Décrypter le code du forage de roches dures : la technologie DTH révolutionnaire.
Selon les conditions géologiques de la zone de construction, il existe quatre principales méthodes de forage couramment utilisées par les appareils de forage, comme le montre la figure 1.
a. Des têtes rotatives pneumatiques ou hydrauliques combinées à un équipement d'impact transmettent l'énergie de rotation et d'impact par le haut de latige de forage, transmettant de l'énergie au trépan par ondes de choc dans la tige de forage. Cette méthode est limitée aux petits diamètres et aux faibles profondeurs et est généralement utilisée dans les carrières, les chantiers de construction et les exploitations minières souterraines.
b.Marteaux fond de trou (DTH) Situés au pied du train de tiges, les foreuses fond de trou sont alimentées par de l'air comprimé. L'air comprimé pénètre dans le fond de trou par le train de tiges, entraînant un piston dans un mouvement alternatif qui impacte directement le trépan et transfère l'énergie d'impact à la roche. Ce système, qui présente une perte de puissance minimale, est particulièrement adapté aux trous profonds, aux trous droits et aux roches mi-dures.
c.Forage à circulation inverse (RC)Le forage DTH utilise le DTH pour prélever et transporter des échantillons de roche depuis la face du trépan. Les déblais secs et non contaminés sont acheminés par le tube central du DTH vers un dispositif de prélèvement d'échantillons, en vue de l'analyse géologique.
d. Un réducteur entraîné par des moteurs hydrauliques ou électriques forme une tête motrice rotative, appliquant une force d'avance suffisante au trépan à trois cônes grâce à un système d'avance qui monte et descend sur la foreuse et une tige de forage à paroi épaisse. Cette méthode est utilisée pour les roches tendres ou les roches dures fortement jointives.
- Principes et caractéristiques du DTH
Les formations forées par forage DTH sont presque entièrement capables d'inclure toutes les roches ignées, métamorphiques et sédimentaires, mi-dures ou plus dures. Le DTH est particulièrement avantageux pour le forage des roches dures et des strates tenaces, car ces roches ont tendance à être cassantes. Sous l'effet des charges d'impact, des fractures se produisent non seulement au point d'impact direct, mais créent également une zone de fracture, produisant des fragments de roche plus gros. La vitesse de forage est ainsi nettement supérieure à celle du forage rotatif pur. Le modèle mécanique de la figure 2 illustre les différentes charges agissant sur la roche lors du forage rotatif à impact.
De plus, le forage fond de trou (DTH) est très efficace dans les formations sujettes aux déviations de forage, telles que les strates présentant un litage et une foliation bien développés, ou les couches rocheuses de dureté inégale et de nombreuses fractures. Il permet de réduire considérablement les déviations de forage et de surmonter les difficultés de forage à travers les couches de gravier et les bancs de blocs rocheux.
Le forage fond de trou a été développé à la fin du XIXe siècle et a une histoire de plus d'un siècle. Bien qu'il existe de nombreux types de foreuses fond de trou, elles partagent une caractéristique commune : le mécanisme d'impact et le trépan sont tous deux immergés dans le trou de forage, la rotation combinée à l'impact brisant la roche. Les équipements utilisés pour générer la force d'impact peuvent être classés selon leur mode d'entraînement : pneumatique, hydraulique, à pression d'huile, électrique et mécanique.
L'énergie d'impact subissant des pertes importantes lors de sa transmission, ce qui peut endommager considérablement les composants impactés, il est généralement nécessaire, lors des opérations de forage plus profond, que l'équipement pénètre dans le trou de forage avec l'outil de forage, afin que la force d'impact puisse agir directement sur le trépan ou le carottier. Cela minimise les pertes d'énergie lors de la transmission, améliore l'efficacité énergétique et réduit le risque de pannes de l'équipement de fond.
Le DTH pneumatique, également connu sous le nom de DTH à entraînement pneumatique, est disponible dans de nombreux types de structures et méthodes de classification.
- Par pression nominale : types haute pression, moyenne pression et basse pression.
- Par structure globale : types non traversants et traversants.
- Par principe de fonctionnement de la vanne : type de vanne de régulation, type de vanne libre et type de vanne hybride.
- Par structure de piston : types de piston à diamètre égal, piston à diamètre inégal et piston tandem.
- Par type de distribution d'air : DTH à soupapes et DTH sans soupapes. Les DTH à soupapes peuvent être subdivisés en soupapes à plaque, à disque et à soupape cylindrique, tandis que les DTH sans soupapes peuvent être divisés en types d'échappement à tige centrale, à distribution d'air à piston et à distribution d'air combinée par piston, cylindre et tige centrale.
- Méthode de lavage par trou et de décharge des scories : lavage du trou central, lavage du trou avant et lavage du trou latéral.
2. Détermination des schémas structurels du mécanisme d'impact
2.1 Mécanisme d'impact sans soupape à alimentation automatique en gaz du piston
Ce type de mécanisme d'impact utilise principalement les passages de gaz du piston lui-même pour l'alimentation en gaz, ce qui crée une structure complexe avec de nombreux canaux de gaz, réduisant ainsi sa résistance et sa durée de vie. Cependant, ce mécanisme d'impact intègre les cylindres intérieur et extérieur, augmentant ainsi la surface de travail effective du piston et augmentant l'énergie d'impact du mécanisme.
