CA1107519A

CA1107519A - Procedes de scellement des boulons de soutenement de mines et analogues

Info

Publication number: CA1107519A
Application number: CA316,178A
Authority: CA
Inventors: Alain Benichou; Raymond J. Perraud
Original assignee: D'ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MACHINES POUR TOUTES INDUSTRIES SECOMA Ste; Saei Celtite
Current assignee: D'ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MACHINES POUR TOUTES INDUSTRIES SECOMA Ste; Saei Celtite
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1978-11-14
Publication date: 1981-08-25
Also published as: GR68705B; BR7807516A; AU4153878A; GB2007741A; DE2849384A1; SE7811638L; ES475038A1; OA06173A; US4286899A; GB2007741B; ATA811278A; AT360467B

Abstract

PRECIS DE DIVULGATION
Ce procédé pour la pose des boulons de soutènement dans les galeries de mines et les ouvrages de travaux publics, est du type dans lequel on pratique dans la paroi à renforcer un forage de grande longueur, on introduit dans ce forage une composition résineuse thermodurcissable, puis une tige métallique de même longueur que le forage et destinée à être scellée dans le forage par durcissement de la composition. La dite tige est introduite dans le forage partiellement rempli de composition de résine avec une vitesse de rotation provoquant au contact des charges de la composition, son échauffement jusqu'a la température de durcissement de la composition.

Description

5~9 La presente invention conce~ne des perfectionnements aux procedes actuellement utilises pour sceller, dans un terrain a consolider, tel que la paroi ou le toit dlune galerie de mine, d'un tunnel ou de tout ouvrage equivalent de travaux publics, un elemcnt metall.i.que ou non, par exeml).lc! en resine dc polyester armee de ~ibres de verre, dlune longueur de l~ordre de 180 ~
200 cm au moyen d'une compositi.on dc resine synthetlque compre-nant, d'une part, outre la resine elle-meme, des charges ~ibreu-ses ~t/ou pulverulentes et, d~autre part, les additi~s chimiques provoquant la prise et le durcisse~ent de cette composition au moment o~ le dit element de renforcement est introduit dans un forage pratique a cet effet dans'le dit terrain.
Les procedés de ce type sont connus depuis une di- :
zaine d~annees, et les modalites les plus recentes de leur ap~
plication impliquent par exempi.e un chauffage préalable de la tige metallique, avant son introduction dans le ~orage prealable-ment rempli de la composition resineuse non durcie. ~:
De tels procedes sont decrits notamment dans les bre- ':
vets français de la demanderesse'n~ 2,218,375, publié le 13 sep-tembre 1974 et n~ 2,345,500, publié le 21 octobre 1977.
Dans le premier de ces brevets, il est decrit un pro-cede dans lequel la composition resineuse introduite dans le ~o- :
rage est constituee d'une resine de polyester/ d'un durcisseur stable à temperature ambiante et'dlun stabilisant, le tout condi~
tionne dans une enveloppe en ~euille souple rigidi~iee par un fi-let de mati8re plastique ~riable, tandi.s que l~element metallique est porte, avant son introduction dans le ~orage~ à une tempera- : ' ture de l'ordre de 200~C, cette.introduction provoquant simulta-nement la rupture de l'enveloppe rigide, le melangeage des ele-'ments de la composition et le durcissement de celle-ci autour de l'element metallique.
Dans le second de ces brevets, la composition resi-~ 75~9 neuse peut 8tre egalement injectee en ~ ac!~ dans le ~orage, tandis qu~il est précisé que la tige métallique peut 8tre échauf-.. . . . _ _ fée super-~fi,~S~9~
ficiellement par passage dan~ un ~our électrique à induction, ce qui permet alor# d'éviter toute rotation de la tige à sceller, la-~uelle peut même être po~ée à la main, dans le ca de sections géométriques, non cylindriques.
Au contraire, de ces procédes, la pré~ente invention permet une méc~nisation complète de la pose des tiges, tout en évitant toute in~tallation de chauffage préalable des tiges.
En effet, il est notoire qu'à l'heur~ actuelle, on utili~e pour l'introduction de~ ti$es dans le~ trous de boulonnage le mame mat~riel que pour le ~orage même de ces trous, c'est-à-dire des têtes d'entra;nement en rotation, soit des tiges de forage, ~oit de~
boulon~ de soutènement, dont la vite~se est de l'ordre de quelques centaines de tours/minutes. Il en résulte que l'énergie thermique su~ceptible de prendre nais~ance par le frottement de la tige au co~tact des charges de la composition d0 résine au moment de l'introduction de cette tige, déjà préalablement échau~ée à la temperature de durcissement de la composition, est si faible qu'elle n'in*rvient pas dans ce phenomène ~ n'a dlonc aucunement été mise à
pro~it dans la ~ormulation de ce type de composition.
ao Au surplu~, ce type de composition po~sède des propriété~ ;
thixotropiques et~ par suite de l'action de l'agitation provoquée par l'introduction de la tige, sa viscosité diminue et, par consé-quffnt, à fortiori, l'énergie de ~rottement tran~mi~e à la tige diminue égalementO
Il apparais~ait donc ~usqu'à present exclu de mettre à
pro~it~ et même de prendre en consldération, un phenomene thermique quelconque lié à cette énergie pour participer au déclenchement d~
durci~sement de la résine, ce qui ~emblait donc imposer ce chauffage de la tig0 préalableme~t à so~ i~troduction dan~ le trou de mine~
Or, de~ expériences pratiquees ~lr un matériel pilote en l'absence d'un matériel industriel commerci~ é suscep~ible de créer la phé~omène, ont permis de con~tater que, 9i l~onintroduit

