Connaissances sur la tige de forage à percussion (tige de forage d'extension)

Lors de la sélection d'une tige de forage pour un marteau perforateur à percussion, les ingénieurs miniers sont confrontés à de nombreux facteurs qui peuvent être pris en compte de manière exhaustive, notamment le diamètre de la tige de forage, la forme de la section transversale, le type d'acier de forage et le processus de traitement thermique. Le choix n'est pas seulement influencé par les conditions techniques, mais aussi par les préférences régionales et l'offre du marché. Il existe deux types de base de tiges de forage actuellement produites : la première est dotée d'un adaptateur de tige forgée et la seconde est dotée de filetages à chaque extrémité. La première convient aux têtes de forage intégrales, coniques ou filetées. La seconde est utilisée dans le cas d'un adaptateur de tige, comme une seule tige de forage pour un marteau perforateur à rail, ou une tige de forage à assemblage de tiges connectée à un manchon de tige filetée.

Types de tiges de forage :

L'acier pour forets creux est laminé à chaud à partir d'une billette avec un noyau métallique central rond en sections transversales rondes ou hexagonales et de différentes longueurs. La composition chimique de l'acier doit être bien sélectionnée et contrôlée avec précision pour s'adapter au type de tige de forage requis et à la méthode de traitement thermique utilisée. Après avoir été laminé à la taille requise, il est étiré pour réduire le diamètre, puis le noyau métallique est retiré. L'acier à haute teneur en carbone contenant 1 % de carbone et 1 % de chrome, avec de petites quantités de manganèse et de molybdène, a une forte résistance à la fatigue et peut être traité thermiquement et soudé localement. Ils sont utilisés pour fabriquer des tiges de forage avec adaptateurs de tige, y compris des tiges de forage intégrales. Le processus de trempe à haute fréquence consiste à chauffer rapidement la pièce à 900 °C, puis à la refroidir rapidement dans l'eau. Cela modifie la structure métallique et provoque également des contraintes de compression dans la couche de surface. La méthode à haute fréquence peut être utilisée pour traiter thermiquement localement le cône, l'adaptateur de tige et le filetage, ce qui rend la tige de forage flexible et capable de résister à de grandes flexions et à une manipulation brutale. Le sablage est un procédé de durcissement à froid qui élimine les défauts de surface et prolonge la durée de vie. Les aciers à faible et moyenne teneur en carbone contenant 0,2 à 0,27 % de carbone, 2 à 3 % de chrome ou de nickel et du manganèse ou du molybdène sont utilisés pour fabriquer des tiges d'adaptation, des queues d'adaptation, des manchons d'adaptation et des corps de foret. Ils sont généralement entièrement cémentés. Pendant la cémentation, un faisceau de 200 à 300 tiges de forage est suspendu dans une cage et traité dans une atmosphère riche en carbone à 925 °C dans un four à fosse pendant environ 6 heures. En raison de la cémentation, la composition chimique de base et les propriétés de la couche externe changent, provoquant une augmentation du volume et une contrainte de compression. Ce processus se produit sur toute la surface, y compris les trous de rinçage internes, améliorant la durabilité, la résistance à la fatigue, la dureté et la rigidité de la tige de forage, ainsi que la résistance à l'usure et à la corrosion. Lors du forage humide, il est naturellement important d'améliorer la résistance à l'usure et à la corrosion afin de protéger les trous de rinçage. Il est rapporté qu'environ 95 % des pièces d'adaptateur utilisées pour le forage souterrain humide sont entièrement carburées, y compris le manchon d'adaptateur et les filetages du foret. Lorsque ce type d'acier est partiellement carburé, il est difficile d'effectuer un recuit local car des zones de recuit "an se formeront. C'est un processus techniquement difficile de souder des feuilles de carbure dans de l'acier carburé pour fabriquer une tige de forage intégrale, mais certains fabricants ont réussi. Les tiges de forage intégrales robustes qu'ils produisent sont utilisées dans des foreuses à roche de grande puissance