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OPTIMISATION DU BOURRAGE DANS LES TIRS DE MINE
CONCEPTION ET REALISATION DES TIRS DE MINE INTRODUCTION
L’abattage des roches représente le premier maillon dans l’exploitation des gisements à ciel ouvert. Il comprend le forage et le minage. Sa qualité prédétermine en grande partie le rendement des engins miniers, la sécurité de travail et, d’une manière générale, l’efficacité des travaux à ciel ouvert. Cependant l’obtention de cette dernière dépend de plusieurs paramètres représentant le souci des ingénieurs et spécialistes
LES EXPLOSIFS
Définition et historique
Un explosif est un corps ou un mélange de corps susceptible de se décomposer très rapidement (temps inférieur à la milliseconde pour une cartouche de n’importe quel explosif) en libérant brutalement une grande quantité d’énergie. Les explosifs ont la capacité de se transformer rapidement en un grand volume de gaz à haute température. Le premier explosif connu est la poudre noire. Son utilisation remonte au 7ème siècle après Jésus Christ. A cette époque, les Chinois l’utilisaient comme feu d’artifice (Manuel du boutefeu). Son utilisation à des fins militaires vient 600 ans après son invention, avec notamment la civilisation islamique (siège du Sidjilmesa au Maroc en 1273) puis en Europe dans la bataille de Crécy en France en 1346 pendant la guerre des cent ans. Bien après ces deux applications, les explosifs commencèrent à être utilisés pour l’abattage des roches. La première utilisation dans les mines, les carrières et les travaux publics date des années 1600 (en 1627 un minage de roche a été effectué en Hongrie).
Composition et classification des substances pyrotechniques
Composition
Les explosifs sont constitués par : des comburants ou oxydants (minéraux de nitrate, nitrate d’ammonium, nitrate de sodium, etc.) dont le rôle est d’apporter de l’oxygène pour la combustion des composés organiques explosifs et celle des ingrédients non explosifs ; de combustibles ou réducteurs (fiouls, les huiles diverses, la tourbe, la farine de bois, l’aluminium, etc.) ; des composés chimiques explosifs ; des matières inertes et des additifs. 4 Certains d’entre eux ont un rôle annexe ; par exemple celui de diminuer la sensibilité aux chocs par l’absorption de la nitroglycérine ou celui d’apporter de l’énergie complémentaire à l’explosif.
Classification des substances pyrotechniques
Selon leur utilisation et selon leurs effets, les explosifs sont classés en trois grandes catégories : les explosifs dont le régime de décomposition normal est la détonation ; les propergols qui déflagrent ; les compositions pyrotechniques qui selon l’effet souhaité peuvent détonner, déflagrer ou brûler ; La figure 1 montre les différentes classes d’explosif. Figure 1 : Classification des substances pyrotechniques
Mode de décomposition des explosifs industriels à usage civil
La puissance d’un explosif est proportionnelle à la vitesse à laquelle sa décomposition se produit. Cette vitesse peut se mesurer en laboratoire et elle permet de différencier les explosifs déflagrants des explosifs détonants (figure 2). Figure 2: Vitesse de détonation en m/s des explosifs civils (EPC- France, 2013) – Les explosifs déflagrants se décomposent à une vitesse inférieure à 2000 m/s et le plus connu est la poudre noire. Leur usage est interdit dans le bâtiment et les travaux publics. – Les explosifs détonants se décomposent à une vitesse comprise entre 2000 et 7000 m/s. Ce sont les dynamites, les explosifs nitratés, les gels et la pentrite. L’énergie d’un explosif détonant libérée au moment de l’explosion se manifeste sous deux formes : une énergie de choc véhiculée par une onde de choc qui se déplace au sein de la charge et qui est transmise au milieu environnant ; une énergie de gaz engendrée par le dégagement d’un important volume de gaz à très haute température et pression. La figure 3 montre le principe de fabrication des explosifs civils. 6 Figure 3 : Principe de fabrication des différents explosifs industriels (Source NITRO-BICKFORD) I.4. Les différents types d’explosifs industriels
Les explosifs déflagrants
Le seul explosif industriel autorisé pour le traitement des roches est la poudre noire comprimée. La poudre noire est constituée d’un mélange de salpêtre (nitrate de sodium), de charbon de bois et de soufre, finement pulvérisés. Elle se présente en cartouche cylindrique. Les explosifs déflagrants sont employés lorsqu’on veut simplement obtenir des blocs sans fissures. La poudre noire est très sensible à la flamme et craint l’humidité.
