Brevet FR2483512A1 — publié le 19811204

Procédé de scellement de tiges ou boulons d'ancragepour galeries de mines, cartouches inorganiques correspondantes et procédés de préparation La présente invention concerne la technique de scellement, dans des galeries de mines notamment, de tiges ou boulons d'ancrage. Les techniques les plus récentes font appel à des cartouches préfabriquées que l'on introduit, en nombre adéquat, dans le trou de forage. Ces cartouches contiennent des charges appar- tenant à deux types principaux - - les charges organiques, notamment du type résine polyester; et - les charges inorganiques, notamment à base de ciment (liants hydrauliques). Dans le premier cas, on provoque le durcissement de la résine dans le trou de forage, autour de la tige, soit par un effet thermique (tige préchauffée, ou chaleur dégagée par la rotation très vive de la tige comme décrit dans une demande de brevet francais déposée antérieurement au nom de la demanderesse), en utilisant les charges, accélérateurs et durcisseurs appropriés, soit en utilisant encore des additifs adaptés, simplement par mélange des composants réactifs, in situ, lorsque l'introduction de la tige à sceller brise la cartouche. Dans le second cas, plusieurs techniques sont également connues. Il faut rappeler tout d'abord que les charges inorganiques présentent de grands avantages par rapport aux charges organiques, surtout dans un espace confiné que forme une galerie de mine - absence de vapeurs toxiques ou d'odeurs incom- modantes; - - ininflammabilité - prix de revient plus faible. Des compositions de charges inorganiques pour scellement sont maintenant bien connues: on citera notamment les composants et compositions décrits dans les demandes de brevets 24835 1 2 français n0 78 19 513 et 80 00 269 déposées respectivement le 29 juin 1978 et le 08 janvier 1980 au nom de la demanderesse; comme on le verra, ces produits et compositions sont utilisables dans le cadre du procédé selon l'invention. Outre naturellement l'injection in situ du ciment, qui présente de grandes difficultés pratiques de mise en oeuvre, on connatt: l'injection du ciment in situ, mais à l'aide, pour réduire les difficultés précitées, d'un tube perforé rigide à l'intérieur duquel est introduite ensuite la tige à sceller, le ciment étant ainsi chassé par les orifices du tube (Flygare; FR-A-1 085 192 du 15.10.1953); la préparation de cartouches contenant le ciment sec et dont l'enveloppe est perméable à l'eau: juste avant l'emploi, on immerge la cartouche dans l'eau, qui pénètre par l'enveloppe et mouille le ciment; on place ensuite la cartouche dans le trou de forage et on fait pénétrer la tige; les inconvénients de cette technique sont nombreux: - l'enveloppe étant obligatoirement perméable à l'eau résiste très mal à la pénétration de l'humidité: la durée de conservation de la cartouche au stockage est donc très limitée; - - l'enveloppe, généralement en papier, perd- pratiquement totalement ses propriétés mécaniques au trempage: l'enveloppe se déchire, ou pour le moins n'est plus rigide, d'o les inconvénients de mise en oeuvre de l'injection in situ, dans une cer- taine mesure; - impossibilité de contrôler le degré de mouil- lage les cartouches sont donc souvent trop ou trop peu imbibées,,d'o de mauvais résultats de scellement et des problèmes de mise en oeuvre 30. pour remédier à certaines de ces difficultés, l'emploi d'un raidisseur; la demanderesse a proposé dès 1969 (FR-A- 69 03 015 déposé le 10.2.1969) un "tube filet" que l'on pourrait employer; cependant, un raidisseur ne permet ici que de conserver la rigidité et ne supprime pas les autres inconvénients l'emploi d'une enveloppe extérieure finement perforée; cette enveloppe est bien entendu très vulnérable à la prise de l'humidité. Il est à noter que, de manière générale, la technique d'immersion avant emploi d'une cartouche dans un liquide est connue depuis des dizaines d'années: immersion dans l'oxygène liquide, chlorate comprimé trempé dans le pétrole, nitrate d'ammo- nium trempé dans le fuel et, plus récemment, les charges