FR2571093A1 - Method of hydraulic extraction using a bore hole in an aquifer - Google Patents

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Abstract

The subject of the invention is a method and the corresponding device enabling an underwater cavity to be dug in a lightly consolidated area and in an aquiferous zone using a pressurised water jet originating from a nozzle 10 A inserted at the level of the cavity in a previously made bore hole and the action of which is made possible by pressurising the air of the low bore hole part and of the cavity being formed, by means of a circuit 8. The sealing of the bore hole walls is obtained by means of a seal 9 comprising a rotating joint 5 allowing the rotation of the nozzle support about a vertical axis and the vertical translation of the nozzle 10 A. The extraction of the water from the aquifer, of the breaking water and the recovery of the broken rock takes place by virtue of the pressurisation of the cavity by means of an extraction pipe which may be solidly fixed to the nozzle support and passing through the joint 5 or inserted through a seal of the 9 type also comprising a rotating joint 5 in a second bore hole intersecting the first at its low extreme part.

Description

PROCEDE D'EXTRÂCTION HYDRAULIQUE PAR SONDAGE
DANS UN TERRAIN AQUIFERE
La présente invention a pour objet un procédé et le dispositif correspondant pour creuser, en terrain aquifère, une cavité souterraine et extraire la roche abattue à partir d'un ou deux sondages de faible diamètre partant de la surface.SURFACE HYDRAULIC EXTRACTION METHOD
IN AQUIFERE PLOT
The present invention relates to a method and the corresponding device for digging, in aquifer, an underground cavity and extract the rock cut from one or two small diameter soundings from the surface.

Plus précisément, elle consiste en un ensemble piloté à partir de la surface utilisant un jet d'eau sous pression, un système d'amenée d'air comprimé avec obturateurs et joints tournants, et un système d'évacuation de la pulpe créée au fond de la cavité.More precisely, it consists of an assembly controlled from the surface using a jet of pressurized water, a system for supplying compressed air with shutters and rotating joints, and a system for evacuating the pulp created at the bottom. of the cavity.

L'idée d'abattre la roche en cavité par un jet d'eau sous pression n'est pas nouvelle puisqu'elle a commencé è faire l'objet de brevets aux Etats-Unis dès 1955 (brevet
U.S. 2.720.381).The idea of cutting hollow rock by a jet of water under pressure is not new since it began to be patented in the United States as early as 1955 (patent
US 2,720,381).

Toutefois, dans la plupart des expériences, il était conclu qu'une limitation majeure du procédé est la présence d'une nappe aquifère dans les terrains rencontrés.However, in most experiments it was concluded that a major limitation of the process is the presence of an aquifer in the areas encountered.

Par ailleurs, à l'occasion de ses recherches sur l'extraction hydraulique par sondages, Nib... Fly mettait au point en 1964 un système original (fig. 1) comprenant deux jets d'eau (1), un tricone (2) au fond du forage, et un système de pompage (3) juste au-dessus du tricone (3) (brevet U.S. 3.155.177). Plus tard, pour aider le pompage et augmenter la gamme de profondeur du procédé, il essayait la pressurisation de la cavité avec de l'air comprimé (A.B. Fly "Rydro-blast mining shoots a head", Mining
Engineering, Marc.h 1969, pp. 56 - 58). C'était la première tentative connue de nous de pressurisation qui n'a jamais fait l'objet de développement et dont la pratique à notre connaissance a été abandonnée.Moreover, in the course of his research on hydraulic extraction by drilling, Nib ... Fly developed in 1964 an original system (Figure 1) including two jets of water (1), a tricone (2 ) at the bottom of the borehole, and a pumping system (3) just above the tricone (3) (US Patent 3,155,177). Later, to help pumping and increase the depth range of the process, he tried to pressurize the cavity with compressed air (AB Fly "Rydro-blast mining shoots a head", Mining
Engineering, Marc.h 1969, pp. 56-58). This was the first known pressurization attempt by us that has never been developed and whose practice to our knowledge has been abandoned.

