Brevet FR2565624A1 — publié le 19851213

i L'invention concerne un procédé pour optimiser le forage à percussion, en particulier le forage des roches, et selon lequel le fonctionnement du dispositif de forage est réglé pour obtenir un résultat de forage désiré. Dans le cas de conditions normales de travail, le but est d'obtenir la vitesse de pénétration maximum pos- sible du foret. Il existe des facteurs limitatifs tels que par exemple la consommation d ' énergie, la durée de vie utile des dispositifs, etc. On peut utiliser comme varia- bles commandées ou réglées, des variables telles que la puissance de percussion, la vitesse ou le rendement de ro- tation, la puissance d'avance ou une combinaison de diffé- rentes variables. En raison du grand nombre des variables comman- dées, le choix du point de fonctionnement correct du foret est difficile. La méthode la plus usuelle est basée sur l'expérience du foreur et sur les recommandations four- nies par le fabricant de la machine de forage. Dans les conditions de travail, le fonctionnement de la foreuse ne peut être observé que grâce à des perceptions auditives et visuelles, ce qui permet à un foreur expérimenté de choi- sir d'une manière relativement précise le point de fonction- nement. Cependant l'utilisation de telles perceptions audi- tives, qui sont importantes pour le travail, sont souvent limitées par le bruit de l'environnement. Ce type de situa- tions se présente par exemple dans le cas de l'utilisation de jumbos, c'est-a-dire de dispositifs de forage compor- tant plusieurs mâts de charge. Le travail d'une foreuse est la plupart du temps fortement influencé par la puissance d'avance qui, de façon correspondante, est une variable la plupart du temps réglée habituellement par le foreur. La commande de la percussion et de la rotation est habituellement constante, ce qui en- traîne que par exemple les valeurs recommandées par le fa- bricant du dispositif ou par la direction sont appliquées. Un autre procédé connu est un réglage effectué sur la base de la mesure de la vitesse de pénétration. La vitesse de pénétration est réglée de ce fait sur une valeur maximale au moyen d'un réglage alterné des valeurs de la percussion, de la rotation et de l'avance. Selon ce procé- dé il est également possible de se contenter de régler uni- quement l'avance. Ce type de procédé de réglage est uti- lisé en général uniquement dans la perforation sans per- cussion. Le système décrit dans le fascicule de brevet US n 4.165.789 peut être mentionné parmi les différents procédés connus dans la technique. Selon ce système connu, le réglage est basé uniquement sur la mesure de la vitesse de pénétration. Le ssytème décrit dans le fascicule de brevet US n 3.550.697 peut être mentionné comme autre procédé individuel connu. Selon ce système, le réglage est basé sur un couple mesuré à partir du foret, ce qui permet de régler la vitesse de rotation, la puissance d'avance et le couple conformément au couple mesuré. Un inconvénient de ces deux systèmes est, entre autres, leur complexité, ce qui entraîne que leurs possi- bilités d'utilisation ne sont pas les meilleures possibles. Le but de l'invention est de fournir un procédé pour optimiser le perçage de la roche, ce procédé permet- tant d'éviter les défauts des procédés antérieurement con- nus. Ce but est atteint grâce à un procédé conforme à l'in- vention qui est caractérisé en ce qu'on mesure une onde de contrainte créée dans une tige de foret sous l'effet d'un choc et qu'on règle le dispositif de forage conformé- ment à l'onde de contrainte mesurée. Dans la description qui va suivre, le terme "onde de contrainte" désigne la variation de l'état de contrainte créée dans une tige de foret sous l'effet d'un choc. Confor- mément à l'invention, le réglage peut être effectué sur la base d'une onde de contrainte créée par un ou plusieurs chocs. Un avantage de la présente invention réside sur- tout dans sa simplicité et sa souplesse d'utilisation. Grâce à ce procédé, on peut aisément automatiser le processus de forage, mais par ailleurs ce procédé peut être tout aussi bien appliqué de façon accessoire en liaison avec un régla- ge manuel pour faciliter le travail du foreur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - les figures 1 et 2 représentent un