Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

В 1925-1927 гг. выходят первые работы

Спиваковского по грузоподъемным маши-

нам и книга «Расчеты по транспортным ус-

тройствам». Затем издается капитальная

четырехтомная монография «Конвейерные

установки» (1932-1933 гг.), принесшая ав-

тору мировую известность. Работа внесла

значительный вклад в теорию транспорт-

ных устройств и создала условия для их

успешного конструирования. Иностранные

рецензенты писали, что «работа Спиваков-

ского представляет собой крупнейший труд

по конвейерам и является неоценимым ру-

ководством» [24].

Особое значение имела научная методо-

логия А.О. Спиваковского и его школы

(Н.С. Поляков, Н.А. Малевич, Л.Г. Медведев, М.А. Котов и др.). Она

заключалась в сочетании научных исследований с конструкторской раз-

работкой и включала исследования физических основ действия машин и

установок, создание методов расчета и конструирования с учетом техно-

логической нагрузки, экономический анализ применения новой техники.

В 1933 г. А.О. Спиваковский переводится в Московский горный ин-

ститут, а с 1954 г., не прерывая преподавательской работы в МГИ, ру-

ководит лабораторией механизации горных работ Института горного

дела АН СССР. По его инициативе были начаты новые для того времени

исследования по созданию многоприводных конвейеров, по теории скреб-

ковых конвейеров, по определению оптимальной емкости вагонеток, по

созданию теоретических основ пневматического и гидравлического транс-

порта. Эти исследования внесли большой вклад в практику создания но-

вых средств подземного транспорта (ленточных конвейеров с проме-

жуточными приводами, крутонаклонных конвейеров, высокоэффек-

тивных скребковых транспортеров и др.). Член-кор. АН бывш. СССР

А.О. Спиваковский удостоен Государственной премии СССР («За корен-

ное усовершенствование скребковых транспортеров»), избран почетным

доктором наук Краковской горно-металлургической академии.

Наше знакомство с замечательными учеными-горняками первой по-

ловины ХХ в. не может отразить всей полноты и многообразия науч-

ных исследований этого периода. Это задача отдельных монографий

[16, 31 и др.]. Наша цель состояла в демонстрации новых тенденций в

развитии горного дела, которые наиболее ярко воплотили в жизнь «дей-

ствующие лица» этого очерка. Подводя итоги их научной деятельности

можно выделить характерные черты горной науки начала ХХ в.

Рис. 4.6

А.О. Спиваковский

В этот период происходит четкая дифференциация (разделение) «гор-

ного искусства» по отдельным направлениям (системы вскрытия и раз-

работки месторождений, проведение и крепление выработок, механи-

зация горных работ, рудничная аэрология и др.). Вместе с этим в гор-

ной науке стали более отчетливыми ее общие специфические черты,

вполне оправдывающие ее самостоятельное существование и развитие.

В отличие от предшествующего времени, когда говоря о науке имели в

виду отдельных крупных ученых, в ХХ в. формируются горные научные

школы, объединяющие коллективы ученых, которые связаны единой иссле-

довательской программой, общностью научных взглядов и стилем работы в

конкретной области горных наук. Научные школы формируются вокруг

личностей крупных талантливых ученых, которые являются авторами про-

граммных концепций и руководителями этих научных коллективов.

Основополагающей чертой исследований становится систематизация

эмпирического материала в виде научных теорий с привлечений анали-

тического аппарата описания основных закономерностей. Как остроум-

но отметил Г. Хаскинс «Формула – это нечто такое, что сработав раз,

продолжает пытаться делать это снова и снова». Учеными разрабатыва-

ются теории горного давления, расчета крепи, проектирования шахт,

механизации работ, нормирования труда и др. «Если не предлагать ни-

каких теорий, то к чему служат столько опытов, столько усилий и трудов

великих мужей?» – спрашивал когда-то М.В. Ломоносов [15]. Только в

начале ХХ в. его слова нашли практическое отражение в горной науке.

