Types d'acier pour perforatrices de roche : outils intégrés, détachables et d'extension
Les performances du forage de roche dépendent de plusieurs facteurs, et pas seulement de la foreuse ou du marteau perforateur. Le corps de foret, le trépan, la tige de forage et le système d'accouplement déterminent l'efficacité avec laquelle l'énergie d'impact et le couple de rotation atteignent la roche. Le choix de l'outil de forage approprié influe sur la vitesse de forage, la rectitude du trou, la charge de travail de maintenance, l'usure de l'outil et les coûts d'exploitation.
Les outils de forage utilisés avec les perforatrices à percussion classiques se répartissent généralement en trois groupes : les tiges de forage intégrées, les tiges de forage détachables et les rallonges de forage. Chaque modèle présente une structure, une plage d’utilisation et des avantages économiques différents. Comprendre ces différences permet aux entreprises de travaux publics, aux exploitants de mines et de carrières d’adapter le système d’outils aux caractéristiques de la roche et à la profondeur de forage.
Comment l'acier des forets à roche transfère l'énergie
Une perforatrice à percussion classique transmet l'énergie d'impact et la rotation à travers le canon. Le piston frappe l'extrémité du canon, créant une onde de choc qui se propage le long du canon jusqu'au trépan. Simultanément, la machine applique une force de rotation et d'avance, permettant ainsi au trépan de perforer de nouvelles zones de la roche.
Cela diffère du forage fond de trou (DTH). Dans un système DTH, le marteau fonctionne près du fond du trou, juste derrière le trépan DTH. Le train de tiges transmet principalement la rotation, la force d'avance et l'air de purge ; il ne supporte pas l'énergie d'impact répétée d'un marteau de surface. C'est pourquoi les outils utilisés en forage à percussion sont généralement appelés tiges de forage, tandis que ceux utilisés en forage fond de trou sont généralement désignés comme trains de tiges, marteaux et trépans.
Pour les applications de marteau perforateur, l'objectif principal de l'acier de foret est de transmettre l'énergie d'impact et le couple avec une perte minimale tout en conservant une résistance, une résistance à la fatigue et une résistance à l'usure suffisantes.
Acier de forage intégré pour le forage de trous peu profonds
L'acier de forage monobloc est fabriqué d'une seule pièce. Une extrémité est forgée pour former une tige qui s'adapte au perforateur, tandis que l'autre extrémité est forgée pour former un trépan muni d'inserts ou de pastilles en carbure. Les matériaux courants comprennent l'acier de forage hexagonal creux, souvent avec des dimensions entre plans de 19 mm, 22 mm et 25 mm.
Comme le foret et la tige sont solidaires, la tige de forage monobloc ne comporte aucune liaison séparée entre la tige et le foret. Cela lui confère plusieurs avantages :
Aucun risque de perdre un embout détachable dans le trou.
Bon transfert d'énergie d'impact grâce à l'absence de joint entre le foret et la tige.
Haute résistance aux chocs et au couple pour sa taille.
Extraction facile depuis les trous de mine peu profonds.
Opération simple pour le perçage de petits diamètres et de trous courts.
L'acier de forage monobloc est largement utilisé dans les roches tendres à moyennement dures, pour les forages de petit diamètre, les travaux de carrière, la construction et l'exploitation minière légère. Il est particulièrement pratique lorsque la profondeur de forage est limitée et que la rapidité de changement d'outil prime sur la réutilisabilité maximale.
Le choix de la forme du trépan dépend de la nature de la roche. Les trépans monoblocs de type burin sont faciles à réaffûter et peuvent s'avérer économiques dans des conditions appropriées. Les trépans à arêtes croisées ou multiples améliorent la stabilité dans les roches tendres, fracturées ou fortement diaclasées, car ils réduisent le risque de blocage. Les trépans à trois arêtes peuvent également présenter de larges rainures d'évacuation, facilitant l'évacuation des déblais et limitant l'usure du carbure.
Les forets monoblocs en acier sont généralement mieux adaptés à la pénétration facile dans les roches peu abrasives. Leur avantage réside dans la réduction des besoins d'affûtage, mais le corps en carbure et en acier doit atteindre une durée de vie équilibrée pour que l'outil reste économique.
Le principal inconvénient des forets monoblocs réside dans le fait qu'une fois l'extrémité du foret gravement endommagée, l'outil entier peut devoir être mis hors service. Les opérateurs doivent également gérer un stock de plusieurs forets de différentes longueurs, ce qui peut accroître les besoins en transport, stockage et affûtage.
Acier de foret détachable pour le remplacement flexible des outils
Le foret à tige détachable utilise un foret amovible relié à une tige de forage distincte. La liaison peut être conique ou filetée, selon la conception de l'outil et son application. Une fois le foret retiré, la tige de forage reste visible, souvent appelée simplement tige de forage.