Les explosifs détonants
Les dynamites Ce sont des explosifs qui contiennent 10 à 90 % en masse de nitroglyceroglycol (NGL), mélange de nitroglycérine et de dinitroglycol. La nitroglycérine est très sensible aux chocs et également très toxique. 7 Selon le taux de NGL, on distingue : – les dynamites en plastique ou gomme (plus de 20 % de NGL) ; – Les dynamites pulvérulentes (moins de 20 % de NGL). Les principales dynamites de qualité supérieure sont commercialisées sous les noms de F19, NC 1, TITADYNE 40, et les qualités courantes sous les noms de F16, NC 4, TITADYNE 25. L’EURODYN 2000 est une dynamite qui se caractérise par une faible toxicité des fumées de tir, par la suppression de constituants potentiellement toxiques (DNT, TNT) et par une excellente sensibilité. Dans les conditions normales de stockage, les dynamites sont stables chimiquement. Elles peuvent présenter un début de décomposition lorsqu’elles sont maintenues de façon prolongée à une température supérieure ou égale à +80 °C. Cette décomposition se manifeste par l’émission de vapeurs nitreuses (oxyde d’azote NOx et d’ammoniaque). Les dynamites résistent bien à l’humidité et à l’eau. Leur grande vitesse de détonation (4 000 à 6 000 m s-1) les destine à être utilisées dans les travaux publics et au niveau des carrières des roches très dures. Ce sont des explosifs relativement sensibles aux chocs. Elles doivent donc être transportées et manipulées avec précaution. Elles sont de moins en moins utilisées en carrière. Les explosifs nitratés Ce sont des explosifs dont le constituant essentiel est le nitrate d’ammonium (environ 80 % en masse) mélangé avec divers combustibles tels que la farine de bois ou la tourbe. Du trinitrotoluène y est ajouté pour rendre le mélange sensible à l’amorçage. Ils sont d’une consistance pulvérulente. Ils sont livrés en cartouches et les deux variétés les plus utilisées sont le N 31 R et le N 40 R. leur vitesse de détonation varie de 4 000 à 5 000 m.s-1 . Les explosifs nitratés sont sensibles à l’humidité mais peu sensibles aux chocs. Les explosifs nitrates-fiouls ou ANFO Ce sont les premiers produits à ne plus contenir de produits explosifs purs et à pouvoir être chargés en vrac. On distingue deux types de nitrate-fioul (ANFO) : – les ANFO ordinaires ou binaires qui sont composés de 94 % de nitrate d’ammonium et 6 % de fuel domestique, Il s’agit de l’ANFOTITE N° 1+ et l’ANFOTITE 2+ de couleur blanche rosée ; – les ANFO dopés ou ternaire : l’ANFOTITE N° 3+ est un explosif ternaire renforcé par l’addition de poudre d’aluminium, en granulés, de couleur blanc grisâtre. Les nitrates-fiouls sont des explosifs en vrac utilisés dans la charge de colonne pour l’abattage des roches tendres et dures, en carrière et sur chantier, en l’absence d’eau. L’emploi du nitrate-fioul, lorsque c’est possible, présente l’avantage d’un bon couplage entre l’explosif et la roche et limite les risques de discontinuité de la charge. Renforcé avec de l’aluminium, c’est un explosif très énergétique donnant un excellent rendement. Ces explosifs se présentant sous forme de petits granulés sont livrés en vrac dans des sacs de 25 kg et ils sont versés directement par gravité dans les trous de mine verticaux ou chargés de façon pneumatique dans des trous de mine horizontaux. 8 Les nitrates-fiouls ont une tenue à l’eau nulle. Ils sont très solubles dans l’eau. Leur utilisation dans un milieu humide nécessite l’emploi de gaine plastique souple ou semi-rigide antistatique. Leur vitesse de détonation est de l’ordre de 3 000 à 4 000 m.s-1 .Leur utilisation est déconseillée dans les mines de petits diamètres (ϕ < 40 mm) et les chantiers mal aérés. Les émulsions Ce sont des solutions aqueuses de nitrate d’ammonium et d’huile minérale émulsifiée. Il faut noter que plus les gouttelettes résultantes de ce mélange sont fines plus l’émulsion est stable. Dans ce groupe, nous avons les EMULSTARS et les Explus qui sont des émulsions encartouchées particulièrement