Défaillances des marteaux DTH en milieu rocheux dur — causes de quatre grands types de failles
Les marteaux fond de trou (DTH) utilisés pour le forage en roche dure sont sujets à divers défauts en raison de la dureté élevée de la formation, des fortes contraintes de forage et des conditions d'exploitation difficiles. Ces défauts affectent directement la vitesse de pénétration, la qualité du forage et la durée de vie de l'équipement. Compte tenu des conditions typiques du forage en roche dure, les pannes courantes se regroupent en quatre catégories : dégradation des performances d'impact, usure mécanique/collision, problèmes du système d'évacuation des déblais et défauts de transmission de puissance. Les symptômes et les causes profondes de chaque catégorie sont expliqués ci-après.
Dégradation des performances de frappe : Il s’agit de l’un des défauts les plus courants, qui se manifeste par une chute brutale de l’efficacité de frappe : force d’impact réduite, fréquence d’impact plus faible et foret incapable de fracturer efficacement la roche dure, ce qui ralentit considérablement la pénétration, voire l’arrête. Les principales causes sont les suivantes :
1.1 Problèmes d'alimentation du milieu de puissance
Pour les marteaux pneumatiques, une pression de compresseur insuffisante (inférieure à la plage de 0,6 à 1,2 MPa généralement nécessaire pour la roche dure), un débit d'air instable ou des fuites/obstructions dans les conduites d'alimentation réduisent la pression disponible pour actionner le piston.
Pour les marteaux hydrauliques, une faible pression de la pompe ou des circuits hydrauliques obstrués par une huile contaminée diminuent la force d'entraînement du marteau.
Les contaminants présents dans le fluide de transmission (humidité ou poussière dans l'air comprimé ; particules métalliques dans l'huile hydraulique) accélèrent l'usure des joints et réduisent encore davantage l'efficacité du fluide.
1.2 Défaillances internes du flux ou des vannes
Les marteaux de type soupape subissent souvent une usure, une déformation ou un blocage de la plaque de soupape, perturbant la commutation en temps opportun des soupapes et empêchant le mouvement alternatif du piston à haute fréquence.
Les conceptions sans soupape peuvent être affectées par l'usure ou le blocage des rainures d'écoulement du piston/cylindre ; l'accumulation de copeaux retarde l'inversion du flux, perturbe le cycle d'impact et réduit fortement l'énergie d'impact.
1.3 Problèmes d'interface piston-bit
Les impacts à haute fréquence usent la face du piston et la queue du trépan, augmentant les jeux de contact et provoquant des pertes de transfert d'énergie.
L'installation excentrée de l'embout ou le desserrage des goupilles de positionnement provoquent des frappes décentrées, réduisant l'efficacité de l'impact et accélérant l'usure localisée.
Usure mécanique, grippage et défaillance structurelle : ces problèmes sont des causes majeures d’arrêts de production. Sous l’effet d’impacts répétés et de couples de rotation, les pièces mécaniques peuvent s’user excessivement, se gripper ou se rompre. Les manifestations et causes typiques sont les suivantes :
2.1 Grippage et usure du piston
Les charges importantes augmentent le frottement entre le piston et le cylindre. Une lubrification insuffisante (par exemple, des intervalles de lubrification non respectés pour les marteaux pneumatiques ou une huile hydraulique dégradée) et la pénétration de déblais de roche réduisent les jeux et peuvent entraîner le grippage du piston. Un fonctionnement prolongé à haute fréquence use également les surfaces du piston et peut provoquer des fissures ; dans les cas les plus graves, le piston peut se rompre.
2.2 Dommages à la garniture de forage
La garniture de forage transmet le couple et supporte le marteau. Si la résistance du matériau de la garniture est insuffisante, si les filets sont desserrés ou si le forage présente une déviation, la garniture peut subir des moments de flexion supplémentaires susceptibles d'entraîner un flambage, une déformation ou une rupture des filets. L'abrasion due aux déblais de roche sur la paroi extérieure accélère encore l'usure et réduit la durée de vie.
