Brevet FR2458669A1 — publié le 19810102

- - 2458669 La présente invention concerne des machines pour la réalisation de sondages dans les roches, et a notamment pour objet un outil de forage pour une machine automotrice destinée à réaliser des sondages par percussion. L'invention peut être utilisée le plus avantageusement pour la réalisation de sondages dans les roches tendres, par exemple dans le charbon. L'outil de forage proposé peut être utilisé dans l'exploitation des mines, dans la construction, ainsi que là o il est nécessaire de réaliser un sondage dans des conditions incommodes dans lesquelles l'emploi des outils de forage classiques-faisant partie des ensembles encombrants des machines de forage se révèle inefficace ou impossible. Actuellement, pour la réalisation des sondages dans les roches, on utilise largement des machines de forage rotary et des machines de forage à percussion-rotation comprenant un outil de forage, un dispositif de rotation servant à créer un effort axial sur l'outil de forage et une colonne de tiges. De telles machines de forage ont un grand encombrement et une grande masse, ainsi qu'un prix élevé. Cependant, dans les conditions des mines, lors de l'exploitation de couches de minerais de faible épaisseur, l'utilisation des machines mentionnées est difficile et même impossible dans certains cas. Il en résulte la nécessité de créer une machine d'un type nouveau pour la réalisation des sondages. L'une de ces machines est une machine automotrice de forage par percussion servant à réaliser des sondages dans les roches tendres. La machine possède un corps avec un outil de forage et avec un percuteur mobile monté dans ce dernier. En outre la machine comprend une tubulure d'amenée d'air et un tuyau d'amenée d'air comprimé à la machine pour la mise en marche du percuteur. La machine est mise en action par l'air comprimé et se déplace dans la roche grâce aux coups portés de l'intérieur par le percuteur sur le bout avant du corps. La particularité essentielle de cette machine, en comparaison des machines de forage classiques, consiste en ce qu'elle ne comporte pas les ensembles traditionnels des machines de forage table de rotation, dispositif spécial servant à créer un effort axial appliqué à l'outil de forage et à la colonne de tiges. Une telle machine est capable, sans rotation et même sans un seul tour de l'outil de forage, de réaliser des sondages à section ronde par suite de son mouvement de translation à l'intérieur du massif de roches. - 2 - 2458669 Les machines de forage par percussion du type décrit permettent de réaliser des sondages dans des conditions très difficiles, du fait que, grâce à son principe de fonctionnement, elle possède un faible encombrement et une faible masse, ce qui la rend particulièrement utile pour le travail dans les conditions minières. Une telle machine fait l'objet, par exemple, du brevet américain no 39k2595 appartenant au même déposant que celui de la présente demande. Toutefois, du fait que les machines de ce type n'utilisent que le principe de destruction par percussion de la roche, il est apparu la nécessité de créer un outil de forage spécial pour ces machines. La plupart des outils de forage connus sont conçus pour être utilisés pour le forage des roches par percussion-rotation ou par rotation. On connaît déjà, par exemple, des outils de forage ou des couronnes pour les machines de forage à percussion-rotation servant à réaliser des sondages dans les roches dures. Ces couronnes comprennent un corps, des coins de forage à lames disposées radialement sur le bout du corps orienté vers le fond du sondage. Pendant les travaux, les surfaces latérales des coins, qui sont une partie de la surface latérale de la couronne, forment avec la paroi du sondage un angle de 2 à 5 . Entre les coins de forage sont réalisées des rainures d'évacuation de la roche du fond du sondage. Une telle couronne est ordinairement utilisée pour la réalisation de sondages dans les roches dures et nécessite l'application non seulement d'une impulsion de percussion, mais aussi un couple moteur et un effort axial d'application de ladite couronne contre le fond, ce qui rend beaucoup plus compliquée toute la construction de la machine pour la réalisation des sondages. Le recours à une telle couronne dans une machine automotrice de forage par percussion, dans laqulle il n'y a pas de rotor, est inefficace. L'invention vise par conséquent un outil de forage pour une machine automotrice