Более того, только с привлечением аналитического метода и теоретичес-

ких обобщений «горное искусство» стало преобразовываться в современ-

ную прикладную науку. Это предопределило качественные изменения в

развитии техники и технологии горных работ в ХХ в.

Революционное значение трансформации «искусства» (здесь: деятель-

ности, основанной на опыте и интуиции) в науку, использующую ана-

литические методы, афористически сформулировал еще в 1386 г. фран-

цузский инженер Жан Миньо. Когда при возведении Миланского собо-

ра, не имевшего строительных аналогов, местные мастера оказались в

безвыходном положении, власти пригласили Жана Миньо, известного

своими расчетными обоснованиями сооружений. Разрешив все пробле-

мы строительства (Миланский собор сохранился до настоящего време-

ни), Миньо произнес знаменитое «ars sine scientia nihil est» (лат.: «искус-

ство без науки – ничто») [3]. Это была одна из первых побед теоретичес-

кого знания над традиционным (эмпирическим) при решении новых

задач. Бурное развитие теоретических знаний и широкое их примене-

ние в промышленных технологиях привели в середине ХХ в. к небыва-

лому прогрессу техники, ознаменовавшему период научно-технической

революции.

«Совершенство достигается не

тогда, когда уже нечего прибавить,

но когда уже ничего нельзя отнять»

А. де Сент-Экзюпери

4.2 Совершенствование техники

горнопроходческих работ

одземная разработка месторожде

ний полезных ископаемых базиру-

ется на двух важнейших технологических

подсистемах: горнопроходческих и очист-

ных работах. Горнопроходческие работы

представляют собой комплекс технологичес-

ких процессов по проведению подземных

горных выработок, включающий разруше-

ние горных пород, их погрузку в транспор-

тные средства, возведение крепи и вспомо-

гательные операции (вентиляция, водоот-

лив, транспорт и др.).

В первой половине ХХ в. почти все гор-

ные выработки проводили при помощи

взрывной отбойки пород, причем произво-

дительность труда проходчика составляла

около 0,12 м

, а скорость проведения выра-

боток 10-25 м/мес. [32].

В начале 20-х годов в качестве взрыв-

чатых веществ для горной промышленно-

сти стали применять аммониты, изобре-

тенные шведскими инженерами И. Ольсе-

ном и И. Норбином еще в 1867 г. Интерес-

но, что первые тысячи тонн аммонитов для

нужд промышленности были извлечены из

снарядов и авиабомб, оставшихся на скла-

дах со времен первой мировой войны. Ши-

рокому внедрению аммонита способствова-

ли значительно меньшая (по сравнению с

динамитом) чувствительность к механичес-

ким воздействиям и, собственно, большая

безопасность в обращении.

В 1931 г. с вводом в строй опытного

штрека при Макеевском научно-исследова-

тельском институте (МакНИИ, Украина)

начались исследования антигризутных (предохранительных) ВВ на базе

аммонитов, что позволило значительно раньше других государств начать

их широкое применение для горнопроходческих работ [20]. Основываясь

на тепловой теории французских ученых Ф. Маллара и А. Ле Шателье,

предлагавших в целях безопасности снизить температуру взрыва ВВ, со-

ветские исследователи К.К. Андреев, А.И. Гольбиндер и др. обосновали

эффективность каталитического пламягашения путем введения в состав

ВВ солей-пламегасителей (хлоридов натрия, калия и др.). Это позволило

обеспечить ведение взрывных работ в шахтах опасных по газу и пыли.

Значительное влияние на повышение эффективности разрушения

горных пород оказало изобретение короткозамедленного взрывания,

впервые осуществленного в бывш. СССР инженером К.А. Берлиным

в 1934 г. при проведении шахтного ствола. Этот способ обеспечивал

определенную последовательность взрывания зарядов ВВ через за-

данные промежутки времени (миллисекунды). Первоначально корот-

козамедленное взрывание было вызвано необходимостью уменьше-

ния сейсмического действия взрыва все более возрастающих по мас-

се зарядов ВВ на промышленные сооружения шахтной поверхности.