inorganiques de scellement dans l'eau, comme il vient d'être dit (FR-A-Goldenberg * n0 72 35 697). Dans tous les cas, le mouillage par le liquide est "centripète", c'est-àdire que le liquide, notamment l'eau, mouille la cartouche, ou la charge qu'elle contient, de l'extérieur vers le coeur de la charge, avec les inconvénients qui ont été énoncés plus haut et qui sont particulièrement notables et opérants dans le domaine des charges de scellement. L'invention permet de résoudre d'une manière particulièrement simple tous les problèmes relatifs aux cartouches, à charge inorganique notamment, devant être mouillées avant emploi. Selon l'invention, on utilise une cartouche dont l'enveloppe est imperméable à l'eau (et par voie de conséquence étanche à l'humidité). Cette enveloppe contient la charge inorganique "sèche" complète, avec ses additifs. La forme de la cartouche est une forme cylindrique allongée classique correspondant aux dimensions du trou de forage. Le procédé selon l'invention consiste (1) à utiliser cett:e cartouche étanche à l'eau, (2) à créer juste au moment de l'emploi, dans la charge, une cavité centrale dont l'axe longitu- dinal est sensiblement l'axe longitudinal de la cartouche, sur toute la longueur, ou sensiblement, de la cartouche, et communiquant avec l'extérieur par au moins un orifice ménagé dans l'une des extrémités de la cartouche (ou dans les deux), (3) à introduire dans-ladite cavité une quantité d'eau au moins égale à la quantité nécessaire au mouillage adéquat (c'est-à-dire conduisant à de bons résultats de prise du mortier) de la charge, (4) à laisser le gâchage de la charge s'effectuer, (5) à placer une ou plusieurs cartouches de ce type, traitées identiquement comme indiqué aux points (1) à (4), dans le tube de forage, et (6) à faire pénétrer la tige, dans le trou de forage, dans lesdites cartouches qui sont alors détruites et libèrent la charge en cours de prise, provoquant ainsi l'ancrage de la tige. Pour réaliser la cavité, divers moyens peuvent être utilisés. Deux moyens principaux ont donné de très bons résultats a) perforation de la cartouche, selon son axe longitudinal, et au travers d'une de ses extrémités (ou des deux) par un (ou deux) outil(s) adapté(s) qui pénètre(nt) ainsi dans la charge et laisse(nt) en se retirant a) la cavité et b) un (ou deux) orifice(s) de communication de la cavité avec l'extérieur (on immerge ensuite la cartouche ainsi perforée dans de l'eau: l'eau ne pénètre pas par l'enveloppe, puisque celle-ci est étanche, mais inonde la cavité: on assistealors à un mouillage "centrifuge" de la charge, c'est-à-dire de la cavité vers l'enveloppe; si on choisit une enveloppe transparente ou translucide, le changement de coloration révèle le moment o l'eau atteint l'enveloppe et permet de déterminer le moment o le mouillage optimal est réalisé. Même si l'enveloppe est fragile, par exemple en papier kraft, elle n'est que très peu mouillée et conserve donc une rigidité suffisante pour être introduite dans le trou de forage) D) préperforation de la cartouche selon son axe longitudinal par une broche (tige) de forme et dimensions adaptées, qu'on laisse en place dans la cartouche en prévoyant un joint d'étan- chéité au niveau de chacune des perforations de l'enveloppe réalisées par la broche; au moment de l'emploi, on enlève (arrachement) la broche totalement pour faire apparaître la cavité et le (ou les) orifice(s) de communication de ladite cavité avec l'extérieur, et on mouille et utilise la charge ensuite comme en a), avec les mêmes avantages a) utilisation de la technique exposée en a) avec la variante suivante on utilise un seul outil qui perfore la car- touche au travers d'une de ses extrémités et qui, en bout de course, après avoir traversé toute la charge, perfore un "berlingot" d'eau placé à l'extrémité opposée de la cartouche;au retrait de l'outil, l'eau (dont la quantité contenue dans le berlingot est au moins égale à la quantité minimale de mouillage de la charge) envahit la cavité au fur et à mesure que celle-ci se forme;on peut incliner légèrement la cartouche pour éviter un échappement d'eau par l'orifice de perfo- ration; le "berlingot" peut être constitué soit par une poche contenue dans l'enveloppe de la cartouche, soit par l'enveloppe elle-même, l'extrémité correspondante de la cartouche, et une paroi perforable.