Вода камни точит

Зубья, фрезы, струги, резцы скалывают, сверлят, режут, пилят горные породы, строительный камень, уголь и различные руды. С их помощью человек сумел проникнуть в недра Земли и организовать там добычу полезных ископаемых. Механические способы проходки горных выработок и отделения минеральной массы от массива сегодня являются основными в угольной и горнорудной промышленности. Специалисты отдают им должное и в то же время указывают на недостатки, сдерживающие их развитие. Прежде всего это ограниченная стойкость породоразрушающего инструмента. Из каких бы твердейших сплавов его ни изготовляли, постоянный контакт с горными твердынями довольно быстро кончается вынужденным перерывом, перезаточкой... Горняки хотели бы как можно больше мощности сконцентрировать на острие инструмента, но это еще быстрее приведет к износу.

Кроме того, механические способы ограничивают количество подводимой энергии в точку, где идет разрушение. Под землей уже появились машины весом в сотни тонн. Их гигантизм вызван как раз тем, что они передают на забой мощные усилия. Чтобы их выдерживать, этим машинам нужно быть достаточно крепкими.

Поэтому внимание многих исследователей давно привлекают новые принципы разрушения, которые способна концентрировать большую энергию в точке разрушения и не зависят от крепости породоразрушающего инструмента. На горные породы обрушивают высокотемпературную плазму, электронные и лазерные лучи, сильно греют их. В лаборатории электрофизических методов разрушения горных пород Института горного дела имени Л. А. Скочинского отдали предпочтение быстропеременным электрическим полям.

Вспомним, как начиналась телевизионная программа "Время": мощная антенна посылала в эфир радиоволны. Ученые, конечно, используют антенну поменьше, но принцип ее действия тот же: она направляет на породу миллиметровые и сантиметровые электромагнитные волны. Они собираются в фокусе внутри массива, в нескольких десятках сантиметров от обнаженной плоскости. Тут концентрируется энергия, идет сильный нагрев - куски породы начинают отваливаться. Можно провести пучком радиоволн по стенке, словно пулеметом,- на ней останется широкая борозда. Даже в таких крепких породах, как граниты, ее глубина может достигать 15 сантиметров.

Если радиоволны попадают на породу, содержащую влагу, то параболическая антенна превращается в пушку. В глубине массива, где происходит нагрев, влага сгоняется в одно место. Она лучше, чем камень, воспринимает энергию: быстро вскипает и мгновенно испаряется. Миниатюрный паровой котел взрывается. Испытатели видят отлетающие чешуйки. Для разрушения водонасыщенных пород требуется в 10 раз меньше энергии - 20-30 киловатт-часов на кубометр, - чем для сухих.

Уже готовятся установки для проведения экспериментов в угольной шахте. Они будут пробивать горные выработки размером 4X4 метра. Авторы работ предсказывают, что взрывающаяся вода резко уменьшит запыленность в забое.

Другое предложение лаборатории - разрушать глыбы-негабариты высокочастотным электрическим полем. Выглядит это так. К громадному куску руды прижимают два электрода, подают ток и через короткое время кусок разваливается. Электрическое поле проникает внутрь руды, пронизывает насквозь всю глыбу - ток пробегает по камню между электродами. Неравномерный нагрев раскалывает негабарит. Часто перед операторами предстает его сердцевина с каналом электрического пробоя.

Тот же способ использовался для образования направленного раскола, когда высокочастотное электрическое поле работает по заданному направлению. На гранитное обнажение напыляли металлическую полоску, а затем к ней прижимали электроды. Так удавалось "вырезать" из массива аккуратные блоки гранита, отделочного и строительного камня.

Электрофизические методы воздействия, похоже, помогут справиться с давней проблемой транспортников, которые уже много лет решают ее ломом и кайлой. Сотрудники лаборатории и сами брали их в руки, помогая выгрузить из вагонов смерзшийся уголь. Зимой подобной, работой занимаются повсюду, куда доставляется горный материал. Особенно тяжело приходится горнодобывающим и угольным предприятиям. Подняли уголь из шахты - мокрый, довезли до обогатительной фабрики - часть его примерзла к стенкам вагона. Еще один рейс - все больше угля остается в нем в виде корки; так, раз за разом и 60-тонный вагон превращается в 25-тонный.