adaptées à l’abattage des roches dures et très dures en carrières et sur le chantier de travaux publics, même en présence d’eau. Les émulsions sont résistantes à l’eau et peu sensibles aux chocs. Les ANFO alourdis Ce sont les explosifs les plus récents. Ils sont constitués par du nitrate fuel (25 à 75 %) enrobés dans une matrice d’explosifs en bouillie ou d’émulsion (25 à 75 %) dont le rôle est d’améliorer les performances et la résistance à l’eau du nitrate fuel sans en accroître la sensibilité. Sur des chantiers importants utilisant plusieurs tonnes d’explosifs à chaque tir, ils peuvent être fabriqués directement sur les lieux d’emploi à partir d’une unité mobile conduite par un personnel spécialisé. I.5. Les dispositifs d’amorçage L’objectif des systèmes d’amorçage est de constituer une chaîne pyrotechnique composée : – d’un générateur capable de produire un choc ou une flamme destinée à initier l’explosif primaire ; – d’un explosif primaire sensible à l’excitation du générateur et capable de transformer l’énergie initiale en énergie de détonation ; – d’un explosif secondaire capable de prolonger l’effet de la détonation produite par l’explosif primaire à une vitesse élevée (7000-8500 m/s) et suffisamment dosé pour garantir l’initiation des explosifs civils dans les conditions les plus sévères. La qualité de la fabrication des dispositifs des systèmes d’amorçage doit garantir la fiabilité et la sécurité de mise en œuvre sur le chantier. De manière générale, les dispositifs d’amorçage utilisés en mines et carrières souterraines peuvent être classés en quatre catégories : amorçage électrique ; amorçage non-électrique ; amorçage latéral; amorçage électronique.
Le système électrique
Il se compose d’un exploseur, d’une ligne de tir et du détonateur électrique. L’exploseur Ses caractéristiques doivent être choisies en fonction de la résistance du circuit et du type de détonateur à initier. L’appareil délivre une très forte décharge de condensateur pendant quelques millisecondes. 9 La tension de décharge est comprise entre 400 et 3 500 volts selon le type d’exploseur. La ligne de tir Elle devra être choisie avec une résistance faible pour augmenter la capacité de tir. La résistance moyenne est de quelques ohms par mètre. Le détonateur électrique C’est l’élément essentiel du système puisqu’il contient la chaîne pyrotechnique. Celle-ci se compose généralement de deux fils de cuivre enduits et sertis dans l’embout du détonateur, d’une tête d’amorce, d’un retard pyrotechnique (sauf pour les détonateurs instantanés), d’un explosif primaire de type azoture de plomb et d’un explosif secondaire (de type pentrite dosée à 0,8 g) chargé d’initier l’explosif avec une vitesse de détonation élevée (8300 m/s) et une énergie importante. Il faut noter que pour les détonateurs à retard, le retard pyrotechnique est un mélange dont la composition assure un retard à l’amorçage. La longueur du retard est proportionnelle à la quantité du mélange utilisé. Ainsi il existe deux types de mélange : – un mélange court-retard (CR) : retards compris entre 25 et 500 millisecondes (ms) par pas de 25 ms ; – un mélange retard (R) : retards compris entre 500 et 6 000 ms par pas de 500 ms. Pour les utilisateurs, un code couleur des fils est utilisé pour différencier le type du détonateur : les détonateurs de haute intensité (HI) : un fil blanc ; les détonateurs de moyenne intensité (MI) : un fil vert. Le code couleur des fils se complète en fonction du retard. Pour les détonateurs instantanés le 2 ème fil est rouge, rose pour les court-retard et jaune pour les retards. Le numéro de retard est inscrit sur une petite plaquette sertie sur les tiges du détonateur. Lorsque l’on tire une volée comportant un grand nombre de mines, il est intéressant d’échelonner les explosifs afin d’obtenir une meilleure fragmentation de la roche et de réduire les vibrations dans le sol. Cela est possible grâce au détonateur électrique à retard ou courtretard.
