Brevet FR2463255A1 — publié le 19810220

La Drésente invention a trait d'une manière générale à la technique de forage du sol et, plus par- ticulièrement, à une perforatrice de roche à percussion pneumatique. Les perforatrices de roche à percussion pneumatiques comprennent généralement un coros annulaire possédant une chambre centrale. Un piston est monté dans la chambre centrale en vue d'un déplacement axial pour créer des coups de marteau. Un trépan est fixé au corps annulaire pour recevoir les coups de marteau. Des pas- sages sont prévus dans le corDs annulaire et le piston pour délivrer de l'air de propulsion en vue de déplacer le piston et donner alternativement des coups de mar- teau et ramener le piston à la position initiale. Le piston est déolacé alternativement linéairement du fait de la urésence d'air en alternance à chaque extrémité du fiston. Le Diston heurte le tréêan à l'extrémité in- férieure de sa course pour heurter les couches géologiques. L'air est commandé Dar le mouvement du piston. Des oerforatrices de roche à percussion de l'art antérieur ont utilisé des orifices et un système de lumières importants et compliqués pour délivrer de l'air au Diston. Le piston est habituellement la soupa- pe qui commande l'admission d'air dans les chambres sur chaque extrémité du piston. Les réalisations connues comprennent deux orifices dans le piston ainsi qu'une multitude de passages et d'orifices qui sont presque impossible à décrire. Certaines réalisations impliquent mun usinage coûteux sur le diamètre du piston avec des orifices et passages échelonnés dans l'enveloppe du cy- lindre. Dans le brevet américain N 3.896.886, est représenté un marteau pneumatique comportant une struc- ture d'enveloppe'extérieure pouvant être reliée à un jeu de tiges de forage rotatives à tcravers lequel est ache- miné de l'air comprimé. Un piston de marteau va et vient dans la structure d'enveloppe, l'air comprimé étant di- rigié alternativement vers les extrémités supérieure et inférieure du piston pour provoquer son va-et-vient dans la structure, chaque course descendante provoquant un choc sur l'enclume d'un trépan s'étendant vers le haut dans la partie inférieure de l'enveloppe. La cir- culation de l'air vers les extrémités supérieure et in- férieure du piston de marteau est commandée par des pas- sages de soupape pratiqués dans le piston et un tube ï0 d'alimentation en air relativement stationnaire qui fer- me le passage vers l'extrémité inférieure du piston lors- que la structure d'enveloppe extérieure est soulevée Dar le jeu de tiges de forage pour permettre au trépan de pendre depuis l'enveloppe durant la circulation d'air pour balayer des débris de forage du trou de forage. Dans le brevet américain NO 4.015.670 est re- présenté un marteau actionné par fluide. Le marteau actionné par fluide pour perforatrices de roche com- prend un cylindre, un mandrin monté à une extrémité pour recevoir un trépan; un support fixé à l'autre extrémité; un tube d'alimentation en fluide monté dans le support et s'étendant à travers le mandrin, l'axe central longitudinal du tube d'alimentation correspon- dant à l'axe central longitudinal du cylindre; au moins un Jeu d'ouvertures prévues dans la paroi latérale du tube d'alimentation et espacées de chaque extrémité; un piston monté à coulissement dans le cylindre et au- dessus du tube d'alimentation pour se déplacer entre le mandrin et le support, l'extrémité inférieure étant des- tinée à frapper une partie du trépan s'étendant à tra- vers le mandrin; un premier passage dans ledit piston communiquant avec une face terminale de celui-ci et dé- bouchant dans le centre du piston en un endroit espacé le long dudit piston; un second passage dans ledit pis- ton communiquant avec la face terminale du piston commu- niquant avec l'extrémité du piston opposée à celle du premier passage et débouchant dans le centre du piston en un endroit espacé le long dudit piston, ledit premier passage communiquant avec un dudit jeu d'ouvertures dans le tube d'alimentation lorsque le piston bute contre le mandrin pour admettre du fluide dans l'espace entre le piston et le mandrin pour entrainer le piston vers le haut et ledit second passage communiquant avec un dudit jeu d'ouvertures lorsque le piston se trouve en sa position supérieure dans le cylindre pour admettre du fluide dans l'espace entre le piston et le support pour entrainer le piston vers le bas. De nombreux types de perforatrices de roche à percussion sont utilisés commercialement. Un exemple typique