Percussive drilling in extreme conditions : experiments and numerical models

Le forage percussif est une technologie qui consiste à appliquer une série d’impacts dynamiques conduisant à la fragmentation de la roche par deux mécanismes principaux : l’écrasement et l’écaillage. Ces mécanismes sont fortement influencés par de nombreux facteurs qui ont fait l’objet d’investigations expérimentales et numériques pendant cette thèse. Un dispositif expérimental a été développé pour réaliser des essais d’impacts dynamiques. Un système de mesure précis a été également mis au point afin d’avoir les résultats des nombreuses séries d’essais qui ont été menées dans le cadre de cette thèse. Quant au volet numérique, un laboratoire virtuel a été construit en se basant sur un modèle rhéologique élasto-viscoplatique validé sur des essais de laboratoire pour décrire le comportement du granite et un mécanisme de contact pour simuler l’interaction insert-roche pendant un impact dynamique. Dans un premier temps, plusieurs études paramétriques ont été réalisées sur un matériau homogène. Dans un deuxième temps, une nouvelle approche de modélisation de l’hétérogénéité a été développée pour décrire la distribution des minéraux dans le granite.Ces études ont fournis des éléments primordiaux pour la compréhension des mécanisme physiques de destruction des roches dures en percussion, pour l’évaluation des effets des principaux paramètres et facteurs de forage et pour l’optimisation de l’outil de forage.Percussive drilling is a technology that consists in applying a series of dynamic impacts leading to the rock fragmentation by two main mechanisms: crushing and chipping. These mechanisms are highly influenced by many factors on which experimental and numerical investigations were carried out in this thesis. An experimental set up was developed to carry out dynamic impact tests. Several series of tests were realized and their results were measured using a precise measurement system which was also developed during the thesis. As for the numerical work, a virtual laboratory was built based on an elasto-viscoplastic constitutive model validated on laboratory tests to describe the granite behavior and a contact mechanism to simulate the insert-rock interaction during a dynamic impact. First, several parametric studies were carried out on a homogeneous material. Secondly, a new heterogeneity modeling approach was developed to describe the distribution of minerals in the granite. These studies have provided essential elements for understanding the physical mechanisms of hard rocks destruction in percussion, for evaluating the effects of the main drilling parameters and factors and for optimizing the drilling tool