exemple de la manière fondamentale dont une onde de contrainte varie en fonction d'une modification de la puissance d'avance; - les figures 3-6 montrent des exemples de la manière fondamentale dont le spectre d'une onde de contrain- te varie sous l'effet d'une modification de la puissance d'avance; - la figure 7 représente un schéma-bloc d'un dispositif de réglage basé sur l'analyse spectrale et met- tant en oeuvre le procédé conforme à la présente invention; - la figure 8 représente un exemple d'une forme typique de la partie initiale d'une onde de contrainte; - la figure 9 représente un schéma-bloc d'un dispositif de réglage automatique basé sur l'analyse de la forme de l'onde de contrainte; et - la figure 10 représente un schéma-bloc d'un appareil de foreur, basé sur l'analyse de la forme de l'onde de contrainte. La présente invention est basée sur une carac- téristique spéciale du forage à percussion, c'est-à-dire cue de l'application d'un choc sur la tige de foret, une impulsion de contrainte est toujours créée à l'intérieur de cette tige de foret, cette impulsion s'avançant le long de la tige de foret jusqu'à la pointe de cette dernière en provoquant l'application d'un choc au rocher devant être percé. Une partie de ladite impulsion de contrainte est réfléchie en arrière, étant donné que son contenu en éner- gie ne peut pas être utilisé complètement. Ladite impulsion de contrainte et ladite impulsion réfléchie constituent une onde de contrainte. Une caractéristique essentielle de la présente invention réside dans le fait qu'on mesure l'onde de con- trainte créée dans la tige du foret et on règle les varia- bles commandées, sur la base de la différence entre la forme de l'onde de contrainte mesurée et/ou l'intensité des diffé- rentes parties de cette onde et la forme normale ou les valeurs normales d'une onde de contrainte obtenue expéri- mentalement et/ou statistiquement. On peut mesurer ladite onde de contrainte de différentes manières, par exemple électriquement, magnétiquement, optiquement ou de toute au- tre manière connue analogue. Les ondes de contrainte mesu- rées peuvent être par exemple comparées à la forme normale déterminée expérimentalement et/ou statistiquement et le dispositif de forage peut être réglé sur la base de l'écart de la forme d'onde mesurée par rapport à ladite forme nor- male. Conformément au procédé selon l'invention, on peut mesurer l'onde de contrainte en plusieurs points de la tige de foret, par exemple en deux points. Une mesure effectuée à partir de plus d'un point présente comme avan- tage le fait que l'onde de contrainte peut de ce fait être subdivisée en deux composantes conformément à sa direction de déplacement, une composante avançant en direction du rocher devant être percé et l'autre composante étant réflé- chie par le rocher. De cette manière on obtient une affir- mation nettement plus conséquente concernant le processus de forage, que dans le cas d'une mesure effectuée en un point. La mesure effectuée à partir de plusieurs points est particulièrement avantageuse dans le cas o la tige de foret est courte ou bien dans le cas o le point de me- sure est proche de l'extrémité de la tige. Le réglage des variables commandées peut être réalisé à l'aide de l'intensité soit de la composante sor- tante de l'onde, soit de la composante réfléchie de l'onde, au moyen de la quantité d'énergie déterminée conformément à la surface de l'onde, au moyen de la vitesse de montée ou de retombée de l'impulsion, de la vitesse d'amortisse- ment de l'onde, etc. On peut déterminer l'influence des valeurs déterminées à partir de l'onde mesurée, sur dif- férentes variables commandées et on peut régler le disposi- tif en utilisant par exemple un microprocesseur ou tout autre dispositif de ce type, le microprocesseur réglant, par exemple sur la base des valeurs déterminées, les moyens de fonctionnement du dispositif de forage de sorte que l'on- de mesurée correspond à l'onde désirée, d'une manière aussi précise que possible. Lorsque les conditions de forage va- rient, le procédé conforme à l'invention permet de mainte- nir strictement à son optimum, presque tout le temps, le fonctionnement du dispositif de forage et c'est pourquoi il est possible en principe d'effectuer déjà une correction du choc