- 2 -5~
dan~ des compositions résineuses contenant certaines proportions de charges abrasives stables et de catalyseur, et con~inées dans des -trous de mines, des tige~s métalliques non échauffées au préalable, m~is portées à des vitesses de rotation sensiblement supérieures aux vite~ses usuelles précitées, dans un intervalle lié
aux propriétés de pri~e par polymérisation de ces compositions comme il sera précisé ci-après, et cela malgré le phénomène de thixo-tropie précité, l'énergie thermique résultant du frottement de la tige sur les dite~ charges provoque 1'échauffement de la tige à un point tel que la réaction de durcissement catalytique est amorcée, et que ]aprise de la composition, assurant le scellement de la tige, intervient dans les mêmes délais que par introduction de la tige prechauffée.
La présente invention vi~e d~nc, an premier lieu, un procédé nouveau pour la pose des tige~ de scelleme~t, du type défi--ni plus haut, consistant à introduire dans un forage une composi-tion ré~ineuqe thermodurcissable, puis une tige métallique destinée à 8tre ~cellée dan~ ce trou par durcissement thermique de cette composition, la caractéristique de ce procéde ré~idant d~ns le fait que la dite tige est introduite dans le forage avec une vitesse de rotation provoquant au conta~t des charges de la comp~sition .
ré~ineuse, son échauffement ~usqu'à la température de durcis}ement de la dite composition.
Bien entendu, le choix de la nature et des proportions des char$es, ainsi que du catalyseur, seront à apprécier e~ fonc- -tion de la vitesse de rotation de la tige et des dimensions rela-'~ tives de la tige et du forage. Cependant, il a été constaté que les ePfets abra~ifs du sable d~ quartz ve~aient avantageusement complé-ter ceux des charges usuelles telles que notamment la craie, uti-~3Q li~ées dan~ les proportions usuelles, c'est-à-dire de l'ordre de 50 ~0 de la c~mposition.
En ~ait, l'analyse experimentale du phénomène à laquelle ;
r 7 5 j ~9 la demanderesse a procédé a conduit cette dernière à constater que troi~ facteurs variables doivent être pri~ e~sentiellement en considération dans ce phénomène, à ~avoir :
1) la fluidité de la composition 2) la durée de rotation de la tige

