultérieur de systèmes à base d'eau, dans lesquels on utilise des polymères de styrène-butadiène, acryliques, ou de vinyle,émulsifiés, ou des résines solubles urée-formaldéhyde, en association avec du sulfate de calcium hémi-hydraté, a permis de se débarrasser avec succès de cet inconvénient. Cependant, plus récemment, un autre danger possible à été reconnu, car même des matériaux ininflammables peuvent se décomposer et donner des produits de pyrolyse toxiques, lorsqu'ils sont soumis à une chaleur intense, pouvant par exemple apparaitre au niveau de feux de charbon souterrains résultant d'une combustion spontanée. Les compositions de liaison du type ciment ne présentent pas les inconvénients ci-dessus des compositions résineuses, mais n'ont pas été utilisées a ce jour avec succès pour le renforcement des couches, car il est nécessaire d'incorporer une grande quantité d'eau pour obtenir des caractéristiques de pompage acceptables, ce qui fait que les compositions durcies ne présentent qu'unie résistance relativement faible, en raison de l'excès d'eau retenu dans la structure hydratée. On sait obtenir des produits du type ciment, résistant aux acides, A partir d'une composition consistant en ciment d'aluminate de calcium, connu également en tant que ciment à forte teneur en alumine, en suspension dans une solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin. Cependant, de telles compositions présentent une durée de prise relativement faible, d'environ 1 h, qui est en tout cas trop faible dans de nombreux domaines d'utilisation avec injection dans des couches souterraines. Le temps de prise peut être augmenté par dilution par de l'eau mais seulement au détriment de la résistance mécanique du ciment durci. La demanderesse a maintenant découvert selon l'invention que le temps de prise de compositions de liaison A base de ciment d'aluminate de calcium et de silicate de métal alcalin peut autre augmenté par incorporation dans la composition d'un composé du bore en tant qu'agent de retarde- ment. Selon un aspect de l'invention, est proposée une composition de liaison pour injection dans des couches souterraines, cette composition consistant en un ciment A forte teneur en alumine, en un silicate de métal alcalin, en eau et en un composé du bore capable de retarder la prise de la composition (agent de retardement). Selon un autre aspect de l'invention, est proposée une technique de renforcement des couches souterraines selon laquelle on injecte dans lesdites couches une composition de liaison telle que définie ci-dessus. Avantageusement, l'injection de la compositionde liaison peut âtre effectuée par la technique indiquée dans la demande de brevet français nO 7320408 déposée par la demanderesse. La composition de liaison peut par exemple consister en 55 à 75 % en poids de ciment a forte teneur en alumine, en 6 9 15 % en poids de silicate alcalin, en 15 A 25 % en poids d'eau et en 0,05 A 3,0 % en poids du composé du bore. Des exemples de composés du bore pouvant être utilisés en tant qu'agents de retardement sont l'acide borique et ses dérivés, par exemple le tétraborate de sodium (borax). L'augmentation du temps de prise, réalisée par cette technique, peut être obtenue sans perte notable de résistance mécanique, en ce qui concerne la composition durcie. Aussi bien la résistance finale à la compression que la vitesse d'évolution de la résistance mécanique de compositions contenant du borax sont comparables aux caractéristiques correspondantes de compositions correspondantes å prise plus rapide; ne contenant pas de borax en tant qu'agent de retardement. Le silicate de métal alcalin le moins coûteux et le plus facilement disponible est le silicate de sodium. On produit différents types de ce silicate} le rapport de la silice Si02 au Na20 variant entre 1,6:1 et 3,4:1. Le meilleur rapport de la silice a Na20, en ce qui concerne l'obten- tion de bonnes caractéristiques de pompage et d'une résistance élevée, est d'environ 2:1. Le silicate de sodium est commercialisé sous forme de solutions aqueuses ou sous forme de poudres grossières s'écoulant librement. Un ciment à forte teneur en alumine, convenant selon l'invention, est commercialisé au Royaume-Uni sous le nom de marque "Ciment Fondu", et consiste principalement en aluminate monocalcique, A1203Ca0. Ce produit se présente sous la forme d'une poudre fine et sèche, de coloration foncée. Une composition du type ciment, pouvant être pompée, peut être préparée par mélange de 100 parties en poids de ciment Fondu" et de 40 à 50 parties en poids d'une solution aqueuse contenant 35 à 40 % en poids de silicate de sodium. Une telle composition durcit en environ 60 mn et est donc généralement inutilisable pour le renforcement de couches souterraines. Cependant2 selon l'invention, le temps de prise d'une telle composition pompable du type ciment peut être réglé par addition de borax Par exemple3 1 % en poids, par rapport au ciment, de borax, augmente le temps de prise de la composition ci-dessus, jusqu'8 environ 2 h 30 mn. La composition de liaison selon llinvention peut contenir, en plus de l'agent de retardement au bore, un ou plusieurs autres additifs que l'on peut incorporer pour régler ou modifier d'autres propriétés telles que les propriétés rhéologiques, la densité ou la coloration. Des matériaux organiques tels que par exemple des hydrates de carbone, des dérivés de la cellulose ou des dérivés de protéines, ainsi que des produits minéraux tels que par exemple le sable, l'ardoise, l'argile, le talc, les cendres volantes, le mica et des pigments, peuvent être incorporés a la composition. La composition de liaison selon l'invention peut être mise sous forme d'une composition en deux parties, pouvant être activée sur place par simple mélange, l'une des parties comprenant l'agent de retardement