Elle se heurtait en effet au problème de l'étanchéifica- tion de la cavité : il est en effet nécessaire de placer un système d'obturation au-dessus de la cavité (dans le forage) pour maintenir la pressurisation et l'outil de
Fly était solidaire de l'obturateur, qui devait donc tourner avec lui dans le forage. Enfin, l'application recherchée était purement l'assistance au pompage et aucune recherche n'était effectuée dans le but de résoudre le problème de la présence d'eau naturelle dans les terrains.In fact, it encountered the problem of sealing the cavity: it is indeed necessary to place a shutter system over the cavity (in the borehole) to maintain the pressurization and the tool of
Fly was attached to the shutter, which had to rotate with him in the borehole. Finally, the application sought was purely pumping assistance and no research was carried out in order to solve the problem of the presence of natural water in the grounds.

Le principe du procédé faisant l'objet de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 2. Il utilise un réservoir d'eau (1) qui peut être naturel (lac, étang ...) ou artificiel, un système de pompes (2 et 3 sur la figure), un joint rotatif (4), un joint tournant (5), un groupe électrogène (6), un compresseur d'air (7), un système de distribution d'air (8), qui permet de pressuriser la cavité (14), deux obturateurs (9), une tuyauterie d'eau coudée (10) terminée par une buse d'eau (10 A), une tuyauterie d'extraction (11), et un bac de décantation (12).The principle of the process forming the subject of the invention is shown diagrammatically in FIG. 2. It uses a water reservoir (1) which can be natural (lake, pond, etc.) or artificial, a pump system ( 2 and 3 in the figure), a rotary joint (4), a rotary joint (5), a generator (6), an air compressor (7), an air distribution system (8), which pressurizes the cavity (14), two shutters (9), an angled water pipe (10) terminated by a water nozzle (10 A), an extraction pipe (11), and a settling tank (12).

Deux variantes du procédé sont possibles - la première utilise deux forages : le premier forage
donnant la direction de travail contient un obturateur
(9), le système d'arrivée d'air (8) et d'eau (10) ; le
second forage intersectant le premier et incliné par
rapport au premier d'un angle quelconque choisi en
fonction des conditions locales de surface et fixé ici
dans nos exemples à 30-, contient un obturateur (9) et
la tuyauterie d'extraction (11). Two variants of the process are possible - the first uses two boreholes: the first borehole
giving the direction of work contains a shutter
(9), the air (8) and water (10) supply system; the
second drilling intersecting the first and inclined by
relative to the first of any angle selected in
depending on the local surface conditions and set here
in our examples at 30-, contains a shutter (9) and
the extraction pipe (11).

Un exemple de mise en oeuvre de la première variante
est illustré sur la figure 3. On y voit les deux
forages, le système d'arrivée d'air (8), d'eau (10),
d'extraction (11) > les obturateurs (9), ainsi que les
joints (4 et 5), le bac de décantation (12), et un sys
tème mobile comprenant les pompes (2 et 3), le groupe
électrogène (6) et le compresseur (7). An example of implementation of the first variant
is shown in Figure 3. It shows the two
drilling, the air supply system (8), water (10),
(11)> the shutters (9), as well as the
joints (4 and 5), the settling tank (12), and a sys
mobile system comprising the pumps (2 and 3), the group
generator (6) and the compressor (7).

La figure 4 montre un exemple de réalisation du système d'arrivée d'eau sous pression (10-) coudée pouvant recevoir la buse (1Q A).FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the water inlet system (10-) bent to receive the nozzle (1Q A).

La figure 5 montre un exemple de réalisation de joint tournant permettant la rotation de l'arrivée d'eau (10) et sa translation verticale.FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a rotary joint enabling rotation of the water inlet (10) and its vertical translation.

la seconde variante n'utilise qu'un seul forage et dans ce cas, un seul obturateur est nécessaire tandis que l'arrivée d'air (8), d'eau (10) et la tuyauterie d'extraction ( sont rassemblées en un seul ensemble traversant le joint tournant (5) . Cette variante peut être vue sur la figure 6 où l'on retrouve les différents éléments cités. the second variant uses only one borehole and in this case only one shutter is required while the air (8), water (10) and the extraction pipe (are assembled in one only one unit passing through the rotary joint (5) This variant can be seen in Figure 6 where the various elements mentioned are found.

