Déchiffrer le code du forage dans les roches dures : la technologie DTH qui change la donne.
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.
un. Les têtes rotatives pneumatiques ou hydrauliques combinées à un équipement d'impact transmettent l'énergie de rotation et d'impact par le haut dutige de forage, fournissant de l'énergie au trépan via des 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 opérations minières souterraines.
b.Marteaux fond de trou (DTH) sont situés au bas du train de tiges. L'air comprimé pénètre dans le DTH par le train de tiges de forage, entraînant un piston dans un mouvement alternatif qui impacte directement le trépan, transférant l'énergie d'impact à la roche. Ce système présente une perte de puissance minimale et est particulièrement adapté aux trous profonds, aux trous droits et aux roches moyennement dures.
c.Forage à circulation inverse (RC)utilise DTH pour collecter et transporter des échantillons de roche depuis la face du trépan. Les déblais secs et non contaminés sont acheminés à travers le tuyau central du DTH vers un dispositif de collecte d'échantillons, en préparation pour l'analyse géologique.
d. Une boîte de vitesses entraînée par des moteurs hydrauliques ou électriques forme une tête motrice rotative, appliquant une force d'alimentation suffisante au trépan à trois cônes via un système d'alimentation qui se déplace de haut en bas sur l'appareil de forage et une tige de forage à paroi épaisse. Cette méthode est utilisée pour les roches plus tendres ou les roches dures fortement jointées.
- Principes et caractéristiques du DTH
Les formations forées avec DTH sont presque entièrement capables d'inclure toutes les roches ignées, les roches métamorphiques et les roches sédimentaires moyennement dures ou plus dures. Le DTH est particulièrement avantageux pour le forage de roches dures et de strates dures, car les roches dures ont tendance à être fragiles. Sous les charges d’impact, les fractures se produisent non seulement au site d’impact direct, mais créent également une zone brisée, entraînant des fragments de roche plus gros. Ainsi, la vitesse de forage est nettement plus rapide que 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 DTH (Down-the-Hole) est très efficace dans les formations sujettes à la déviation du trou de forage, telles que les strates avec une stratification et une foliation bien développées, ou des couches rocheuses avec une dureté inégale et de nombreuses fractures. Il peut réduire considérablement la déviation du forage et également surmonter les difficultés de forage à travers les couches de gravier et les lits de blocs.
Le forage DTH a été développé à la fin du 19e siècle et a une histoire de plus d'un siècle. Bien qu'il existe de nombreux types de foreuses DTH, elles partagent une caractéristique commune : le mécanisme d'impact et le trépan sont immergés dans le trou de forage, avec une rotation combinée à un impact pour briser la roche. Les équipements utilisés pour générer la force d'impact peuvent être classés selon leur méthode d'entraînement en types pneumatiques, hydrauliques, à pression d'huile, électriques et mécaniques.
Étant donné que l'énergie d'impact subit une perte importante lors de la transmission et peut causer des dommages importants aux composants impactés, il est généralement requis dans les opérations de forage plus profondes que l'équipement pénètre dans le trou de forage avec l'outil de forage, afin que la force d'impact de sortie puisse agir directement sur le trépan. ou carottier. Cela minimise les pertes d'énergie pendant le transport, améliore l'efficacité énergétique et réduit le risque de pannes d'équipement de fond de trou.
Le DTH pneumatique, également connu sous le nom de DTH pneumatique, se décline en de nombreux types structurels 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 pistons de diamètre égal, de pistons de diamètre inégal et de pistons tandem.
- Par type de distribution d'air : DTH avec vanne et DTH sans vanne. Le DTH avec valve peut être subdivisé en types de valve à plaque, de valve à disque et de valve cylindrique, tandis que le DTH sans valve peut être divisé en type d'échappement à tige centrale, type de distribution d'air à piston et distribution d'air combinée par piston, cylindre et tige centrale.
- Par méthode de lavage des trous et d'évacuation 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 piston d'auto-alimentation en gaz
Ce type de mécanisme d'impact utilise principalement les passages de gaz dans le piston lui-même pour l'alimentation en gaz, ce qui donne lieu à une structure de piston complexe avec de nombreux canaux de gaz, ce qui réduit la résistance et la durée de vie du piston. Cependant, ce mécanisme d'impact intègre les cylindres intérieur et extérieur, augmentant ainsi la zone de travail effective du piston et améliorant l'énergie d'impact du mécanisme.
2.2 Mécanisme d'impact sans soupape d'alimentation en gaz combinée à piston et à cylindre
Ce type présente une structure simple, facile à fabriquer, a une durée de vie du piston plus longue et les trous de gaz sont situés à la fois sur le cylindre et le piston. Cette structure est largement utilisée à l’étranger.
2.3 Mécanisme d'impact sans soupape dans le tuyau central d'alimentation en gaz
Dans ce mécanisme, les passages d'admission d'air pour les chambres supérieure et inférieure sont disposés sur le tuyau circulaire où coulisse le piston. Cela nécessite une grande précision de fabrication et a une durée de vie relativement courte pour le tube central.
2.4 Mécanisme d'impact d'échappement latéral
Ce que l'on appelle l'échappement latéral signifie que le chemin des gaz d'échappement sort du corps du cylindre plutôt que de passer par le centre du foret 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 importante de pression d'air, ce qui entraîne une élimination des débris et des effets de refroidissement sous-optimaux pour le trépan.
