Brevet FR2885401A1 — publié le 20061110

La présente invention a pour objet un dispositif de sécurité pour machine de forage, une machine de forage équipée d'un tel dispositif et un procédé de sécurisation d'une machine de forage. En se référant aux figures annexées lA et 1B, on va décrire un exemple de machine de forage pour permettre de mieux comprendre les problèmes de sécurité qui se posent. La machine de forage 10 comprend un châssis 12 sur lequel est monté de façon articulée un mât de forage 14. Sur le châssis 12 sont également montés d'autres équipements tels que le pupitre de commande de la machine de forage 16. Sur le mât de forage est montée une tête de rotation 18 qui peut être déplacée en translation selon la direction du mât 14 par des moyens de déplacement 20. La tête de rotation 18 permet la mise en rotation de tiges de forage telles que 22 passant dans une pièce de guidage 23. A l'extrémité des tiges de forage 22 est monté l'outil de forage lui-même 24. En commandant l'orientation du mât de forage 14, l'opérateur peut définir la direction du forage à réaliser. Les machines de forage couramment utilisées dans les métiers de travaux publics et notamment celles représentées sur les figures 1A et 1B présentent un danger important pour les opérateurs: d'une part l'existence d'organes mobiles de travail tels que la tête de forage 18, le train de tiges 22 et l'outil de forage 24 qui sont tous animés de mouvements de rotation et de translation; les difficultés techniques à se protéger de ces organes mobiles (flexibles d'alimentation en liquide) qui sont en mouvement; projection d'eau et de sédiments de forage; nécessité d'intervention à proximité de ces organes mobiles pour ajouter ou retirer des tiges de forage; et grande variété de situations de chantiers (galeries, murs mitoyens, chantiers très encombrés, etc...). Les statistiques d'accidents de travail apportent malheureusement la preuve de la dangerosité de l'utilisation de telles machines. Les équipes de forage sont généralement constituées de deux personnes, d'une part le foreur qui est installé au pupitre de commande 16 et 2885401 2 d'autre part un aide foreur qui manipule des tiges à la main lors des opérations de vissage et de dévissage sur les tiges de forage adjacentes. Des mesures organisationnelles sont prévues pour pallier aux imperfections du matériel. En particulier, le foreur est chargé d'assurer la sécurité de son aide foreur lors des manoeuvres en intervenant sur les organes de commande de la machine. Cependant, ces dispositions sont insuffisantes pour éviter efficacement les accidents lors de l'utilisation de ces machines. C'est pourquoi, on a proposé d'équiper les machines de forage de dispositifs de chargement automatique des tiges de forage évitant les manipulations manuelles. Il s'agit par exemple de distributeurs de tiges, de barillets, etc... Cependant, ces dispositifs ne sont pas applicables dans un nombre important de cas, par exemple si la technique de forage combine des outillages de natures différentes, si la capacité de chargement est insuffisante pour la profondeur de forage souhaitée, si le volume libre autour de la machine est insuffisant pour la mise en place du barillet ou encore si la machine de forage est incapable de supporter le poids du barillet chargé avec les tiges. On a donc proposé d'équiper ces machines de systèmes de sécurité. En plus, des arrêts d'urgence réglementaires du type "coup de poing", on trouve des dispositifs d'arrêt d'urgence passifs du type à plaque sensible. En cas de happement par les tiges en rotation, l'opérateur se trouve projeté contre une plaque équipée de capteurs qui provoquent un arrêt immédiat des mouvements dangereux. Si ce système présente l'avantage de limiter de façon importante la gravité d'un accident, il n'a pas pour autant la fonction de prévenir de possibles accidents. C'est pourquoi, on a proposé, notamment dans la demande de brevet européen EP 1 482 238, de disposer autour de la machine de forage des capteurs optiques permettant de détecter la présence d'un opérateur dans une zone dangereuse. On a également proposé des systèmes de détection par ultrasons, par infrarouge ou par radar. L'inconvénient de tous ces systèmes de détection réside dans les possibilités de détection intempestive due aux pièces en mouvement à proximité de la zone de forage, par exemple les flexibles hydrauliques, et aux 2885401 3 projections d'eau et de déblais de forage. En outre, ces systèmes présentent une relative complexité de réglage, leur coût est relativement important et il est difficile de les installer dans des zones de forage encombrées qui cependant s'avèrent être les environnements les plus dangereux. Un premier objet de l'invention est de fournir un système de sécurité pour machine de forage qui évite les inconvénients mentionnés ci-dessus. Pour atteindre ce but, selon l'invention, le dispositif de sécurité pour machine de forage équipée d'un outil de forage, se caractérise en ce qu'il comprend: - des moyens formant un tapis destiné à être disposé sur le sol à proximité du point d'action dans le sol de l'outil de