Pour certaines applications, bn peut envisager de dEso- lidariser les arrivées d'air lys') et d'eau (io) du tuyau d'extraction (11) en prévoyant deux joints de type (5) placés côte z cote l'un pour le passage des tuyauteries d'air et d'eau, l'autre pour le tuyau d'extraction.For certain applications, it is possible to de-balance the air (lys) and water (io) intakes of the extraction pipe (11) by providing two seals (5) placed side by side for the passage of the air and water pipes, the other for the extraction pipe.

Cette disposition permet de faire varier les cotes relatives entre la buse et l'extrémité inférieure du tube d'extraction comme schématisé sur 1a figure 7-.This arrangement allows to vary the relative dimensions between the nozzle and the lower end of the extraction tube as shown schematically in Figure 7-.

La mise sous pression de la partie inférieure du ou des sondages et de la cavité en cours de creusement permet l'évacuation par le tuyau (11) de l'eau présente dans le terrain en début d'opération puis l'évacuation de l'eau issue de la buse (10 A) qui se charge des produits désagr-égés jusqu'à former uge pulpe dont la teneur en matières solides peut varier dans de très grandes proportions jusqu' atteindre des valeurs de 50 %. Les teneurs sont fonction de la nature du terrain et de son état de consolidation ainsi que de l'efficacité du jet.The pressurization of the lower part of the borehole (s) and of the cavity being excavated enables the pipe (11) to be evacuated from the water present in the ground at the beginning of operation and then to evacuate the water from the nozzle (10 A) which takes care of the disintegrated products to form a pulp whose solids content can vary in very large proportions up to 50% values. The grades are based on the nature of the terrain and its state of consolidation and the effectiveness of the jet.

L'efficacité du jet est fonction de la pression d'alimentation de l'eau å la buse (10 A) de son diamètre, de son incidence et de sa distance à la paroi attaquée, ces deux derniers facteurs variant au cours de llopéra- tion. Il faut bien noter que 11 efficacité est nulle à de très faibles distances (15 cm) quand la buse (10 A) travaille sous lteau. The effectiveness of the jet is a function of the water supply pressure at the nozzle (10 A) of its diameter, its incidence and its distance from the attacked wall, the latter two factors varying during the operation of the jet. tion. It should be noted that efficiency is zero at very short distances (15 cm) when the nozzle (10 A) is under water.

Un jet, travaillant dans une qualité pressurisée émis par une buse (10 A) d'un diamètre de 2 mm alimentée sous 4
MPa permet de remonter une pulpe avec une proportion de solide comprise entre 3 et 12 Z tandis qu'avec la même buse alimentée sous li M.Pa la teneur au solide varie entre 25 et 50 Z avec un point de fonctionnement moyen, de l'ordre de 35 X. A jet, working in a pressurized quality emitted by a nozzle (10 A) with a diameter of 2 mm fed under 4
MPa makes it possible to remount a pulp with a proportion of solid comprised between 3 and 12 Z whereas with the same nozzle fed under li M.Pa the solid content varies between 25 and 50 Z with an average operating point, of the order of 35 X.

La composition de la pulpe est la même dans les deux cas cités w titre d'exemple : 80 Z de quartz, 10 Z-de calfate, 10 Z d'argile.The composition of the pulp is the same in the two cases mentioned by way of example: 80% of quartz, 10% of calfate, 10% of clay.

