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La présente invention est relative à un appareil de perforation actionné par air comprime particulièrement désigné pour la perforation des roches et autres matières dures similaires.
Le forage classique des roches est réalisé par un mécanisme actionné par air comprimé communiquant une série ' d'impacts de percussion à un trépan qui fore un trou dans la roche par désintégration, réduction en fragments et pulvérisation du volume entier de la roche enlevée du trou.
La pulvérisation du volume entier de la roche du trou est un gaspillage d'énergie et de force motrice étant donné que le même trou peut être foré par découpage et enlè- vement d'une'carotte ou noyau de roche sous forme d'une masse sensiblement entière en évitant ainsi la dépense d'énergie u- tilisée à la pulvérisation de la carotte de roche. En outre, dans certains forages, il est préférable que la roche enle- véé du trou soit obtenue sous forme relativement pleine plu- tôt qu'à l'état pulvérisé,
Jusqu'à présent, les sondes ou foreuses classiques ont été du type à rotation lente dans lequel un.outil e3t sou- mis à rotation lente et enfoncé sous pression constante dans le sol.
De telles foreuses présentent une vitesse de forage -beaucoup plus faible dans la roche que la foreuse ou perfora- teur de roches classique du type à percussion. En outre, ce type 'de foreuse comporte généralement un logement ou cavité
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s'ouvrent vers,le haut sur une courte longueur au-dessus de l'extrémité coupante de l'outil ou trépan pour recevoir le noyau lorsque le trépan pénètre dans le sol. Cette longueur limitée de logement ou cavité du trépan est un inconvénient étant donné qu'elle oblige à remonter pério- diquement le) trépan du trou en coure de forage pour vider le logeant du noyau avant de poursuivre le forage.
' La présente invention a pour objet principal une foreuse ' ou perforateur de roches qui allie la vitesse élevée de òrage des perforateurs classiques aux avanta- ges n'un trépan à noyau en éliminant les désavantages des trépans à noyau antérieurs.
La présente invention a, en outre, pour objets, un perforateur de roches qui découpe une entaille ou rai- nure annulaire délimitant un noyau ou carotte qui peut être enlevée sous forme d'une masse sensiblement entière ; untrépan à noyau qui ait une vitesse de forage comparable à celles des perforateurs de roches à percussion; un tré- pan à noyau qui soit enfoncé dans le sol par percussion; un trépan à noyau qui ne doive pas être périodiquement vidé de son noyau au cours du forage; un perforateur de roches plus économe d'énergie que les perforateurs antérieure;
un appareil de forage ou de perforation des roches nou- veau, compact, efficace et rapide,
En résumé, ces objets sont réalisés par un appa- reil de forage comportant un outil creux monté à l'extrémi- té avant d'une tige creuse allongée d'acier et une tête motrice reliée à l'extrémité arrière de la tige et la por- tant, cette tête motrice agissant par application d'une
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sériel d'impacts de percussion rapides à la tige et la l'ou.
fil, et par rotation lente simultanée de la tige et de l'outil de sorte que l'appareil de forage découpe une en- tailla ou rainure annulaire dans le sol et que la carotte résultante de sol s'élève dans un évidemont contrai s'é- tendait à travers l'outil,la tige et la tête motrice, L'appareil de forage est, en outre équipa d'un dispositif d'application d'une force axiale uniforme et contrôlée à l'outil développant une poussée qui applique l'outil contre le fond du trou de talon continue au cours de l'opération de forage* la présente invention est décrite ci-après , en.