pour le forage mécanisé de roche. Il est rapporté que leur durée de vie est trois fois supérieure à celle de l'acier à haute teneur en carbone, par exemple 900 mètres contre 300 mètres. Un autre acier allié à faible teneur en carbone présente une usinabilité particulièrement bonne. Il contient du nickel et du chrome. En général, cet acier est également carburé dans son ensemble. L'acier chrome-nickel à teneur moyenne en carbone (0,42 %) est utilisé par certaines usines pour fabriquer des tiges longues etTiges de forage intégrales robustes. La surface extérieure et les trous de rinçage peuvent être phosphatés pour éviter la rouille. Une cire protectrice peut également être appliquée pendant le stockage. La corrosion et la rouille peuvent provoquer des fissures de fatigue prématurées. Lors du forage de roches dures abrasives avec des forets à roche humide, les tiges de forage entièrement carburées sont généralement préférées. Cependant, lors du forage dans des marches à ciel ouvert avec des joints ou des formations rocheuses brisées, la tige de forage risque de se plier fortement et la tige de forage carburée peut se casser. Les tiges de forage trempées à haute fréquence peuvent mieux s'adapter à cette situation. Étant donné que la tige de forage trempée à haute fréquence a une plus grande ténacité, elle n'est pas facilement endommagée par un impact accidentel ou intentionnel. En même temps, il n'est pas facile de desserrer le filetage en raison d'une force de propulsion insuffisante, provoquant un échauffement et des dommages locaux. Le soufflage d'air comprimé peut également provoquer un échauffement local et une érosion de surface. Les tiges de forage trempées à haute fréquence ne sont pas sujettes à ce phénomène, mais l'usure du filetage est susceptible de se produire. Tiges de forage avec adaptateurs de tige Lorsque le trou de mine est très peu profond, par exemple, en dessous de 6 mètres, ou lorsque le trou de mine s'approfondit, un groupe de tiges de forage de différentes longueurs est utilisé, ou un seul foret égal à la profondeur du trou de mine est largement utilisé. Ce type de tige de forage est forgé avec un adaptateur de tige. La tête de forage est soit solidaire de la tige de forage, soit une tête de forage mobile reliée par un cône ou un filetage. La tige de forage avec un adaptateur de tige est en acier de forage hexagonal avec des dimensions latérales opposées de 19 mm, 22 mm ou 25 mm, et est utilisée pour les marteaux perforateurs portatifs, les marteaux perforateurs à jambe pneumatique et les véhicules de forage mécanisés pour percer des trous dans les fronts de taille ou les boulons d'ancrage. Comme mentionné ci-dessus, ce type de tige de forage est généralement fabriqué en acier allié à haute teneur en carbone et en chrome. Cet acier allié peut résister à la flexion sans se casser ni se déformer de manière permanente. L'extrémité de l'adaptateur de tige (si la tige de forage n'est pas entièrement carburée) est trempée séparément pour résister aux contraintes d'impact causées par le piston et le couple de rotation. Si la tête de forage est reliée par un cône, elle peut également être traitée thermiquement séparément. La structure de la tige de forage intégrale doit rendre la durée de vie totale du carbure de tungstène équivalente à la durée de vie en fatigue de la tige de forage. Cependant, dans les roches très abrasives, cette approche n'est pas pratique et il est préférable d'utiliser une tête de forage mobile. Le forage mécanisé de roche avec des déblais de rinçage à l'eau haute pression doit être équipé d'un joint d'adaptateur de tige pour empêcher l'eau de rinçage de pénétrer dans le foret à roche, car pour les forets pneumatiques, cette situation peut affecter la lubrification et provoquer de la glace. Au moins un fabricant propose une tige de forage intégrale avec une tête de forage à dents sphériques au lieu d'une tête de forage à fente. Dans les roches brisées ou fracturées, il convient d'utiliser une tige de forage intégrale avec une tête de forage transversale car il existe un risque de blocage lors du forage dans ces roches. Cependant, la tête de foret fendue présente l'avantage exceptionnel d'être facile à affûter.