immédiatement suivant après un choc présentant une valeur s'écartant de la normale. Afin d'illuster la présente invention, on va décrire ci-après trois modes d'exécution différents du pro- cédé conforme à l'invention, ce qui permet de réaliser le réglage conformément audit mode d'exécution. Le premier mode d'exécution est basé sur l'uti- lisation de la vitesse d'amortissement de l'onde de con- trainte. Comme cela a déjà été mentionné plus haut, chaque choc appliqué à la tige du foret provoque l'apparition d'une impulsion de contrainte dans ladite tige, laquelle impul- sion est à son tour renvoyée par les deux extrémités de la tige, en formant une onde de contrainte s'amortissant graduellement. La vitesse d'amortissement peut être mieux observée en étudiant l'enveloppe de l'onde de contrainte de la tige de foret. L'onde de contrainte est amortie a une vitesse plus élevée si l'on augmente l'énergie servant à alimenter la machine de forage et à faire pénétrer la tige de foret dans le rocher. Les figures 1 et 2 montrent un exemple de la manière fondamentale dont l'enveloppe va- rie sous l'effet d'une modification de la puissance d'avan- ce. La figure 1 représente le cas o la puissance d'avance est élevée et la figure 2 représente, de façon correspon- dante, le cas o la puissance d'avance est faible. On peut déterminer la vitesse d'amortissement par exemple pendant l'intervalle de temps pendant lequel l'amplitude des impulsions réfléchies tombe au-dessous d'un certain niveau de référence ou, sinon, également sous la forme d'un nombre d'impulsions réfléchies avant que l'ampli- tude ne tombe au-dessus dudit niveau de référence. Le ni- veau de référence peut être soit fixe, soit égal à un cer- tain pourcentage de l'amplitude de la première impulsion. Un autre mode d'exécution est basé sur le spec- tre de l'onde de contrainte étant donné qu'il est évident en soi que, si les valeurs de travail du dispositif de fo- rage influent sur la forme de l'onde de contrainte, elles influent naturellement également sur le spectre de l'onde de contrainte. Les figures 3-6 représentent, du point de vue du principe, quatre cas différents du spectre de l'onde de contrainte. Dans le cas des figures 3, 4, 5 et 6, on utilise respectivement des pressions d'avance de 9.106 Pa, 8.106 Pa, 6.106 Pa et 4.106 Pa. On voit sur les figures qu'un cas de puissance d'avance excessive entraîne l'appa- rition d'un pic distinct dans le spectre au niveau de la fréquence de percussion de la machine, ce point étant dési- gné sur la figure 3 par la référence IT. Le cas d'une puis- sance d'avance réduite entraîne de façon correspondante l'apparition d'un pic au niveau de la fréquence de réso- nance de la tige du foret, ce point étant désigné sur la figure 5 par la référence RT. Lorsque la puissance d'avance est appropriée, le spectre est relativement uniforme comme dans le cas du spectre de la figure 4. En ce qui concerne le réglage du dispositif de forage, il n'est pas nécessaire de mesurer l'ensemble du spectre. Les parties les plus intéressantes du spectre sont la fréquence de percussion de la machine de forage et la ou les fréquences de résonance de la tige du foret. Le ré- glage de la puissance d'avance peut être basé sur lesdites composantes de fréquence. Cependant il est évident en soi que, également, les fréquences harmoniques de la fréquence de résonance de la tige du foret ou de la fréquence de per- cussion peuvent être utilisées en supplément. Comme cela ressort des figures et de la descrip- tion ci-dessus, il n'existe que quelques composantes de fréquence intéressantes, par exemple les deux composantes mentionnées précédemment. En-dehors de cela, les fréquences des composantes de fréquence intéressantes sont connues préalablement, de sorte que l'analyse du spectre peut être effectuée simplement à l'aide d'un certain nombre de filtres passe-bande. La figure 7 représente schématiquement un sché- ma-bloc des éléments principaux d'un tel dispositif de ré- E glage. Sur ce schéma-bloc, la référence 1 désigne un détec- teur de contrainte et les références 2 et 3 désignent res- pectivement un préamplificateur et un amplificateur. Les filtres passe-bande sont indiqués par les références 4- 7, le filtre 4 laissant passer la fréquence de percussion et le filtre 5 la fréquence