Индукционная установка освобождает вагон от смерзшейся массы в течение нескольких минут. Он попадает в магнитное поле и нагревается. Установка встряхивает его, и содержимое отделяется от стенок. Тот же принцип годен для освобождения бункеров, где замерз сыпучий материал, цистерн с нефтью или мазутом, многих перепускных устройств...

Достоинство электрофизических способов очевидно: отсутствие механического инструмента. Недостатки: требуют много энергии и не универсальны. С одной породой справляются хорошо, перед другой пасуют. Поэтому исследователи хотят объединить электрофизику и механику. Одна из поисковых идей: сверхвысокочастотными электрическими полями прорезать в массиве щели, а специально подобранным инструментом ее скалывать.

О другом пути говорят физики, работающие в лаборатории: горные породы можно разрушать с меньшими усилиями, если познать механизм разрушения, выявить их слабые места и по ним направить удар. Эксперименты на стендах показали, например, что быстропеременные электрические поля греют всю массу породы, вставшую на пути. Но если нагреть только воду, содержащуюся там, Даже незначительную ее часть, то потребуется в 10 раз меньше энергии для получения того же разрушительного эффекта.

Физики воздействуют электрическими полями на прозрачное оргстекло и с бешеной скоростью снимают процесс разрушения. В первый момент появляются отдельные ядра, которые затем сливаются, постепенно достигают поверхности образца - его прорезает трещина. Ученые направляют на прозрачную мишень лазерный луч, на мельчайших трещинах вспыхивает интерференционное свечение. Следы разрушения становятся видны невооруженным глазом. Рассматриваются возможности сверхвысокочастотной голографии, которая любое воздействие на внутренние части массива сделает видимым. Лаборатория надеется получить в свое распоряжение лазер, который сможет мгновенно испарять микродозы горной породы, а спаренный с ним спектроскоп - определять ее вещественный состав. Такое устройство, смонтированное на добычном или проходческом комбайне, будет моментально давать характеристику пород и в зависимости от этого определять необходимые усилия для породоразрушающего инструмента.

В другой лаборатории института, возглавляемой доктором технических наук И. А. Кузьмичем, в сокрушители пород выбрали воду - тонкие струи высокого давления. В лабораторном помещении разработчики демонстрируют их возможности. Игольчатые водяные струи, выбрасываемые из сопел под давлением в десятки атмосфер, легко прорезают щели в кусках угля. Здесь десятка атмосфер, во время производственных опытов применяются сотни. Так, на шнековом комбайне, которому предстоят испытания на шахтах Кузбасса, насосы дадут 350 атмосфер. На каждом из двух шнеков размещено 16 насадок с выходным диаметром 1,9 миллиметра. Сами высоконапорные насосы разместятся подальше от забоя. Они с силой погонят воду, струи которой будут работать в паре с резцами, несколько опережая их. Инструмент войдет в соприкосновение с уже ослабленным массивом.

Тонкая водяная струя под высоким давлением вырывается из сопла и прорезает в куске угля глубокую щель

Уголь - не очень прочный материал. В известной шкале крепости, где наиболее крепкие породы обозначаются цифрой 20, черному камню принадлежит всего 3-4-е место. Однако пласты угля часто заключены в твердые горные породы (8-10 по шкале), к ним нелегко добраться.

Сейчас в лаборатории заняты подготовкой стенда, на котором предстоит проверить струю с давлением в 750 атмосфер. В теоретических же разработках и статьях называются тысячи атмосфер.

Почему ученые так настойчиво предлагают для работы в недрах тонкие водяные струи высокого давления? Водяные лучи - инструмент, не меняющий своих свойств от соприкосновения с породой или углем. Сделав свое дело, они распыляются... и начинают исполнять новые обязанности, пожалуй, не менее важные - подавляют пыль. Водяной резец решает эту задачу, так сказать, походя, он одновременно и пылеподавляющее оружие, к тому же очень эффективное.

Новая техника, как правило, проверяется не только на тех производствах, для которых ее делали. Если в ней заложена плодотворная идея, если она находится в основном русле научно-технического прогресса, то новая машина, станок, прибор обязательно привлекут внимание самых различных отраслей народного хозяйства.