est représenté sur la figure 3 de la page 2 du Operation and Maintenance Manual publié par TRW Mission en Mars 1974. La Drésente invention réalise une perforatrice de roche par percussion actionnée par fluide possé- dant un corps de marteau annulaire. Un mandrin est monté à l'extrémité inférieure du corps du marteau. Un trépan s'étend à travers le mandrin dans le corps. L'extrémité supérieure du corps du marteau est reliée à un train de tiges de forage. Un piston déplaçable est monté à cou- lissement dans le corps du marteau pour se déplacer entre le trépan et une position supérieure pour engen- drer des chocs sur le trépan. Un système de passage est situé dans ledit corps de marteau et des systèmes de passage sont prévus dans ledit piston mobile pour transmettre un fluide en circulation de déplacer le piston. Un unique organe de transfert est placé en une seule position axiale fixe sur le corps du marteau pour permettre la transmission du fluide en circula- tion entre ledit système de passage dudit corps de mar- teau et lesdits systèmes de passage dans ledit piston 246325S mobile pour permettre audit fluide en circulation de dé- placer ledit piston et d'engendrer lesdits coups de mar- teau. Le système de transfert à position unique constitue une oerforatrice de roche de fabrication plus simple et moins coûteuse. La longueur du piston et la longueur du marteau tout entier sont réduites. Le marteau peut fonc- tionner à une fréquence plus élevée. Les caractéristiques et avantages qui précèdent, ainsi que d'autres, de la présente invention ressortiront de la lecture de la description détaillée qui va suivre en regard des des- sins annexés. La figure 1 représente une perforatrice de ro- che à percussion équipée d'un piston coulissant engen- drant des chocs sur le trépan. La figure 2 représente la perforatrice de ro- che à percussion, le piston coulissant se trouvant en position haute. La figure 3 représente la perforatrice de ro- che par percussion, le trépan étant soulevé du fond du trou de forage. On se réfère à présent aux figures, une per- foratrice de roche à percussion 10, actionnée par flui- de est représentée à trois stades de fonctionnement sur les figures 1,2 et 3. Le marteau 10 est représenté dans un trou de forage du sol 11. Sur les figures 1 et 2, le marteau 10 se trouve au fond 12 du trou de forage 11 et en position pour un forage. Sur la figure 3, le mar- teau 10 a été soulevé du fond 12 du trou de forage 11 et le fluide de forage circule à travers et hors du marteau 10. Le marteau 10 comprend un cylindre 13 avec un mandrin de forage 14 à une extrémité. Le mandrin de forage 14 reçoit un trépan 15. Le trépan 15 est retenu dans le mandrin 14 par une bague de retenue 16. Lors- que le trépan 15 se trouve au fond et fait saillie dans le cylindre 13, une quantité limitée de mouvement lon- gitudinal est permise entre le trépan 15 et le mandrin 14. Le cylindre 13 est relié par son extrémité supérieu- re à une tige de forage (non représentée). Une déli- vrance d'air comprimé est transmise à la tige de forage. Un tube d'alimentation 17 est monté dans le cylindre 13. Le tube d'alimentation 17 s'étend depuis l'extrémité supérieure du cylindre 13 vers le mandrin 14 mais se termine juste au-dessus du trépan 15. L'axe central longitudinal du tube d'alimentation 17 coïncide avec l'axe central longitudinal du cylindre 13. Le tube d'alimentation 17 est réduit ou bloqué par un étrangle- ment constituant un bouchon 18 à diamètre réduit qui réduit ou interrompt la circulation de fluide à tra- vers le tube d'alimentation 17. Un unique ensemble d'ou- vertures de distribution 19 est prévu dans la paroi du tube d'alimentation 17. Le jeu d'ouvertures 19 com- prend quatre ouvertures individuelles circonférentielle- ment espacées autour du tube d'alimentation 17 en une unique position axiale fixe. Un piston annulaire 22 coulisse dans le cylindre 13 pour se déplacer entre le trépan 15 et l'extrémité supérieure du cylindre 13. Le piston 22 com- prend une ouverture rainurée diamétrale s'étendant au- tour de la paroi interne du piston. L'ouverture 21 est en communication avec un passage longitudinal 25 qui assure une communication avec la surface inférieure 20 du piston 22. Une ouverture rainurée diamétrale 23 s'étendant autour de la paroi interne du piston est re- liée au passage longitudinal 26. Le passage 26 s'étend jusqu'à la surface terminale 24 à l'extrémité supérieure du piston 22. Il faut comprendre que la surface inférieu- re et la surface supérieure pourraient être