Brevet FR2470236A1 — publié le 19810529

24?0236 Tige flexible pour dispositif produisant un couple et une poussée pour système perforateur de toits de galerie de mine ou analogue. ____________________________________________________________ La présente invention concerne les systèmes perfo- rateurs et les tiges pour ceux-ci et se rapporte en parti- culier aux systèmes perforateurs spécialement aptes à creu- ser des trous dans le toit d'une mine. Dans l'industrie minière les chutes de toits de mine sont responsables d'un pourcentage important des acci- dents mortels se produisant dans des houillères. C'est pourquoi il est d'une importance majeure, tant du point de vue de la sécurité que sur le plan de la production, d'assu- rer la stabilité du toit. Le nombre d'accidents mortels dus à des effondrements de toits de mine a été considérable- ment réduit en supportant le toit de mine au moyen d'organes de retenue, appelés boulons, introduits dans des trous creu- sés dans le toit en utilisant un taillant fixé à une tige rigide ou fleuret. Au fur et à mesure que le trou devient plus profond le mineur ajoute des rallonges à la tige de perforation. Ce mode de travail oblige le mineur à se trouver en tête d'une perforatrice de toit de mine pour commencer à creuser des trous et ajouter des rallonges à la tige. Différents systèmes perforateurs ont déjà été pro- posés pour éviter les risques que ces conditions de travail comportent. Le brevet US NO 4 057 115 décrit un système perforateur pour toits de mine qui utilise une tige de forage flexible composée de deux ressorts hélicoïdaux, dont l'un est intérieur et l'autre extérieur, enroulés en sens inverse l'un de l'autre, et un dispositif de commande comprenant un mandrin qui, animé d'un mouvement de rotation et capable de serrer la tige flexible, exerce sur celle-ci un couple ayant pour effet que le ressort extérieur se contracte vers l'intérieur et le ressort intérieur s'étale vers l'ex- térieur de sorte que la tige devient sensiblement rigide entre le dispositif de commande et le taillant alors que la partie de la tige située au-dessous du mandrin de serra- ge reste flexible. Dans certaines applications le disposi- tif de commande produit un couple de 41,40 mètres-kilo- grammes et une poussée de 2270 kilogrammes pour une vitesse de rotation de la tige de 750 T/mn. La poussée est communi- quée cycliquement à la tige au cours d'un cycle de serrage et de relâchement de celle-ci qui se répète environ une fois par seconde. Or il s'est avéré que des tiges de perforation com- portant deux ressorts en acier disposés l'un intérieurement et l'autre extérieurement et enroulés en sens inverse l'un par rapport à l'autre (comme illustré dans le brevet amé- ricain no 4 057 115) ont tendance à s'allonger et des spires adjacentes d'un ou de chacun des deux ressorts tendent à se séparer les unes des autres de sorte que l'entraînement de la tige devient moins efficace. Pour remédier à cet inconvénient il est prévu sui- vant la présente invention une tige flexible destinée à équiper une perforatrice de toits de mine ou analogue et comprenant une gaine extérieure cylindrique allongée, composée d'un élément formant ressort enroulé hélicolda- lement, et une partie intérieure flexible comportant une série de segments renforçateurs rigides radialement s'étendant sur la longueur de la tige flexible. Un élé- ment de transition ou d'assemblage fixé à la gaine exté- rieure au niveau de l'une des extrémités de la tige reçoit un taillant. La tige flexible suivant la présente invention présente par rapport à celles du type illustré dans le bre- vet américain n0 4 057 115 une meilleure stabilité dimen- sionnelle ainsi qu'une moindre tendance à s'allonger et à subir d'autres déformations. Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention un système perforateur d'une hauteur supérieure à celle de la couche exploitée comprend un dispositif pro- duisant un couple et une poussée et comportant un mécanisme qui, destiné à serrer la tige, présente un passage traver- sant définissant un axe et recevant la tige de perforation. Un équipement de commande fait tourner le mécanisme de ser- ge de la tige autour de l'axe du passage et un autre é- quipement de commande communique au mécanisme de serrage de la tige une poussée dans une direction parallèle à l'axe du passage. Le mécanisme de serrage de la tige est agencé de façon à serrer la tige temporairement de sorte que celle-ci est soumise à un effort de torsion par l'é- quipement de commande cité en premier et qu'une poussée est concurremment appliquée sur la tige par le second équipe- ment de commande cité. La gaine extérieure de la tige de perforation flexible peut être formée d'une bande O res- sort de section rectangulaire