Однако дальнейшие исследования показали ряд других важных пре-

имуществ этого способа. Был выявлен лучший эффект дробления

пород, что объясняется интерференцией волн напряжений от взры-

вов соседних зарядов, а также образованием дополнительных сво-

бодных поверхностей, облегчающих действие взрыва последующих

зарядов. Впервые появилась возможность формировать различные

группы шпуров (врубовые, отбойные, оконтуривающие – рис. 4.7) и

отпаливать их в необходимой последовательности, что значительно

повысило эффектив-

ность взрывных работ

и обеспечило высокое

качество проведения

выработок. При этом в

шахтах опасных по

взрыву газа или пыли,

стали подбирать такие

суммарные интервалы

замедления между раз-

личными группами

шпуров, за которые

содержание метана

или угольной пыли в призабойной зоне не могло достичь взрывоо-

пасных концентраций (до 135 мс), что обеспечило безопасность взрыв-

ных работ в этих условиях. С изобретением в США (1949 г.) электродетонато-

Рис. 4.7 Комплект шпуров в забое подготовитель-

ной выработки: 1-4 – врубовые; 5-12 – отбойные;

13-20 – оконтуривающие

ров короткозамедленного действия, заменивших приборный способ

осуществления замедлений, короткозамедленное взрывание становит-

ся базовым при ведении горнопроходческих работ.

Из многих видов горных выработок особое внимание всегда прида-

валось вертикальным шахтным стволам, сооружение которых во мно-

гом предопределяло продолжительность строительства и реконструк-

ции шахт. В начале ХХ в. стволы оснащались для проходки деревянны-

ми копрами и проходческими лебедками, отбойка осуществлялась бу-

ровзрывным способом, породу грузили вручную лопатами в бадьи вме-

стимостью 0,5-1 м

В 1925 г. проф. Б.И. Бокий предложил метод форсированной про-

ходки шахтных стволов (рис. 4.8). В соответствии с ним с поверхности

на всю глубину ствола проходят ряд скважин, которые заполняют во-

дой или песком. Когда все скважины пробурены их освобождают от за-

полнителя, заряжают на глубину 1,5-2 м взрывчатыми веществами и от-

паливают породу. Для уборки взорванной породы в забой через под-

весные полки проводят две железные трубы диаметром 1,5 м, одна слу-

Рис. 4.8 Проходка стволов

методом проф. Б.И. Бокия

Рис. 4.9 Многолопастный грейфер для

механизированной уборки породы

жит для вентиляции забоя и движения проходческой клети, другая – для

размещения элеватора с черпаками, захватывающими породу со дна

шахты. Этот способ уборки породы из-за его громоздкости не получил

промышленного распространения [33].

Некоторый интерес представляло предложение В.А. Рикмана, при-

менять для погрузки взорванной породы одноковшовый экскаватор на

временном креплении. Его испытания в 1938 г. в Донбассе показали

невысокую производительность, причем наличие большой мертвой зоны

площади забоя требовало ручной уборки почти 50% породы.

В 40-х годах промышленное применение для уборки породы получи-

ли многолопастные грейферы (рис. 4.9). На расстоянии 6-10 м от забоя

на металлической раме устанавливался трехмоторный мостовой кран.

Два мотора обслуживали движение каретки, а третий – подъем грейфе-

ра, который мог захватывать породу в любом месте забоя, нагружая ее

в бадьи или скипы.

Существенное улучшение в технике проходки стволов началось с 1948 г.

после успешных испытаний и начала серийного производства подвес-

ного пневматического грузчика с

ручным вождением по забою

грейфера вместимостью 0,11 м

разработанного Я.И. Балбачаном

и А.Ф. Чугуновым. Грузчики БЧ-

1, механизируя операции по чер-

панию взорванной породы и ее

подъему для разгрузки в бадью,

позволили более чем вдвое повы-

сить производительность труда

проходчиков, причем среднеме-

сячная скорость проходки увели-

чилась с 13 до 27 м, а максималь-

ная составила 202 м (при одновре-

менной работе в стволе четырех

грузчиков БЧ-1). В 1955 г. в бывш.