Connexion de l'adaptateur de tige :

 Lors du perçage de trous profonds avec une tige, la queue de tige est insérée dans le manchon adaptateur de tige du marteau perforateur et le manchon de tige est connecté à la première tige de forage du groupe de tiges de forage. Étant donné que les fabricants de marteaux perforateurs fabriquent des marteaux perforateurs avec diverses structures de manchons de forage, il existe de nombreux types de queues de tige. La plus simple est la queue à épaulement hexagonal, et les autres varient en complexité, avec des bossages ou des cannelures. La queue de tige doit transmettre l'énergie d'impact, le couple de rotation et la force de propulsion à la tige de forage, et sa face d'extrémité arrière, son filetage et sa cannelure ou son épaulement doivent avoir une résistance élevée à l'usure. L'onde de choc générée par le piston se propage à la vitesse du son dans l'acier (environ 5000 m/s) et à une fréquence de 60 fois/s. Un petit déplacement se produira au niveau de la connexion filetée et l'usure causée doit être minimisée par un acier résistant à l'usure. L'acier résistant à l'usure utilisé doit avoir les caractéristiques de devenir cassant mais de ne pas perdre sa résistance à la fatigue. L'acier le plus approprié est l'acier au chrome à faible teneur en carbone ou l'acier au nickel-chrome, et le traitement thermique couramment utilisé est la cémentation complète. Lors du perçage de trous peu profonds, il est préférable de connecter un foret à roche de type rail et un foret à vis à la queue de la tige d'adaptation plutôt que d'utiliser une seule tige de forage avec un adaptateur de tige, en particulier lors du perçage de trous de grand diamètre dans la roche dure et de l'utilisation de forets à roche de grande puissance. Cette méthode permet de remplacer la queue de la tige d'adaptation, le manchon d'adaptation, la tige de forage et le foret si nécessaire. Cependant, comme le manchon d'adaptation passe à travers un porte-foret ouvert, il existe un inconvénient : la longueur de poussée est perdue égale à la longueur de la queue de la tige d'adaptation. Lors du perçage de trous à gradins vers le bas, la première tige de forage doit être déconnectée de l'adaptateur de tige avant d'ajouter l'adaptateur. Lors de l'utilisation d'un manchon d'adaptation, il peut tomber, il est donc parfois préférable d'utiliser un adaptateur de tige avec filetage interne. À moins que tous les filetages femelles ne soient utilisés, le manchon d'adaptation doit être connecté à l'extrémité inférieure de la tige de forage. Français Par rapport à l'utilisation d'un manchon adaptateur, une connexion plus rigide est formée entre l'adaptateur de tige et la première tige de forage. Si des contraintes de flexion importantes sont causées dans l'adaptateur de tige en raison de la déflexion du trou de forage, la connexion rigide est plus susceptible d'être endommagée. Il y a une section de transition "slender" entre la queue du foret et la partie filetée, qui est censée rendre le foret élastique et capable de résister aux contraintes de flexion. Le fluide de rinçage (eau ou air comprimé) pénètre dans le trou de forage par l'aiguille à eau du marteau perforateur ou par un dispositif rotatif indépendant. Lorsque de l'eau à haute pression (plus de 8 bars) est utilisée pour le rinçage, un dispositif rotatif indépendant doit être utilisé. Les marteaux perforateurs hydrauliques modernes ont un système de rinçage intégré à l'extrémité du manchon du foret.