qui est enroulée hélicolda- lement de façon que les bords des spires adjacentes de l'hélice prennent appui les uns contre les autres. La partie intérieure flexible de la tige peut comprendre un élément central tubulaire flexible et allongé et une série d'éléments renforSateurs constitués par des bagues dispo- sées les unes contre les autres le long de l'élément cen- tral. Suivant une forme de réalisation particulière les bagues cylindriques présentent des surfaces frontales in- clinées parallèles entre elles qui améliorent la stabilité radiale. Suivant une autre forme de réalisation les bagues cylindriques présentent à chaque extrémité des saillies de transmission de couple qui s'engagent dans les intervalles des saillies des bagues adjacentes. D'autres configurations de surface permettant une mise en prise des bagues, comme par exemple des épaulements formant gradins, peuvent éga- lement être prévus, y compris des configurations procurant à la fois une stabilité radiale satisfaisante et de bonnes caractéristiques de transmission de couple. Les segments renforçateurs peuvent avoir une longueur du même ordre que la section de la bande formant ressort. Une tige suivant l'invention, utilisable -dans une perforatrice pour toits de mine qui présente une hauteur supérieure à celle de la couche exploitée, pos- sède par rapport à la technique antérieure une meilleure stabilité radiale et une plus grande résistance mécanique de façon à permettre à la tige d'être serrée plus uniformé- ment et plus efficacement par le dispositif de la perfora- trice produisant un couple et une poussée. L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide de formes de réalisation particulières illustrées au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue en élévation, certaines par- ties étant arrachées, d'un système perforateur suivant l'in- vention; la figure 2 est une vue en élévation latérale, certai- nes parties étant arrachées, d'une partie de la tige flexi- ble utilisée dans le système perforateur de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective d'éléments cy- lindriques formant segments de la tige flexible représentée sur la figure 2; la figure 4 est une vue en perspective d'une autre forme de réalisation des segments cylindriques pouvant être utilisés dans un système perforateur suivant l'invention eet la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 1. Le système perforateur représenté sur la figure 1 est une perforatrice d'une hauteur supérieure à celle de la cou- che exploitée et est destiné à creuser à distance un trou dans le toit 12 d'une mine. Le système perforateur com- prend un dispositif de commande ou tete 14 actionné hydrau- liquement et présentant un passage axial à travers lequel s'étend la tige de perforation flexible 16. Un taillant 20 est relié à l'extrémité supérieure de la tige 16 au moyen d'un mandrin d'assemblage 18. Le dispositif de commande ou tete 14 est monté sur un châssis boulonné classique ou un autre organe porteur au moyen de bras 22, 23 représentés schématiquement. Une coif- fe à vide 24 située à la partie supérieure du dispositif de commande ou tête 14 est agencée de façon à pouvoir être pla- cée contre le toit 12 de la mine, comme indiqué sur la fi- gure 1. Le dispositif de commande de la tige comprend une enveloppe 30 dans laquelle un piston 32 destiné à exercer une poussée est monté de façon à pouvoir effectuer des mou- vements axiaux limités. Le piston 32 présente une surface frontale inférieure 34 définissant-la paroi supérieure d'une chambre 36 et une surface frontale supérieure 38 (dont l'ai- re est plus petite que celle de la surface frontale 34) qui définit la paroi inférieure d'une chambre 40. le piston 32 est muni de joints d'étanchéité appropriés, comme indiqué schématiquement en 42. Le mécanisme 50 destiné au serrage de la tige est porté par le piston 32 et animé d'un mouve- ment de rotation par un équipement de commande principal (non représenté). Des paliers de butée 52 et des paliers à charge radiale 54, 56 supportent le mécanisme de serrage de façon à lui permettre de tourner par rapport au piston 32 et le mécanisme de serrage est muni de joints d'étanchéité circonférentiels, comme indiqué schématiquement en 58, 60 et 62. Le mécanisme de serrage 50 comprend un carter 64 qui reçoit un ensemble à paroi déformable 66 constitué par un manchon flexible 68 relié à ses deux extrémités de manière étanche respectivement aux bagues supérieure et inférieure 70, 72 servant de support.A l'intérieur de l'en- semble à paroi déformable 66 est montée une douille en acier allié 74 qui comprend une bride supérieure 76 et un corps cylindrique creux et allongé 78 présentant quatre fentes 80 qui s'étendent hélicoldalement autour de l'axe