2.2 Mécanisme d'impact sans soupape à alimentation en gaz combinée piston et cylindre
Ce type de piston présente une structure simple et facile à fabriquer, une durée de vie du piston plus longue et des orifices de gaz situés à la fois sur le cylindre et sur le piston. Cette structure est largement utilisée à l'étranger.
2.3 Mécanisme d'impact sans soupape d'alimentation en gaz du tuyau central
Dans ce mécanisme, les conduits d'admission d'air des chambres supérieure et inférieure sont disposés sur le tube circulaire où coulisse le piston. Ce mécanisme exige une grande précision de fabrication et la durée de vie du tube central est relativement courte.
2.4 Mécanisme d'impact d'échappement latéral
L'échappement latéral signifie que les gaz d'échappement sortent du corps du cylindre plutôt que de passer par le centre du trépan jusqu'au fond du trou. Ce type de mécanisme d'impact comporte généralement de nombreuses voies d'admission et d'échappement sur le corps du cylindre, ce qui entraîne une faible résistance structurelle, un risque de fissures de fatigue longitudinales et une perte de pression d'air importante, ce qui entraîne une élimination des débris et un refroidissement du trépan sous-optimaux.
2.5 Mécanisme d'impact d'échappement central
Ce type de mécanisme d'impact expulse les débris et les gaz directement du centre du trépan vers le fond du trou. Le flux d'air direct améliore non seulement l'élimination des débris, mais aussi l'efficacité du forage et le refroidissement, prolongeant ainsi la durée de vie du trépan. Ce type de structure remplace les nombreuses rainures longitudinales du cylindre intérieur des mécanismes d'impact à échappement latéral par une rainure annulaire, réduisant ainsi considérablement la concentration des contraintes dans le cylindre intérieur. Cette structure est devenue largement adoptée ces dernières années.
Mécanisme d'impact du piston de la série 2.6
Le mécanisme d'impact à pistons en série, également appelé impacteur à double piston (tête), divise le cylindre en deux chambres grâce à une bague d'isolation. Cette conception permet aux deux faces du piston de travailler simultanément dans le même diamètre d'alésage, ce qui se traduit par une puissance et une fréquence d'impact accrues. De plus, un double système d'échappement élimine efficacement la poussière de roche du fond du trou. Cependant, son principal inconvénient réside dans sa structure complexe et la nécessité d'une grande précision dans l'usinage des pièces ; par exemple, le piston comporte jusqu'à cinq surfaces de contact avec les composants associés, ce qui limite son application et son développement. Par conséquent, cette conception adopte la deuxième option, à savoir le mécanisme d'impact sans soupape avec alimentation en gaz combinée du piston et du cylindre. Sa structure est illustrée à la figure 3.
3. Analyse théorique et calculs pertinents pour DTH
3.1 Sélection des paramètres de fonctionnement**
3.1.1 Longueur et poids du marteau : La conception préliminaire spécifie une longueur inférieure à 4 500 mm et un poids inférieur à 2 500 kg.
3.1.2 Diamètre du marteau : Le diamètre du marteau approprié est déterminé en fonction du diamètre de perçage, fixé à 540 mm.
3.1.3 Diamètre de forage : Il s'agit du diamètre du trou du pieu, généralement compris entre 550 mm et 600 mm.
3.1.4 Profondeur de forage : Selon les exigences de conception des pieux, celle-ci se situe généralement entre plusieurs dizaines de mètres et une centaine de mètres.
3.1.5 Vitesse de forage : Le forage DTH fonctionne généralement à de faibles vitesses de rotation, généralement entre 7 et 25 tr/s.
3.1.6 Couple de rotation : Le couple maximal pour cette conception est fixé à 150 kN·m.
3.2 Calcul des paramètres de conception
Les paramètres de conception pour DTH, en particulier les paramètres de performance de l'équipement d'impact DTH, servent de base à la conception de la machine et définissent les performances de l'équipement fabriqué.
3.2.1 Pression de conception P pour les équipements à impact
En Chine, une pression de 0,49 MPa (environ 5 × 10^5 Pa) est généralement choisie comme norme de conception pour les équipements d'impact pneumatiques. Étant donné que le DTH utilisé pour cette conception est un dispositif d'impact sans valve, doté d'un grand diamètre de perçage et d'un piston lourd, une pression d'air plus élevée améliorera encore les performances. De plus, les compresseurs d'air haute pression sont de plus en plus courants et, conformément à la norme internationale ISO 5941-1979, une pression de conception de 1,6 MPa est retenue.