В лаборатории, где моделируются условия, свойственные большим глубинам

Водяными струями заинтересовались в деревообрабатывающей промышленности, в легкой - чтобы раскраивать ткани, вырезать подметки. Речники думают об очистке дна судов, котлов от накипи. Есть предложение разделывать рыбу водной струей, потому что металлические ножи быстро тупятся. Разнообразие применений говорит о достоинствах водяного инструмента, которому в первую очередь предстоит их подтвердить на угольных шахтах.

В институте "Донгипроуглемаш" сконструирована водяная пушка. Во время выстрела она выбрасывает немного больше литра воды под давлением 10 тысяч атмосфер. Скорострельность составляет 9-10 выстрелов в минуту.

Новый импульсный водомет испытывался в Докучаевском флюсодоломитовом разрезе. Он был установлен на самоходном гусеничном шасси проходческого комбайна. Крепкие глыбы объемом до двух с половиной кубометров раскалывались уже на третьем выстреле. После десятого попадания они превращались в груду кусков величиной 30-40 сантиметров. Кроме того, новый способ разрушения пород был испытан при проходке штрека. Удалось пройти три с половиной метра выработки сечением семь с половиной квадратных метра. Для этого понадобилось выстрелить более 1500 раз. За час работы разрушилось почти шесть кубометров породы.

В лаборатории, где моделируются условия, свойственные большим глубинам

Другой путь избрала группа сотрудников Днепропетровского института геотехнической механики АН УССР.

Она решила сочетать при разрушении горных пород огонь и меч - нагрев и удар.

Первые опыты подтвердили, что важно не только нагреть и ударить, важно еще ударить как можно скорее. Если задержка удара после окончания нагрева составит скажем, 30 секунд, отколется одно количество породы, если 10 секунд - отколется куда больше, если полсекунды - еще больше. Лучше всего, чтобы удар следовал через 0,2-0,4 секунды. Быстрее не нужно, поскольку объем отколотой породы уже не увеличивается.

Это дало направление дальнейшим исследованиям научного коллектива. Нагрев и быстрое воздействие на породу - так должен работать режущий орган будущего комбайна.

Второй этап исследований - чем нагревать породу? Тут техника предоставила богатый выбор. Самое простое - горелки на керосине или бензине. Конструкции известны, ничего не стоит приспособить их для горных нужд. Топливо к тому же дешевое.

Были созданы экспериментальные конструкции, в которых горелки работали вместе с резцами, ударниками или шарошками. Породы нагревались. Затем по нагретому месту проходила своими зубцами шарошка. Она проделывала в глыбе кольцевую щель. Таких щелей проделывалось несколько. А по узкой стенке породы, оставшейся нетронутой между щелями, било долото и разбивало ее на крупные куски.

Надо заметить, что именно такой принцип разрушения массива выбрали днепропетровские ученые для создания нового проходческого комбайна: нагрев - прорезание щели - скалывание.

В лаборатории горелка трудится вовсю. Однако ее производственные возможности пока невелики. Один у горелок недостаток, но очень существенный - они образуют большое количество газа. Под землей вред от них удесятеряется - и так мало воздуха. Значит, понадобится проветривание, которое усложняет проходку.

Поэтому поиск новых генераторов тепла продолжается. Испытаны специальные плазмотроны одностороннего истечения: газы проходят через шнур дугового разряда и попадают на породы. Испробован высоко- и низкочастотный электромагнитный нагрев. Направляли на образцы пород перегретый пар. Электронный луч жег породу. Кроме того, прямо к ней подводили электрический ток: джоулево тепло грело железистые кварциты. Поработали здесь и с лазером. Словом, весь арсенал современных генераторов тепла прошел проверку.

И у всех были свои достоинства и недостатки. Электронный луч, например, требует специальной защиты людей от излучения. Электрический ток нагревает только электропроводящие породы. Лазер имеет низкий КПД и т. д.

Какому именно генератору тепла будет отдано предпочтение, пока трудно сказать. Скорее всего это будет комбинация нескольких, которые в совместной работе возместят недостатки друг друга.