Les forages peuvent avoir un diamètre minimum de l'ordre de 90 X 100 mm. I1 est conseillé d'-utiliser un petit diamètre pour certaines applications (création de réservoirs souterrains par exemple) lorsqu'on souhaite préserver l'environnement lors de leur-exploitation, ce qui est un des avantages possibles du dispositif. Un bon diamètre est alors d'environ lOa mm. Le forage incliné ne devrait pas être trop redressé, sous peine de créer des difficultés au point d'intersection avec le forage principal.Drilling may have a minimum diameter of the order of 90 X 100 mm. It is advisable to use a small diameter for certain applications (creation of underground tanks for example) when one wishes to preserve the environment during their exploitation, which is one of the possible advantages of the device. A good diameter is then about 10 mm. Inclined drilling should not be over-tilted, otherwise it will create difficulties at the point of intersection with the main borehole.

C'est pourquoi un angle de l'ordre de 30' avec l'autre forage est conseillé. Enfin, toujours dans le cas de la variante à deux forages, la tuyauterie d'extraction -(11) doit être placée nettement en-dessous de la buse (10) pour permettre une bonne récupération de la roche abattue.This is why an angle of about 30 'with the other drilling is recommended. Finally, again in the case of the two-bore variant, the extraction piping - (11) must be placed clearly below the nozzle (10) to allow a good recovery of the rock felled.

La pression de l'air comprimé de l'arrivée (8) permettant de mettre sous pression la cavité en cours de creusement est déterminée en fonction de trois facteurs : la qualité de ltétanchéïté procurée pour les obturateurs dans le ou les forages, la porosité des terrains et la quantité d'eau naturelle qui y est présente, ainsi que la hauteur de remontée de la pulpe contenant la roche abattue. Pour une profondeur de 10 m, par exemple, une pression de l'ordre de 0,5 MPa est généralement suffisante. The pressure of the compressed air of the inlet (8) making it possible to pressurize the cavity being excavated is determined according to three factors: the quality of the sealing provided for the shutters in the borehole (s), the porosity of the land and the amount of natural water that is present there, as well as the height of rise of the pulp containing the slaughtered rock. For a depth of 10 m, for example, a pressure of the order of 0.5 MPa is generally sufficient.

Les obturateurs sont d'un type classique et peuvent consister, par exemple, en un système gonflable de longueur choisie de façon convenable en fonction de la consolidation du terrain et venant s'appuyer sur les parois du forage. Tout système permettant d'immobiliser la partie fixe du joint tournant (5) et d'assurer l'étanc-héïté aux parois des forages peut convenir.The shutters are of a conventional type and may consist, for example, of an inflatable system of length suitably chosen according to the consolidation of the ground and coming to rest on the walls of the borehole. Any system that makes it possible to immobilize the fixed part of the rotary joint (5) and to ensure the tightness of the boreholes may be suitable.

L'arrivée d'air du système de distribution (8) peut se faire soit à la sortie de l'obturateur vertical (qui doit alors être placé assez bas), soit plus bas, encore à proximité de la buse 10 A ou encore dans la partie haute du tube de guidage (15) mais de toute façon en-dessous du joint (5).The air inlet of the distribution system (8) can be either at the exit of the vertical shutter (which must then be placed low enough), or lower, still close to the nozzle 10 A or in the upper part of the guide tube (15) but in any case below the seal (5).

La buse est une buse ordinaire par exemple en acier (il n'est pas nécessaire d'utiliser du diamant ou du saphir) dont un type est illustré sur la figure 4. L'angle du coude (13) varie entre 90' (cavité avec un "toit" horizontal) et une valeur de l'ordre de 135 créant alors une cavité un peu moins large mais plus stable grace è l'effet de voute obtenu. Le diamètre de sortie de la buse est ajusté en fonction de l'énergie souhaitée pour le jet et, par conséquent, de la taille de la cavité et du type de roche abattue.The nozzle is an ordinary nozzle for example steel (it is not necessary to use diamond or sapphire), a type is illustrated in Figure 4. The angle of the elbow (13) varies between 90 '(cavity with a "roof" horizontal) and a value of the order of 135 creating a cavity a little less wide but more stable thanks to the vault effect obtained. The outlet diameter of the nozzle is adjusted according to the energy desired for the jet and, therefore, the size of the cavity and the type of rock felled.