3) la vite~se de rotation de la tige Le premier facteur fait lui-même intervenir deux éléments à savoir :
a) la nature de la composition b) le vieillissement de la composition Ainsi, en ce qui concerne a), la composition pourra être du type classique à deux phases (résine + accélérateur pour l'une et catalyseur ~ charge pour l'autre),ou à une seule phase (tous les composants étant ré~is) avec des charges variable~ en nature et en proportion~, la charge à phase unique étant plus avantageuse car plu~ économique et plus commode à manipuler.
En ce qui concerne b), on sait également qu'avec le temps la ~luidité d'une telle composition ~minue.
En tout état de cause, a) et b) étant determinés et/ou '20 contrôlé~, le paramètre 1) ci~dessu~ peut être considéré comme fixé, pour l'appréciation de~ conditions de mise en oeu~re pra-tique de l'invention. Il en résulte que, pour toute composition donnée, on peut établir, entre le tempq de polymérisation, c'est-à-dire le temps de prise de la résine et de blocage du boulon ~, exprimé en seconde~, et la vitesse de rotation x du boulon, ex-primé en tours par minutes, une relation du type y = Ax ~ B (1) qui ~e vérifie moyennant une coe~ficient approximati~ d'erreur.
' A~i par exemple, on a procedé à des essais de blocage ,30 d'une ti~e de 18 mm de diamètre et 1,80 m de longueur, enfoncée dans un trou dè 22 mm de di~amètre, et 1,70 m de longueur au moyen d'une charge ayant la constit~tion suivAnte :

4 - ;
A. - Matrice (composition de la resine) =
UKAPON*T - 120 S .1~,29% de la composition TRIGONOX*22 s 50 (peroxyde de ditertiobutyl~ cyciohexane) 2~ de la résine BISOXOL*(2,6-ditertiobutyl~p-crésol) 0,1 ~ de la résine AEROSIL*200 (silice collo~dale de surface spécifique : 100 m2/~ 2 % de la résine ~ -B. - Composition d'ensemble -Matrice A 18 Craie GY 100- 65,6 Sable de quartz 16-14-2 . 16,4 ; a des vitesses de rotation croissantes entre 800 et 2400 tours~
minute environ. :::.
Les resultats de ces essais ont été les suivants :
Vitesse de~rotation (t/mn) Temps de bloca~e (sec.) _ ' 800 53,7 1 209 48,5 1 618 ' 39,5 ~! 2 413 35 L'expression de l'équation (1) dans le cas de cette composition est alors: y = -0,01 x + 61,08 (2) avec un coefficient de correlation de -0,94, c'est-~-dire une précision d'environ 94%. Ainsi le résultat de l'application de la formule (2) aux vitesses comparables a celles des essais prê~
cites donne les resultats theoriques:
Vitesse de rotation (t/mn) Duree ~sec.) 800 52,5 -.~ ' '.' * marque de co~nerce ~ .