référence aux dessina annexée dans lesquels t .. la figure est une vue en élévation quelque peu schématique de l'appareil de forage suivant la présente invention, certaines parties étant enlevées; la'figure 2test une vue plan dessus la figure 2 'est une vue en plan de dessus de l'appareil représenté à la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe axiale , réa- lisée à une échelle agrandie, de l'appareil de forage de la figure 1; - la figure 4 est une vue agrandie partielle de l'appareil de la figure 1 observé dans le sens des flèches
4-4; la figure 5 est une vue en coupe réalisée sui- vaut la ligne 5-5 de la figure 3; la figure 6 est une vue en coupe réalisée suivant la ligne 6-6 de la figure 3;
- la figure 7 est une vue en coupe axiale mon- trant la tige et l'outil forant un trou dans le soit
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' PERFORATEUR
Le perforateur 7 comporte une tête motrice 8 comprenant un support également désigné par la notation de référence 8, 'une tige ou barre creuse de forage 9 fixée à son extrémité arrière ou emmanchement à la tête motrice 8 et un outil circulaire ou couronne de forage 10 fixé à l'extrémité avant de la tige de forage 9. La tête motrice 8 applique une série d'impacts de percussion à la tige de forage 9 et l'entraîne simultanément en rotation pendant le forage du trou dans le sol.
Le support 8 de la tête motrice comporte un cy- lindre 12 contenant un marteau ou piston creux 12 en forme de T se déplaçant en mouvement de va-et-vient dans le cy- lindre. le piston comporte une tête élargie, également notée 13,glissait sur la paroi du cylindre 12 et une douil- le antérieure 14 de diamètre plus faible glissant dans un manchon cylindrique 15 fixé à l'extrémité antérieure du cylindre 12. La douille de piston 14 est cannelée,
extérieu- rement et le manchen 15 comporte des échappements 16 pout éviter l'établissement d'une pression d'air devant la douil- le de piston 14 pendant son mouvement de va-et-vient dans le manchon 15. Le manchon 15 et la douille de piston 14 ferment levant du cylindre 12 et constituent une chambre de retrait! 17 du. piston, disposée entre la tète de piston 13 etle manchon 15.
L'extrémité postérieure du cylindre 12 est fermée par un siège de valve à lames vibrantes multiples 19 soli- daire du cylindre 12, Le siège de valve 19 comporte un dis- que antérieur,! également'noté 19, un disque postérieur il!
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perforé 20 disposé en arrière du disque avant 19
3t une lame de valve vibrante en forme de rondelle 21 pla- -.de entre les deux disques 19 et 20, Le siège de valve 19 est fixé dans le cylindre 12 par une tête postérieure 22 montée à l'extrémité du cylindre 12, Le siège de valve 19 délimite une chambre de propulsion 23 du piston disposée entre la tête de piston 13 et le siège de valve 19.
Un tube creux 24 s'étend à travers la tête pos- térieure 22, le siège de valve 19 et le piston 13, Pour fermer l'intérieur de la chambre de propulsion du piston 23, Le piston 13 glisse dans le tube 24 en contact d'em- boitement mobile, le tuba 24 est maintenu en place au moyen d'une saillie annulaire élargie 25 qui est disposée entre les deux plaques du siège de valve 19 et, est fixée à la tête postérieure 22 au moyen d'un joint annulaire 26 qui est disposé dans une rainure intérieure de la tête postéri- eure 22 et encercle étroitement le tube 24,
Le piston 13 est animé d'un mouvement de va-et-vient dans le cylindre 12 au moyen d'air comprimé qui est four- ni à travers 1' admission 27 dans la tâte postérieure 22 et est admis elternativement dans la chambre-de propulsion ;
23 et dans la chambre de retrait 17,par la lame de valve vibrante Si La valve vibrante 21 ferme alternativement une ouverture 28 ménagée dans la plaque antérieure 19 du siège de valvo conduisant à la chambre de propulsion 23 et un ori- fice 29 traversant le disque 19 du siège de valve et le bloc
8 pour communiquer avec la chambre de retrait antérieure 17.
L'air est évacué du cylindre 12 à travers un orifice de sor- tie 30 disposé dans le cylindre 12 approximativement à mi- chemin de la course de va-et-vient du piston 13.