de résonance de la tige de fo- ret. Il peut y avoir plus d'un filtre 5, par exemple il peut y avoir un filtre pour chaque fréquence de résonance désirée. Les filtres 6 et 7 sont prévus pour lesdites fré- quences harmoniques et on peut également prévoir plusieurs filtres de ce type. La logique de réglage du dispositif 8- est indiquée d'une manière générale au moyen de la référen- ce 8. Naturellement il est également possible d'introduire dans le dispositif des informations concernant d'autres mesures ou bien des variables contrôlées, comme par exemple la fréquence de travail, la vitesse de pénétration, etc. Cette entrée est désignée d'une manière générale par la flèche N. Une sortie prévue pour le réglage des données est à son tour indiquée d'une manière générale par la flè- che M. L'analyse de la forme de l'onde de contrainte créée par un choc peut être présentée comme étant le troi- sième exemple de cette application du procédé. La figure 8 représente, dans son principe, une forme typique de la partie initiale d'une onde de contrainte créée dans la tige du foret sous l'action d'un choc fourni par un piston de percussion. La partie A représentée sur la figure repré- sente par conséquent une impulsion ou une composante d'onde se déplaçant en direction du rocher et la partie B repré- sente de façon correspondante une impulsion ou une compo- sante d'onde s'écartant du rocher. La forme de l'onde con- forme à la figure 8 peut être interprétée soit au moyen de l'amplitude de certains points, soit au moyen des surfaces subsistant entre l'onde et le niveau zéro. On peut utiliser par exemple les valeurs maximum et minimum P1. P2, P3, P en teant que points caractéristiques de l'impulsion, dont les arr: itudes peuvent être utilisées. Lors du réglage, on peut utiliser lesdites valeurs telles quelles ou bien des pour- centages de ces valeurs. Les surfaces utilisées dans le processus de réglage peuvent être constituées par les sur- faces de l'onde de contrainte ou des différentes parties de cette onde, comme par exemple A1, A2, A3, etc. Il est é- galement possible d'utiliser des pourcentages desdites sur- faces. A partir des données mentionnées précédemment, il est possible de calculer l'énergie de l'onde de contrainte en question, l'énergie transférée au rocher, l'énergie ré- fléchie par le rocher, etc, et l'on peut effectuer le ré- glage par exemple sur la base des valeurs d'énergie calcu- lées. La figure9 représente un schéma-bloc des éléments principaux d'un dispositif de réglage automatique, dont le fonctionnement est basé sur l'analyse de la forme de l'onde de contrainte. Sur la figure, la référence Il dési- gne un détecteur de contrainte, et les références 12 et 13 désignent respectivement un pré-amplificateur et un am- plificateur. La référence 14 désigne ce qu'on appelle un filtre de signaux parasites et la référence 15 désigne un convertisseur analogique/numérique. Un processeur, qui trai- te un signal envoyé par ledit détecteur de contrainte 11, est à son tour repéré par le chiffre de référence 16. Une entrée utilisée pour la mesure des valeurs obtenues ail- leurs est désignée par la flèche N, d'une manière analogue à la figure 7. De façon similaire une sortie pour les don- nées de réglage est indiquée par la flèche M. Il est évident qu'il peut exister plusieurs canaux de mesure pour l'onde de contrainte, bien que seul un tel canal soit représenté sur la figure 9, pour conserver la clarté du dessin. Si on le désire, on peut laisser l'analyse et l'interprétation de la forme de l'onde de contrainte à l'appréciation du foreur. Si c'est le cas, il faut naturellement prévoir un dispositif d'affichage approprié. La figure 10 représente un schéma-bloc des éléments principaux de ce type de dispo- sitif. Sur ce schéma-bloc, un détecteur de contraintes est représenté par les références 22 et 23. La référence 24 désigne une ligne à retard qui peut être nécessaire pour le fonctionnement dudit dispositif d'affichage 25. Naturel- lement il est également nécessaire d'envoyer une impulsion appropriée de synchronisation audit dispositif d'affichage 25. Une partie essentielle dudit dispositif est un dispo- sitif de stockage d'images auxiliaires, parmi lesquelles le foreur sélectionne une image de référence conformément aux exigences d'un