- étanche également à l'eau et à l'humidité - de séparation d'avec le volume antérieur de la cartouche qui contient la charge; on obtient les mêmes avantages que précédemment, et la technique d'emploi est identique. On peut prévoir, pour éviter d'introduire des fragments inutiles d'enveloppe et/ou de "berlingot" dans le trou de forage, un dispositif (languette, perforations, etc.) qui permette - sans nuire à l'étanchéité au stockage - de détacher facilement de la frac- tion de cartouche contenant la charge mouillée la fraction d'enveloppe (et/ou le berlingot) ayant contenu l'eau ) on peut appliquer la variante exposée en -y, mais en utilisant deux outils et en plaçant en conséquence le berlingot" d'eau en position centrale dans la cartouche. Ainsi: on peut combiner deux formules de charges différentes dans la même cartouche, par exemple de réactivité différente, pour obtenir un dur- cissement spécial dans le trou. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, qui se compose des figures la, lb, lc et ld représente la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les cartouches étant représentées en coupe longitudinale (figures la, b et c) ou transversale (figures ld: coupe transversale selon A-A de la figure lc); - la figure 2 représente en coupe longitudinale un autre modeÄde cartouche adaptée au procédé selon l'invention: la cartouche comprend une tige que l'on arrache avant emploi, - la figure 3 représente un autre mode de cartouche, en coupe longitudinale, adaptée au procédé selon l'invention: la car- touche comprend un berlingot d'eau: - la figure 4 représente en coupe longitudinale une variante de la cartouche représentée sur la figure 3: le berlin- got est en position centrale; et - la figure 5 représente des courbes d'hydrata- tion en fonction du temps, avec pour paramètre le diamètre de la cavité. Sur les dessins annexés, les mêmes références ont les mêmes significations qui sont les suivantes: 1. enveloppe ou paroi latérale de la cartouche, étanche à l'eau et imperméable à l'humidité, rigide; 2. paroi d'extrémité de la cartouche, étanche à l'eau et imperméable à l'humidité; [naturellement, les éléments 1 et 2 peuvent être en une seule pièce]; 3. joint d'étanchéité dans le cas o les éléments 1 et 2 sont distincts; 4. charge "sèche" durcissant à leau , 5'. outil(s) de création de la cavité 6. cavité; 6'. orifices de communication de la cavité avec l'extérieur 7, 10. eau -ou solution aqueuse de mouillage; 8. zone périphérique de la charge: si la paroi 1 est transparente ou translucide, on peut appré- cier la fin du mouillage car l'eau atteignant cette zone (r=) en modifie la couleur r représentation-du mouillage "centrifuge" r=> 'selon l'invention; 9. tige arrachable (variante À) 11. "berlingot" (variante y) étanche à l'eau et imperméable à l'humidité; 12. paroi de séparation entre la charge et le berlingot; [le berlingot 11 peut ne pas exister si la paroi 12 est étanche à l'eau et imperméable à l'humidité]; 13. dispositif facultatif d'arrachement de la zone ayant contenu l'eau, après le mouillage; El. dans la variante y, extrémité par laquelle l'outil perfore la cartouche; E2 extrémité opposée à El 4' (variante à) charge qui peut être différente de la charge 4. Les composants des charges que l'on peut utiliser selon le procédé de l'invention ont été décrits en détail dans la demande FR-A-80-00269 déposée le 8 janvier 1980 par la demanderesse. Ce sont: - un liant hydraulique comme les ciments Portland, les ciments Prompt, obtenus par cuisson d'un calcaire argileux natu- rel, les ciments alumineux (fondus),le plâtre, l'anhydrite soluble, la chaux, et autres liants connus, seuls ou en mélanges entre eux, cendres volantes, etc., - un sable siliceux sec, que l'on peut remplacer en tout ou en partie par de la dolomite, de la calcite, du calcaire, etc., et/ou