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Le fonctionnement du piston 13 et' de la valve vibrante 21 est bien connu dans la technique, La valve 21 est actionnée par courant ce qui signifie qu'elle est mise en mouvement ou basculée, entre deux positions alternées fermant l'un ou l'autre des orifices 28 et 29, par réduction subite de la pression dans celui des orifices qui est ouvert, ce qui résulte de l'échappement de l'air de la chambre du piston reliée à ce passage ouvert.
En d'autres mots, lorsque la valve 21 est dans la position représentée à la figure 3, elle admet de l'air comprimé dans la chambre de retrait 17, ce qui provoque le déplacement vers l'arrière du pis- ton 13, Lorsque l'orifice de sortie 30 n'est pas recouvert par le piston 13, la pression de l'air dans la chambre de retrait 17 et dans l'orifice communiquant 29 tombe subitement, créant une différence de pression sur les faces opposées de la valve 21 qui,applique ou bascule la valve et obture ainsi l'orifice 29.
Au même moment, le mouvement de retrait vers l'arrière du piston 13 dans le cylindre 12 comprime l'air dans la chambrer de propulsion 23, ce qui contribue à ap- pliquer la valve 21 dans l'autre position.
Dans la nouvelle position de la valve 21, l'air comprimé est/admis dans la chambre de propulsion 23 à travers l'orifice 28, ce qui provoque le renversement du mouvement du piston 13 et donne naissance à un impact de propulsion, ,
Le bloc de tête d'entraînement 8 porte une tête de frappe creuse34 dans laquelle glisse l'extrémité avant du tube 24, ce bloc 8 est monté en avant du manchon 15 pour limiter son mouvement de glissement axial. La tête de frap- pe creuse 34 est alignée axialement sur le piston 13 et dis-
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posée de telle sorte qu'elle soit frappée par le piston %dans sa course de frappe.
Par conséquent, le piston 13 en mouvement de va-et-vient applique une suite rapide d'impacts de persuasion ou de coupp de marteau à la tête de frappe
34 dans un sens d'avancement axial,
La tête de frappe 34 est montée à glissement et concentriquement au manchon tournant 35 qui est monté de façon rotative dans des coussinets à rouleaux 36'disposé dans le bloc de tête d'entraînement 8, En outre, la tête de frappe 34 est calée ou clavetée dans le manchon 35 au moyen de clavettes extérieures 37 engagées dans des rainu- res correspondantes du manchon 35, de sorte que la rotation du manchon 35 entraîne la rotation correspondante de la tête de frappe 34.
la course de va-et-vient de la tête de frappe 34 est limitée par un élargissement annulaire en saillie 38 faisant partie intégrale de l'extrémité postérieure de la tête de frappe 34' et glissant dans un espace annulaire 39 disposé entre l'avant du manchon 15 et aan épaulement inté* rieur 40 du manchon 35*
Le bloc de tête d'entraînement 8 comporte une grande chambre où espace 41 de logement d'un engrenage en- tourant et contenant le moyeu 35 et le coussinet 36.
Une grande couronne dentée 42 est logée dans la chambre à - engrenage 41 et est fixée et calée sur le manchon 35, La cou- ronne dentée 42 est entraînée par un pignon 43 tourillonné dans le bloc de tête d'entraînement 8, de façon à être adja- cent à la périphérie de la couronne dentée 42, Le pignon
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43 est entraîné par un moteur classique 44 à air comprimé monté au? le bloc 8 et relié à une source d'air comprimé (non représentée),un rotor 46 et un groupe de pignons sa- tellites 47 relient le rotor 46 au pignon 43.
Etant donné que le moteur à air 44 et ses pignons satellites 47 sont de construction classique et bien connus dans la technique,ils ne seront pas décrits plus en détail.
Il est à noter que l'orifice de sortie 30 du cylin- dre 12 du pieton d'impact s'étend à travers le bloc 8 et dé- bouche dans la chambre 41 dans laquelle sont logés la couron- ne dentée 42 et!les pignons 43. L'air comprimé fourni à l'admis- sion 27 pour entraîner le piston 13 en mouvement de va-et- vient contient normalement do l'huile entraînée dans un but de lubrification et la sortie de l'huile entraînée de la chambre 41dans le logement de l'engrenage sert lubrifier les parties mobiles qui s'y trouvent,
La tige creuse de forage 9 se compose d'un ou plu- sieurs tronçons 50 de tubes à paroi mince reliés l'un à .l'autre par des joints filetés et vissés à l'extrémité avant
51 de la tête de frappe 34.