les faces terminales représentées ou des surfaces faisant diffé- rents angles par rapport à l'axe central du piston. Le marteau utilise uniquement le seul systè- me d'orifices 19 situé en une position axiale fixe uni- que le long du cylindre 13 pour transmettre de l'air aux passages 25-et 26. Ceci constitue un mode de fabri- cation plus simple et moins coûteux d'un marteau à percussion. Ceci conduit à un usinage plus simple et plus aisé de la plupart des pièces du marteau à per- cussion autres que le piston. L'unique système d'ori- fices permet davantage de variations des oaramètres de conception pour le marteau à percussion. La longueur globale peut être raccourcie conjointement avec le pis- ton. Plus le Diston est court, plus il peut être rendu léger, ce qui le rend, ainsi que le marteau, plus effi- cace. Egalement la fréquence de la course du marteau est accrue, se traduisant par un meilleur forage. Les éléments structuraux d'une perforatrice de roche à percussion 10 réalisée selon la rrésente in- vention ayant été décrits, le fonctionnement du mar- teau 10 sera à présent considéré. La figure 1 représen- te le piston 22 en position basse au contact du trépan 15. L'extrémité supérieure du trépan 15 est munie d'une surface d'enclume qui est frappée par la surface du mar- teau sur la face terminale inférieure 20 du piston 22. La force du marteau est transmise par l'intermédiaire du trépan 15 aux formations géologiques à la base 12 du trou de forage 11, fracturant ainsi lesdites formations et faisant progresser le trou de forage dans le sol. Avant d'appliquer un coup au trépan 15, le piston doit être soulevé. Lorsque le piston se trouve dans sa position basse comme représenté sur la figure 1, l'ensemble de rainuresdiamétrales ou d'ouvertures 21 dans le piston 22 sont adjacentes au jeu unique d'ouver- tures 19 dans le tube d'alimentation 17. De l'air sous pression élevée est poussé à travers le passage 25 dans l'espace clos entre (A) la surface terminale inférieure du piston 22 et (B) le trépan 15. Ceci entraîne le piston 22 vers le haut. L'air emprisonné par le mouvement ascendant de la face terminale supérieure 24 du pis- ton 22 est comprimé entre la surface supérieure du pis- ton 22 et la partie supérieure du cylindre 13 avant d'être déchargé à travers le tube d'alimentation. Ceci constitue un effet d'amortissement pour retarder un au- tre mouvement ascendant du piston 22. L'air est déchargé à travers le passage 26. Lorsque le piston se trouve en position haute comme représenté sur la figure 2, l'ensemble infé- rieur de gorges ou d'ouvertures 23 dans le piston 22 est adjacent à l'unique jeu d'ouvertures 19 dans le tube d'alimentation 17. Ceci assure une communication avec le volume clos au-dessus de la face terminale supérieure 24 du piston 22. Le jeu supérieur de gorges ou d'ouver- tures diamétrales 21 sont obturées par le tube d'alimen- tation 17. En résultat, de l'air à haute pression est admis dans le volume au-dessus du piston 22 pour entra!rúr celui-ci vers le bas du cylindre 13 et sur le trépan pour créer le choc désiré. Il est souvent nécessaire d'interrompre le martelage durant l'opération de forage. Afin de faire cesser un martelage, la tige de forage est soulevée pour permettre au trépan 15 de tomber dans le mandrin 14 dans sa position inférieure comme représenté sur la figure 3. Le trépan 15 est alors supporté par la bague de retenue 16. Du fait que le trépan 15 est plus bas dans le cylindre 13 que durant l'opération de martelage, le piston 22 bute contre le trépan 15 et les ouvertures 21 du piston sont masquées par le tube d'alimentation 17 pour empêcher un écoulement d'air dans l'espace au-dessous de l'extrémité inférieure du piston 22. Le piston 22 demeure en position basse sans l'action de martelage précédemment décrite. L'air en circulation peut se déplacer à travers le marteau 10. La partie d'alésage agrandie 28 entourant le tube d'alimentation 17 à l'extrémité supérieure du piston 22 est situéeà proxi- mité du jeu d'ouvertures 19 sur le tube d'alimentation 17. En résultat, l'air provenant des ouvertures 19 s'é- coule dans l'espace délimité audessus de l'extrémité supérieure du piston 22, descend à travers le passage 26 Dar l'intermédiaire de la gorge inférieure ou des ou- vertures 23 et s'échappe du trépan 15. Ainsi, en soulevant la tige de forage et en permettant au tré- pan 15 de tomber dans le mandrin 14, non seulement le marteau est désexcité, mais également l'écoulement d'air à travers le trépan 15 est maintenu pour évacuer les débris