Le système Nonel
Il se compose d’un initiateur, d’un tube conducteur d’onde de choc et de raccords de surface non-électrique. L’Initiateur Son rôle est de provoquer un choc pour l’amorçage du tube non-électrique. Il peut être un pistolet à choc ou une explosion d’un autre dispositif d’amorçage. Le tube conducteur d’onde de choc (TCOC) C’est un tube plastique souple et creux. La paroi interne est revêtue d’une composition pyrotechnique finement dosée à 20 mg/m, permettant la transmission d’une onde de choc en 10 sous régime de détonation (2000 m/s). Le tube est résistant et assure une résistance à la traction de 10 kg (tube Davey Bickford). Le raccord de surface Il s’agit d’un mini détonateur chargé à 0,2 g de pentrite. Le tube est serti dans l’embout du détonateur avec un manchon en élastomère pour éviter la blessure du tube. Le retard est assuré par la combustion d’une composition retardatrice. Cette combustion se produit sous l’effet de l’onde de choc du TCOC et permet d’initier l’explosif primaire. Le relais de surface peut initier jusqu’à six tubes non électriques, grâce à son boîtier de connexion. Il existe aussi le système Dual Delay où le TCOC et le raccord de surface constituent un seul ensemble. L’intérêt de ces détonateurs, résulte de leur insensibilité aux courants électriques quelle que soit leur origine.
Les cordeaux détonants
Il ne s’agit pas d’un système d’amorçage complet car le cordeau détonant n’est amorçable qu’au détonateur de force 8 (0,6g). Son explosion engendre une onde de choc puissante qui fait exploser toutes les charges placées à son contact. Néanmoins son utilisation très répandue et ses avantages à la mise en œuvre (résistance à la traction, souplesse de raccordement, puissance d’amorçage) en font un mode d’amorçage à part entière. Ces inconvénients sont le bruit et les projections. Il est constitué d’une âme explosive de pentrite dosée de 5 à 100 g/m, protégée par une enveloppe plastique (PVC, Polyéthylène…).
Le système électronique
Ces dernières années plusieurs systèmes électroniques ont fait leur apparition. Malgré quelques différences de leur conception, ces systèmes permettent le dialogue avec le détonateur pour vérifier les fonctionnalités avant la mise en feu. Chaque détonateur est programmable par pas de 1 milliseconde et est indifférencié. Par rapport à un détonateur électrique classique, un circuit électronique est placé avant la tête d’amorce, il comprend : une puce électronique, chargée de dialoguer avec des consoles de tir et de programmation, de réaliser les tests électriques et de charger les condensateurs ; un condensateur d’alimentation pour faire fonctionner le circuit et exécuter le délai en milliseconde ; un condensateur de charge pour délivrer au moment opportun l’énergie nécessaire pour l’inflammation de la tête d’amorce. Par rapport à un détonateur classique, les principaux avantages sont : la sécurité d’emploi et de mise en feu ; la précision du temps de départ au moins égale à la milliseconde ; la simplicité : détonateurs identiques, programmation et reprogrammation sur le site même chargé.
Introduction générale |
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