Pour une pression de 10 MPa (pression du jet d'eau à la sortie de la buse), une buse de 2 mm de diamètre permet de creuser une cavité de diamètre supérieur à 1 m en terrain sableux (et silicieux). Les dimensions sont parfois très supérieures selon la cohésion du sable. I1 convient de noter aussi qu'il est possible d'utiliser plusieurs buses (trois à 1200 ou quatre disposées à 90" peuvent etre envisagées par exemple) au lieu d'une seule pour augmenter le rendement d'extraction.For a pressure of 10 MPa (water jet pressure at the outlet of the nozzle), a nozzle 2 mm in diameter allows to dig a cavity with a diameter greater than 1 m in sandy (and siliceous). The dimensions are sometimes much higher depending on the cohesion of the sand. It should be noted also that it is possible to use several nozzles (three to 1200 or four arranged at 90 "can be considered for example) instead of one to increase the extraction yield.

Le système de pompes b la surface peut consister en une ou plusieurs pompes et les pressions à assurer pour le jet d'eau peuvent être comprises entre quelques MPa è 20
MPa et plus Si la nature du terrain l'impose, mais les considérations techniques et économiques interviennent alors et limitent l'utilisation de pressions plus élevées (en pratique de l'ordre de 10 MPa, pour les applications courantes).The surface pump system may consist of one or more pumps and the pressures to be provided for the water jet may range from a few MPa to 20%.
MPa and more If the nature of the terrain requires it, but technical and economic considerations then intervene and limit the use of higher pressures (in practice of the order of 10 MPa, for current applications).

La profondeur d'utilisation du procédé dépend de la variante retenue. Dans le cas de la variante à deux forages, elle est fonction de la capacité dtintersecter les deux trous. Dans le cas de la variante à un forage, ce problème n'existe plus et la limitation est économique chargées, un système de type "pompe à éjection" peut s'avérer utile pour aider a l'évacuation des matériaux extraits. La pompe 9 éjection et son alimentation en air est alors placée dans le tube d'évaluation à une hauteur convenable.The depth of use of the process depends on the variant chosen. In the case of the two-bore variant, it depends on the ability to intersect the two holes. In the case of the variant with a borehole, this problem no longer exists and the limitation is economically loaded, a system of the "ejection pump" type can be useful to help the evacuation of the extracted materials. The ejection pump 9 and its air supply is then placed in the evaluation tube at a suitable height.

Le procédé et le dispositif décrit sont particulièrement adaptés deux types d'applications, tous les deux en terrain aquifère a) la récupération de substances minérales ou énergéti-
ques relativement peu profondes en terrain peu
consolidé (sables uranifères, substances salines, par exemple, etc etc b) la création de cavités pour servir de réservoir (d'eau
par exemple pour des usages domestiques ou
industriels) ou de lieu de stockage ou de dépôt (a des
fins énergétiques entre autres). The method and the device described are particularly suitable for two types of applications, both in the aquifer field a) the recovery of mineral substances or energy
relatively shallow in shallow terrain
consolidated (eg uraniferous sands, saline substances, etc etc) b) the creation of cavities to serve as a reservoir (water
for example for domestic purposes or
industrial plants) or storage or depot
energy purposes among others).