longitudinal de la douille 74 de façon à obtenir quatre lames de serrage 82. Un passage inférieur 90 pour l'écoulement de fluide hydraulique est en communication avec la chambre 36 conti- guë au piston 32 et celui-ci présente un passage 92 commu- niquant avec un passage 94 s'étendant à travers le carter 64 jusque dans la chambre 96 dont la limite intérieure est définie par le manchon flexible 68. Un passage supérieur 98 pour l'écoulement de fluide hydraulique est en communi- cation avec la chambre supérieure 40 contiguë au piston. La tige flexible 16 est représentée de manière détaillée sur la figure 2. La gaine extérieure 100 cons- tituée par un fil ou bande en hélice 102 en acier à ressort est soudée au mandrin d'assemblage 18. La bande 102 présente une section sensiblement rectangulaire, une épais- seur de 3,175 mm et une largeur de 9,525 mm, Le sous-ensem- ble formé de la bande à ressort 102 et du mandrin 18 est usiné sur toute sa longueur, exception faite de la bride située à l'extrémité supérieure du mandrin, au moyen d'une rectifieuse sans centres de façon à Présenter un diamètre de 26,400 mm. A l'intérieur de la gaine 100 est disposée une partie flexible comportant un élément central tubulaire et allongé 104 en élastomère, par exemple en caoutchouc, oui définit un passage débouchant 106 s'étendant à partir d'un raccord situé à l'extrémité inférieure de la tige 16 jusqu'à un prolongement de ce passage prévu dans le mandrin 18 et présentant des orifices de sortie 108 situés immédia- tement au-dessous du taillant 20. Le long de l'élément cen- tral 104 sont placéesautour de celui-ci.,une série de bagues cylindriques empilées 110 en acier oui présentent chacune une longueur de 11,176 mm, un diamètre extérieur de 19,05mm et une épaisseur de paroi de 2,100 mm. Les surfaces termi- - nales 112, 114 des bagues 110 sont inclinées, comme indiqué sur les figures 2 et 3, de façon à procurer une meilleure stabilité radiale. Suivant une autre forme de réalisation, représentée sur la figure 4, les bords supérieur et infé- rieur 112', 114' des bagues cylindriques 110' présentent des dents 116 qui s'emboîtent et améliorent les caractéris- tiques de transmission de couple de la partie renforçatrice flexible constituée par les bagues 110' et l'élément central 104'. Sur la figure 5 la tige et le mécanisme de serrage sont représentés en coupe transversale suivant la ligne -5 de la figure 1. En cours d'utilisation le dispositif de commande ou tête 14 est placé contre le toit 12 de la mine et maintenu en position tout au long de l'opération de perforation. Puis on fait passer la tige 16 à travers le dispositif de commande ou tête fixe 14 de sorte que le taillant 20 est amené en contact avec le toit de la mine. De l'air (ou de l'eau) est envoyé par le centre creux 106 de la tige 16 pour refroidir le taillant 20 et balayer les débris vers le bas par le trou creusé 10, ces débris étant recueillis dans la coiffe à vide 24 et évacués par le passage 120. Le mé- canisme de serrage 50 est animé en permanence d'un mouve- ment de rotation. Du fluide hydraulique est envoyé à la chambre inférieure 36 contiguë au piston par le passage 90 tandis qu'une contre- pression est exercée dans la chambre supérieure 40 contiguë au piston. Le fluide hydraulique s'é- coule par les passages 92 et 94 et entre ainsi dans la chambre 96 de façon à appliquer le manchon flexible 68 con- tre la douille 74, poussant ainsi les lames 82 de la douille vers l'intérieur contre la gaine 100 de la tige 16 de sorte que celle-ci se trouve serrée positivement et amenée à tour- ner. La force de rotation ainsi appliquée à la gaine 100 de la tige fait subir une torsion à cette gaine extérieure de sorte que celle-ci se contracte vers l'intérieur et enserre les segments cylindriques radialement rigides 110 de la partie intérieure flexible, permettant ainsi à l'extrémité supérieure de la tige 16 de devenir une structure sensiblement rigide alors que la portion infé- rieure de la tige 16 située au-dessous du mécanisme de ser- rage demeure flexible. La pression hydraulique croissante établie dans la chambre 36 vainc la contre-pression dans la chambre supé- rieure 40 et le piston 32 est poussé vers le haut de façon que se communique une poussée sur la tige. Lorsque la limite supérieure du mouvement du piston 32 est atteinte, la chambre 36 est mise à l'air, ce qui a pour ef- fet de relâcher la pression de serrage exercée sur les la- mes 82 et de permettre à la douille 74 de s'élargir et de libérer la tige 16. Puis la pression hydraulique exercée dans la chambre supérieure 40 contiguë au piston 32 fait descendre celui-ci dans sa position o le cycle consistant à produire un couple et une poussée est répété en envoyant à nouveau du fluide hydraulique à