Brevet FR2562155A1 — publié le 19851004

présente invention est relative å un procédé de fragmentation d'une masse solide. On rencontre des problèmes de fragmentation ' de masses solides, notamment lors de l'abattage de substances minérales se présentant en couches ou en filons, du creusement de tunnels, galeries, ou cheminées souterraines, de forages en grands et moyens diamètres, ainsi que dans la destruction de massifs ou dalles en béton, ou encore dans la découpe en morceaux, en vue d'une utilisation ultérieure, de roches ou matieres semblables. Certaines techniques de fragmentation utilisent des moyens mécaniques tels que des pics ou molettes avec lesquels on exerce des pressions importantes en des points choisis de la masse à fragmenter, soit de façon continue, soit de façon discontinue. Ces techniques consomment de grandes quantités d'énergie, surtout si la masse est dure. On peut réduire cette consommation d'énergie en associant au pic ou molette, l'action de l'eau sous pression, mais l'économie obtenue est à mettre en balance avec la complication supplémentaire qu'elle entraîne. On connaît aussi l'utilisation d'explosifs mis en place dans des trous de mine forés au préalable en des emplacements choisis. Une telle technique présente des risques, elle requiert un personnel particuliêrement bien formé et discipliné, et les précautions nécessaires grèvent son prix. On sait depuis longtemps obtenir la division en deux d'une masse solide en la soumettant à une contrainte de traction d'intensité convenable, et les études scientifiques ont montré que le mécanisme de la rupture comprend habituelle- ment la propagation d'une fissure orientée a peu prés perpendiculairement à la contrainte de traction, cette fissure ayant pour point de départ une amorce constituée par une rainure ou petite fissure préexistante, créée volontairement ou non, ou bien qui apparaît spontanément sous l'effet de la contrainte. L'énergie nécessaire à la propagation de la fissure, une fois qu'elle est amorcée, peut être relativement très faible.Toutefois, une telle observation est en général dépourvue d'intérêt pour la fragmentation de masses solides si elles sont telles qu'il est impossible de leur appliquer une contrainte de traction, si bien qu'aucune méthode pratique de fragmentation de masses, par action directe à partir de la surface libre du massif à fragmenter, n'en a dérive a la connaissance de l'inventeur. La présente invention a pour but de fournir une méthode de fragmentation qui soit à la fois peu cofiteuse en énergie, n'entraînant que des risques réduits pour le personnel, et cependant plus rapide et de coût d'investissement plus réduit que les techniques actuelles. La présente invention fournit donc un procédé de fragmentation d'une masse solide utilisant le phénomène de la propagation d'une fissure sous l'effet d'une contrainte de direction générale perpendiculaire à cette fissure, qui présente la particularité qu'après la création d'une amorce constituée d'une rainure ou d'une fissure sur une surface libre de la masse à fragmenter, on applique & BR Suivant une modalité de mise en oeuvre très simple, on crée la dite pression en dirigeant sur la dite rainure ou fissure au moins un jet de liquide en éventail plat, d'une épaisseur voisine de l'épaisseur de la rainure ou de la fissure, de façon à confiner le dit liquide sous pression à l'intérieur de la rainure ou de la fissure sur au moins une partie de sa longueur. Pour le cas ou l'amorce est constituée par une rainure ayant une certaine largeur, on peut, pour économiser le fluide sous pression, disposer dans la rainure une ou plusieurs pièces ayant pour effet de diminuer l'épaisseur apparente de la rainure et de diminuer par conséquent l'épaisseur nécessaire du ou des jets en éventail plat. Suivant une autre modalité, un peu plus coûteuse en matériel mais plus énonomique en fluide sous pression, on crée la dite pression sur les parois de la partie externe de la rainure en disposant dans celle-ci un vérin plat susceptible d'une expansion dans le sens perpendiculaire aux parois de la rainure, on cree la pression sur le reste des parois de la rainure et sur le fond de celle-ci a l'aide d'un fluide sous pression. Avantageusement la dite pression de fluide est obtenue en prevoyant, à la partie inférieure du vérin plat une fuite du fluide injecté dans le vérin plat. On peut encore prévoir la dite pression obtenue en injectant un fluide sous pression dans une portion de rainure dont l'extérieur est fermé par une pièce de couverture fortement appliquee contre la surface libre, près des bords de la rainure, les deux côtés de la dite portion de rainure étant fermée par des moyens de confinement du fluide. Cette modalité est plus simple que la précédente, mais elle exige qu'on puisse donner à la surface libre, près des bords de la rainure, un état de surface assez régulier pour que l'étanchéité soit suffisante, ce qui n'est pas toujours le cas. Suivant un premier mode opératoire, les moyens de confinement sont