Ainsi qu'on peut le voir à la figure 3, l'extrémité antérieure 51 de la tête de frappe 34 est un élément de liaison* mâle fileté extérieurement qui se visse dans la partie postérieure filetée intérieurement de la tige de forage 1 9. De façon analogue, l'outil ou trépan creux 10 est fileté à son extrémité postérieure et se visse sur la! partie antérieure filetée extérieurement de la tige- de forage 9.
Une série de saillies tranchantes 52 s'étendant radialement, constituées d'une matière dure convenable telle
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que le'carbure de tungstène sont solidaires de l'extrémité antérieure du trépan 10. Ces saillies 52 sont espacées angu- lairement sur la périphérie antérieure du trépan et se pro- jettent alternativement vers l'intérieur et vers l'extérieur au-delà du périmètre intérieur, respectivement extérieur, du trépan, En d'autres mots, les saillies 52 sont disposées autour du trépan 10 en une succession telle que ces saillies alternées se projettent radialement vers l'intérieur au delà du périmètre intérieur du trépan 10 et que les autres saillies,disposées entre les saillies se projetant vers 1' intérieur ,
se projettent radialement vers l'extérieur au- delà du périmètre extérieur du trépan 10, de telle sorte que le trépen 10 découpe une entaille ou rainure qui soit plus large que la paroi du trépan pour laisser au trépan une ouverture lui permettant de traverser l'entaille annulaire au cours du,.forage. bzz¯ Suivant une autre forme d'exécution, plutôt que de sécaler les saillies tranchantes 52 ainsi qu'il est représenté dans les dessins, chaque saillie peut être prolongée suffisam- ¯ ment que pour se projeter radialement au-delà des périmètres intérieur $.1 extérieur d trépan 10.
Dans cette forcie d'exécution, la longueur de cha- 'que saillie correspondra à la largeur de la rainure annulai.* re découpée par le trépan,
Le trépan 10, la tige de forage 9, la tête de frappe 34- et le tube 24 sont alignés axialement pour ménager un pas- sage 54 de noyau central destiné à recevoir la carotte ou noyau de roche ou de sol au cours du forage, Etant donné que ce passage 54 est ouvert à con extrémité supérieure, il n'y a pas de limitation à la distance de parcours du noyau dans
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le passade au cours du forage.
Au cours du forage d'un trou, il faut prévoir cer- tains dispositifs d'enlèvement des fragments de roche ou de sol pulvérisés du fond de la rainure annulaire. Un mode de réalisation consiste à monter un électeur actionné à l'air (non représenté) à l'extrémité postérieure du tube 24 pour réaliser le vide dans le passage 54. Ce vide aspire l'air le long de l'extérieur de la tige de forage 9, autour de l'extré- mité antérieure du trépan 10 et vers le haut du passage 54, produisantainsi un courant d'air contre le fond.de la rainu- re annulaire capable de déblayer les fragments de terre ou de sol pulvérisé, d'aspirer ces fragments vers le haut du passage 54 et de les déverser à l'extrémité postérieure du passage.
Ou bien, la boue peut être aspirée le long de la tige et de forage 9/vers le haut/ du passage 54 pour déblayer les fragmenta du trou en jouta de forage. Un troisième procédé de déblaiement des fragments du trou en cours de forage con- @ siste à injecter à travers le passage central 54 de la boue .et de l'eau qui enlèvent les fragments au fond du trou et les emportent le long de la surface extérieure de la tige de forage 9.