Raccordement des tiges de forage :

Les tiges de forage pour trous profonds sont fabriquées en acier au chrome-molybdène contenant 2 à 3 % de chrome ou de nickel et peuvent être hexagonales ou rondes. Le diamètre du corps de la tige et de la partie filetée de la tige de forage de grande section est le même, tandis que le diamètre de l'extrémité filetée de la tige de forage légère est plus grand. Bien que la tige de forage plus légère présente un risque de déviation du trou de mine en raison de la rigidité réduite, il est plus pratique d'utiliser des tiges de forage légères pour forer vers le haut. Les tiges de forage légères nécessitent des processus de forage complexes et la cémentation est la méthode de base pour obtenir une résistance à la fatigue plus élevée. Les tiges de forage rondes d'un diamètre supérieur à 32 mm sont utilisées pour percer des trous profonds sur des véhicules de forage lourds. Lors de la connexion et du déchargement de tiges de forage lourdes pour percer des trous profonds, utilisez des dispositifs auxiliaires efficaces pour mécaniser la connexion et le déchargement des tiges de forage.

Fils:

Le filetage "R" a un angle de filetage constant de 20° et un pas constant de 0,5 pouce mesuré à partir de l'axe de la tige de forage. Il est utilisé pour les tiges de forage de petite taille avec des diamètres de 22 mm à 28 mm. Pour les marteaux perforateurs à haute puissance, il est possible de trop serrer le filetage "R", et le degré de serrage dépend de l'énergie d'impact, du couple de rotation et de la résistance créée par la roche et la poussée. Par rapport au filetage "R", le filetage "T" a un angle de filetage plus grand et son pas augmente avec l'augmentation du diamètre. Il a les caractéristiques d'une étanchéité équilibrée et est utilisé pour les tiges de forage de diamètres de 38 mm et 45 mm. Le filetage "C" convient aux équipements plus gros, tels que les tiges de forage de diamètres de 51 mm ou 57 mm. Français Il a un filetage à double départ et son angle de profil de filetage est similaire à celui du filetage "T"h. Le profil de filetage du "Hi-Leed" est en forme de dents de scie et ses performances de connexion et de démontage se situent entre les filetages "R" et "T"h. Il est utilisé pour les tiges de forage d'un diamètre compris entre 25 mm et 57 mm, et son angle de filetage se situe entre les filetages "R" et "T". Lorsque le forage de roche est plus facile, la partie filetée de la bielle peut être deux fois plus longue, de sorte que lorsque la première section du filetage est usée, elle peut être coupée, mais une attention particulière doit être portée lors de la coupe pour éviter l'échauffement et le revenu locaux de la tige de forage. Dans certains cas, la tige de forage a atteint sa durée de vie en fatigue après l'usure du filetage. Le choix d'un filetage à une ou deux extrémités est déterminé par l'inspection et l'essai du foret à roche et des conditions de la roche. Pour déterminer la force de poussée, il faut savoir que la poussée est un paramètre important. Ingersoll-Rand fabrique un filetage spécial qui est fileté sur toute la longueur de la tige, de sorte que lorsqu'une extrémité est usée, elle peut être coupée, puis chanfreinée et réutilisée. Sa durée de vie est cinq fois supérieure à celle d'une tige filetée uniquement à l'extrémité. Les filetages sont roulés, ce qui leur confère une résistance élevée au cisaillement, et la surface est durcie pour plus de solidité et de résistance à l'usure. Un angle d'hélice assez raide est utilisé pour pouvoir les desserrer avec un couple minimal. Disponible en 32 mm, 38 mm et 44 mm.

Améliorations apportées aux tiges de forage :

