Brevet FR2571093A1 — publié le 19860404

PROCEDE D'EXTRÂCTION HYDRAULIQUE PAR SONDAGE DANS UN TERRAIN AQUIFERE La présente invention a pour objet un procédé et le dispositif correspondant pour creuser, en terrain aquifère, une cavité souterraine et extraire la roche abattue à partir d'un ou deux sondages de faible diamètre partant de la surface. Plus précisément, elle consiste en un ensemble piloté à partir de la surface utilisant un jet d'eau sous pression, un système d'amenée d'air comprimé avec obturateurs et joints tournants, et un système d'évacuation de la pulpe créée au fond de la cavité. L'idée d'abattre la roche en cavité par un jet d'eau sous pression n'est pas nouvelle puisqu'elle a commencé è faire l'objet de brevets aux Etats-Unis dès 1955 (brevet U.S. 2.720.381). Toutefois, dans la plupart des expériences, il était conclu qu'une limitation majeure du procédé est la présence d'une nappe aquifère dans les terrains rencontrés. Par ailleurs, à l'occasion de ses recherches sur l'extraction hydraulique par sondages, Nib... Fly mettait au point en 1964 un système original (fig. 1) comprenant deux jets d'eau (1), un tricone (2) au fond du forage, et un système de pompage (3) juste au-dessus du tricone (3) (brevet U.S. 3.155.177). Plus tard, pour aider le pompage et augmenter la gamme de profondeur du procédé, il essayait la pressurisation de la cavité avec de l'air comprimé (A.B. Fly "Rydro-blast mining shoots a head", Mining Engineering, Marc.h 1969, pp. 56 - 58). C'était la première tentative connue de nous de pressurisation qui n'a jamais fait l'objet de développement et dont la pratique à notre connaissance a été abandonnée. Elle se heurtait en effet au problème de l'étanchéifica- tion de la cavité : il est en effet nécessaire de placer un système d'obturation au-dessus de la cavité (dans le forage) pour maintenir la pressurisation et l'outil de Fly était solidaire de l'obturateur, qui devait donc tourner avec lui dans le forage. Enfin, l'application recherchée était purement l'assistance au pompage et aucune recherche n'était effectuée dans le but de résoudre le problème de la présence d'eau naturelle dans les terrains. Le principe du procédé faisant l'objet de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 2. Il utilise un réservoir d'eau (1) qui peut être naturel (lac, étang ...) ou artificiel, un système de pompes (2 et 3 sur la figure), un joint rotatif (4), un joint tournant (5), un groupe électrogène (6), un compresseur d'air (7), un système de distribution d'air (8), qui permet de pressuriser la cavité (14), deux obturateurs (9), une tuyauterie d'eau coudée (10) terminée par une buse d'eau (10 A), une tuyauterie d'extraction (11), et un bac de décantation (12). Deux variantes du procédé sont possibles - la première utilise deux forages : le premier forage donnant la direction de travail contient un obturateur (9), le système d'arrivée d'air (8) et d'eau (10) ; le second forage intersectant le premier et incliné par rapport au premier d'un angle quelconque choisi en fonction des conditions locales de surface et fixé ici dans nos exemples à 30-, contient un obturateur (9) et la tuyauterie d'extraction (11). Un exemple de mise en oeuvre de la première variante est illustré sur la figure 3. On y voit les deux forages, le système d'arrivée d'air (8), d'eau (10), d'extraction (11) > les obturateurs (9), ainsi que les joints (4 et 5), le bac de décantation (12), et un sys tème mobile comprenant les pompes (2 et 3), le groupe électrogène (6) et le compresseur (7). La figure 4 montre un exemple de réalisation du système d'arrivée d'eau sous pression (10-) coudée pouvant recevoir la buse (1Q A). La figure 5 montre un exemple de réalisation de joint tournant permettant la rotation de l'arrivée d'eau (10) et sa translation verticale. la seconde variante n'utilise qu'un seul forage et dans ce cas, un seul obturateur est nécessaire tandis que l'arrivée d'air (8), d'eau (10) et la tuyauterie d'extraction ( sont rassemblées en un seul ensemble traversant le joint tournant (5) . Cette variante peut être vue sur la figure 6 où l'on retrouve les différents éléments cités. Pour certaines applications, bn peut envisager de dEso- lidariser les arrivées d'air lys') et d'eau (io) du tuyau d'extraction (11) en prévoyant deux joints de type (5) placés côte z cote l'un pour le passage des