2-Foration Et Minage [PDF]

Zitiervorschau

2. Foration et Minage 2.1 La foration de production 2.2 Le tir des mines

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2.1 La foration de production ‰ Considérations générales : techniques générales de pénétration, bases physiques de la pénétration mécanique ‰ Foration roto-percutante ƒ Le marteau perforateur, les taillants ƒ Technique de foration hors-trou ƒ Technique de foration fond de trou ƒ Exemples de machines ‰ Foration rotary ƒ Les outils du forage rotary ƒ L’équipement de forage ƒ Exemples de machines ‰ Conception et analyse des performances ƒ Energie et puissance ƒ Vitesse de pénétration dans la roche ƒ Usure et durée de vie ƒ Choix des machines

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Technique de pénétration dans la roche Forme d’application d’énergie

Méthode

Mécanique (foration)

Percussion: - Outil à chute (mouton) - Marteau Rotation, outil à coupe: - Lames - Pierres serties - Discage Rotation, outils à tricônes Roto-percussion: - Marteau - Outils à rotation

Thermique

Flamme Plasma Fluide chaud Fusion Congélation

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Forme d’application d’énergie

Méthode

Fluide

Jet Érosion Éclatement Cavitation

Sonique

Vibration

Chimique

Explosion Réaction

Électrique

Arc électrique ou courant Faisceau d’électrons Induction électromagnétique

Lumière

Laser

Nucléaire

Fission Fusion

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Bases de la pénétration mécanique

Pt Pc

Pc

Pc

(a)

Outil

Outil

Outil Roche

Pt

Pt

Roche

Roche

(c)

(b)

Principes de destructibilité: (a) Coupe

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(b) cisaillement

(c) fragmentation

Composantes d’un système de forage ‰

La machine (source d’énergie) : transforme l’énergie de sa forme originelle en énergie mécanique.

‰

Les tiges (transmettent l’énergie) : en général creuses pour permettre le passage d’un fluide et, éventuellement des tuyauteries hydrauliques.

‰

L’outil (applicateur d’énergie): il attaque la roche mécaniquement pour accomplir le travail.

‰

Le fluide de circulation: nettoie le trou, contrôle les poussières, refroidit l’outil et stabilise le trou. D’une manière générale, on injecte de l’air comprimé, mais dans certains cas de l’eau, de la boue ou de la mousse peuvent être utilisés. 6

Foration roto-percutante Marteau perforateur principe Les marteaux perforateurs sont des cylindres dans lesquels coulisse un piston en mouvement alternatif grâce à un système de distribution. Dans son mouvement de recul le piston tourne d’un certain angle pour permettre le battage complet du fond du trou. Les caractéristiques : •La fréquence de frappe : 1000 à 4000 coups/min. ; •L’énergie par coup 7

Configuration d’un marteau perforateur

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Les taillants

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Technique de foration hors trou Le marteau frappe en tête du train de tiges. Le poids de ces tiges maintient constamment l’outil en contact avec la surface de la roche. Dans cette technique une partie de l’énergie est perdue dans les raccords entre tiges, et l’augmentation de la longueur du train de tiges entraîne des risques de rupture et de flambement. utilisé généralement pour le travail à faible profondeur (actuellement surtout pour la foration en souterrain) 10

Technique de foration fond de trou Le dispositif de percussion est placé au fond du trou, ce qui remédie aux inconvénients du système à marteau en surface, et présente l’avantage d’avoir une vitesse d’avancement constante quelle que soit la profondeur du trou, et réduit les bruits en surface.

avantageux pour le travail à grande profondeur 11

Le marteau fond de trou

Diamètres de trou usuels: 65 à 150 mm (2 ½ à 6")

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Évacuation et captage de la poussière

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Exemple de caractéristiques générales d’une machine

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Exemple de machines : le Wagon drill

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Exemples de machines en activité en Belgique Foration des mines de pied à la carrière de Marche les Dames

Ingersoll-Rand T4 à la carrière d’Antoing 18

Foration rotary Les outils : tricône ou outil à molettes Diamètre usuels en forage rotary (mm) : 200 (6 7/8), 250 (7 7/8), 311 12 (1/4), 381 (15). Mais peut aller jusque 445.