forage, ledit tapis comprenant un matériau dont une propriété électrique est sensible à une pression exercée à la surface des moyens formant tapis; - des moyens de mesure de ladite propriété électrique; -des moyens de traitement de ladite mesure pour discriminer la présence éventuelle d'un opérateur sur lesdits moyens formant tapis; et - des moyens pour élaborer un signal de commande lorsque les moyens de traitement ont détecté la présence d'un opérateur sur les moyens formant tapis. On comprend que grâce à la présence des moyens formant tapis disposés autour de la zone de forage, on détecte la présence de tout objet dans la zone correspondante. Cependant, les moyens de traitement permettent de réaliser une discrimination entre la présence d'objets tels que des outils, etc... et la présence d'un opérateur et de n'élaborer un signal de commande apte à délivrer un signal d'alarme ou à intervenir sur le fonctionnement de la machine de forage, que si c'est effectivement un opérateur qui est dans la zone de sécurité. De préférence, les moyens formant tapis sont constitués par plusieurs éléments de tapis de telle manière qu'on puisse les adapter à la surface de sécurité à réaliser à proximité de la machine de forage. Un deuxième objet de l'invention est de fournir une machine de forage comportant un dispositif de sécurité du type mentionné ci-dessus. De préférence, dans une telle machine de forage, le signal de commande agit directement sur les organes de commande de la machine tels 2885401 4 que les moyens de mise en rotation et les moyens de déplacement en translation des tiges de forage. Un troisième objet de l'invention est de fournir un procédé de sécurisation d'une machine de forage, notamment par utilisation du dispositif de sécurité défini ci-dessus. Le procédé se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on dispose sur le sol à proximité de ladite machine des moyens formant un tapis destiné à être disposé sur le sol à proximité du point d'action dans le sol de l'outil de forage, ledit tapis comprenant un matériau dont une propriété électrique est sensible à une pression exercée à la surface des moyens formant tapis; on mesure la valeur de ladite propriété électrique; on traite ladite mesure pour discriminer la présence éventuelle d'un opérateur sur lesdits moyens formant tapis; et on élabore un signal de commande lorsqu'on détecte la présence d'un opérateur sur les moyens formant tapis. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: - les figures 1A et 1B, déjà décrites, montrent en vue de dessus et en vue de surface une machine de forage connue; - les figures 2A et 2B montrent en vue de dessus et en vue de face un premier exemple de réalisation du dispositif de sécurité ; - les figures 3A et 3B montrent en vue de dessus et en vue de face un deuxième exemple de réalisation du dispositif de sécurité ; - la figure 4 montre un exemple de réalisation des circuits de traitement du dispositif de sécurité ; et - la figure 5 montre un exemple perfectionné de réalisation du dispositif de sécurité. Dans la description qui suit, on va décrire l'utilisation du dispositif de sécurité en liaison avec une machine de forage du type représenté sur les figures lA et 1B. Cependant, il va de soi que ce dispositif pourrait être utilisé avec d'autres machines de forage et notamment avec des machines de forage du type à tarière et à mât verticaux permettant de forer des pieux 2885401 5 verticaux de grandes dimensions. Ce dispositif peut également être utilisé avec une benne pour réaliser des parois moulées ou avec des machines de forage dont l'outil est constitué par plusieurs tambours rotatifs ou fraises. En se référant tout d'abord aux figures 2A et 2B, on va décrire un premier mode de réalisation du dispositif de sécurité. Dans cet exemple particulier, la machine de forage 10 est d'un type déjà décrit précédemment. Le dispositif de sécurité 30 est constitué par des moyens formant tapis reposant sur le sol S. Ces moyens formant tapis 32 sont constitués par trois tapis 34, 36 et 38 qui entourent le point de forage sur sa partie non occupée par la machine de forage elle-même. Les tapis 34, 36 et 38 peuvent être électriquement reliés entre eux et le tapis 38 est relié électriquement à des moyens de commande 40 de la machine de forage 10. Ils peuvent également être montés électriquement en parallèle. La constitution des tapis du dispositif de sécurité 30 sera décrite en détail ultérieurement. A ce stade de la description, il suffit d'indiquer que les tapis délivrent une information électrique représentative de la pression exercée sur l'un quelconque des tapis 34, 36 et 38. Ainsi, la présence d'un corps sur l'un des tapis 34, 36 et 38 est automatiquement détectée. Ainsi qu'on l'expliquera ultérieurement, le signal de mesure délivré par les tapis est traité pour discriminer la détection selon que la pression est provoquée par la présence sur un des tapis d'un opérateur ou seulement par la présence d'un outil ou d'autre objet. On notera que compte tenu du caractère modulaire des moyens formant tapis 32, il est possible de les adapter à toutes les configurations en fonction des conditions d'accessibilité aux éléments rotatifs de forage. De plus, leur mise en place est aisée. Cela est particulièrement intéressant puisque la machine de forage doit être déplacée souvent pour réaliser les différents forages. Les dimensions des moyens formant tapis doivent être suffisantes pour que le temps que met un opérateur pour se déplacer du bord externe des moyens formant tapis à la machine de forage soit suffisant pour agir sur le fonctionnement de la machine. En outre, les moyens formant tapis, doivent intercepter tous les trajets raisonnablement empruntables pour atteindre le point de forage. 