constitués par des organes rigides solidaires de la pièce de couverture et pénétarnt dans la fissure. Suivant un second mode opératoire, qui consomme plus de fluide, mais n'exige pas de matériel spécial, les moyens de confinement sont constitués par des jets de liquide en éventail plat. Suivant une manière d'opérer qui n'est pas incompatible avec les modalités qu'on vient d'exposer, et qui est spécialement intéressante dans le cas de masses importantes par comparaison avec la dimension des amorces, on applique successivement ou simultanément la pression en plusieurs zônes d'une fissure ou rainure de grande longueur se trouvant sur la surface libre de la masse à fragmenter, créant ainsi une fissure de grande longueur. ~. Dans tous les cas la propagation de la fissure vers l'intérieur du massif se fera d'abord en gardant la même direction que la fissure ou rainure initiales. Ensuite sa direction sera influencée par les contraintes existant dans le massif. Si ces contraintes sont telles que la fissure se dirige vers une surface libre du massif ou vers une surface déjà naturellement fissurée, on détachera des morceaux importants en ne travaillant que dans un seul plan de fissuration. Sinon, on créera artificiellement, par les procédés décrits ci-dessus, plusieurs plans de fissuration qui, en se recoupant, détacheront des 'blocs de matière. L'invention va maintenant etre exposée plus en détail en s'aidant d'exemples pratiques, donnés à titre non limitatif et illustrés par les dessins sur lesquels Fig. 1 est une vue schématique d'un bloc en cours de fragmentation selon le procéde de l'invention, Fig. 2 est une vue en élêvation et coupe illustrant une méthode de confinement, Fig. 3 est une vue en coupe perpendiculaire de la Fig. 2, Fig. 4 est une vue en coupe analogue & la Fig. 3, Fig. 5 et 6 sont des vues analogues aux Fig. 2 et 3 montrant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, Fig. 7 et 8 sont -encore des vues analogues aux Fig. 2 et 3 montrant une autre variante, Fig. 9 montre de face un schéma d'abattage de minerai en couche à faible pendage. Fig. 10 représente encore et en coupe un schéma d'abattage de minerai en couche à faible pendage, Fig. il et 12 montrent, en vue de face et en coupe un schéma d'abattage de minerai en couche à fort pendage, Fig. 13 et 14 montrent en vue de face et en coupe un schéma d'avancement de galerie. La Fig. 1 montre un bloc 1 dont la face d'attaque, qui est la face supérieure1 comporte deux parties horizontales 2, 3 séparées par un gradin vertical 4. On voit une amorce 5 constituée par une fissure ou une rainure 11 dans un plan 6 sensiblement parallèle à celui du gradin vertical. La ligne courbe 6, 7, 8, 9 en pointillé représente le contour de cette fissure ou rainure à l'intérieur du bloc. On applique à cette amorce 5 une pression de fluide s'exerçant sur son fond et sur ses parois. Si l'amorce est une rainure a fond relativement plat, la pression entraîne d'abord l'apparition d'une fissure dans ce fond, puis sous l'effet de cette pression, la fissure, préexistante ou nouvellement créée, s'détend vers l'intérieur de la masse. Elle restera d'abord dans le plan de la fissure ou rainure initiales ensuite, si la ligne 7, 9 est relativement longue par rapport à l'épaisseur du gradin, la fissure s'inclinera vers la face libre du fait de la poussée latérale exercée par le fluide. La limite d'avancement 9, 10, 11, 12, 13 est atteinte lorsque les fuites de fluide font baisser la pression a une valeur insuffisante pour entraîner la propagation de la fissure. Par un choix convenable de l'emplacement de l'amorce 5 et de la pression de fluide, on peut obtenir que la limite d'avancement coincide avec le décollement d'un fragment de la masse. On conçoit que si l'étendue de la fissure obtenue n'est pas suffisante pour permettre le débitage du bloc, on recommancera l'opération à partir d'autres fissures ou rainure amorces Sa, 5b. La pression étant exercée simultan6- ment ou séparément dans chacune de ces amorces. On voit qu'à partir d'une amorce initiale de quelques dizaines de cm2, par exemple, on peut détacher des fragments dont les cotes pourront avoir des dimensions au moins dix fois supérieures en ne développant que la faible énergie nécessaire à l'envoi du fluide (eau) sous pression, énergie qui par ailleurs peut être obtenue avec des machines de faible volume. Plusieurs techniques peuvent être employées pour créer l'amorce 5. Par exemple on peut créer une rainure allongée de quelques millimètres d'épaisseur et quelques centimètres de profondeur avec divers outils connus, tels qu'un disque diamanté, une chaine de haveuse un fil d'acier associé à un abrasif en poudre, un fil diamant, un jet "bâton" d'eau à très haute pression. On peut également créer des rainures en -forme d'arc de cercle à l'aide d'un disque coupant "plongeant verticalement dans la masse. On sait aussi que les ouvriers ardoisiers savent provoquer l'apparition d'une fissure & l'aide d'un ciseau dont on place le tranchant parallèlement à la