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La vitesse de pénétration dépend fortement de la valeur de la poussée

Evolution de la vitesse d'avancement avec la poussée dans un forage rotatif

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Exemples de machines: petite taille

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Grosse sondeuse Marion de forage minier pour grandes productions: utilisation à la mine de charbon de Kleinkopje

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Autre exemple de machine: carottage dans le Cran aux Iguanodons de Bernissart

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Autres exemples de machines: forage des pieux pour le génie civil

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Autre machine: forage de type pétrolier jusque 1200 m à Loenhout pour Fluxys en vue de stocker du gaz naturel.

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Conception et analyse des performances Énergie et puissance Énergie spécifique e = énergie consommée par unité de volume de roche détruite

e = E/V 1. Percussion Énergie: Puissance:

E = 1 m v2 = cWL2 B2 2

P = BE = c WL2 B3

m = la masse du piston v = la vitesse d’impact c = une constante qui vaut 0,3 à 0,5 x 10-6 dans les unités anglaises W = le poids du piston L = la course du piston B = fréquence de battement

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2. Rotation Énergie: E = E f + Er = F h + 2πT Puissance: P = Pf + Pr = F R + 2π NT Ef : énergie de poussée Er : énergie de rotation h : profondeur de pénétration par tour = R/N R : vitesse de pénétration F: poussée T : couple N : vitesse de rotation

3. Roto-percussion On additionne les énergies et puissances de percussion et de rotation. 28

Vitesse de pénétration dans la roche

1  ∆V R =  A  ∆t

  (m/h) 

t : temps A: section du trou V: volume de roche détruite ∆V/∆t : vitesse volumique moyenne de destruction de la roche En prenant e = E/V = P/AR, on arrive à

R= P Ae 29

Usure et durée de vie

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Choix des machines en fonction de l’application

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Quelques exemples de performance en fonction des terrains

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2. Foration et Minage 1.1 La foration 1.2 Le tir des mines

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Exemple de fragmentation primaire: le tir

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Le tas abattu

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Le chargement et transport

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2.2 Le tir des mines ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰

Généralités Différents types d’explosifs La chaîne pyrotechnique Le calcul des mines à ciel ouvert – le schéma de tir La répartition d’explosif Les problèmes des tirs à l’explosifs

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Généralités L’explosion et les réactions qui l’engendre Explosion = la transformation rapide d’un système matériel accompagnée de la production de quantités de gaz importantes. Initiation: il faut fournir une énergie mécanique par friction ou par choc. Cette énergie mécanique se transforme en énergie thermique avec formation d’un point chaud. L’initiation de l’explosif est engendrée par ce point chaud.

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L ’explosif: cas de l ’ANFO

3NH4 + CH2 → 7 H2O + CO2 + 3N2 + Chaleur d ’explosion 40

Déflagration et détonation La déflagration est une combustion dont la vitesse est relativement faible (quelques centimètres à quelques centaines de cm par seconde). La détonation est le régime de décomposition le plus rapide (quelques km/s en réaction linéaire).

Onde de choc

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Quand la cartouche détone

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Caractéristiques pratiques d’un explosif - Densité - Diamètre critique de détonation - Sensibilité à l’amorce - Vitesse de détonation - Énergie des explosifs - Brisance et pression de détonation - Aptitude à transmettre la détonations entre cartouches jointives - Fumées de tir et bilan en oxygène - Sensibilité aux chocs et à la friction - Résistance aux sollicitations climatiques - Facilité et sécurité de chargement

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La mesure de l ’énergie

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Différents types d’explosifs Explosifs primaires Un simple choc, frottement, ou étincelle suffit généralement pour provoquer la détonation de l’explosif Mis dans les détonateurs Ex: - Le fulminate de mercure : Hg(CNO)2 - L’azoture de Plomb : Pb(N3)2

Explosifs secondaires Ex: - Explosifs nitrés : pentrite, nitroglycérine,nitrocellulose, hexogène, octogène - Nitrate d’ammonium: produit par neutralisation de l’acide nitrique sur l’ammoniaque.