des charges fibreuses, telles que la chrysolite, les fibres de verre, métalliques, synthétiques (polyamides, polyoléfines, polyesters, etc.) [ les fibres facilitent la pénétration de l'eau, à raison de quelques pour cent en poids, ainsi que l'élasticité du scellement] D - des additifs qui pourront de préférence être incorporés au mortier "sec" (charge), mais pourraient également être incorporés à l'eau de mouillage - - - des plastifiants, par exemple bentonite, chaux grasse, kieselguhr, etc.. ; - des fluidifiants, par exemple le lignosulfonate de sodium; - des accélérateurs de prise et/ou de durcissement des ciments - éventuellement des retardateurs de prise, ou des additifs, en général poudres métalliques très fines (fer, aluminium, zinc) qui permettent de réduire le retrait en provoquant une légère expansion. On pourra modifier les charges inorganiques (c'est- à-dire contenant un liant hydraulique), telles que précisées ci-dessus, par un polymère organique choisi parmi: - les résines solubles dans l'eau (de préférence en poudre, ou encore liquides), telles que résines uréeformol ou mêlamine-formol, les acides polyacryliques, des esters acryliques, etc., - les émulsions ou suspension de polymères thermoplastiques (par exemple styrène/monomère acrilique, acétate de polyvinyle, etc.) qui pourront entrer dans l'eau de mouillage (gâchage), de manière connue de l'homme du métier. La cartouche sera de préférence cylindrique. Comme enveloppe, qui doit être étanche à l'eau (et imperméable à l'humidité) et rigide ou relativement rigide (bien que l'on puisse aussi utiliser comme enveloppe une enveloppe souple étanche rigidifiée par un raidisseur, extérieur ou intérieur, comme par exemple le tube filet précité), on pourra utiliser notamment: - un papier kraft gommé (60 g/m 2) enroulé de manière à répondre aux deux critères suivants: rigidité correcte du cylindre obtenu, après mouil- lage, et 20. facilité de déchiquetage. L'homme du métier saura optimiser son choix compte tenu de ce qui précède - une gaine ou tube transparent ou translucide, comme le polystyrènecristal, le verre, etc., - des complexes cellulose-matière thermoplastique, - des associations papier-feuille d'aluminium, - des composites thermoplastique/thermoplastique, etc. Comme thermoplastiques, on pourra utiliser des gaines polyester, PVC, polyéthylène, etc. On pourra obturer les deux extrémités de ce cylindre, après remplissage, soit par deux opercules (qui, dans le cas de la variante P, peuvent être perforés centralement pour livrer passage aux extrémités de la broche (ou tige) prévue dans cette variante, soit par doudage. Comme joints d'étanchéité, on pourra choisir la paraf- fine, les colles thermofusibles ("hot-melt"), etc. 2 4835 1 2 Bien entendu, cela est connu de l'homme du métier. On sait aussi que le papier peut être collé lorsqu'on l'enroule, si on souhaite limiter le nombre de tours. Comme broche (ou tige) prévue à la variante A, on pourra utiliser un plastique-armé, un métal, etc. Il est surprenant de constater que, lorsque l'on retire l'outil qui a formé la cavité longitudinale centrale, celle-ci ne s"'effondre" pas, c'est-à-dire ne se comble pas, malgré le caractère pulvérulent de la charge, et surtout lorsque l'eau pénètre dans la cavité et commence à en mouiller les parois. Au contraire, la cavité conserve correctement sa forme. Il est de plus surprenant dé constater que, bien que la surface de contact initiale entre l'eau et la charge soit beaucoup plus faible que dans les cartouches connues (dans lesquelles l'eau pénétrait par toute la surface latérale extérieure, de manière "centripète"), on obtient un mouillage (ou gâchage),d'une part, tout à fait correct (et non pas inhomogène, ce que l'on pouvait craindre) et, d'autre part, d'une manière suffisamment rapide (1 à 3 min environ). -Il existe d'ailleurs des configurations de charges et/ou de cartouches qui ne permettent pas de mettre en oeuvre l'invention. On donnera donc ci-dessous les critères à rete- nir, et les réalisations effectuées, Densité La densité doit être suffisante pour assurer