travers le passage 90 dans la chambre inférieure 36 Lorsque l'enroulement constitutif de la gaine exté- rieure 100 subit une torsion, des forces de resserrement et de contraction s'exercent sur la colonne passive de bagues cylindriques 110. Cette colonne de bagues 11,0 subit des ef- forts de compression axiaux et les surfaces f4rmifnales 112, 114 des bagues 110 augmentent la rigidité de la colonne ren- forçatrice tandis que la stabilité radiale des bagues 110 limite la déformation subie par la gaine extérieure 100 en étant poussée vers l'intérieur par la pression des lames 82 de la douille de serrage, si bien que la stabilité di- mensionnelle de la tige est augmentée sur toute sa lon- gueur et l'action de serrage de la douille lors de l'avance de la tige à travers le dispositif de commande ou tete 14 au cours de l'opération de perforation se réalise d'une ma- nière plus uniforme que dans la technique antérieure. Il convient encore de noter que les formes de réali- sation illustrées et décrites en détail ne présentent au- cun caractère limitatif de sorte que diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Tige flexible à un dispositif produisant un couple et une poussée, pour perforatrice de toits de mine présen- tant une hauteur supérieure à celle de la couche exploitée ou appareil analogue, caractérisée par: un mécanisme (50) de serrage de la tige, présentant un passage traversant qui définit un axe et agencé pour venir en prise avec la tige flexible (16) de façon à entraîner celle-ci, un dispositif de commande (30,32) pour entraîner le mécanisme de serrage (50) en rotation autour de l'axe dudit passage et lui appliquer une force dans une direction paral- lèle à l'axe du passage, et des moyens (36, 92, 94,- 98_Dour actionner le mécanis- me de serrage (50) afin qu'il vienne en prise avec la tige (16) de façon à faire subir à celle-ci concurremment un ef- fort de torsion et une poussée; la tige flexible (16) comprenant: un organe de transition ou d'assemblage (18) situé à l'une des extrémités de la tige flexible et destiné à rece- voir un taillant, une gaine extérieure cylindrique et allongée (100) fi- xée à l'organe de transition (18) et composée d'un élément formant ressort (102) enroulé en hélice, et une partie intérieure flexible comportant une série de segments renforçateurs radialement rigides (110, 110') disposés à l'intérieur de 'la gaine extérieure et s'étendant le long de la tige flexible, la configuration de l'élément formant ressort en hélice (102) étant telle que l'entraine- ment en rotation de la tige (16) par le mécanisme de serra- ge (50) pour entraîner l'organe de transition (18) ait pour effet que la gaine extérieure se contracte axialement et se resserre radialement de manière à s'appliquer contre les surfaces extérieures des segments renforçateurs (110, 110'), et à provoquer un appui ferme des surfaces terminales (112, 114, 112', 114') des segments renforçateurs (110, 110') con- tre les surfaces terminales des segments renforçateurs ad- jacents de façon à rendre rigide la partie de la tige située entre le mécanisme de serrage (50) et l'organe de transition 2 4 7 0 236 - (18) alors que le restant de la tige (16) demeure flexible. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les segments sont des bagues cylindriques (110, 110'). 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément central intérieur flexible et allongé (104) disposé à l'intérieur des bagues cylindriques empilées. 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément central flexible et allongé (104) est creux. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les segments renforçateurs (110) présentent des surfaces (112, 114) prévues pour aug- menter la stabilité radiale et prendre appui sur des surfa- ces correspondantes de segments adjacents. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les segments renforçateurs (110') présentent des surfaces (112', 114') qui favorisent la transmission de couple et viennent en prise avec des sur- faces complémentaires de segments adjacents. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine extérieure (100) est formée d'une bande ressort (102) à section rectangulaire qui est enroulée hélicoldalement de sorte que les bords de spires adjacentes de l'hélice prennent appui les uns contre les autres et en ce que la partie intérieure flexible comporte un élément central tubulaire flexible et allongé (104), les- dits segments étant des bagues cylindriques (110, 110') dis- posées bout à bout sur la longueur de l'élément central. 8. Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la longueur axiale de chaque segment renforçateur et la longueur axiale de la section droite de la bande formant ressort sont du même ordre de grandeur.