Le trépan 10 comporte un dispositif classique d'ar- rêt du minerai 55 à bague fendue qui serre automatiquement le minerai lorsqu'il s'élève à travers le passage 54 et empêche le minerai de retomber à travers le trépan lorsque le perfo- ratur est retiré du trou à la fin d'une opération de forage,
Le trépan 10 est muni de parois intérieures qui sont légère- ment inclinées de façon à converger vers l'avant.
Le poids du minerai appliqué au dispositif d'arrêt du minerai 55 applique ce dernier vers le bas contre le trépan 10 et le périmètre in- térieur incliné du trépan 10 applique de façon encore plus ser- rée le dispositif d'arrêt du minerai contre le minerai, emp-
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chant ainsi le minerai de tomber lorsque le perforateur test retiré du trou tout en permettant au minerai,de s'élever libre- ment dans le passage 54.
SUPPORT DU PERFORATEUR
L'appareil de forage ou perforateur représente à la figure 1'dos dessins comporte une tour ou support 61 de fo- rage classique, portant une chaîne 62 d'avancementdu perfora- teur passant sur des roues-barbotins 63 et entraînée par un moteur convenable 64 monte-sur la tour de forage 61.
La tour de forage 61 comporte également une voie 65,constituée par une paire de cornières 66 s'étalant parallèlement et de part et d'autre d'un brin de la chaîne d'avancement 62, une aile de chaque cornière 66 s'étendant vers l'extérieur par rapport à la chaîne.62. Il est bien connu dans la technique que la tour
61 du perforateur peut prendre d'autres formes que celle re- ---présentée à la figure 1 et petit être montée sur un véhicule (non représenté) tel qu'un chariot ou un tracteur transpor- tant l'appareil de forage entre les emplacements de forage, DISPOSITIF DE DECALAGE DU PERFORATEUR
Un cylindre à air 68 est fixé solidairement au bloc de tête d'entraînement 8 et est monté de façon à glisser sur la voie 65;
au moyen d'une paire de profils en L formant glis- sières 69, entourant et recouvrant les ailes dirigées vers l'extérieur des cornières 66 de la voie 65,ainsi qu'il est représenté 4 la figure 2. Le cylindre à air 68 comporte un piston 70 à mouvement de va-et-vient dont la bielle de piston
71est articulée à un support 72 solidaire de la chaîne d'avan- cement 62. L'extrémité antérieure du cylindre 68 comporte une admission 73 reliée par tuyau à une source d'air comprimé
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capable d'appliquer une pression prédéterminée à l'extrémité antérieure du cylindre 68, ce qui provoque le décalage du cy- lindre 68 vers; l'avant par rapport au piston 70 et cet avec une force prédéterminée.
Cette pression d'air uniforme s'ob- tient normalement en utilisant une valve limitant la pression ou détendeur réglable (non représenté). L'extrémité postéri- eure du cylindre 68 comporte un échappement 74.
Ce cylindre 68 sert de liaison souple permettant le décalage du perforateur 7 et de la tour 61 du perforateur et agissant pour appliquer le perforateur 7 contre le trou en cours de forage avec une force uniforme et prédéterminée, indépendamment des mouvements de la chaîne d'avancement 62.
Il est très souhaitable que cette force de décalage du per- forateur conserve une valeur choisie sensiblement uniforme pour éviter d'endommager le trépan 10 et ses saillies 52, étant donné, qu'il est impossible de commander et de conserver une valeur choisie uniforme de la force d'inclinaison du perforateur en utilisant uniquement la chaîne d'avancement 62 pour appliquer la force au perforateur 7.
Par suite, la liaison par cylindre à air 68 est très importante en ce qui concerne le succès de l'utilisation de l'appareil de forage décrit dans le présent mémoire. t
FONCTIONNEMENT
Avant d'entamer l'opération de forage, la tour de forage 61 est amenée devant l'emplacement du trou à forer;
une tige de forage 9 et un trépan 10 sont vissés sur la tête d'en- traînement 8 et des tuyaux d'air convenables sont reliés à une source d'air comprimé et aux diverses admissions d'air de l'.ap-. pareil de forage, L'air comprimé, fourni à l'admission d'air
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73 du cylindre à air 68, passe dans une valve convenable li- mitant la pression (non représenté) qui peut être réglée pour maintenir la pression de l'aim dans le cylindre à air
68 à une valeur uniforme choisie.