2.3 Dommages aux joints et aux joints d'étanchéité
Les caissons de basses avant et arrière sont des éléments de connexion essentiels ; les vibrations et le couple importants peuvent endommager ou déformer les filetages. Les joints (joints toriques, bagues d’étanchéité) exposés à des fluides abrasifs et à des températures élevées vieillissent et se fissurent, provoquant des fuites de fluide caloporteur et permettant à des particules abrasives de pénétrer dans les composants internes, ce qui accélère l’usure.
Anomalies du système d'évacuation des déblais : Les déblais durs et grossiers produits lors du forage en roche dure nécessitent une évacuation fiable. Un dysfonctionnement du système d'évacuation des déblais entraîne un colmatage du forage, une mauvaise évacuation et une augmentation de la résistance au forage, pouvant parfois conduire au blocage des tiges de forage. Les principales causes sont les suivantes :
3.1 Débit ou quantité insuffisante de fluide de rinçage
Les marteaux pneumatiques dont l'air de rinçage est insuffisant, ou les marteaux hydrauliques dont le débit de fluide de rinçage est inadéquat, ne peuvent pas évacuer rapidement les déblais de fond de trou. Un flux abrasif prolongé use et déforme également les passages de transport (par exemple, l'alésage central du trépan ou l'alésage central du piston), rétrécissant les canaux et réduisant l'efficacité de l'évacuation.
3.2 Inadéquation des paramètres de forage et d'évacuation des déblais
Une vitesse de pénétration excessive peut générer plus de déblais que le système d'évacuation ne peut en traiter. Un réglage incorrect de la vitesse de rotation ou de la poussée du trépan peut produire des déblais trop grossiers qui ne peuvent pas passer dans les conduits d'écoulement, provoquant ainsi une accumulation et un blocage.
3.3 Déviation du trou et dépôt de déblais
Les déviations du forage créent des creux où les déblais s'accumulent et ne sont pas efficacement évacués par le fluide de rinçage. Avec le temps, ces dépôts forment un lit de déblais compact qui entrave la progression du marteau et le fonctionnement du trépan.
Défauts de transmission de puissance : Ces défauts interrompent le forage lorsque la transmission du couple est perdue ou que l’énergie d’impact n’atteint pas le trépan. Ils se produisent généralement aux interfaces train de tiges/marteau et marteau/trépan. Les causes sont les suivantes :
4.1 Connexions desserrées ou endommagées
Des filetages desserrés ou endommagés entre la garniture de forage et le sous-ensemble arrière du marteau, ou l'usure des goupilles de positionnement ou des cannelures, empêchent un transfert de couple fiable et empêchent le marteau de tourner avec la garniture.
Les composants de connexion avant-sous-foret/trépan usés ou déformés (écrous de blocage, anneaux de retenue, etc.) peuvent permettre aux trépans de se desserrer, produisant des frappes sèches où l'énergie n'atteint pas la roche et la rotation synchrone est perdue, provoquant une usure inégale de la fraise.
4.2 Dommages aux bits provoquant une défaillance de transmission
L'usure, l'écaillage ou la perte des outils de coupe (boutons en carbure de tungstène, outils PDC/diamant) empêchent un engagement efficace avec la formation. L'énergie d'impact ne peut alors plus être transmise à la roche par les outils de coupe et est réfléchie vers les mécanismes internes du marteau, augmentant les contraintes internes et provoquant des défaillances secondaires.
Résumé et principaux facteurs d'influence En résumé, les défaillances courantes des marteaux fond de trou (DTH) lors du forage en roche dure sont dues aux caractéristiques propres à ce type d'opération : charges élevées et environnements difficiles. Les principaux facteurs d'influence se répartissent en trois groupes :
Équipement inadapté : modèle de marteau, type de foret ou matériaux des composants non adaptés aux conditions de la roche dure.
Utilisation et entretien incorrects : paramètres de forage inappropriés, défaut de nettoyage ou de lubrification réguliers et remplacement tardif des pièces usées.
Mauvaise coordination des systèmes auxiliaires : alimentation électrique instable et inadéquation entre la capacité d’évacuation des déblais et le cycle de forage.
La compréhension de ces causes profondes constitue la base d'un dépannage ciblé et de mesures préventives pour assurer la continuité et l'efficacité du forage en roche dure.