tuyauteries d'air et d'eau, l'autre pour le tuyau d'extraction. Cette disposition permet de faire varier les cotes relatives entre la buse et l'extrémité inférieure du tube d'extraction comme schématisé sur 1a figure 7-. La mise sous pression de la partie inférieure du ou des sondages et de la cavité en cours de creusement permet l'évacuation par le tuyau (11) de l'eau présente dans le terrain en début d'opération puis l'évacuation de l'eau issue de la buse (10 A) qui se charge des produits désagr-égés jusqu'à former uge pulpe dont la teneur en matières solides peut varier dans de très grandes proportions jusqu' atteindre des valeurs de 50 %. Les teneurs sont fonction de la nature du terrain et de son état de consolidation ainsi que de l'efficacité du jet. L'efficacité du jet est fonction de la pression d'alimentation de l'eau å la buse (10 A) de son diamètre, de son incidence et de sa distance à la paroi attaquée, ces deux derniers facteurs variant au cours de llopéra- tion. Il faut bien noter que 11 efficacité est nulle à de très faibles distances (15 cm) quand la buse (10 A) travaille sous lteau. Un jet, travaillant dans une qualité pressurisée émis par une buse (10 A) d'un diamètre de 2 mm alimentée sous 4 MPa permet de remonter une pulpe avec une proportion de solide comprise entre 3 et 12 Z tandis qu'avec la même buse alimentée sous li M.Pa la teneur au solide varie entre 25 et 50 Z avec un point de fonctionnement moyen, de l'ordre de 35 X. La composition de la pulpe est la même dans les deux cas cités w titre d'exemple : 80 Z de quartz, 10 Z-de calfate, 10 Z d'argile. Les forages peuvent avoir un diamètre minimum de l'ordre de 90 X 100 mm. I1 est conseillé d'-utiliser un petit diamètre pour certaines applications (création de réservoirs souterrains par exemple) lorsqu'on souhaite préserver l'environnement lors de leur-exploitation, ce qui est un des avantages possibles du dispositif. Un bon diamètre est alors d'environ lOa mm. Le forage incliné ne devrait pas être trop redressé, sous peine de créer des difficultés au point d'intersection avec le forage principal. C'est pourquoi un angle de l'ordre de 30' avec l'autre forage est conseillé. Enfin, toujours dans le cas de la variante à deux forages, la tuyauterie d'extraction -(11) doit être placée nettement en-dessous de la buse (10) pour permettre une bonne récupération de la roche abattue. La pression de l'air comprimé de l'arrivée (8) permettant de mettre sous pression la cavité en cours de creusement est déterminée en fonction de trois facteurs : la qualité de ltétanchéïté procurée pour les obturateurs dans le ou les forages, la porosité des terrains et la quantité d'eau naturelle qui y est présente, ainsi que la hauteur de remontée de la pulpe contenant la roche abattue. Pour une profondeur de 10 m, par exemple, une pression de l'ordre de 0,5 MPa est généralement suffisante. Les obturateurs sont d'un type classique et peuvent consister, par exemple, en un système gonflable de longueur choisie de façon convenable en fonction de la consolidation du terrain et venant s'appuyer sur les parois du forage. Tout système permettant d'immobiliser la partie fixe du joint tournant (5) et d'assurer l'étanc-héïté aux parois des forages peut convenir. L'arrivée d'air du système de distribution (8) peut se faire soit à la sortie de l'obturateur vertical (qui doit alors être placé assez bas), soit plus bas, encore à proximité de la buse 10 A ou encore dans la partie haute du tube de guidage (15) mais de toute façon en-dessous du joint (5). La buse est une buse ordinaire par exemple en acier (il n'est pas nécessaire d'utiliser du diamant ou du saphir) dont un type est illustré sur la figure 4. L'angle du coude (13) varie entre 90' (cavité avec un "toit" horizontal) et une valeur de l'ordre de 135 créant alors une cavité un peu moins large mais plus stable grace è l'effet de voute obtenu. Le diamètre de sortie de la buse est ajusté en fonction de l'énergie souhaitée pour le jet et, par conséquent, de la taille de la cavité et du type de roche abattue. Pour une pression de 10 MPa (pression du jet d'eau à la sortie de la buse), une buse de 2 mm de diamètre permet de creuser une cavité de diamètre supérieur à 1 m en terrain sableux (et silicieux). Les dimensions sont parfois très supérieures selon la cohésion du sable. I1 convient de noter aussi qu'il est