2.5 Mécanisme d'impact d'échappement central
Ce type de mécanisme d'impact expulse les débris et les gaz directement du centre du foret vers le fond du trou. Le flux d'air direct améliore non seulement l'efficacité de l'élimination des débris, mais améliore également l'efficacité du forage et le refroidissement, prolongeant ainsi la durée de vie du foret. Ce type de structure remplace les nombreuses rainures longitudinales du cylindre intérieur des mécanismes d'impact d'échappement latéraux par une rainure annulaire, réduisant considérablement la concentration des contraintes dans le cylindre intérieur. C’est devenu une structure largement adoptée ces dernières années.
Mécanisme d'impact à piston série 2.6
Le mécanisme d'impact à piston en série, également connu sous le nom d'impacteur à double piston (tête), divise le cylindre en deux chambres à l'aide d'un anneau 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 d'impact et une fréquence d'impact plus élevées. En conséquence, il existe un système d'échappement double qui élimine efficacement la poudre de roche du fond du trou. Cependant, son principal inconvénient est sa structure complexe et la nécessité d’une grande précision dans l’usinage des pièces ; par exemple, le piston possède jusqu'à cinq surfaces de contact avec des composants associés, ce qui limite son application et sa promotion. Par conséquent, cette conception adopte la deuxième option, qui est le mécanisme d’impact sans soupape avec alimentation en gaz combinée à piston et à cylindre. Sa structure est illustrée à la figure 3.
3. Analyse théorique et calculs pertinents pour le 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, elle est généralement comprise 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 r/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 du 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 percussion
En Chine, une pression de 0,49 MPa (environ 5 × 10^5 Pa) est largement choisie comme norme de conception pour les équipements à percussion pneumatique. Étant donné que le DTH de cette conception est un dispositif à impact sans valve avec un grand diamètre de forage et un piston lourd, une pression d'air plus élevée améliorera encore les performances. De plus, les compresseurs d'air à 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 sélectionnée.
3.2.2 Puissance d'impact
Pour les DTH utilisés pour forer des trous de grand diamètre, l’énergie d’impact de conception peut fluctuer considérablement. L'énergie d'impact pour cette conception est calculée comme suit :
3.2.3 Fréquence des impacts
Généralement, sous 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 à son tour diminue la puissance d’impact unique. Une fois que la puissance d’impact unique tombe en dessous d’un certain seuil, l’augmentation de la fréquence ne donnera pas de résultats de bris de roche satisfaisants. Ainsi, le choix de la fréquence d’impact est limité par la puissance d’impact.
Pour un DTH pneumatique fonctionnant à une pression de conception de 0,5 MPa, la fréquence ne doit pas dépasser 16,8 Hz. Étant donné que le DTH fonctionne à des pressions de conception comprises entre 0,5 et 2,5 MPa, la fréquence d'impact peut varier considérablement. La sélection initiale de la fréquence de l'impacteur peut être calculée comme suit :
f = 10,4 + 7,6P
(2) où P est la pression d’alimentation du système. Pour ce dimensionnement, 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 du piston et les dimensions du piston. L'augmentation du diamètre du cylindre peut améliorer à la fois la puissance et la fréquence d'impact, de sorte que le diamètre doit être maximisé dans les limites de la taille structurelle. En règle générale, la différence entre le diamètre extérieur du DTH et le diamètre de l'alésage 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 DTH et le diamètre de forage est généralement supérieur à 0,5.
3.3.1 Diamètre de travail du cylindre et course structurelle
Le diamètre utile 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 comme 360 mm. La course structurelle S est empiriquement prise comme S = 500 mm.
3.3.2 Masse des pistons
Les dimensions radiales du piston sont limitées par la taille et la structure du cylindre, permettant des pistons de diamètre égal ou différent. Les dimensions linéaires dépendent du poids du piston, qui est également lié à la vitesse qu'il a lors de la frappe du foret. Par conséquent, la détermination des dimensions structurelles du piston est un aspect complexe de la conception DTH. La masse du piston DTH peut être estimée comme suit :
m = 0,0205D^2,84 (4)
où m est la masse du piston en kg ; D est le diamètre utile du cylindre en cm.
En remplaçant D = 36, on obtient : m = 540 kg.
Le DTH se compose principalement 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 et le DTH, transmettant les forces de coupe et de traction en rotation ; le mécanisme d'impact pneumatique génère un impact, fournissant une puissance axiale au foret à percussion. Les détails spécifiques de la structure sont présentés dans la figure 3.
La structure de transmission de couple relie la tige de forage et l'impacteur. Le joint supérieur se connecte à la tige de forage et à l'impacteur via des filetages de tuyaux, principalement pour assurer l'étanchéité aux gaz tout en transmettant également le couple et la force de traction. Le clapet anti-retour empêche la boue et l'eau de pénétrer dans l'impacteur et la tige de forage, contrôlé par un ressort. Le siège d'admission d'air avec la tige d'alimentation en gaz a pour fonction d'introduire de l'air comprimé dans le cylindre, facilitant ainsi l'action d'alimentation en gaz avec le cylindre et le piston, réalisant ainsi une alimentation en gaz combinée. L'anneau de sécurité à ressort empêche le piston de glisser hors du cylindre lors du remplacement du foret.
3.4 Analyse par éléments finis du foret DTH
Le foret DTH 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.
La force d’impact sur le foret est donc :
F' = kF (6)
où k est le coefficient d'impact ; F est la force exercée sur le foret par l'air comprimé en N. Ainsi, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Le couple appliqué au foret DTH par la tête d'entraînement est N = 150 kN. En appliquant F' = 2 688 kN et N = 150 kN au trépan tout en fixant la face d'extrémité inférieure du trépan, et en utilisant le matériau QT500-7 avec une limite d'élasticité de 320 MPa, une analyse par éléments finis est effectuée. Les conditions spécifiques de chargement et de contrainte ainsi que la division du maillage sont présentées dans les 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.