3.2.2 Puissance d'impact
Pour les foreuses fond de trou de grand diamètre, l'énergie d'impact nominale peut varier considérablement. L'énergie d'impact pour cette conception est calculée comme suit :
3.2.3 Fréquence d'impact
En général, à énergie d'impact constante, la fréquence d'impact est proportionnelle à la puissance de sortie de l'impacteur. Cependant, lorsque le diamètre du cylindre est fixe, l'augmentation de la fréquence d'impact nécessite une réduction de la course du piston, ce qui diminue la puissance d'impact. Une fois la puissance d'impact inférieure à un certain seuil, l'augmentation de la fréquence ne permet pas d'obtenir des résultats satisfaisants en matière de concassage de roche. Le choix de la fréquence d'impact est donc limité par la puissance d'impact.
Pour un impacteur DTH pneumatique fonctionnant à une pression nominale de 0,5 MPa, la fréquence ne doit pas dépasser 16,8 Hz. Comme le DTH fonctionne à des pressions nominales comprises entre 0,5 et 2,5 MPa, la fréquence d'impact peut varier considérablement. La fréquence initiale de l'impacteur peut être calculée comme suit :
f = 10,4 + 7,6P
(2) où P est la pression d'alimentation du système. Pour cette conception, P = 1,6 MPa, donc :
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Conception des paramètres structurels
Les principaux paramètres structurels du DTH comprennent le diamètre de l'alésage du cylindre, la course et les dimensions du piston. L'augmentation du diamètre du cylindre permet d'améliorer la puissance et la fréquence d'impact ; il est donc important de maximiser le diamètre dans les limites de la structure. En règle générale, la différence entre le diamètre extérieur et le diamètre de l'alésage du DTH ne doit pas être inférieure à 15 à 20 mm, et l'enveloppe extérieure du DTH ne doit pas être trop fine. Par conséquent, le rapport entre le diamètre du cylindre et le diamètre de forage du DTH est généralement supérieur à 0,5.
3.3.1 Diamètre de travail du cylindre et course structurelle
Le diamètre de travail D du cylindre peut être calculé comme suit :
D = K × D(alésage) = (0,57 - 0,68) × D(alésage) (3)
Pour cette conception, D(alésage) = 600 mm, donc D est pris égal à 360 mm. La course structurelle S est prise empiriquement égale à S = 500 mm.
3.3.2 Masse du piston
Les dimensions radiales du piston sont limitées par la taille et la structure du cylindre, ce qui permet d'utiliser des pistons de diamètres identiques ou différents. Les dimensions linéaires dépendent du poids du piston, qui est également lié à sa vitesse lors de l'impact avec le trépan. Par conséquent, la détermination des dimensions structurelles du piston est un aspect complexe de la conception d'un foret fond de trou. La masse du piston fond de trou peut être estimée comme suit :
m = 0,0205D^2,84 (4)
où m est la masse du piston en kg ; D est le diamètre de travail du cylindre en cm.
En remplaçant D = 36, on obtient : m = 540 kg.
Le foret fond de trou est principalement constitué d'une structure de transmission de couple et d'un mécanisme d'impact pneumatique. La structure de transmission de couple relie la tige de forage au foret fond de trou, transmettant les forces de coupe et de traction rotatives ; le mécanisme d'impact pneumatique génère l'impact, fournissant la puissance axiale au foret à percussion. La figure 3 présente les détails de la structure.
La structure de transmission du couple relie la tige de forage à l'impacteur. Le joint supérieur est relié à la tige de forage et à l'impacteur par des filetages, principalement pour assurer l'étanchéité au gaz tout en transmettant le couple et la force de traction. Le clapet anti-retour, commandé par un ressort, empêche la boue et l'eau de pénétrer dans l'impacteur et la tige de forage. Le siège d'admission d'air, associé à la tige d'alimentation en gaz, permet d'introduire de l'air comprimé dans le cylindre, facilitant ainsi l'alimentation en gaz avec le cylindre et le piston, assurant ainsi une alimentation en gaz combinée. La bague de sécurité du ressort empêche le piston de glisser hors du cylindre lors du remplacement du trépan.
3.4 Analyse par éléments finis du trépan DTH
Le foret fond de trou est soumis aux forces d'impact du piston et au couple de la tête d'entraînement. La force exercée sur le piston par l'air comprimé est donnée par :
F = P × S (5)
où P est la pression du système en Pa ; S est la surface de force du piston en m².
Ainsi, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134 400 N.
Par conséquent, la force d'impact sur le foret est :
F' = kF (6)
où k est le coefficient d'impact ; F est la force exercée sur le trépan par l'air comprimé en N. Ainsi, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Le couple appliqué au trépan fond de trou par la tête d'entraînement est de N = 150 kN. Une analyse par éléments finis est réalisée en appliquant F' = 2688 kN et N = 150 kN au trépan tout en fixant sa face inférieure, et en utilisant un matériau QT500-7 d'une limite d'élasticité de 320 MPa. Les conditions de charge et de contrainte spécifiques ainsi que la division du maillage sont présentées aux figures 4 et 5.
Les résultats de l'analyse par éléments finis sont présentés dans la figure 6, indiquant que la contrainte maximale est de 144,355 MPa, ce qui est inférieur à la limite d'élasticité du QT500-7 (320 MPa), répondant ainsi aux exigences.