possible d'utiliser plusieurs buses (trois à 1200 ou quatre disposées à 90" peuvent etre envisagées par exemple) au lieu d'une seule pour augmenter le rendement d'extraction. Le système de pompes b la surface peut consister en une ou plusieurs pompes et les pressions à assurer pour le jet d'eau peuvent être comprises entre quelques MPa è 20 MPa et plus Si la nature du terrain l'impose, mais les considérations techniques et économiques interviennent alors et limitent l'utilisation de pressions plus élevées (en pratique de l'ordre de 10 MPa, pour les applications courantes). La profondeur d'utilisation du procédé dépend de la variante retenue. Dans le cas de la variante à deux forages, elle est fonction de la capacité dtintersecter les deux trous. Dans le cas de la variante à un forage, ce problème n'existe plus et la limitation est économique chargées, un système de type "pompe à éjection" peut s'avérer utile pour aider a l'évacuation des matériaux extraits. La pompe 9 éjection et son alimentation en air est alors placée dans le tube d'évaluation à une hauteur convenable. Le procédé et le dispositif décrit sont particulièrement adaptés deux types d'applications, tous les deux en terrain aquifère a) la récupération de substances minérales ou énergéti- ques relativement peu profondes en terrain peu consolidé (sables uranifères, substances salines, par exemple, etc etc b) la création de cavités pour servir de réservoir (d'eau par exemple pour des usages domestiques ou industriels) ou de lieu de stockage ou de dépôt (a des fins énergétiques entre autres). REVENDICATIONS 1. Procédé et dispositif pour le creusement dune cavité souterraine n milieu peu consolidé par le moyen d'un jet d'eau sous pression émis par une buse (10 A) in troduite jusqu'au niveau de la cavité dans un sondage préalablement réalisé et dont l'action est rendue pos sible an zone aquifère par la mise sous pression d'air de la partie basse du sondage et de la cavité, l'étan- chéité entre l'amenée d9eau (10) è la buse (10 A) et les parois du sondage étant assurée par un obturateur (9) comportant un joint (5) permettant la rotation de la buse dans le plan horizontal ainsi que sa transla tion verticale et la récupération de la roche abattue se faisant sous la forme sdfune pulpe par l'interm- diaire dgun tube (11) introduit dans un deuxième sondage coupant le premier dans sa partie extreme basse, l'étanchéité entre le tube d'extraction (11) et les parois du 2è sondage étant assurée par un obturateur (9) comportant un point (5) permettant la rotation et la translation du tube d'extraction de la pulpe. 2. Procédé et dispositif pour le creusement d'une cavité souterraine en milieu peu consolidé par le moyen d'un jet d'eau sous pression émis par une buse introduite jusqu'au niveau de la cavité dans un sondage préala blement réalisé et dont l'action est rendue possible en zone aquifère par la mise sous pression d'air de la partie basse du sondage et de la cavité, l'étanchéité entre l'amenée d'eau à la buse et les parois du son dage étant assurée par un obturateur comportant un joint permettant la rotation de la buse (10 A) dans le plan horizontal ainsi que sa translation verticale et la récupération de la roche abattue se faisant sous la forme d'une pulpe par l'intermédiaire d'un tube d'extraction (11) solidaire du tube d'amenée d'eau sous pression (10), support de la buse (10 A), et traversant le même joint tournant (5), l'extrémité basse du tube d'extraction étant placée en-dessous du niveau horizontal de la buse. 3. Dispositif selon la revendication n' 2 caractérisé en ce que le tube d'extraction (11) n'est plus solidaire de l'amenée d'eau (10) et peut etre translaté vertica lement de façon indépendante afin de modifier et de régler le décalage vertical entre 11 extrémité basse du tube (11) et le niveau de l'extrémité de la buse (10 A), l'étanchéité de la pressurisation de la cavité étant assurée par deux joints (5) montés parallelesent l'un > l'autre. 4. Dispositif selon la revendication n' 1 ou la revendi cation n' 2 caractérisé en ce que la buse (10 A) est remplacée par plusieurs buses de même type afin d'aug menter le débit d'abattage. 5. Dispositif selon la revendication n' 1 ou n' 2 ou n- 3 caractérisé en ce que l'extraction de la pulpe est as sistée par une pompe w éjection placée w hauteur con venable dans le tube d'évacuation.