La nouvelle génération de marteaux perforateurs, en particulier ceux à propulsion hydraulique, est capable de concurrencer avec succès les marteaux rotatifs et les marteaux fond de trou dans de nombreux aspects du forage à ciel ouvert. Ces progrès se sont produits parallèlement aux améliorations apportées aux tiges de forage et aux trépans. À mesure que la vitesse de forage augmente, les tiges de forage doivent être plus résistantes et généralement plus lourdes. De toute évidence, les dispositifs de manutention et le contrôle automatique des tiges de forage lourdes sont des équipements auxiliaires importants et nécessaires. La durée de vie des tiges de forage est principalement affectée par l'amplitude de l'onde de contrainte, de sorte que les ondes de contrainte longues avec une faible amplitude et une distribution uniforme sont les plus favorables. Les marteaux perforateurs hydrauliques produisent de telles ondes. Leurs pistons sont petits et de long diamètre par rapport aux pistons courts et épais des marteaux perforateurs pneumatiques. On estime qu'une économie de 15 % sur les coûts de consommation de tiges de forage est possible en utilisant des marteaux perforateurs hydrauliques. D'autres facteurs favorables sont que la puissance du marteau perforateur peut être ajustée relativement facilement en fonction de l'adéquation de la vitesse de forage et du coût de la tige de forage. De plus, l'utilisation de dispositifs d'ouverture automatique des yeux et anti-blocage peut également empêcher ou au moins minimiser l'apparition de blocages. On estime que l'investissement de base représente 25 à 30 % du coût de forage de roche, les pièces de rechange et la maintenance représentent 22 à 33 %, les salaires représentent 12 à 25 %, la consommation d'énergie représente 2 à 6 % et les tiges de forage et les trépans représentent 20 à 22 %. Dans les dépenses mentionnées ci-dessus, il existe de grandes différences entre les mines. Cependant, si le coût total de forage de roche du minerai est de 2 $/tonne, le coût des tiges de forage et des trépans est de 0,4 $/tonne. Si des ruptures de forage se produisent souvent pendant le forage de roche, cela augmentera les coûts et les retards. Dans les grandes mines, même une petite économie sur la consommation de trépans et de tiges de forage peut apporter des avantages considérables. Afin de minimiser les coûts, il est très important de discuter avec le fabricant de tiges de forage de roche et de sélectionner soigneusement la tige de forage en fonction des conditions de production et d'utilisation.

Entretien de la tige de forage :

Français : Perceuse : Assurez-vous que le manchon de queue de foret est intact et que le foret est tranchant. Tournez la tige et utilisez les tiges du groupe de tiges à tour de rôle pour que les filetages du groupe de tiges s'usent uniformément. Utilisez le manchon de tige en fonction de la durée de vie correspondante du filetage de la tige - un nouveau manchon de tige est associé à une nouvelle tige. Lors du perçage à sec, nettoyez et lubrifiez les filetages avec de la graisse spéciale et utilisez uniquement des tiges de forage droites. Le chauffage de la tige de forage avant utilisation par temps froid prolongera sa durée de vie. Percez avec précaution et utilisez 1/4 à 1/2 de la puissance du foret à roche lors du perçage. Si la tige de forage n'est pas alignée, elle doit être repercée. Utilisez la poussée optimale. Une poussée excessive entraînera la flexion de la tige de forage et raccourcira sa durée de vie, et elle peut également bloquer le trou de purge de la tête de forage et provoquer une usure ou des dommages à la plaque en carbure de la tête de forage ; une poussée insuffisante provoquera un échauffement au niveau de la connexion, endommagera la connexion, une usure excessive ou un desserrage de la plaque en carbure de la tête de forage. Le manchon de tige se casse par rapport au porte-foret, ce qui endommagera le manchon de tige. Assurez-vous que le rinçage signifie qu'il y a toujours suffisamment d'eau de rinçage pour éliminer rapidement les éclats de roche. Soyez prudent lors du désamarrage - utilisez 1/4 de la vitesse de poussée lors du désamarrage pour éviter le blocage. Utilisez une bonne clé pour desserrer la tige. Le martelage ou l'utilisation d'une clé à pipe endommagera la surface durcie. Les pièges peuvent provoquer des fractures de fatigue. Utilisez une jauge spéciale pour mesurer l'usure des filetages du manchon d'extension et de la tige. Lorsque l'usure dépasse la limite spécifiée, elle doit être mise au rebut. Stockage S'il doit être stocké après utilisation, il doit être traité avec un inhibiteur de rouille et ne pas être stocké à proximité de l'eau ou de la poussière. La corrosion est un gros problème dans les mines souterraines.