Содержание геотехники как науки и важнейшие результаты исследований

Важное место в геотехнике как науке, призванной обеспечивать эффективное и управляемое техногенное преобразование недр, занимают научные исследования в области механического разрушения углей и горных пород. Подобные исследования должны обеспечивать разработку методов расчета горных машин и в первую очередь их рабочих (исполнительных) органов. Конечной целью таких исследований является эффективное осуществление рабочих процессов отделения угля и горных пород от массива с выгрузкой продуктов разрушения из зоны отбойки, перемещающейся в пространстве.
Предметами исследований геотехники являются: угольные пласты и горные породы как разрушаемые среды; закономерности процессов резания углей и разрушения горных пород инструментами; параметры режущих инструментов и научные основы обеспечения их надежности; схемы резания и расстановки инструментов; эффективные способы разрушения массива исполнительными органами машин; параметры и режимы работы исполнительных органов машин.
Существенным методическим вопросом является выбор теоретической модели для описания процессов разрушения угля и горных пород. В определенные периоды исследований этот вопрос являлся дискуссионным, однако в конечном счете было установлено, что процесс разрушения углей и пород начинается с проявления первого признака нарушения сплошности, поэтому для его описания больше подходят энергетические методы, в том числе методы тории дробления. В связи с этим могут быть отмечены следующие общие методические положения:
- свойства разрушаемой среды должны изучаться в совокупности с выявленными закономерностями процесса разрушения, а оценку свойств среды следует производить при помощи критериев, инвариантных к режимным параметрам и масштабам разрушения;
- нагрузки на режущий инструмент и исполнительный орган машины в силу неоднородности разрушаемого массива должны рассматриваться как случайные, и для их исследования целесообразно использовать методы вероятностей и случайных процессов;
- устанавливаемые зависимости и методы расчета параметров и нагруженности исполнительных органов должны базироваться на экспериментальных данных, полученных в широком диапазоне измерения режимных параметров, поскольку они должны обеспечивать точность, необходимую в инженерных расчетах;
- обобщенным критерием эффективности процесса разрушения считаются удельные энергозатраты, поскольку они определяют интенсивность разрушения горной породы, ее гранулометрический состав (сортность) и пылеобразование, а частными критериями эффективности процесса разрушения могут быть характеристики разрушаемости, отражающие область применения машин, надежность инструментов, исполнительных органов и т.д.
Работа выемочных машин и проходческих комбайнов осуществляется в условиях стохастически меняющихся внешних воздействий, обусловленных изменением свойств разрушаемых пластов и пород в пространстве и режущей способности инструментов - во времени. В силу этого разрушение угля и пород исполнительным органом может рассматриваться как случайный процесс, на который одновременно влияет совокупность факторов, характеризующих, с одной стороны, угольный пласт или породный забой как объект разрушения, который можно задать статистическими показателями, а с другой - результаты процесса разрушения (производительность, сортность, энергоемкость, удельный расход инструментов и т.д.). При расчете параметров процесса разрушения показатели этой группы выступают в качестве целевых функций или технологических и экономических ограничений.
К управляющим факторам относятся технические возможности машин: регулируемые параметры (мощность привода, показатели прочности элементов машин, их устойчивости), рассчитываемые при конструировании и не изменяемые в процессе работы; регулируемые воздействия (скорости подачи и резания, типы и число резцов в линиях резания, ширина заходки и т.д.), которые могут изменяться в процессе работы или при подготовке к ней. Задача оптимизации процесса разрушения сводится к нахождению законов изменения регулируемых воздействий, обеспечивающих получение лучших выходных параметров.
Процесс разрушения всегда сопровождается случайными возмущающими воздействиями, приводящими к возникновению экстремальных ситуаций, которые должны учитываться как в разрабатываемых моделях, так и в конструкциях путем введения соответствующих защит.
Такая многофакторная схема позволяет отдельно и в совокупности анализировать все связи, присущие процессу разрушения, рассчитывать нагрузки, производить выбор параметров и показателей режима работы машин. В результате ее применения были установлены общие закономерности разрушения пород и углей и взаимосвязи показателей процесса с параметрами горных машин, которые реализованы в нормативно-технической документации, используемой при конструировании. Для конструирования очистных и проходческих угольных комбайнов, стругов и агрегатов был разработан комплекс отраслевых стандартов и методических документов.
Интенсивное развитие геотехники в области буровых, погрузочных и транспортных работ во второй половине текущего столетия связано с ростом потребностей в минеральном сырье и с необходимостью увеличивать объемы добычи полезных ископаемых открытым способом. В этот период усилия исследований были направлены на создание высокопроизводительной техники цикличного и непрерывного действия, обеспечивающей переработку больших объемов рыхлой и скальной горной массы на крупных карьерах.
Основными научно-техническими достижениями в области бурения взрывных скважин на карьерах явились следующие: создание научных основ шарошечного бурения скважин и обоснование рациональных режимов бурения различных горных пород, разработка на этой основе параметров и конструкций станков.