une bonne tenue de la cartouche durant son transport jusqu'au lieu d'utilisation. Elle doit, d'autre part, ne pas être trop importante afin de respecter les impératifs d'emploi. Surtout, la densité doit permettre la création et la tenue de la cavité prévue selon l'invention et, en combinaison avec le diamètre de la cavité, un mouillage optimal de la charge, en fonction également du diamètre de la cartouche. Le domaine retenu est de 1,6 à 2,10 g/cm, de préférence de 1,8 à 2,0 g/cm. Diamètre de la cavité Selon l'enseignement ci-dessus, la densité sera fixée ici à 1$9 g/cm3 environ, à titre non limitatif. On a fait des essais avec une cartouche de 165 mm x 25 mm (diaMtre); le mortier sec présente la formule (% en poids) - ciment fondu 50 % - sable de quartz 0,075-04 mm 18,75 % (NE 34 SIFRACO) - sable de quartz 0,420-2 mm 31,25 % (16-14-2 SIKA) - accélérateur: carbonate de Li 0,05 %/ciment (rapport eau/ciment: 0,35 en poids) --- On a essayé trois outils de diamètre différent 2, 5 et 8 mm 0. La figure 5 représente la cinétique de la prise d'eau du mortier sec. Dans le cas du diamètre 8 mm, on a un rapport eau/ciment de 0,32; 5 mm, de 0,34;-et 2 mm, de 0,32. - On constate qu'avec le diamètre 8 mm on est à une masse trop compacte par rapport au diamètre 5 mm; et. qu'avec le diamètre 2 mm l'effondrement de la cavité se produit. On choisira donc, pour cette densité et pour ce diamètre de charge, des diamètres d'outils d'environ 4 à 6 mm. Bien entendu, l'homme du métier saura choisir des valeurs voisines pour des valeurs voisines de densité et de diamètre de cartouche, d'une part, et, d'autre part, saura optimiser le dia- mètre de l'outil, au besoin en effectuant quelques essais simples et en comparant les résultats avec l'enseignement de la figure 5. On notera que, dans l'exemple choisi, densité 1,9, 0 charge 25 mm, 0 outil 5 mm, on travaille à un rapport de la surface de la section droite de l'outil à la surface de la section droite de la charge d'environ 4 7.. Ce qui précède montre que l'on peuttravailler efficacement avec des valeurs de ce rapport comprises entre environ 0,6 et 10 %. Sur la figure 5, les courbes a, b et c corres- pondent respectivement à un outil de 0 2 m, 5 mm et 8 mm (d = 1,9 g/cm; 0 cartouche 25 mm). Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. On a réalisé deux types d'essais, des essais à charge uniquement de type ciment et des essais à charge mixte ciment/polyester. EXEMPLE 1 On a utilisé une cartouche 250 mm x 30 mm 0, l'enveloppe étant un papier kraft 60 g/m gomme. Le mélange (mortier sec) pèse 323 g. RY Sa composition est celle donnée dans ce qui précède (rapport eau/ciment 0,35 en poids). Trou de forage. 0 32 mmn Longueur du trou de forage: 2 m Diamètre du boulon: 20 mm (WEMA) Perforatrice type MEUDON 860 P: 7 bar - poussée 90 kg - couple 7 m.kg 0 de la cavité de la cartouche: 6 mm On a.utilisé un seul outil traversant la cartouche de part en part (figure ld)o - Temps d'immersion de la cartouche dans l'eau: 3 min Utilisation de 6 cartouches Temps d'introduction des 6 car- touches dans le trou de forage - Durée de pénétration totale (translation + rotation environ 1000 tr/min) du boulon au fond du trou: - Temps de prise manuelle (résiste à l'application d'un couple "manuel" de torsion au boulon): Au bout de 3 h résistance à la traction: 7 a 8 t s s s -Au bout de 24 h: résistance à la traction: 21 t environ EXEMPLE 2 Charge mixte ciment/polyester On utilise la composition inorganique de l'exemple 1. (volume 225 cm3) On utilise les composants pour charge polyester bien connus de l'homme du métier. - Otrou de forage: 28 mm - 0 boulon (WEMA): 20 mm -- même appareillage que dans l'exemple 1 On place une charge polyester de 225 cm3 ("CELFIX C. S. 450 x 4" "H") au fond du trou, puis quatre charges ciment - 23 mm longueur: 225 amn -d: 1,85 g/cme3 du même type (perforation intégrale axiale) que dans l'exemple 1l et on travaille comme dans l'exemple 1, sauf en ce que le temps d'imprégnation est de 2 min. - Temps d'introduction des cartouches 1 min Temps de pénétration totale du boulon (dans les mêmes condi- tions que dans l'exemple 1) 35 s - Temps de prise manuelle: 35 s Au bout de 1 h résistance à la tra-tion 21 t environ. On voit donc, par comparaison avec l'exemple 1, que l'on combine ici l'avantage d'un ancrage "ponctuel" (provoqué par la charge polyester en fond de trou) et "immédiat" et l'avantage de l'ancrage "réparti" (ceinture de scellement-sur toute la longueur, protégeant la tige). Ce système permet de mettre après 24 h les terrains ainsi scellés en état de précontrainte. 