СССР с использованием грузчи-

ков БЧ-1 было пройдено 90% всех

стволов. Для ликвидации тяжело-

го ручного труда по перемещению

грейфера грузчика БЧ-1 (КС-3) по

забою в 1958 г. были разработа-

ны погрузочные машины типа

КС-2у/40 (рис. 4.10) с механизи-

рованным вождением грейфера

Рис. 4.10 Погрузочная машина КС-2У/40 с

бадьей перегружателем: 1 – перегружатель;

2 – шланг управления; 3 – полиспаст; 4 –

поворотная рама; 5 – тележка радиального

перемещения: 6 – погрузочная машина

вместимостью 0,65 м

. В 1965 г. машинами КС-2у/40 было погружено 32%

общего объема выданной породы, в 1970 г. – 60%, в 1986 г. – 89%. Их

среднемесячная производительность составила 1208 м

, что в 10,4 раза

выше производительности грузчиков с ручным вождением грейфера [32].

В 60-е и 70-е годы для проходки стволов были созданы саморазгру-

жающиеся проходческие бадьи вместимостью от 1 до 6,5 м

и прицеп-

ные устройства для них, некрутящиеся канаты, ряд забойных подвес-

ных насосов, средства связи и освещения, проходческие лебедки грузо-

подъемностью до 45 т для подвески полков, опалубки и др. оборудова-

ние для стволов глубиной до 1500 м.

Особо следует отметить разработку ЦНИИПодземмашем бурильных

установок типа БУКС, заменивших ручные перфораторы ударного дей-

ствия. Установка БУКС-1м (рис. 4.11) состоит из раздвижной колонки

1, к которой прикреплены четыре стойки 2 с бурильными молотками 3.

Все эти узлы составляют съемную часть ус-

тановки. Бурильное оборудование навеши-

вается на тельфер погрузочной машины

КС-2у/40, которым установка перемещает-

ся в круговом и радиальном направлении.

После бурения шпуров установка склады-

вается и поднимается на поверхность.

Модернизация бурильных установок типа

БУКС была проведена в комбинате «Луган-

скшахтострой», где были изготовлены и ис-

пытаны машины БУКС-1м5 и БУКС-1м6,

соответственно с пятью и шестью буриль-

ными машинами БГА-1. Применение мо-

дернизированных установок позволило

увеличить производительность бурения

шпуров на 15-20%.

Большое значение имели разработка и

широкое внедрение способа возведения в

стволах монолитно-бетонной крепи с помо-

щью передвигаемых вслед за забоем метал-

лических передвижных опалубок со спуском

бетона за опалубку с поверхности по тру-

бам. Этот способ позволил полностью ме-

ханизировать трудоемкий процесс возведе-

ния бетонной крепи без устройства башма-

ков и частично совместить крепление с дру-

гими работами в забое ствола, а также от-

казаться от трудоемкого крепления желе-

Рис. 4.11 Бурильная

установка БУКС-1м

зобетонными тюбингами. Уже в 1965 г. крепление стволов монолитным

бетоном с использованием металлических передвижных опалубок дос-

тигло 60%, а в 1986 г. – 90% общего объема проходки стволов [32].

Для дальнейшего совершенствования техники проходки и повыше-

ния технико-экономических показателей

строительства шахт были созданы проход-

ческие комплексы, объединяющие полки,

грейферные погрузочные машины, буриль-

ные установки и передвижную опалубку в

единую механизированную систему. Так,

трестом «Донецкшахтопроходка» был раз-

работан комплекс ДШП-1 (рис. 4.12), состо-

ящий из щитовой оболочки 1, заменяющей

временную крепь, грейферной погрузочной

машины 2, двухэтажного подвесного полка

3, передвижной сварной опалубки 4. Комп-

лекс позволяет одновременно вести работы

по выемке породы и возведению крепи ство-

ла. В 1969 г. при строительстве западного

вентиляционного ствола с применением

комплекса ДШП-1 на шахте № 17-17-бис

(Донбасс) установлен мировой рекорд ско-

ростной проходки буровзрывным способом

– 401,3 м готового ствола за 31 рабочий день.