Le principal avantage d'un système détachable réside dans sa facilité d'entretien. Lorsque le foret est usé, il peut être remplacé sans avoir à jeter la tige. Si la tige se casse près d'un raccord, il est parfois possible de la réparer en refaisant le cône ou le filetage plutôt que de remplacer l'ensemble.
Un système à pièces détachables permet également de réaliser des forets plus profonds. Un seul foret peut percer un trou profond, tandis que des tiges de différentes longueurs sont changées au fur et à mesure du forage. Ceci permet de maintenir la qualité du trou tout en limitant le nombre d'outils complets à transporter sur le chantier.
Parmi les autres avantages, on peut citer :
Volume de transport réduit pour l'affûtage et l'entretien des forets.
Sélection séparée du matériau de la tige et du matériau du foret.
Durée de vie potentiellement plus longue pour le corps de la canne.
Rangement simplifié des mèches et des tiges.
Réduire les déchets lorsque seule la mèche est défectueuse.
Cependant, chaque raccord introduit une perte potentielle d'énergie d'impact et un point de faiblesse supplémentaire. Les raccords coniques, les raccords filetés à diamètre égal et les raccords filetés à forcer peuvent présenter des caractéristiques de perte d'énergie différentes. L'usure, une qualité de fabrication médiocre, un serrage insuffisant ou des filetages endommagés peuvent entraîner le desserrage du trépan. Un raccord de trépan desserré peut accélérer l'usure, endommager le trépan et réduire l'efficacité du forage.
C’est pourquoi les tiges de forage détachables sont plus efficaces lorsque l’entretien des raccords est considéré comme une tâche d’exploitation courante. Les opérateurs doivent inspecter les filetages ou les cônes, maintenir les raccords propres, utiliser une lubrification appropriée le cas échéant et remplacer les pièces usées avant qu’elles ne provoquent des dommages secondaires.
Tiges de forage d'extension pour trous plus profonds
Les rallonges de forage sont conçues pour les perçages profonds. Elles se composent d'un adaptateur ou d'une section de tige, d'une ou plusieurs rallonges, de raccords et d'un foret. Cette configuration est couramment utilisée pour le perçage sur établi, le perçage par chasse-pierres et autres applications de perçage profond où l'utilisation d'une tige en acier monobloc serait peu pratique.
Les rallonges modernes utilisent souvent des raccords filetés. Les profils de filetage courants comprennent les filetages ondulés et les filetages à contrefort inversé, conçus pour résister aux chocs, à la rotation et à la force d'avance. Les rallonges sont disponibles en différentes dimensions hexagonales et rondes ; la taille appropriée est déterminée par la foreuse, le diamètre de forage requis, la profondeur de forage et les conditions d'utilisation prévues.
Le filetage constitue une zone d'usure importante. Dans des conditions de forage optimales, la durée de vie utile d'une rallonge dépend principalement de l'usure du filetage plutôt que de la rupture du corps de la rallonge. L'utilisation d'une section filetée supplémentaire permet d'optimiser sa durée de vie. Lorsque la première section filetée est usée, elle peut être remplacée par la seconde.
Cette approche s'avère particulièrement avantageuse pour les tiges de forage cémentées de grand diamètre. Elle évite la difficulté de réusiner un filetage usé après l'élimination de la couche superficielle durcie d'origine. Les raccords utilisés avec des sections de filetage plus longues doivent comporter une butée interne adaptée pour positionner correctement les tiges.
Choisir le bon système d'outils de forage
Le meilleur outil de forage de roche n'est pas simplement le composant le plus robuste ou le moins cher. C'est le système qui offre la meilleure adéquation entre la profondeur de forage, la dureté de la roche, son abrasivité, sa présence, le diamètre du trou, le modèle de foret et sa facilité d'entretien.
Pour les trous peu profonds de petit diamètre et dans des conditions de forage simples, l'utilisation d'une tige de forage intégrée est généralement la solution la plus pratique. L'utilisation d'une tige de forage détachable permet un remplacement plus économique du trépan et offre une plus grande flexibilité lorsque les conditions de forage varient. Les systèmes de forage à rallonge sont la solution privilégiée pour les trous profonds nécessitant plusieurs tiges et des connexions contrôlées.
Les opérateurs doivent également utiliser une gamme prédéfinie de longueurs de tiges de forage et de diamètres de trépans. Dans un jeu de tiges de forage, chaque outil successif peut différer par sa longueur et son diamètre. La différence de longueur appropriée dépend de la dureté de la roche et de la longueur d'avance, tandis que le diamètre du trépan diminue généralement à mesure que le trou s'approfondit. Ceci contribue à maintenir l'efficacité du forage et permet au diamètre final du trou de rester compatible avec la charge explosive prévue ou toute autre exigence d'utilisation du trou.