de forage par percussion, dont les éléments de forage auraient une géométrie permettant de réaliser des sondages de section circulaire lors du mouvement de translation de l'outil de forage. Ce problème est résolu du fait que l'outil de forage, de préférence pour une machine automotrice de forage par percussion pour la réalisation de sondages, du type comprenant un corps avec des coins pour la destruction de la roche, dont les lames sont disposées radialement sur un bout dudit corps, - 3 - 2458669 les coins pour la destruction de la roche étant séparés les uns des autres par des rainures réalisées dans ledit corps et débouchant à l'extérieur. sur la surface latérale du corps pour l'évacuation de la roche détruite, est caractérisé, suivant l'invention, en ce qu'au moins la partie du corps qui est orientée vers le fond du sondage a une forme cylindrique, et que les rainures sont disposées suivant une hélice et se croisent entre elles de façon que celles des parties du corps qui se trouvent entre les rainures entrecroisées forment lesdits coins pour la destruction de la roche, dont les arêtes se trouvant sur la surface latérale du corps, dans les limites de sa partie cylindrique, forment, quand elles sont projetées sur le plan de la section transversale du corps, une circonférence continue, et sont destinées à la formation des parois du sondage. La mise en oeuvre de l'invention permet de réaliser des sondages de section circulaire dans les roches tendres, par exemple dans le charbon, dans des conditions minières exiguës. L'outil de forage proposé, grâce à la forme particulière des éléments, de forage, communique à la machine à laquelle il est destiné>des qualités appréciables, telles qu'un faible encombrement et une masse réduite, une haute fiabilité et un haut rendement économique. Dans le cas considéré, on n'a plus besoin d'une machine de forage coûteuse et encombrante comprenant une table de rotation. Il est aussi avantageux de faire en sorte que chacun des coins pour la. destruction de la roche soit formé par deux rainures réalisées respectivement en hélice de sens gauche et de sens droit, et ayant un même angle d'inclinaison. Cette particularité permet d'obtenir dans l'outil des coins symétriques possédant une haute résistance et donnant la possibilité de réaliser les sondages dans les roches tendres et moyennement dures. Chacun des coins de l'outil de forage proposé peut être formé par des rainures en hélice dirigées dans un même sens et ayant des angles d'inclinaison différents. Une telle conception de l'outil de forage permet de réaliser les sondages avec une plus grande précision. Il est aussi avantageux de munir l'outil de forage de coins supplémentaires dont chacun est formé par des rainures entrecroisées et inclinées l'une par rapport à l'autre en arrière (par rapport au fond du sondage) de leur point d'intersection, et qui se trouve entre les coins pour la destruction de la roche. Une telle réalisation de l'outil de forage permet d'augmenter la vitesse d'avancement du sondage par suite de la diminution de la résistance des particules de roche détruite dans les canaux servant à leur évacuation. L'extrémité du corps avec coins pour la destruction de la roche peut être munie d'une tige de destruction de la roche montée axialement sur cette extrémité. Cette particularité protège l'outil de forage contre les casses lorsqu'il rencontre sur -son trajet dans le sondage des inclusions très dures. Il est aussi avantageux de réaliser dans le corps des canaux permettant le soufflage du fond du sondage. Une telle conception de l'outil de forage permet d'élever la vitesse d'avancement du sondage et prévient l'engorgement de l'outil au cours de son utilisation. L'invention a ainsi permis de créer un outil de forage pour une machine automotrice de forage par percussion, destiné à réaliser avec une haute précision des sondages de section circulaire dans les roches tendres dans des conditions minières exiguës, doué d'une haute fiabilité et d'une haute résistance mécanique au cours de son utilisation, et caractérisé par une faible résistance au déplacement des particules détruites dans ses canaux pour l'évacuation de la roche détruite du fond du sondage. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un outil de forage réalisé conformément à l'invention, monté sur une machine automotrice de forage par percussion (vue en coupe longitudinale partielle, avec arrachement); la figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle, avec arrachement, de l'outil de forage conforme à l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-111 de la figure 2; - la figure 4 est une vue suivant la flèche "A" de la figure 2; - la figure 5 est une vue développée de la surface extérieure de la partie cylindrique du corps de l'outil de forage illustré sur la figure 2; - 5 - 22458669 - la figure 6 illustre une variante de réalisation de l'outil de forage (vue longitudinale); - la figure 7 est une vue en coupe suivant VII-VII de la figure 6 - la figure 8 est une vue développée de la surface extérieure de la partie cylindrique du corps de l'outil suivant la variante de réalisation illustrée sur la figure 6; - la figure 9 est une vue suivant la flèche "B" de la figure 6; - la figure 10 est une vue longitudinale d'une autre variante de réalisation de l'outil de forage; - la figure il est une vue développée de la surface extérieure de la partie cylindrique du corps de l'outil suivant la variante de réalisation illustréesur la figure 10. Dans la description suivante de différents exemples de réalisation de l'invention illustrée sur les dessins annexés, on utilise une terminologie concrète restreinte pour faciliter la compréhension de l'invention. Toutefois, il faut avoir en vue que chaque terme utilisé englobe tous les éléments équivalents fonctionnant de la même façon et employés pour la résolution des mêmes problèmes. La figure 1 représente une machine automotrice de forage par percussion pour la réalisation de sondages dans les roches tendres, par exemple dans le charbon, qui possède un corps 1 (figure 1) dans lequel est placé un percuteur 2. Le percuteur 2, animé d'un mouvement rectiligne alternatif sous l'action d'air comprimé, communique, par l'intermédiaire de la partie avant 3 du corps 1, les impulsions de choc à l'outil de forage 4 engagé dans ce corps (les impulsions de choc peuvent aussi 8tre appliquées directement à l'outil de forage). Dans la partie supérieure 5 de la machine est monté un dispositif 6 destiné à interdire, au cours du fonctionnement de la machine, le déplacement de celle-ci dans le sens opposé au fond du sondage, ce dispositif pouvant reculer un peu dans la direction radiale et sa cavité intérieure communiquant en permanence avec le réseau d'air comprimé. L'outil de forage 4 illustré sur la figure 2 comprend un corps 7 U dont la surface extérieure, au moins dans sa partie orientée vers le fond du sondage, a une forme cylindrique. Pour l'évacuation de la roche détruite du fond du sondage, dans le corps 7 sont exécutées des rainures 8 en hélice débouchant à l'extérieur sur la surface latérale cylindrique du corps 7. - 6 - 2458669 Les rainures 8 s'entrecroisent de façon que les parties du corps 7 qui sont disposées entre les rainures entrecroisées 8 forment des coins 9 servant à détruire la roche au fond du sondage. A l'intersection de la surface cylindrique extérieure du corps 7 et des surfaces des rainures 8 sont formées les arêtes 10 des coins 9. Les arêtes 10, réalisées dans les limites de la partie cylindrique du corps 7, quand elles sont projetées sur le plan de la section transversale du corps 7, forment une circonférence continue ll (figure 3) et servent à former les parois du sondage, car elles constituent des arêtes coupantes disposées suivant la circonférence Il et se recouvrant mutuellement. Les coins 9 pour la destruction de la roche portent des lames 12 (figure 4) montées radialement et orientées vers le fond du sondage. Les coins 9 ont un angle d'afffttage L'outil de forage illustré sur la figure 2 fonctionne de la uanière suivante. Quand l'air comprimé est admis dans la machine, le dispositif interdisant le déplacement de la machine, au cours de son fonctionnement, dans le sens opposé au fond du sondage (figure 1) entre en prise avec la paroi du sondage ou du tube de démarrage (en cas de démarrage de la machine en dehors du sondage). En même temps, sous l'action de la pression de l'air comprime, le percuteur 2 est animé d'un mouvement rectiligne alternatif dans le corps 1 de la machine et transmet des impulsions de choc à l'outil de forage 4 monté sur la partie avant 3 du corps 1, ou directement au bout de l'outil de forage 4 monté d'une façon mobile dans sa direction axiale. En recevant les impulsions de choc, l'outil de forage s'enfonce par ses coins de forage 9 dans la surface du fond du sondage en détruisant la roche. Après arrachement de la roche par les coins 9 (figure 2), les arttes