direction choisie et auquel on fait subir un choc en direction de la masse ou l'on veut créer la fissure. Le choc peut être produit par une masse, un vérin à choc, un marteau hydraulique ou pneumatique etc. L'obtention et le maintien d'une pression de fluide dans une fissure entraîne de façon évidente une question de confinement de ce fluide. Une première technique consiste à envoyer sur la fissure ou rainure au moins un jet plat d'un fluide peu compressible tel que l'eau, le plan du jet coricide avec le plan de la fissure ou rainure. Les Fig. 2 et 3 montrent une amorce 5 constituée par une rainure, et plusieurs buses 18, 19 engendrant des jets 20, 21 en éventail aplatis dans le plan de la rainure 5. Les buses centrales 18 sont verticales, alors que les buses latérales 19 sont obliques et convergentes vers le milieu de la rainure, ou plus précisement de la partie de la rainure qu'on désire attaquer. La largeur des jets verticaux 20 et obliques 21 est de l'ordre de grandeur de celle de la rainure. Sous l'effet de la pression créée par le fluide confiné sous pression provenant des jets, il se crée, au fond de la rainure 5, une fissure 22 dont l'extension augmente progressivement comme indiqué par les lignes 23, 24 qui figurent les contours successifs de la fissure. Il est clair que les jets 20, 21 doivent avoir une épaisseur sensiblement égale à celle de la rainure, ou légèrement supérieure : un jet trop étroit ne permet pas d'obtenir un bon confinement, mais un jet trop large correspond à une consommation d'énergie inutilement élevée. Si la rainure 5 est mince, ou si elle est remplacée par une fissure, d'épaisseur encore plus faible, la consommation d'énergie par les jets est limitée, mais si la largeur de la rainure augmente, elle tend à faire augmenter la consommation d'énergie Cet inconvénient peut être réduit, selon un aspect de l'invention, par un des dispositifs ilustrés à la Fig. 4. Sur cette figure, la largeur de passage de la rainure 5 est réduite, à sa partie extérieure, par des pièces 25, 26 d'obturation partielle.- Dans une réalisation, on met une pièce unique 25 d'un côté de la rainure. Dans une autre réalisation, on met deux pièces 26, une de chaque côté de la rainure. Dans les deux cas, il subsiste un passage pour les jets, ce passage correspond à une fraction de l'épaisseur complète de la rainure 5.Les pièces 25, 26 sont soumises à une pression qui tend à les chasser de la rainure, et il est prévu des moyens de maintien (non représentés) pour empêcher leur départ. La longueur des pièces d'obturation partielle le long du plan de la fissure n est pas critique. Il est cependant préférable qu' une partie seulement des jets latéraux obliques 20 soit affectée par ces pièces, de façon à assurer un bon confinement latéral. Les Fig. 5 et 6 montrent une rainure 5, ici en arc de cercle, dans laquelle a été introduit un vérin plat 27, qui peut être formé soit d'éléments rigides, soit d'une enceinte déformable, Ce vérin a une épaisseur légèrement inférieure à celle de la fissure quand il est rétracté et vient exercer une force de pression sur les deux faces de la fissure quand il est sous pression. Par ses extrémités- longitudinales 28, il vient obturer les zônes d'extrémité de la rainure en arc de cercle tout en laissant un espace libre 29 à la partie inférieure centrale de celle-ci. Cet espace libre peut être mis en pression soit par une fuite 30 du verin 28, soit à l'aide d'un conduit séparé 31 Cen tirets sur la Fig. 6). Sous l'effet de cette pression, une fissure 23 apparatt au fond de la rainure et se développe jusqu'en 24 et au-delà sous l'effet de la même pression et de la force du vérin 27, jusqu'à ce que les fuites latérales fassent baisser la pression dans l'espace 28 et arrêtant la propagation de la fissure. Les Fig. 7 et 8 montrent une pièce de confinement 32 rigide et d'une seule pièce, qui comporte un corps 33 plus large que la rainure 5, qui porte deux ailes 14 dont l'épaisseur et la hauteur sont égales respectivement à l'épaisseur et la profondeur de la rainure, avec le jeu minimum nécessaire pour leur introduction dans celleci, de telle façon que la surface inferieure du corps 33 repose sur les bords 35 de la rainure. Les bords 35 de la rainure ont été, si nécessaire, usinés avec une précision suffisante pour empêcher des fuites trop importantes entre ces bords et la base du corps 33.La pièce de confinement 32 est maintenue en place par son poids, etSou par d'autres moyens de maintien, en contact avec les bords 35 malgré la pression de fluide qui s'exerce dans l'espace libre 36 limité par les bords et le fond de la rainure 5, les ailes 34 et la surface inférieure du corps 33. Un conduit 37 traverse la pièce 32 -et permet l'injection de fluide sous pression dans cet espace libre 36. le confinement obtenu par les ailes 34 peut être remplacé ou complété par des jets en éventail obliques analogues aux jets 21 de la Pig. 2. Les Fig. 9 et 10 montrent combien l'abattage du minerai est grandement facilité par des fissures 