Однако общая среднемесячная техническая

скорость проходки стволов методом БВР не

превышала 50 м, причем технология сохра-

няла большое количество трудоемких опе-

раций (особенно при отсутствии проходчес-

ких комплексов).

В этой связи, еще в 30-е годы, началась

разработка оборудования для проходки

стволов с механическим разрушением гор-

ных пород. В 1937 г. инженеры А.Л. Остро-

вский, В.Л. Миттрах и В.А. Рагозинский раз-

рабатывают проходческую машину ОМР

(рис. 4.13), обеспечивающую организацию

непрерывного производственного процесса,

при котором работы по разрушению забоя,

уборке породы и креплению ствола прово-

дят одновременно. Характерными особен-

ностями машины ОМР является наличие

Рис. 4.12 Проходческий

комплекс ДШП-1

пневматических молотков, расположенных на вращающейся части ма-

шины (турели) и предназначенных для разрушения забоя. При этом часть

молотков создает необходимый опережающий кольцевой вруб, другая

группа обрабатывает конусную часть забоя, разрушая породу скалыва-

нием, а третья – оконтуривает стенки ствола. Раздробленная молотка-

ми порода попадает в кольцевой вруб, откуда вычерпывается ковшами

боковых элеваторов, вращающихся вместе с турелью. Из элеваторов

порода поступает в специальный бункер, а из него загружается в бадьи

и выдается на поверхность подъемной машиной. Конструкция ОМР и

ее модификации были использованы при проходке неглубоких шахт и

выявили весьма сложную организацию работ, длительность монтажа и

демонтажа агрегатов, что оставило эти разработки в качестве опытно-

го внедрения.

В 1936 г., используя опыт нефтяного бурения, инженеры К.Н. Щепо-

тьев и В.П. Иванов впервые в мире разработали и апробировали способ

бурения шахтных стволов. На шахте «Парижская коммуна» в Донбассе

Рис. 4.13 Стволопроходческая машина ОМР-1

установкой Щепотьева-Иванова была пробуре-

на первая вентиляционная скважина диаметром 0,8

м на глубину 146 м. В.П. Ивановым были сконст-

руированы специальные шарошечные долота при-

менительно к условиям бурения стволов по креп-

ким породам (рис. 4.14). До 1941 г. этими долота-

ми были пробурены 24 скважины общей длиной

2000 м. Однако максимальный диаметр таких ство-

лов не превышал 1,8 м, что не могло удовлетво-

рить функциональные потребности шахт.

Крупнейший вклад в мировую горнопро-

ходческую тех-

нику был сделан

инженерами

Г.И. Маньковс-

ким и Ф.Д. Ме-

щеряковым, кото-

рые в 1938 г. раз-

работали проход-

ческую установку

(рис. 4.15), пред-

назначенную для проведения в слабых по-

родах шахтных стволов диаметром 5-6 м

способом бурения. Бурение по способу

Г.И. Маньковского производилось, как

и при проходке нефтяных скважин, с при-

менением глинистого раствора, предназ-

наченного для поддержания стенок ство-

ла шахты. Порода выдавалась на повер-

хность способом эрлифта. При этом сжа-

тый воздух от установленного на повер-

хности компрессора поступал по воздуш-

ным трубам, находящимся внутри буро-

вой колонны труб. Выходя через форсун-

ки, он поднимался вверх по кольцевому

зазору между компрессорными трубами

и буровой колонной и увлекал за собой

измельченную породу в смеси с глинис-

тым раствором.

Первый шахтный ствол диаметром

3,5 м был пробурен в Подмосковном бас-

сейне, причем вначале бурилась пилот-

Рис. 4.14 Шарошечное

долото конструкции

В.П. Иванова

Рис. 4.15 Установка

для бурения стволов