coupantes 10 entrent en jeu et, grâce à leur mouvement de translation imprimé par la machine de forage par percussion, forment, à partir dudit arrachement, la partie cylindrique du sondage. On obtient la forme cylindrique du sondage du fait que la surface extérieure de la partie du corps 7 orientée vers le fond du sondage possède une forme cylindrique, et que les arêtes coupantes 10 sont montées sur cette surface et leur projetction sur le plan de la section transversale du corps 7 forme une circonférence continue Il (figure 3). -7 - 2458669 La roche détruite est évacuée du fond du sondage suivant les rainures 8 par auto-expulsion, ou par auto-expulsion avec utilisation d'air comprimé (mélange air-eau) envoyé dans la zone du fond du sondage. Les coins 9 pour la destruction de la roche ont un angle d'affûtage égale à 0 forage par percussion pour la réalisation de sondages selon la figure 2. Sur ce développement sont représentés les coins symétriques 13 (voir figure 5) pour la destruction de la roche, formés par les rainures 8 réalisées respectivement en hélice de sens gauche et de sens droit, et ayant un même angle d'inclinaison CX. Le fonctionnement de ces coins 13 est analogue à celui des coins illustrés sur la figure 2. Une telle réalisation des coins 13 leur confère une haute résistance et une durée de vie prolongée. La figure 6 représente une variante de l'outil de forage d'une machine automotrice de forage par percussion pour la réalisation de sondages, selon l'invention (vue longitudinale avec coupe partielle). Ce type d'outil de forage, désigné généralement par le chiffre de repère e 4 sur la figure 1, diffère de l'outil représenté sur la figure 2 en ce que chaque coin 14 (figure 6 et figure 7) pour la destruction de la roche est formé par des rainures 15 réalisées en hélices de même sens (figure 8) . Dans ce cas, les hélices ont des angles d'inclinaison différentse 2 et O par rapport au plan passant par la section transversale du corps 16 (figure 6) . Au croisement des rainures 15 exécutées suivant les hélices avec la surface cylindrique extérieure du corps 16, il se forme des arêtes 17 qui sont des arêtes coupantes. En outre, au croisement des rainures 15 il se forme aussi des lames 18 (figure 9) des coins 14 (figure 6) pour la - 8 - 2458669 la destruction de la roche, disposés radialement sur le bout du corps 16 qui est orienté vers le fond du sondage. Les arêtes 17 sont exécutées de façon que leur projection sur le plan de la section transversale du corps 16 forme une circonférence continue 19 (figure 7), ce qui leur permet de former une paroi de sondage de section circulaire. Les coins 14 pour la destruction de la roche ont des faces latérales 20 (figure 8) formées par les rainures 15 exécutées en hélice et par les faces de l'angle d'affftagebc4 des lames 18. ú0 L'outil de forage représenté sur les figures 6, 7, 8, et 9 fonctionne de la manière suivante. A la réception de l'impulsion de choc du percuteur 2 (figure 1) de la machine, l'outil de forage 4 pénètre par ses coins 14 (figure 6) dans la roche du fond du sondage, en la détruisant. Après les premières impulsions reçues par l'outil de forage 4, il se forme sur la surface du fond du sondage un arrachement. Lorsque la surface de l'arrachement devient supérieure à celle du fond du sondage à réaliser, les arêtes coupantes 17 (figure 6) entrent en jeu et, à mesure de leur mouvement de translation par rapport à l'axe de la machine, donnent au sondage une section circulaire. En continuant de pénétrer dans la roche, l'outil de forage 4 tourne autour de son axe à une certaine vitesse préalablement déterminée et imposée par les forces réactives naissant sur les faces latérales 20 des coins 14 lors de leur interaction avec la roche. L'utilisation d'un tel outil de forage permet d'élever la précision de réalisation du sondage en cas de casse de-l'un des coins 14. La figure 10 représente une autre variante de réalisation de l'outil de forage conforme à l'invention (vue longitudinale avec une coupe partielle). Cet outil de forage, désigné généralement par le chiffre de repère 4 sur la figure 1, diffère de l'outil 4 représenté sur la figure 2 par la présence de coins supplémentaires 21 (figure 10). Les coins 21 sont formés par des rainures 22 (figure 10) inclinées l'une par rapport à l'autre, s'entrecroisant derrière les points a, b, c et d (figure 11) dans la direction opposée au fond du sondage. Les coins 21 (figure 10) forment la rangée arrière par