de forage de la zone du trépan 15 au fond 12 du trou de forage 11. REVENDICATIONS 1 - Perforatrice de roche à percussion ac- tionnée par un fluide en circulation pour donner des coups de marteau à un trépan, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps de marteau ayant une chambre inter- ne; un piston déplaçable (22) monté dans ladite cham- bre en vue d'un déplacement axial pour donner des coups de marteau audit trépan (15), ledit piston mobile ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure; un premier système de passage (25) dans ledit piston mobile pour diriger ledit fluide cir- culant vers l'extrémité inférieure dudit piston mobile; un second système de passage (26) dans ledit piston mobile pour diriger ledit fluide en circulation vers l'extrémité supérieure dudit piston mobile; un troi- sième système de uassage dans ledit corps de marteau pour transmettre ledit fluide en circulation; et un unique organe de transfert (19) situé en une unique po- sition axiale fixe sur ledit corps de marteau pour per- mettre audit fluide en circulation d'être transmis en- tre ledit troisième système de passage dans ledit corps de marteau et lesdits premier et second systèmes de passage dans ledit piston déplaçable pour permettre au- dit fluide en circulation de déplacer ledit piston et de donner lesdits coups de marteau. 2 - Perforatrice de roche à percussion ac- tionnée par fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps annulaire (13) ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure; un mandrin (14) monté à l'extrémité inférieure dudit corps; un trépan (15) rattaché audit mandrin et s'étendant dans ledit corps; un tube d'alimentation (17) en fluide monté dans ledit corps et s'étendant depuis ladite extrémité supérieure vers ledit mandrin; une chambre interne dans ledit corps; un piston (22) déplaçable monté dans ladite chambre en vue d'un déplacement axial dans celle-ci pour engendrer des coups de marteau, ledit piston positionné autour dudit tube d'alimentation (17) et ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure; un premier sys- tème de passage (25) dans ledit piston mobile pour diriger ledit fluide vers l'extrémité inférieure dudit piston mobile; un second système de passage (26) dans ledit piston mobile pour diriger ledit fluide vers l'extrémité supérieure dudit piston mobile; et un unique jeu d'ouvertures (19) dans ledit tube d'alimen- tation situé en une unique position axiale fixe pour permettre audit fluide en circulation d'être transféré entre ledit tube d'alimentation (17) et lesdits premier et second systèmes de passage (25,26) dans ledit piston mobile pour permettre audit fluide en circulation de déplacer ledit piston mobile et de donner lesdits coups de marteau. 3 - Perforatrice de roche à percussion ac- tionnée par fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps annulaire (13) ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure; un mandrin (14) monté à l'extrémité inférieure dudit corps; un trépan (15) rattaché audit mandrin et s'étendant dans ledit corps, ledit trépan déplaçable dans ledit mandrin (14) d'une position de forage dans une position de dérivation; un tube d'alimentation en fluide (17) monté dans ledit corps et s'étendant de ladite extrémité supérieure vers le mandrin (14); un unique jeu d'ouvertures (19) dans ledit tube d'alimentation situé en une unique position axiale pour transmettre la totalité dudit fluide; un piston (22) coulissant dans ledit corps, positionné autour dudit tube d'alimentation pour se dé- placer entre le trép!n à l'extrémité inférieure et l'ex- trémité supérieure dudit corps pour heurter le trépan, ledit piston ayant une surface supérieure et une sur- face inférieure; un premier passage (25) dans ledit piston communiquant entre la surface inférieure du piston vers le tube d'alimentation; un second passage (26) dans ledit piston faisant communiquer la surface supérieure du piston avec le tube d'alimentation (17); ledit premier passage (25) communiquant avec ledit unique jeu d'ouvertures (19) dans le tube d'alimenta- tion (17) lorsque le piston est en butée du trépan (15) pour admettre du fluide dans l'espace entre le pis- ton (22) et le trépan (15) pour entrainer le piston vers le haut et ledit second passage (26) communiquant avec ledit unique jeu d'ouvertures (19) lorsque le pis- ton (22) se trouve en sa position supérieure dans le corps pour admettre du fluide entre le piston (22) et l'extrémité supérieure du corps en vue d'entraîner le piston vers le bas.