Lorsque la mise en place de l'appareil de forage est terminée, le forage peut commencer. En premier lieu, le moteur 64 entraînant la chaîne devancement est mis en marche pour abaisser le perforateur 7 jusqu'à ce que l'outil de fo- rage ou trépan 10 prenne contact avec le sol et le piston de liaiso à air 70 est placé à mi-course environ dans le cylin- dre à air 68.
De l'air comprimé est admis dans le cylindre 68 à une pression choisie nécessaire pour décaler ou appliquer le perforateur vers le bas contre ,le aol avec la force voulue. ' [ la cylindre 68 continuera à appliquer cette force choisie au perforateur môme si le piston 70 se déplace vers l'arrière et vers l'avant dans le cylindre 68 au cours de l'avancement du perforateurs L'air comprise est admis au perforateur 7 et il en résulte que le piston 13 applique des impacts de percussion à la tête da frappe 34 et que le moteur à air 44 fait simulta- nément tourner la tète de frappe 34,
d'où il résulte que la tige de forage 9 et l'outil de forage ou trépan 10 sont simul- tanément soumis à rotation et frappés axialement dans le sol.
Par exemple, une vitesse de rotation.convenable pour une tige de forage de 150 mm de diamètre est de 30 tours par minute.
Il est entendu que le fonctionnement du moteur 64 d'entraîne- ment de la chaîne d'avancement faisant progresser le perfora- teur est en relation avec la vitesse du trou de telle sorte que le piston 70 de décalage du forage reste approximativement
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à mi-course dans,le cylindre à air 68. Il est prévu un dispo- sitif d'enlèvement des fragments de roche ou de sol du fond du trou, tel qu'un éjecteur, à l'extrémité postérieure du ty- pe 24 pour réaliser une aspiration dans le passage ou tube 54. la figure 7 illustre un forage type.
Tandis que le trépan 10 découpe une entaille annulaire notée 76, le trépan 10 et la tige de,forage 9 traversant axialement l'entaille 76 et le noyau résultant de sol, noté 77 à la figure 7, s'élè- ve dans le passade ou tube 54 du trépan 10 et de la tige de forage 9. Bans les conditions normales, les impacts du perfo- rateur 7 contre le fond du trou en cours de forage, brisent le noyau 77 on une série de segments séparés empilés au lieu de constitue? une colonne entière depuis le fend Jusqu'au sommet.
Par suite de la segmentation normale du noyau 77 lors de la formation de ce dernier, il peut s'élever dans le pas- sage 54 jusqu'à une hauteur quelque peu plus élevée que le sol entourant la tige de forage 9.
Au fur et à mesure que le perforateur 7 entame plus profondément le sol, la tête d'entraînement s'approche éven- tuellement de la surface'du sol. A ce moment, le forage est arrêté, la tige de forage 9 est détachée de l'extrémité anté- rieuro 51 de la tête de frappe et une longueur supplémentai- re 50 est ajoutée à la tige de forage 9 après quoi le forage peut reprendre, L'addition de longueurs de tige de forage 50 se répète jusqu'à ce que le trou foré atteigne la profondeur voulue.
Après quoi, le trépan est retiré du trou, ce qui a pour résultat, d'enlever également le noyau 77 du trou, ce résultat étant obtenu grâce à l'action de l'arrêt 55 du mine-
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irai qui saisit et empêche le minerai 77 de retomber de la ti- ge de forage 9.
Bien que dans le présent mémoire, une forme d'exé- cution préférée de la présente invention ait été; illustrée et décrite en détail, il est entendu que de nombreuses vari- antes et formes analogue? peuvent être réalisées sans sortir du cadre de la présente invention et, par conséquent, la présente invention n'est pas limitée à la forme d'exécution décrite,