2885401 6 Les figures 3A et 3B illustrent un autre mode de réalisation du dispositif de sécurité. Dans ce cas, la machine de forage 10 réalise un forage incliné dans une partie en pente S' du sol. Compte tenu de la configuration du terrain, les moyens formant tapis 32' consistent en un seul tapis 42 interposé entre la partie en pente S' du terrain, la machine de forage 10 et le tableau de commande de la machine. Le tapis unique 42 est alors relié électriquement au moyen de commande 40 de la machine de forage 10. Le fonctionnement du dispositif de sécurité est identique à celui qui a été décrit en liaison avec les figures 2A et 2B. On va maintenant décrire un mode possible de réalisation des tapis 34, 36, 38 ou 42 permettant de détecter la présence d'un opérateur sur ces tapis. Dans ce mode de réalisation du tapis, celui-ci est conforme aux capteurs de pression décrits dans la demande de brevet français n 2 856 148. On décrira donc sommairement la réalisation du tapis. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement le tapis 38 et le circuit de traitement du signal délivré par le tapis 38. On peut assimiler le tapis 38 à une structure dans laquelle un matériau, de préférence un sel 44, présente une propriété électrique qui varie en fonction de la pression exercée sur la surface du tapis. De préférence, cette propriété électrique est la résistance. Le tapis pourrait également être constitué par un matériau souple chargé en particules conductrices. Sous l'effet d'une pression, le rapprochement des particules modifie la résistance du tapis. Cette modification est détectée par des électrodes. Pour cela, des systèmes d'électrodes 46, 48 permettent d'appliquer au tapis une tension d'alimentation V et de recueillir une tension T représentative de la résistance effective du tapis. La tension T recueillie est donc en fait représentative de la valeur de la pression exercée sur la surface du tapis 38. Cette tension T est de préférence filtrée dans le filtre 50 puis éventuellement traitée par exemple par des circuits différentiateurs 52 et le signal de tension T' ainsi traité est comparé à un signal de seuil R dans un comparateur 54. Le seuil R est déterminé de telle manière que le signal T' représentatif de la pression exercée sur le tapis soit supérieur à R lorsque la pression détectée est due à la présence d'un opérateur et que cette tension T' soit inférieure à R dans le cas contraire. A la sortie 54a du comparateur, on obtient donc un signal de commande SC uniquement si la pression appliquée 2885401 7 sur le ou les tapis correspond à la présence effective d'un opérateur sur le tapis. De préférence, la tension R de référence correspond à un poids de 50 kg appliqué sur le tapis. En effet, les objets, tels que des outils, susceptibles d'être posés sur le tapis ont un poids inférieur à 25 kg. Bien entendu, d'autres types de tapis pourraient être utilisés dès lors qu'ils sont capables de délivrer un signal électrique représentatif de la pression exercée sur ce tapis. Lorsqu'un signal de commande SC est effectivement élaboré, un signal d'alarme A est également élaboré pour actionner des dispositifs d'alarme sonores ou visuels 56. Le signal d'alarme visuel peut de préférence apparaître sur le tableau de commande de la machine de forage. Lorsqu'un signal de commande SC est appliqué au circuit de commande 40 de la machine de forage 10, ce signal peut commander à son tour la tête de mise en rotation 18 du train de tiges et les moyens de déplacement en translation 20 de ce train de tiges. On peut ainsi commander l'arrêt complet de ces dispositifs de déplacement ou encore diminuer le couple appliqué par exemple au moyen de mise en rotation. Ces moyens agissant directement sur les systèmes de commande du train de tiges permettent de remédier à une éventuelle défaillance de l'opérateur en cas d'incident. Il est fréquent que la machine de forage soit équipée de capteurs permettant de mesurer la vitesse de rotation du train de tiges, l'effort de poussée exercé sur le train de tiges, etc. La mesure de ces grandeurs et leur traitement permettent de déterminer la phase dans laquelle se trouve la machine de forage. Dans une version perfectionnée du système du dispositif de sécurité, il est possible de prévoir que le dispositif de sécurité ne soit opérationnel que dans le cas où il a été détecté que la machine était dans une phase de fonctionnement correspondant effectivement à un risque pour l'aide opérateur. Dans les autres phases de fonctionnement de la machine, le dispositif de sécurité sera inhibé. C'est ce qui est illustré sur la figure 5. Sur cette figure on retrouve le tapis de détection de présence 38 et les circuits de traitement 50, 52, 54 délivrant éventuellement le signal de commande SC aux circuits de commande 40. 