Brevet FR2600717A1 — publié le 19871231

Boulon de soutènement extensible, méthode de soutènement, utilisation du boulon. La présente invention concerne un boulon de soutènement extensible, la méthode de soutènement utilisant le boulon et l'utilisation du boulon pour des soutènements. Les boulons de soutènement extensibles ou à géométrie variable, sont destinés à consolider les terrains et plus particulièrement à soutenir la voûte (le toît des galeries dans les mines et ouvrages souterrains). D'autres applications de ce type de boulon peuvent être également des ouvrages à ciel ouvert, tels que des murs, etc... Il est connu d'utiliser depuis plusieurs années, des boulons en acier ou autres matériaux, qui sont le plus souventxellés- Intégralement dans des trous forés d'avance. Un écrou vissé sur la tige filetée dépassant du trou, permet de serrer une plaque de soutènement contre la paroi du terrain ou de la galerie. Le scellement du boulon est obtenu à l'aide d'un ciment organique ou inorganique. A cet effet, on utilise couramment des capsules à enveloppe plastique contenant le ciment. Ces capsules sont introduites dans le trou de forage, puis on enfonce par poussée et/ou rotation le boulon qui va détruire l'enveloppe de la capsule et malaxer les composants. Il se forme ainsi entre le boulon et la paroi u trou, un ciment homogène et dur qui permettra un serrage efficace de la plaque de soutènement sans glissement du boulon. Ces boulons dits rigides ont l'avantage, une fois scellés, de renforcer les terrains mais également de solidariser entre elles des strates de roches plus ou moins homogènes. Cet ancrage rigide est particulièrement efficace lorsque les galeries sont creusées dans des terrains qui resteront vierges par la suite telles que des galeries de longue durée, des tunnels routiers ou ferroviaires, ou lorsque les galeries subiront de faibles déformations. En effet, en raison de leur rigidité, ces boulons ont l'inconvénient de ne pas pouvoir s'opposer dans tous les cas au pression et à la détente des terrains, lorsque par exemple on est amené à exploiter, entre deux galeries parallèles, par la méthode dite de longue taille, une couche plus ou moins épaisse de charbon ou d'autres minéraux.Dans ces cas, toute la pression s'exerce sur la plaque et sur l'écrou, ce qui peut provoquer une rupture brutale de la partie filetée. Il arrive fréquemment de constater entre la voûte et le sol, ainsi qu'entre les parements, une importante convergence des terrains formant les parois. Il existe depuis quelque temps des boulons dits coulissants, qui ont l'inconvénient d'être de conception complexe et par conséquent de coût de production élevé. Par ailleurs, ces boulons nécessitent la plupart du temps pour leur pose dans les galeries, un double forage, ce qui rend leur pose plus longue et plus coûteuse. La présente invention a pour premier but de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un boulon extensible dont la pose soit aussi simple que celle d'un boulon de soutènement à ancrage rigide. Par ailleurs, ce boulon extensible devra être de conception simple de façon à être facile à fabriquer et de coût de production modéré. Ce premier but est atteint par le fait que le boulon de soutènement extensible pour la fixation par scellement dans un forage, constitué d'une tige filetée à une première extrémité et d'un écrou vissé sur celle-ci, d'une forme particulière sur une deuxième extrémité de la tige, permettant la rupture d'une capsule de scellement enfoncée dans le forage, est caractérisé en ce que la tige entre sa partie filetée et sa deuxième extrémité est entourée d'un tube en matériau déformable, la forme particulière de la deuxième extrémité de la tige présente un diamètre supérieur au diamètre intérieur du tube de matière déformable, une collerette de diamètre supérieur au diamètre extérieur du tube de matière déformable et rendu solidaire de la tige. Selon une autre caractéristique, le tube de matière déformable présente ou non une surface crénelée permettant son accrochage dans le produit de scellement. Suivant une autre caractéristique, le tube de matière déformable est crénelé sur sa surface externe suivant une hélice. Un deuxième but de l'invention, est de proposer un boulon extensible sur une certaine course et un ancrage rigide à la fin de cette course. Ce deuxième but est atteint par le fait que le boulon de soutènement extensible comporte un manchon métallique composé d'un cylindre fendu ou de deux demi cylindres rendus solidaires de la collerette afin de produire un scellement rigide du boulon en fin d'exten sion. Selon une autre caractéristique, la collerette est directement obtenue par forgeage de la tige. Selon une autre caractéristique, la collerette est soudée sur la tige. Un troisième but de l'invention est de proposer une méthode de soutènement extensible. Ce troisième but est atteint par le fait que la méthode de soutènement extensible comprend les étapes suivantes - forage d'un trou de dimension appropriée - introduction d'une capsule de scellement dans le forage, la capsule comprenant dans des compartiments différents et destructibles, les composants nécessaires à la prise du ciment organique ou inorganique - introduction d'un boulon en provoquant ou non sa rotation DOilr assurer la rupture de la capsule et le mélange homogène des composants ; et - scellement par durcissement du ciment dans le forage caractérisé en ce que le scellement se produit directement sur le tube en matériau déformable entourant le boulon et en ce que la résistance mécanique de ce tube est inférieure à la résistance mécanique du ciment de scellement une fois durci. Un dernier but de l'invention est de proposer une utilisation du boulon. Ce dernier but est atteint par le fait que le boulon est utilisé pour le soutènement de galeries de mine, de tout ouvrage souterrain, et de tout ouvrage à ciel ouvert, dans lequel on cherche à solidariser entre elles des strates de roches plus ou moins homogènes et où il est nécessaire de contrôler la détente des terrains. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et décrit en liaison avec les figures ci-après dans lesquelles La figure 1 représente une vue en coupe du boulon extensible à ancrage rigide en fin de course scellé dans une strate de terrain La figure 2 représente une vue en coupe du boulon extensible à ancrage non rigide en fin d'extension, lors de la mise en place dans un forage ; et La figure 3 représente un diagramme figurant l'évolution de l'allongement du boulon en fonction de l'accroissement des pressions de terrain. Le boulon, suivant l'invention, est constitué, comme représenté à la figure 1, d'une tige 1 filetée à une extrémité et usinée à l'autre extrémité 10. L'extrémité usinée 10 est séparée de l'extrémité filetée par une tige de longueur L. La partie usinée 10 a un diamètre supérieur au diamètre de la tige de longueur L. Cette. tige de longueur L est raccordée à l'extrémité usinée 10 par une portion conique 11. L'extrémité usinée 10 est pourvue par exemple d'un biseau qui, comme on le verra par la suite, permet la rupture des capsules de scellement. Il est bien évident que ce biseau peut être remplacé par tout autre forme remplissant la même fonction. Un tube de matière déformable 4 crénelé ou pas sur sa surface extérieure entoure la tige 1 et une partie de l'extrémité usinée 10 du boulon. La longueur du tube de matière déformable 4 est telle que la distance séparant la portion conique raccordée à la tige de ltextrémité du tube 4 entourant la tige 1 correspond à la distance d'extension maximum que l'on souhaite pour le boulon. Le boulon représenté à la figure 1 étant un boulon extensible à ancrage rigide en fin de course, comporte, comme on peut le voir sur la figure 1, un manchon métallique 5 composé soit d'un tube cylindrique fendu ou de deux demi-cylindres rendus solidaires d'une collerette 6 qui est elle même soudée r une soudure 7 sur la tige 1 du boulon. Ce manchon ~ et cette collerette 6 sont soudés à une distance A de la partie conique 11 du boulon, distance qui correspond à l'extension maximale.La soudure 7 liant le manchon métallique sur la tige 1, est étudiée pour céder dès que le boulon subit des pressions supérieures à 2 ou 3 tonnes. La figure 2 représente une deuxième variante d'un boulon extensible lors de son introduction dans le forage avant la rupture de la capsule de scellement 82 contenant les composants nécessaires au scellement, par exemple, de la résine polvester 30 et du catalyseur 31. Le boulon de cette deuxième variante se différencie du boulon de la figure 1 par le fait qu'il ne comprend pas le manchon métallique 5 et que la collerette 6 est directement soudée sur la tige 1 par la soudure 7 et se trouve en contact avec l'extrémité du tube en matériau déformable 4. Dans les variantes des figures 1 et 2, la surface externe du tube de matière déformable 4 peut être crénelée suivant une forme hélicoidale de façon à être assimilée à un pas de vis de sens inverse à celui du sens de rotation du boulon.Pour effectuer le scellement, on introduit une des deux variantes du boulon dans le trou de forage 9 au fond duquel on a préalablement disposé la capsule 82. Cette capsule de scellement est calculée de façon que le volume de ciment permette le scellement de l'ensemble du tube déformable et éventuellement du manchon métallique, une fois que le scellement est effectué. En enfonçant le boulon au fond du trou 9 tout en lui communiquant un mouvement de rotation, on provoque la rupture des différents compartiments de la capsule de scellement 82 et le mélange des composants. Ce mélange est facilité par le fait que le tube de matériaux déformables 4 comporte sur sa surface externe, une rainure hélicoïdale en pas de vis. La collerette 6 permet de contenir le ciment de scellement sur les parties à sceller. Une fois la prise du ciment de scellement effectuée, le tube en matériaux déformables et éventuellement le manchon métallique 5 sont totalement solidaires du ciment 8 et des couches de terrain 90 et 91. Lorsque le scellement est assuré, dans la couche de terrain 90 ayant une bonne résistance mécanique, on vient assurer le soutènement de la couche de terrain 91 par une plaque 3 que l'on vient de serrer au moyen de l'écrou 2 vissé sur le filetage 13 comme représenté à la figure 1. Lorsque par suite des mouvements de terrain les pressions appliquées à la partie filetée 13 du boulon atteignent une certaine valeur (2 à 3 tonnes), la soudure 7 cède. Les pressions appliquées à la partie filetée du boulon continuent à croître et lorsqu'elles atteignent une certaine valeur (par exemple 10 tonnes), la partie usinée 10 comprime, tout en le déformant, le tube de matières déformables offrant une résistance constante jusqu'à l'extension maximum qui est fonction de la distance A. Lorsque, par suite de la déformation du