6O, obtenues selon l'invention, propagées à partir 61 et d'inclinaison décroissante depuis le mur 62 Jusqu'au toir 63 de la couche de minera 64, ce qui réduit le travail d'abattage, sans qu'il soit besoin d'indication supplémentaire pour l'homme de métier. Les.. Fig. il et 12 montrent de même un abattage en filon ou couche à fort pendage, obtenu essentiellement grâce à des fissures 60 développées à partir d'amorces 61, une galerie inférieure en couche 65 ayant té creusée au préalable. Les Fig. 13 et 14 montrent un avancement en galerie facilité par des fissures 60 dont certaines sont parallèles aux parois 66 de la galerie, et d'autres obliques et venant se recouper ou recouper les prerijeres. - Les schémas des Fig. 9 à 14 ne sont pas sans analogie d'aspect avec des plans de forages pour abattage aux explosifs. Ils s'en distinguent essentiellement par le fait que les profondeurs d'amorces a chaque passe sont relativement faibles mais par contre l'abattage se fera pratiquement en continu, la succession des séquences, création des amorces de fissure ou rainure, puis confinement d'un fluide propageant une fissure, pouvant se faire simultanément ou à intervalles très rapprochés. Dans une application particuliere du procédé, on remarque que si on trace une fissure ou une rainure amorce de forme adéquate à la surface d'une dalle épaisse de pierre, et que l'on applique par l'un des procédés décrits ci-dessus, une pression sur les parois et le fond de cette amorce, on propagera une fissure découpant le bloc suivant la forme de la fissure ou rainure amorce. La même technique peut, dans certains cas, être appliquée pour découper des objets de forme déterminee dans un bloc de pierre ou de substance comparable. REVENDICATIONS 1. Procédé de fragmentation d'une masse solide utilisant le phénomène de la propagation d'une fissure sous l'effet d'une contrainte de direction générale perpendiculaire à cette fissure, caractérisé en ce qu 'après la création d'une amorce (5, 20, et 61) constituée d'une rainure ou d'une fissure sur une surface libre de la masse à fragmenter ou à découper, on applique à la fois une pression sur tout ou partie des parois de cette amorce et une pression de fluide au moins sur le fond de l'amorce, ces pressions étant suffisantes pour entraîner la propagation dlune fissure vers l'intérieur de la masse solide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on crée la dite pression en dirigeant sur la dite rainure ou fissure (5) des jets en éventail plat, de façon à confiner le dit liquide sous pression a l'intérieur de la fissure ou rainure sur au moins une partie de sa longueur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on dispose dans la rainure une ou plusieurs pièces (25, 26) ayant pour effet de diminuer l'épaisseur apparente de la rainure et de diminuer par conséquent l'épaisseur nécessaire du ou des jets en éventail plat. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on crée la dite pression sur les parois de la partie externe de la rainure en déposant dans celle-ci un verin plat (27) dans lequel on injecte un fluide sous pression créant ainsi un effort dans le sens perpendiculaire aux parois de la rainure, et en ce qu'on crée ia pression sur le reste des parois de la rainure et sur le fond de -celle-ci à l'aide d'un fluide sous pression, 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dite pression de fluide est obtenue en utilisant un vérin plat dans lequel on injecte un fluide sous pression, et en prévoyant une fuite (30) de çe fluide à la partie intérieure du verin. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite pression est obtenue en injectant un fluide sous pression dans une portion de rainure dont l'extérieur est: fermé par une pièce de couverture (32) ment appliquée contre la surface libre, près des bords de la rainure, les deux côtés de la dite portion de rainure étant fermés par des moyens (21, 34) de confinement du fluide. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de confinement sont constitués par des organes rigides (34) solidaires de la pièce -de couverture et pénétrant dans la fissure. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les poyens de confinement sont constitues par des jets de liquide en éventail plat (21). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on applique successivement ou simultanément la pression en plusieurs zônes d'une fissure ou rainure de grande longueur se trouvant sur la surface libre de la masse a fragmenter ou à découper, créant ainsi une fissure de grande extension qui vient. recouper une surface libre ou une surface de très faible résistance de la masse à fragmenter ou a découper, en détachant ainsi les morceaux. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu on applique la pression sur plusieurs amorces d'orientations différentes, de façon à fragmenter la masse par une série de fissures qui se coupent entre elles et en détachent donc des morceaux 1i. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le fluide est de leau.