Проводили теоретические и экспериментальные исследования пневмоудар-ного и гидроударного бурения, в результате которых научно обосновали пути повышения эффективности буровых работ и создания рациональных конструкций пневмоударников и буровых коронок. Проведен большой объем поисковых, теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по исследованию и испытанию опытных образцов станков, основанных на использовании новых, нетрадиционных методов разрушения горных пород: термического бурения (огневое и плазменное), виброударного, взрывного бурения и др. Исследования показали, что при некоторых способах производительность бурения повышается в 10 раз и более, однако при современном техническом уровне не могут быть решены вопросы безопасности и экологии. Поэтому на карьерах практическое применение, но в ограниченных масштабах (для очень крепких кварцсодержащих пород), нашло только огневое бурение и расширение скважин.
Важнейшими направлениями дальнейших исследований в области буровой техники являются:
- исследование механизма и закономерностей разрушения горных пород с различными физико-механическими свойствами при вращательном, ударновращательном и других, в том числе комбинированных, способах бурения в целях создания нового поколения буровой техники, энергосберегающего, износостойкого и экономичного бурового инструмента и средств удаления продуктов разрушения скважин;
- исследование процесса направленного бурения глубоких наклонных скважин и разработка рекомендаций по созданию высокопроизводительных буровых станков для заоткоски уступов;
- изыскание нетрадиционных средств и методов бурения горных пород, научное обоснование путей создания безопасной и экологически чистой техники, основанной на использовании новых и комбинированных способов разрушения пород.
Значительный объем теоретических и прикладных исследований, сопровождавших в 50-60-е гг. применение железнодорожного транспорта на отечественных карьерах, интенсивное развитие его основных технических средств послужили основой того, что железнодорожный транспорт до настоящего времени является одним из основных видов технологического транспорта на железнодорожных и угольных карьерах, а также на ряде карьеров по добыче руд цветных металлов, промстройматериалов. В черной металлургии и угольной промышленности он продолжает занимать ведущее место в перевозках горной массы, обеспечивая высокую экономичность транспортного процесса в различных климатических зонах и горнотехнических условиях. Доля железнодорожного транспорта в общих объемах перевозок горной массы колеблется в пределах 40-50 %.
Проведенные исследования по изучению динамики горнотехнических условий карьеров, а также созданию новых видов горного и транспортного оборудования обусловили широкое применение многотранспортных схем на карьерах, в том числе с использованием железнодорожного. Для сложных транспортных схем с параллельным и комбинированным использованием нескольких видов транспорта на железорудных карьерах превышает 50 %. Исследование условий эксплуатации карьерного железнодорожного транспорта обусловили переход на специализированное оборудование, приспособленное для работы в специфических условиях карьеров. Это в первую очередь относится к тяговым средствам, оборудованию для путевых работ и ремонта подвижного состава, средствам электроснабжения и др.
За последние 15-20 лет на карьерном железнодорожном транспорте на базе проведенных теоретических исследований осуществлено значительное техническое переоснащение, связанное с переходом на новые прогрессивные виды тяги, с вводом в эксплуатацию мощных локомотивов, вагонов-самосвалов грузоподъемностью 145-180 т, укладкой тяжелых типов рельсов Р65 и Р75, железобетонных шпал, а также с совершенствованием технологических схем и организации работы. Электрификация карьерного транспорта позволила повысить в 2-3 раза полезную массу поездов и снизить в 1,5-2 раза себестоимость транспортирования. Результатом развития электрификации явилось внедрение системы переменного тока напряжением 10 кВ и постоянного тока напряжением 3 кВ, а также тяговых агрегатов сцепной массой 360 т, что до настоящего времени является лучшим достижением в мировой практике.
Доказательства целесообразности увеличения мощности подвижного состава, массы локомотивов, вагонов и поездов, повышение нагрузок от оси на рельсы, интенсивности движения поездов на основных направлениях грузопотоков явились теоретической основой общего усиления железнодорожного пути.
Обладая значительными технологическими преимуществами перед другими видами карьерного транспорта, автомобильный транспорт получил, начиная с 60-х годов, бурное развитие на карьерах благодаря, во-первых, развитию отечественного автомобилестроения (БелАЗ), а во-вторых, — всестороннему научному обоснованию целесообразности его применения на карьерах. К середине 80-х годов грузоподъемность автосамосвалов достигала 120-180 т, т.е. приблизилась к оптимуму, и дальнейшие исследования были связаны с решением технологических, ресурсосберегающих и экологических проблем применения автомобильного транспорта в глубоких карьерах.