5 . :.
.~ ' ';";,;''''.
. - . . . :, . - : . . .. . . .
~7~
Des vitesses de rotation encore inferieure ~ 800 t~mn, pouvant descendre jusqu~ 500 t~'mn, peu~ent 8tre envisagees, ~ui en-tra~neraient evidemment des temps. de prise sensiblement plus longs, mais pouvant se reveler utiles, dans le cas de la mise en place delicate de pieces de grandes dimensions, par exemple Elles pourraient egalement être appliquees avec des compositions de resines a vitesse de polymerisation tres elevee.
En tout état de cause, l~utilisateur pourra moduler le temps de prise de ses scellements en fonction des differents parametres de pose, en fonction du vieillissement des charges de scellement et en fonction de la proportion et de la nature des charges minerales.
Dans la pratique, les proportions les plus avantageu-~ ses de ces charges, par rapport au poids total de la compositionse situeront dans les intervalles suivants:
craie 40 ~ 70 sable de quartz 10 ~ 40%
Au titres d'exemples, on decrira ci-apras trois ~or-mules adaptees a la mise en oeuv.re du procede selon l'invention;
ces formules comportent chacune une certaine proportion d~une composition de resine telle que definie ci-apr8s,~et qui sera designée par la suite par ~ MATRICEIl .
Resine de polyester insaturee 100 parties en poids Silice collo;dale 1,5 parties ~n poids Catalyseur : perbenzoate de tertio-butyle l partie en poids Inhibiteur : 2,6-ditertiobutyl-paracrésol 0,1 partie en poids : :
Comme résine de polyester non saturee, on peut uti~
~ 30 liser ~ titre équivalent les produits vendus en FRANCE sous les .~ marques commerciales UKAPON*77 064 ou UKAPON*T 120 Sl~(Ugine-Kuhl- :~
mann), NORSODYNE*90~,905 ou 907 (CDF-Chimie). : ::.
* marque de commerce ,. : , . , ., : . . .: : . :
:: . ... ~: .:, . . . :
- . . ::
.
5~
Com~e catal~seu~ Pn Peut utilise~ des quantités équivalentes de péroxyde de ditertiobutyl-l,l-c~clohexane ou de peroctoate de tertiobutyle, ou de tout autre catal~seur améliorant la stabilité de la composition ~is-a-vis des i~pure-tés naturelles des charges minérales~
En re~anche, llinhibiteur précité est préférable, notamment ~ ceux du type hydroquinone, eu égard aux essais de vieillissement pratiqués sur la composition. La dose de 1 000 ppm indiquée peut d~ailleurs ~tre abaissée jusqu~à 500 ppm compte tenu de la réactivité de la résine.
~; Les trois formules ci-apr8s ont été soumises ~ des essais de mise en place d'un boulon de diametre de 18 mm sur une longueur de 1 metre dans un tube métallique simulant un ~orage de 22 mm de diamètre, et les résultats sont les suivants:
Formule n~ 1 -- ~ ~.. .... . .
MATRICE 65 parties en poids (20,31 %) Craie 6 Y(OMYA*) 153 parties en poids ~47,81 %) Sable de quartz réf.
16.14.2~SIKA*) 102 parties en poids (31,88 %) - Viscosité à 20~C : 870 poises - Tige introduite pendant 90 secondes au total, a 1 600 t/mn pendant la rotation ; - Viscosité au bout de 5 à 20 secondes : 380 poises - Temps de prise : 30 secondes Formule n~ 2 MATRICE 60 parties en poids ~19,05 %) Craie 6 Y 100 153 parties en poids (48,57 ~) Sable de quartz 16.14.2 102 parties en poids (32~38 %) - Viscosité a 2D~C : 1000 poises - Tige introduite pendant 60 secondes à 1 600 t/mn pendant la rotation ~ -- Temps de prise : 30 secondes r * marque de commerce ' , ' ' ~ ,: -~753!g MATRICE 55 parties en poids (17,74 %) Craie 6 Y 100 153 parties en poids (49,35 %) Sable de quartz 102 parties en poids (32,90 O/D) - Viscosité a 20~C : 1 300 poises - Tige introduite pendant 55 secondes au total à 1 600 tJmn pen-dan* la rotation - Viscosité au bout de 5 - 20 secondes : 475 poises ; - Temps de prise à l'is~ue de la période de rotation Notes :
~o 1) la craie 'tqualité 6 Y 100 (OMYA)'Irépond aux spécifications suivantes :
' - particules inférieures à 150 microns 100 ~~0 - particules inférieures à 50 Microns 50 %
- particules inférieures a 5 microns 30 %
2) le sable de quartz "réf.16.14.2 ~SIKA)" répond aux spécifica*ions ~uivantes :
- particules inférieures à 2 500 microns 100 %
- particules inférieures à 1 250 microns 62 %
- particules in~érieures à 500 microns ~,5 %
3) le sable de quartz exacerbe l'effet thermique et le mélange craie ~ sable e~t calculé de façon à ce qulon soit le plus près possible de la courbe optimale de rsmplissage ce qui permet d'in-troduire au sein de la "M~TRICE" des taux de charges minerales plus i~portants ~ ut en benéficiant d'une vis~cosit~ relativement ~-basse, ce qui facilite l'injection du produit.
4~ Si au lie~d'inj~ecter directement le produit, on le conditionne en gainas plas-tique~, il peut atre avantageux d'introduire dans , la ~ormule des agents épaississants (chaux, ma~nésie, chlorure stanneu~ etc...) qui ralèvent la viscosite du produit jusqu'à une valeur se~siblement constante~
5) la duréa des étapes 3 et ~ du procédé (voir ci-apres) sera d'autant plus courte que la vi-tesse de rotation sera ~évée.