2885401 8 La figure 5 montre également des capteurs 60, 62 montés sur la machine de forage pour mesurer les différents paramètres de forage (vitesse de rotation, vitesse de descente, couple, etc...). Les mesures élaborées par ces capteurs sont transmises à des circuits de traitement mettant en oeuvre des algorithmes de traitement des signaux délivrés par les capteurs 60, 62, afin de déterminer la nature de l'opération en cours de réalisation par la machine de forage et le risque qu'elle présente en termes de dangerosité. Si la dangerosité est faible ou inexistante, les circuits de commande délivrent un signal d'inhibition INHIB. Ce signal est appliqué à l'entrée de commande d'un circuit d'inhibition 64 monté entre la sortie du tapis 38 et les circuits de traitement 50, 52, etc. Ainsi les tapis de détection de présence sont désactivés lorsque la machine de forage est dans une phase de fonctionnement non dangereux. Comme on l'a déjà expliqué une partie de la sécurité de la machine réside dans la présence effective de l'opérateur devant le tableau de commande de la machine. Pour s'assurer de la présence de l'opérateur, on peut disposer, en regard du tableau de commande, un tapis de détection de présence 66, identique aux tapis 34, 36, 38 ou 42. Les circuits de traitement 50', 52' et 54' permettent d'élaborer un signal D de présence ou d'absence de l'opérateur à son poste. Le signal D est appliqué aux circuits 40 pour déclencher une éventuelle alarme. 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif de sécurité pour machine de forage équipée d'un outil de forage, ledit dispositif se caractérisant en ce qu'il comprend: -des moyens formant un tapis destiné à être disposé sur le sol à proximité du point d'action dans le sol de l'outil de forage, ledit tapis comprenant un matériau dont une propriété électrique est sensible à une pression exercée à la surface des moyens formant tapis; - des moyens de mesure de ladite propriété électrique; - des moyens de traitement de ladite mesure pour discriminer la présence éventuelle d'un opérateur sur lesdits moyens formant tapis; et - des moyens pour élaborer un signal de commande lorsque les moyens de traitement ont détecté la présence d'un opérateur sur les moyens formant tapis. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite propriété électrique est une résistance. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens formant tapis sont constitués par plusieurs éléments de tapis. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement comprennent des moyens pour comparer le signal de mesure ou un signal représentatif du signal de mesure à un seuil prédéterminé. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'alarme activables par ledit signal de commande. 6. Machine de forage comprenant au moins une tige de forage munie à son extrémité d'un outil de forage, un châssis, des moyens de mise en rotation de la tige par rapport au châssis et des moyens de déplacement en translation de ladite tige, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif de sécurité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Machine de forage selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit signal de commande provoque l'arrêt des moyens de mise en rotation et de déplacement en translation de l'outil de forage. 2885401 10 8. Machine de forage selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit signal de commande diminue le couple des moyens de mise en rotation de la tige et/ou la vitesse de rotation et/ou la vitesse de translation de l'outil de forage. 9. Machine de forage selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des capteurs de mesure des paramètres de forage, des moyens de traitement des paramètres mesurés pour en déduire la phase de fonctionnement de la machine et sa dangerosité, et des moyens pour inhiber lesdits moyens formant tapis lorsque la phase de fonctionnement détectée n'est pas dangereuse. 10. Machine de forage selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un tableau de commande de la machine et des moyens formant tapis de détection de présence disposés en regard dudit tableau de commande. 11. Procédé de sécurisation d'une machine de forage caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on dispose sur le sol à proximité de ladite machine des moyens formant un tapis destiné à être disposé sur le sol à proximité du point d'action dans le sol de l'outil de forage, ledit tapis comprenant un matériau dont une propriété électrique est sensible à une pression exercée à la surface des moyens formant tapis; on mesure la valeur de ladite propriété électrique; on traite ladite mesure pour discriminer la présence éventuelle d'un opérateur sur lesdits moyens formant tapis; et on élabore un signal de commande lorsqu'on détecte la présence d'un opérateur sur les moyens formant tapis.