cas particulier, en comparant la forme de l'impulsion obtenue sur le dispositif d'affichage avec ladite image de référence. En comparant ces deux images et en réglant les variables commandées, le foreur règle l'image affichée sur le dispositif d'affichage de manière qu'elle corresponde, d'une manière aussi précise que possi- ble, à l'image de référence. On sélectionne une image de référence appropriée, par exemple conformément à la machine de forage, au rocher et analogue. De même on peut utiliser la présente forme de réalisation lorsque la mesure est ef- fectuée à partir de plusieurs points, ce qui a pour effet qu'il est nécessaire.de traiter préalablement les signaux afin d'obtenir une forme d'ondee appropriée sur l'écran d'affichage. Pour conserver la clarté du dessin, on n'a représenté qu'un point de mesure sur la figure 10, bien qu'il puisse y en avoir plusieurs, si cela est nécessaire. La description ci-dessus n'est destinée en aucune manière à limiter la présente invention et bon nombre de modifications peuvent être apportées dans le cadre de cette dernière. Ainsi les dispositifs mettant en oeuvre lesprocé- dés conformes à l'invention n'ont pas besoin d'être naturel- lement nécessairement absolument identiques à ceux repré- sentés sur la figure et l'on peut utiliser tout aussi bien d'autres types de solutions. Les composants des dispositifs peuvent être constitués par des composants connuw, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé pour optimiser le forage par percus- sion, en particulier le forage des roches, selon lequel on règle le fonctionnement du dispositif de forage pour obtenir un résultat de forage désiré, caractérisé en ce qu'on mesure une onde de contrainte créée dans une tige de foret sous l'action d'un choc et qu'on règle le disposi- tif de forage conformément à l'onde de contrainte mesurée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure ladite onde de contrainte en au moins deux points sur la tige de foret et qu'on subdivise l'onde de contrainte mesurée en une composante d'onde sortante et en une composante d'onde réfléchie. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on règle le dispositif de forage conformément à la vitesse d'amortissement de l'onde de con- trainte mesurée. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on règle le dispositif de forage conformément au spectre de l'onde de contrainte mesurée. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue le réglage en observant le point (IT) de la fréquence de percussion de la machine de forage et le point (RT) de la fréquence de résonance de la tige de forage dans le spectre de l'onde de contrainte. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on règle le dispositif de forage au moyen des amplitudes de certains points (P1. P2' P3, p4) - sur l'onde de contrainte et/ou au moyen des pourcentages desdites amplitudes. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on règle le dispositif de forage au moyen des surfaces (A1, A2, A3, A4) des différentes par- ties de l'onde de contrainte mesurée et/ou des pourcentages desdites surfaces. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on règle le dispositif de forage au moyen des énergies contenues dans différentes parties de l'onde de contrainte mesurée et/ou au moyen de pourcen- tages desdites énergies. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue le réglage en comparant la forme de l'onde de contrainte mesurée a une onde de con- trainte normalisée déterminée par avance. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 8, caractérisé en ce qu'on effectue le réglage sur la base de la différence entre la valeur d'une ou de - plusieurs variables de l'onde de contrainte mesurée et la valeur normalisée fixée de chaque variable. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue le réglage sur la base de la différence entre la forme de l'onde de contrainte mesurée et la forme normalisée de l'onde de con- trainte obtenue expérimentalement et/ou statistiquement. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 11, caractérisé en ce que la variable commandée utilisée est la puissance de percussion, la vitesse de ro- tation, le rendement de rotation ou la puissance d'avance ou une combinaison de deux ou de plusieurs desdites varia- bles.