6) au lieu de char~es uni~uement mir~érales, il est possible d'introduire dans les formules des matériau~ tels que des fibres de bois ou d'amiante, au~entant l'auto~échauffement sans affec~
ter les proprietes reologiques de la composition.
Enfin, la mise en pratique de l'invention peut bien entendu faire usage de compositions resineuses presentees en charges préconditionnées, telles que decrites au brevet fran~
çais No.2,218,375 précite. Toute~oisr il est encore beaucoup : plus simple d'opérer en utilisan* l'injection de compositions " en vrac" , telles que décrites au brevet français n~2,345,500, Dans ce cas, le procédé selon un mode de réalisation de l'inven-tion, peut être mis en oeuvre selon un processus tenant compte des impératifs géométriques et mécaniques liés a la nature de l'opération: en effet, il convient de considerer qu'il s'agit de sceller, axialement dans un forage de 2 metres de profondeur environ, sur un diamatre d'environ 20~25 mm, une tige de même longueur, d'un diametre inférieur de 4 mm environ, et cela au moyen d'une charge de résine injectée au préalable et qui, en fin d'opération, doit remplir exactement la totalité de l'espace restant libre du forage.
A cet effet, pour parvenir ~ ce résultat de fason pratiquement idéale, le procéde selon liinvention comporte en faik quatre étapes:
Premiere étape Dans le forage, on injecte en vrac un volume de la composition resineuse remplissant environ 35 a 45~ du fond de la longueur du forage.
Seconde étape ' .:
. .
Dans le forage ainsi partiellement rempli, on introduit, la tige -à ancrer dans le terrain, de maniere que 50% de sa longueur soit " mouillée" par la composition.
Troisieme étape '';
_ g~
. ' ,.
- : . . . ~ , ... . . .