au bore, par exemple du borax pulvérulent, mélange intimement avec le ciment a forte teneur en alumine, et l'autre partie consistant en silicate de sodium dilué par la quantité nécessaire d'eau. Des charges minérales convenables peuvent être incorporées à l'une ou aux deux parties de la composition. La composition de liaison peut également se présenter sous forme d'un conditionnement unique, le contenu étant activé par simple addition d'eau avant emploi, et contenant le ciment à forte teneur en alumine, le silicate de sodium pulvérulent, l'agent de retardement au bore, et, si cela est nécessaire, une charge minérale.De telles compositions en conditionnement unique présentent des caractéristiques de pompage semblables à celles des compositions se présentant sous forme d'un conditionnement double, mais présentent une résistance finale quelque peu inférieure. Ceci peut être dû à la solubilisation relativement lente du silicate de sodium solide ce qui empêche une distribution uniforme dans la masse de ciment. Des formulations intermédiaires dans lesquelles une certaine proportion de silicate est introduite dans le composant pulvérulent, le reste étant utilisé sous forme d'une solution diluée, se sont révélées être indiscernables, en ce qui concerne leur comportement, des compositions dans lesquelles la totalité du silicate se trouve sous-forme d'une solution. Etant donné qu'il est préférable d'éviter l'utilisation de poudres fines dans le domaine des mines souterraines, les composants pulvérulents de la composition de liaison selon l'invention peuvent être avantageusement comprimés sous forme de pellets ou de comprimés durs et tout à fait sans poussières, mais se désagrégeant rapidement au contact de l'eau ou de solutions aqueuses. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la porté. Exemple 1. On prépare une composition de liaison pompable, en deux parties,de de la manière suivante Parties en poids Partie A Solution de silicate de sodium à 46 % de matières solides; SiO2:Na20 = 2:1 48 Eau.................................................... 14 Partie B "Ciment Fondu"......................................... 136 borax.................................................. 1,3 Par mélange de ces deux partiels, on obtient un mortier liquide homogène, facilement pompable. On ne décèle pas d'élévation de viscosité durant 75 mn, après quoi l'on observe un léger épaississement. On poursuit le pompage dans des tubes de forage de 16 mm, sur 30 m, durant 2 h, en utilisant une mono-pompe de 1 cheval-vapeur. L'ensemble durcit 2 h 30 mn après le mélange, la résistance a la compression à l'état durci tant de 253 kg/cm2 apres 5 h, et de 351, 5 kg/cm2 après 10 h. Un mélange correspondant mais ne contenant pas de borax durcit en 65 mn et conduit à une résistance finale à la compression semblable après 10 h. Exemple 2. On prépare, à partir des constituants ci-dessous, une composition de liaison pompable: Parties en poids Solution de silicate de sodium à 42 7. de matières solides; Si02:Na2O=2:l .. 51 Eau 16 "Ciment Fondu"................................... 136 Borax 1,3 Sable de silice.................................. 70 Cendres volantes 15 La composition est pompée durant 120 mn dans des tubes de forage de 16 mm, sur 30 m, et durcit 145 mn après le mélange. On obtient une résistance à la compression de 239 kg/cm2 au bout de 5 h, et de 457 kg/cm2 au bout de 10 h. Un mélange semblable,mais ne contenant pas de borax, durcit en 55 mn et conduit à une résistance finale comparable au bout de 10 h. On a fait varier le taux d'addition de borax a la composition de l'exemple 1. Les essais sont effectués 9 20 C. Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-après. D'après ce tableau, on voit que la présence du borax retarde l'apparition initiale de la résistance, mais que, entre 0,18 % et 3,0 Z de borax, la vitesse de développement de la résistance après gélation est tout à fait indépendante de la concentration en borax. La résistance finale à la compression est également indépendante de la concentration de borax, entre 0 et 3 %. TABLEAU Borax Temps de prise Résistance à la compression (kg/cm2) (% en poids par (minutes rapport au à 20 C) Heures après mélange ciment) 1 h 30 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 60 182,7 239 281,2 351,5 0,18 80 126,3 224,9 253 281,2 0,37 95 126,3 189,6 253 281,2 0,75 125 56,2 140,6 196,5 281,2 1,00 150 28,1 70,3 168,7 253 281,2 351,5 1,5 185 28,1 140,6 224,9 281,2 2,2 240 70,3 196,8 224,9 281,2 351,5 3,0 300 56,2 126,3 224,9 281,2 5,0 500 Masse molle même au bout de 2 jours REVENDICATIONS 1. Composition de liaison ou de renforcement, pour injection dans des couches souterraines, caractérisée en ce qu'elle comprend un ciment à forte teneur en alumine, un silicate de métal alcalin, de l'eau, et un composé du bore capable de retarder la prise de la composition. 2. Composition de liaison ou de renforcement, pour injection dans les couches souterraines, caractérisée en ce qu'elle comprend de 55 à 75 Z en poids d'un ciment à forte teneur en alumine, de 6 b 15 X en poids d'un silicate de métal alcalin, de 15 25 % en poids d'eau et de 0,05 à 3,0 % en poids d'un composé du bore en tant que retardateur de prise. 3. Composition selon la revendication 2, caractérisée en ce que le composé du bore est l'acide borique ou le borax. 4. Composition selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le silicate de métal alcalin est un silicate de sodium présentant un rapport SiO2/Na2O voisin de 2/1. 5 Composition selon l'une quelconque des revendications 2 a 4, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus uneou plusieurs charges minérales 6. Procédé de renforcement de-couches souterraine8, caractérisé en ce que l'on injecte dans lesdites couches une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.