rapport à la première rangée de coins 23 pour la destruction de la roche. Quand on regarde le bout du corps 24, les coins 21 sont disposés entre les coins 23 pour la destruction de la roche. - 9 - 2458669 La projection de tous les coins 21 et 23 sur le plan de la section transversale des arêtes 25 forme une circonférence analogue à celles représentées sur les figures 3 et 7. Cette disposition des arêtes 25 servant d'arêtes coupantes peut former, comme dans les variantes illustrées sur les figures 2 et 6, un sondage de section circulaire lors de leur mouvement de translation le long de l'axe de la machine. Le fonctionnement de l'outil de forage 4 de ce type est essentiellement analogue au fonctionnement de l'outil de forage décrit selon la figure 2. Toutefois, la particularité caractéristique du fonctionnement d'un outil de forage 4 de ce type consiste en ce que les coins 23 sont incapables de former complètement la paroi du sondage de section circulaire. La formation du sondage de section circulaire est achevée par les coins 21 qui arrachent la partie de la roche qui est restée à moitié détruite sur la paroi du sondage. L'utilisation d'un tel outil de forage permet de diminuer la résistance totale des particules de roche se déplaçant dans les rainures 22 spécialement prévues à cette fin. Cela prévient l'engorgement de ces rainures 22 et contribue à une augmentation de la vitesse d'avancement. Dans toutes les variantes décrites de réalisation de l'outil dé forage conforme à l'invention, sur les bouts de leur corps portant les coins pour la destruction de la roche peuvent être axialement montées des tiges 26 pour la destruction de la roche (comme montré, par exemple, sur la figure 10). Il est avantageux d'employer ces tiges lors de la réalisation de sondages par les outils de forage dans les roches avec inclusions plus dures que la roche de base. En outre, il est avantageux, dans toutes les variantes de réalisation de l'outil de forage, d'exécuter des canaux 27 (voir figure 10) pour l'amenée d'air comprimé ou d'un mélange air-eau dans la zone du fond du sondage pour éviter l'engorgement des rainures en hélice. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. - 0- 2458669 REVENDICATIONS 1. Outil de forage, notamment pour une machine automotrice de forage par percussion pour la réalisation de sondages, du type comprenant un corps comportant des coins pour la destruction de la roche, dont les lames sont disposées radialement sur un bout dudit corps, les coins pour la destruction de la roche étant séparés les uns des autres par des rainures réalisées dans ledit corps et débouchant à l'extérieur sur la surface latérale du corps pour l'évacuation de la roche détruite, caractérisé en ce qu'au moins la partie du corps qui est orientée vers le fond du sondage a une forme cylindrique, et que les rainures sont exécutées en hélice et se croisent de façon que les parties du corps qui se trouvent entre les rainures entrecroisées forment les coins destinés à détruire la roche et dont les arêtes se trouvant sur la surface latérale du corps, dans les limites de sa partie cylindrique, forment, quand elles sont projetées sur le plan de la section transversale dudit corps, une circonférence continue, et sont destinées à la formation des parois du sondage. 2. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des coins pour la destruction de la roche est formé par deux rainures exécutées respectivement en hélice de sens gauche et de sens droit, et ayant un même angle d'inclinaison. - 3. Outil de forage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des coins pour la destruction de la roche est formé par des rainures en hélice orientées d'un même côté et ayant des angles d'inclinaison différents. 4. Outil de forage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est muni de coins supplémentaires dont chacun est formé par des rainures entrecroisées inclinées l'une par rapport à l'autre en arrière (par rapport au fond du sondage) de leur point d'intersection, et qu'il se trouve entre les coins pour la destruction de la roche. 5. Outil de forage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé- en ce que le bout du corps portant les coins pour la destruction de la roche est muni d'une tige montée axialement et destinée à la destruction de la roche. 6. Outil de forage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans le corps de l'outil de forage sont réalisés des canaux destinés au soufflage du fond du sondage.