7~
On fait alors subir a la tige une rotation ~ur elle-même à une vites~e comprise, de préférence entre oOO et 2400 t/mn et sur une période de 15 à 60 secondes, ce qui provoque à la ~ois son échauf-; fement, une centrifugation de la résine sur les parois du forage et l'amorce de sa polymérisation.
Quatrième étape Sur les 5 à 30 secondes suivantes, on achè~e l'en~oncement de la tige ~usqu'au fond du ~orage sans interrompre la rotation, de manière telle que, quand la tige sera complètement en~oncée, la ~10 ré~ine refoulée 3ur sa periphérie atteindra l'embouchure du ~rage ;la rotation est poursui~ie jusqu'à ce que la résine ait achevé sa po]ymérisation en assurant 1~ancrage définitif de la tige.
Ce procédé présente deux variantes, selor~ qu'à la seconde étape on procède a l'introduction de la tige en imprimant déjà à celle-ci une certaine rotation, ou sans aucune rotation.
La première variRnte présente 1'intérêt de déterminer une répartition plus homogène de la compo~ition autour de la tige, ce qui est avantageux quand les con~tituan1ts de la composition sont ':
introduits dans le trou à l'état séparé ; elle peut avoir lllncon-;2~ vénient d~amorcer la polyméri~ation un peu trop tôt quand la vite~-se de polymérisation ~e l~ésine est élevée, ce qui risque de gêner l~en~oncement ultérieur de la tige~ -La seconde variante prése~te évidmment les avant~ges et les inconvé~ients inverses.
Le cholx de la ~ariante est donc déterminé par les conditions d'utilisation ~ procéde, spécifi~ues à chaque cas pratique. Ainsi, compte tenu du ~ait que l~uti3isateur peut, ainsi, à pre~ent, moduler les vitesses de rotation de ses nouveaux engins de pose pour utiliser les charges de scellement, il peut désormais 3o utiliser, de la mame ~açon, les charges de scellement classiques à
deu~ phases (l'accélérateur etant ajouté à la résine et le cata-lyseur étant contenu dans le batonnet). Ainsi, à partir d'un type 5~
de charge de scellement détermine du point de vue réactivité
chimique, il peut ~aire varier le temps de prise du mastic , . . .
simplement en agissant sur la vitesse de rotation.
Bien entendu, l'invention qui vient d'être décrite avec ré~érence à quelques exemples particuliers, est susceptible de nombreuses variantes , rentrant dans le cadre des revendications ci-apr:e.
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Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé pour la pose des boulons de soutènement dans les galeries de mines et les ouvrages de travaux publics, du type dans lequel on pratique dans la paroi à renforcer un fo-rage de grande longueur, on introduit dans ce forage une compo-sition résineuse thermodurcissable, puis une tige métallique de même longueur que le forage et destinée à être scellée dans le forage par durcissement de la composition, caractérisé en ce que la dite tige est introduite dans le forage partiellement rempli de composition de résine avec une vitesse de rotation provoquant au contact des charges de la composition, son échauffement jus-qu'à la température de durcissement de la composition.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de blocage du boulon y, exprimé en secondes, et la vitesse de rotation x du boulon, exprimée en tours/minutes sont liés par la relation:
y = Ax + B
dans laquelle A et B sont des coefficients dépendant de la natu-re et de la proportion des charges minérales présentes dans la composition résineuse, et de l'état de vieillissement de la dite composition.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les valeurs des paramètres A et B sont les suivantes:
A = - 0,01 B = 61,08 avec une précision d'environ 94%.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition résineuse contient, au titre de charges minérales:

craie 40 à 70 % du poids de la composition sable de quartz 10 à 40 % du poids de la composition

5. Procédé selon la revendication 1, 2, ou 4, carac-térisé en ce que la composition résineuse a la constitution sui-vante:
A. Matrice (composition de la résine) :
B. Composition d'ensemble :

6. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 4 carac-térisé en ce que la composition résineuse a la constitution sui-vante:
- " MATRICE" :
Sable de quartz réf. 16.14.2 (SIKA) 102 parties en poids (31, 88%)

7. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 4, carac-térisé en ce que la composition résineuse a la constitution sui-vante:
- " MATRICE" :

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que la composition résineuse a la constitution suivante :
- " MATRICE" :

9. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 4 carac-térisé en ce que la vitesse de rotation imprimée aux boulons est comprise entre 500 et 3 000 t/mn.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre étapes successives, a savoir:
- dans la première étape, on injecte en vrac la composition ré-sineuse dans le forage, de manière à remplir 35 à 45% du fond de celui-ci;
- dans la seconde étape, on introduit dans le forage partiel-lement rempli, la tige a sceller, de manière qu'environ 50%
de sa longueur soit la " mouillée" par la résine;
- dans la troisième étape, on imprime à la tige une rotation de 800 à 2400 t/mn sur une période d'environ 15 à 60 secondes, - et dans la quatrième étape, on achève d'enfoncer la tige jus-qu'au fond du trou, en poursuivant la rotation jusqu'à poly-mérisation complète de la résine.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, dans la seconde étape, la tige est introduite sans rota-tion dans le trou.

12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que, dans la seconde étape, la tige est introduite dans le trou avec une certaine vitesse de rotation.

13. Procédé selon la revendication 1, 4 ou 10, carac-térisé en ce que la composition résineuse est du type en une seu-le phase, dans lequel tous les constituants sont réunis et injec-tés simultanément dans le trou.