terrain, la partie conique 11 se trouvant à proximité de la partie usinée 10 vient en contact avec le manchon métallique 5, ce dernier ayant une résistance mécanique bien supérieure à celle du tube de matières déformables, va provoquer l'ancrage rigide du boulon. En effet, les deux demi-cylindres vont s'écarter lors du passage de la partie conique 11 et vont jouer le rôle de cheville de scellement, stoppant ainsi l'extension du boulon. Dans la variante d'exécution de la figure 2, ce phénomène d'ancrage rigide en fin d'extension ne se produira pas. puisque bien évidemment, cette variante ne comporte pas le manchon métallique 5. La figure 3 montre comment évolue l'allongement du foulon en fonction de l'accroissement des pressions de terrain. Dans un premier stade F, l'allongement est faible. Lorsque l'on atteint une pression PE le boulon s'allonge de façon régulière jusqu'à l'allongement A. En fin d'allongement, si l'on utilise le boulon de la figure 1, on obtient un scellement rigide, ce qui entraîne une possibilité d'accroissement de pression sur le boulon jusqu'à une pression ultime PU égale à la résistance mécanique de la tige (tracé C). Dans le cas oû l'on utilise le boulon à extension sans ancrage rigide, la résistance s'opposant à la pression du terrain devient nulle en fin d'allongement, comme représenté par le tracé B). L'incidence des caractéristiques dimensionnelles des parties usinées 10 et 11 sur la pression nécessaire aux coulissements de la partie 10 dans le tube 4 est fonction des cotes EG du diamètre D et de l'angle . Par ailleurs, la résistance à l'allongement est aussi fonction des dimensions du tube de matières déformables, diamètres intérieur et extérieur du tube. A titre d'exemple pour les valeurs suivantes Diamètre D = 22,3 mm E = 50 mm G = 12 mm Angle = 80 Diamètre d : 19 mm et pour une matière déformable telle que du PVC et un diamètre intérieur du tube 4 de 19,3 mm et un diamètre extérieur de 25 mm et avec un ciment de scellement constitué d'une résine polyester, la charge nécessaire à l'extension du boulon est de l'ordre de 120 000 à 135 000 daN. Le tube 4 étant scellé directement dans le ciment et le boulon 1 coulissant dans ce tube 4, ceci permet d'effectuer un soutènement extensible des galeries de mine des ouvrages souterrains ou toute sorte d'ouvrages particuliers nécessitant de soutenir des strates différentes de terrain. C'est ainsi que l'on estime que 20 % seulement des galeries à creuser dans l'avenir pourront être boulonnées avec des boulons rigides, tandis que dans 80 % des cas, il faudra avoir recours à un boulon extensible ou-à un soutènement porteur. Ainsi en plus de la simplicité de fabrication et d'utilisation du boulon de l'invention, on comprend son intérêt économique important. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Boulon de soutènement extensible pour la fixation par scellement dans un forage, constitué d'une tige filetée (1) à une première extrémité et d'un écrou (2) vissé sur l'extrémité filetée, d'une forme particulière (10) sur une deuxième extrémité de la tige (1) permettant la rupture d'une capsule de scellement (82) enfoncée dans le forage (9), caractérisé en ce que la tige (1), entre sa partie filetée (13) et sa deuxième extrémité (10) ,est entourée d'un tube (4) en matière déformable , la forme particulière (10) de la deuxième extrémité de la tige présente un diamètre (D) supérieur au diamètre interne du tube (4) de matière déformable une collerette (6) de diamètre supérieur au diamètre extérieur du tube (4) de matière déformable et rendue solidaire de la tige (1). 2. Boulon suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (4) de matière déformable présente ou non une surface crénolée permettant son accrochage dans le produit de scellement (8). 3. Boulon suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le tube est crénolé sur sa surface externe suivant une hélice. 4. Boulon suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que un manchon métallique (5) composé d'un cylindre fendu ou de deux demi cylindres est rendu solidaire de la collerette (6), afin de produire un scellement rigide du boulon en fin d'extension. 5. Boulon suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la collerette est directement obtenue par forgeage de la tige. 6. Boulon suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la collerette est soudée sur la tige. 7. Méthode de soutènement extensible comprenant les étapes suivantes - forage d'un trou (9) de dimension appropriée - introduction d'une capsule (82) de scellement dans le forage (9), la capsule comprenant dans des compartiments différents et destructibles, les composants nécessaires à la prise du ciment de scellement organique ou inorganique - introduction dans le trou de forage (9) d'un boulon selon une des revendications précédentes en provoquant sa rotation pour assurer la rupture de la capsule (82) et le mélange homogène des deux composants ; et - scellement par durcissement du ciment dans le trou de forage (9), caractérisé en ce que le scellement se produit directement sur le tube (4) en matériau déformable entourant ce boulon et que la résistance mécanique de ce tube est inférieure à la résistance mécanique de la résine de scellement, une fois durcie. 8. Utilisation du boulon suivant l'une des revendications 1 à 7,-pour le soutènement d'une galerie de mine, de tout ouvrage souterrain et de tout ouvrage à ciel ouvert.