Научный поиск путей снижения негативного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду в технологическом плане связан с изысканием схем вскрытия глубоких карьеров, при которых может существенно сократиться высота подъема горной массы автосамосвалами, а в конструктивном -с применением принципиально новых типов двигателей вместо дизельных. Наиболее перспективным является применение электрической тяги и различного рода накопителей энергии. Задача ученых в этом направлении состоит в исследовании взаимодействия новых технических средств с другими машинами и устройствами в карьерах, в обосновании технологических схем транспортирования в комбинации с другими видами транспорта, рациональных параметров карьерных автодорог и т.д.
Исследовано перспективное направление развития погрузочно-транспортной техники на карьерах с применением одноковшовых погрузчиков в различных климатических и горнотехнических условиях и оптимизированы процессы подготовки, черпания, погрузки и транспортирования пород. Обоснованы рациональные технологические схемы и определена область их эффективного использования.
Проведены исследования по обоснованию и созданию новых видов контейнерного оборудования: многоприводных конвейеров с приводами фрикционного типа; крутонаклонных ленточных и пластинчатых конвейеров; конвейерных лент с прокладками из высокомодульных синтетических волокон и пр. Разработано и создано вспомогательное оборудование для механизации обслуживания конвейеров.
В области создания оборудования для ЦПТ дальнейшие исследования должны быть направлены на теоретическое обоснование комплектов мобильной техники в открытом исполнении и повышение его технического уровня и эксплуатационной надежности, создание передвижных дробильно-перегрузочных установок в блочном исполнении, эффективных средств крутонаклонного непрерывного подъема и конвейеров для транспортирования крупнокусковой скальной горной массы, отвалообразователей для скальных пород и роботизированного вспомогательного оборудования для обслуживания комплексов ЦПТ и др.
В целом развитие геотехники применительно к открытой добыче полезных ископаемых шло по направлению обоснования горных и транспортных систем с увеличенной единичной мощностью (экскаваторов и средств карьерного транспорта). При разработке мягких вскрышных пород и углей наибольшее применение получила поточная технология. Крупным достижением явилось создание и применение циклично-поточной технологии с дробильными установками и конвейерами для выемки скальной горной массы. Применение карьерных погрузчиков различных модификаций открыло новое направление в физико-технической открытой геотехнологии.
Дальнейшее совершенствование механизации открытых горных работ связано с созданием гидрофицированных шарошечных станков с диаметром бурения скважин от 125 до 400 мм, а также станков для наклонного бурения. Для решения ряда геотехнических задач необходимо создание мобильной буровой техники.
Приоритетным направлением в развитии выемочно-погрузочных машин является применение одноковшовых гидравлических экскаваторов повышенной надежности. Перед экскаваторостроением стоит также задача создания крупных шагающих драглайнов, в том числе с удлиненными стрелами.
В развитии конструкции карьерных автосамосвалов большой грузоподъемности необходимо увеличение их ресурса и моторесурса двигателей. Совершенствование железнодорожного карьерного транспорта связано с разработкой тяговых агрегатов и большегрузных думпкаров нового технического уровня. Следует также отметить актуальность исследований в области создания карьерного оборудования в северном исполнении.
Состояние механизации горных работ на подземных рудниках характеризуется переходом от переносного оборудования к самоходному, увеличением единичной мощности машин, повышением автономности работы и расширением области функционального применения оборудования, его унификацией, внедрением дистанционного и программного управления машинами.
Перспективным направлением развития геотехники применительно к подземной разработке рудных месторождений является создание модульноблочного оборудования из унификационных узлов, обеспечивающего широкую номенклатуру машин, максимально приспособленных к конкретным разнообразным условиям эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Перспективно создание самоходных установок с гидроперфораторами для бурения шпуров и скважин малого диаметра, а также станков для пневмоударного и шарошечного бурения скважин 100-250 мм. Ведется разработка систем программного управления буровыми станками с помощью мини-ЭВМ. Основными направлениями совершенствования погрузочно-транспортного оборудования является оптимизация кинематических, динамических и силовых параметров машин, а также переход от дизельного к электрическому приводу. При этом перспективно развитие оборудования с троллейно-кабельным питанием.
Эффективным направлением создания вспомогательного оборудования для подземных рудников является использование модульного принципа конструирования машин при отделяемом транспортном средстве.
Дальнейшее развитие горной промышленности с созданием уникальных карьеров, реконструкция и техническое переоснащение крупных рудников, шахт и обогатительных фабрик, средних и малых по мощности карьеров в различных регионах страны и отраслях выдвигают перед горным машиноведением новые научные проблемы и задачи.
Приоритетные направления исследований в области геотехники:
- изучение взаимодействия рабочих органов машин с горными породами;
- установление закономерностей рабочих процессов горных машин, разработка методов их расчета и систем машин (агрегатов, комплексов), оптимизация параметров горных машин и режимов их работы;
- разработка научных основ создания средств механизации и автоматизации процессов добычи и переработки полезных ископаемых с применением систем машин и оборудования для различных горно-геологических условий; изучение систем «человек - машина - окружающая среда» с учетом особенностей технологии горного и обогатительного производства и природно-климатических условий работы этих систем.

---