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Explosifs commerciaux - La poudre noire - Les dynamites -Dynamite Ghur -Dynamite gomme -Dynamites gélatines -Dynamites pulvérulentes - Les explosifs nitratés

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Les nitrates – fuels (ANFO) Dérivés des explosifs nitratés mais pas encartouchés Mélange de grains sphériques de nitrate d’ammonium (prill) et de fuel (6%) + de l’Al:

la puissance de l’ANFO

Existe aussi: bouillies et gels explosifs

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La chaîne pyrotechnique - la charge d’explosif - le dispositif d’amorçage : c’est lui qui créera l’onde de choc initiale qui entraînera l’explosion de la charge. On utilise des détonateurs à cet effet (électrique ou thermique) - le dispositif de mise à feu: permet au boutefeu de déclencher l’explosion en toute sécurité à l’abri des projections, soit en lui permettant de le faire à distance, soit en lui donnant le temps de s’éloigner (exploseur dans le cas d’utilisation de détonateurs électrique, ou mèche lente à allumage par flamme).

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L ’effet de l ’explosion sur le massif

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L ’onde de choc dans le massif

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Propagation de l ’onde de choc

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Fissuration due à l ’onde de choc

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Fissuration par l ’onde de choc: effets des défauts

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Comment réduire l’effet de l’onde de choc : le découplage

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Pression des gaz: l’énergie développée

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La pression des gaz : fissuration

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Pression des gaz : la poussée

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Pression des gaz : la poussée (2)

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Pression des gaz : la poussée (3)

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Pression des gaz : la poussée (4)

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Le calcul des MCO – le schéma de tir H -Diamètre du fourneau: D = 10 B = 25 → 35 x De 12

-Banquette: -Espacement:

(H = hauteur du trou en pied) (De = diamètre de la colonne d’explosif en pouces )

S = 1 - 1,8 x B

-Hauteur de talus: H = 2 x B -Surforage: -Bourrage:

J = 0,2 - 0,5 x B T = 0 ,7 - 1 ,3 x B

H 0 D2 -Chargement des trous humides: H F = 2 D - De2 62

Répartition d’explosif -Colonne d’explosif:

Ew = 0.34 De2 ρ Ecl

Ew : poids de la colonne d’explosif en livres De : diamètre de la colonne d’explosif (pouces) ρ : densité de l’explosif 0,34 : coefficient de détermination Ecl : longueur de la colonne d’explosif (pieds) - Volume de roche abattue par trou de mine: V = B S H B : banquette (pieds) S : espacement des trous (pieds) H : hauteur de talus (pieds) V : volume (cubic yards)

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- La charge spécifique (ou le facteur de poudre) est associée à la quantité d’énergie nécessaire pour fragmenter et déplacer la roche. 63

- Facteur d’énergie (EF) =Kilocalories (Q) / Quantité de roche - Energie par unité de longueur de fourneau (cas d’un trou sec):

Q f = D ρ AWS 2 e

Qf : énergie de l’explosif (kilocalories) par cm De : diamètre de la colonne d’explosif (cm) ρ : poids spécifique de l’explosif (gr/cm3) AWS : force pondérale absolue - Charge de pied:

Eb = 0,3 - 0,5 (Bt + J )

Eb : hauteur de la charge de pied Bt : banquette au niveau du pied J : surforation

Problèmes des tirs à l’explosif -Les gros blocs -Les nuisances liées au minage 64