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Procédé et dispositif pour le creusement dune cavité1. Method and device for digging a cavity souterraine n milieu peu consolidé par le moyen d'un  subterranean environment is poorly consolidated by means of a jet d'eau sous pression émis par une buse (10 A) in pressurized water jet emitted by a nozzle (10 A) in troduite jusqu'au niveau de la cavité dans un sondage troduced to the level of the cavity in a sounding préalablement réalisé et dont l'action est rendue pos previously realized and whose action is made pos sible an zone aquifère par la mise sous pression d'air  sible in the aquifer zone by pressurizing air de la partie basse du sondage et de la cavité, l'étan-  the lower part of the borehole and the cavity, the chéité entre l'amenée d9eau (10) è la buse (10 A) et between the water supply (10) to the nozzle (10 A) and les parois du sondage étant assurée par un obturateur the walls of the sounding being ensured by a shutter (9) comportant un joint (5) permettant la rotation de (9) having a seal (5) allowing the rotation of la buse dans le plan horizontal ainsi que sa transla the nozzle in the horizontal plane and its transla tion verticale et la récupération de la roche abattue vertical recovery and the recovery of the rock se faisant sous la forme sdfune pulpe par l'interm-  being in the form of a pulp through the diaire dgun tube (11) introduit dans un deuxième of a tube (11) introduced into a second sondage coupant le premier dans sa partie extreme survey cutting the first in its extreme part basse, l'étanchéité entre le tube d'extraction (11) et low, the tightness between the extraction tube (11) and les parois du 2è sondage étant assurée par un the walls of the 2nd survey being provided by a obturateur (9) comportant un point (5) permettant la shutter (9) having a point (5) allowing the rotation et la translation du tube d'extraction de la rotation and the translation of the extraction tube of the pulpe. pulp. 2. Procédé et dispositif pour le creusement d'une cavité2. Method and device for digging a cavity souterraine en milieu peu consolidé par le moyen d'un  underground in a poorly consolidated environment by means of a jet d'eau sous pression émis par une buse introduite pressurized water jet emitted by an introduced nozzle jusqu'au niveau de la cavité dans un sondage préala up to the cavity level in a preala sounding blement réalisé et dont l'action est rendue possible realized and whose action is made possible en zone aquifère par la mise sous pression d'air de la in the aquifer zone by pressurizing the air with the partie basse du sondage et de la cavité, l'étanchéité lower part of the sounding and the cavity, the tightness entre l'amenée d'eau à la buse et les parois du son between the supply of water to the nozzle and the walls of the sound dage étant assurée par un obturateur comportant un being ensured by a shutter having a joint permettant la rotation de la buse (10 A) dans le joint allowing rotation of the nozzle (10 A) in the plan horizontal ainsi que sa translation verticale et horizontal plane as well as its vertical translation and la récupération de la roche abattue se faisant sous la the recovery of the slaughtered rock being done under the forme d'une pulpe par l'intermédiaire d'un tube form of a pulp through a tube d'extraction (11) solidaire du tube d'amenée d'eau  extraction device (11) secured to the water supply tube sous pression (10), support de la buse (10 A), et under pressure (10), nozzle support (10A), and traversant le même joint tournant (5), l'extrémité  passing through the same rotary joint (5), the end basse du tube d'extraction étant placée en-dessous du bottom of the extraction tube being placed below the niveau horizontal de la buse. horizontal level of the nozzle. l'un > l'autre. one> the other. étant assurée par deux joints (5) montés parallelesent  being ensured by two seals (5) mounted parallelesent A), l'étanchéité de la pressurisation de la cavité A), the sealing of the pressurization of the cavity tube (11) et le niveau de l'extrémité de la buse (10 tube (11) and the level of the end of the nozzle (10 régler le décalage vertical entre 11 extrémité basse du set the vertical offset between 11 low end of the lement de façon indépendante afin de modifier et de independently in order to modify and de l'amenée d'eau (10) et peut etre translaté vertica of the supply of water (10) and can be translated vertica ce que le tube d'extraction (11) n'est plus solidaire that the extraction tube (11) is no longer secured 3. Dispositif selon la revendication n' 2 caractérisé en 3. Device according to claim 2, characterized in 4. Dispositif selon la revendication n' 1 ou la revendi4. Device according to claim 1 or claim cation n' 2 caractérisé en ce que la buse (10 A) est cation n '2 characterized in that the nozzle (10 A) is remplacée par plusieurs buses de même type afin d'aug replaced by several nozzles of the same type in order to menter le débit d'abattage. Maintain the slaughter rate. 5. Dispositif selon la revendication n' 1 ou n' 2 ou n- 35. Device according to claim 1 or 2 or 3 caractérisé en ce que l'extraction de la pulpe est as characterized in that the extraction of the pulp is as sistée par une pompe w éjection placée w hauteur con sisted by a pump w ejection placed w height con venable dans le tube d'évacuation.  venable in the evacuation tube.
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