24835 1 2 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour le scellement de tiges ou boulons d'an- crage dans des galeries de mine, selon lequel on utilise une car- touche sensiblement cylindrique contenant une charge inorganique ou organique à prise rapide au contact de l'eau ou d'une solution aqueuse, caractérisé en ce que: - on utilise une cartouche dont l'enveloppe est totalement imper- méable à l'eau et étanche à l'humidité, et contient la charge inorganique ou organique "sèche"; - on forme, ou on fait apparaître, au moment de l'emploi, une cavité dont l'axe longitudinal est sensiblement l'axe longitudinal de la cartouche, dans la masse de la charge, cette cavité communiquant avec l'extérieur par au moins un orifice ménagé dans au moins l'une des deux parois d'extrémité de la cartouche; - on fait pénétrer dans cette cavité au moins la quantité d'eau nécessaire au mouillage efficace de la charge, et de préférence sensiblement exactement la quantité optimale de mouillage de la charge; - on laisse l'eau de mouillage mouiller efficacement la charge, de manière centrifuge; - on introduit une ou plusieurs cartouche(s), traitée(s) comme il vient d'être dit, dans le trou de forage; - après quoi on introduit dans ledit trou de forage la tige à scel- ler, qui vient déchiqueter les cartouches et pénètre ainsi dans la ou les charge(s) en cours de prise, ce qui assure le scellement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on forme ladite cavité par pénétration dans la masse de la charge, au travers d'une des parois d'extrémité de la cartouche, et sensiblement selon l'axe longitudinal de ladite cartouche, d'un outil de forme et dimensions appropriées, sensiblement sur toute la longueur de la charge, et retrait total de cet outil. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise deux outils dont chacun pénètre dans la cartouche par une des deux parois d'extrémité opposées, la longueur de péné- tration de chaque outil étant adaptée pour que la cavité globale formée par les deux outils soit sensiblement répartie sur toute la longueur de la charge. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise une cartouche adaptée et on fait apparaître ladite cavité en arrachant totalement, selon l'axe longitudinal de ladite cartouche, une tige rigide disposée sensiblement selon ledit axe, insérée lors de la fabrication de la cartouche, de forme et dimen- sions adaptées de manière que la tige occupe sensiblement le volume de la cavité souhaitée, pour la partie de la tige se trouvant à l'intérieur de la cartouche, et qu'au -moins l'une des deux extré- mités de la tige sorte de la cartouche au niveau d'au moins une des deux parois d'extrémité de la cartouche, pour permettre l'arrachement précité, un joint d'étanchéité fragile étant prévu au niveau de chacune des perforations de la, ou des deux, paroi(s) d'extrémité réalisées par une, ou par les deux, extrémité(s) de la tige. 5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on utilise une cartouche adaptée comportant, outre la charge, un "berlingot" étanche contenant au moins la quantité minimale d'eau de mouillage de- la charge, ce berlingot étant disposé dans la cartouche - à l'une des extrémités si l'on utilise un seul outil perforant la cartouche par l'autre extrémité de la cartouche; ou - en position centrale si onutilise deux outils, les charges pouvant alors être différentes de chaque côté du berlingot. 6. Cartouches adaptées à la mise en oeuvre des procédés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, telles que définies dans l'une quelconque de ces revendications.