Страница:
Но мне–то было плевать на эту идею. Я хотел сделать технологию приемлемой для человека и экономики. Согласно моим расчетам оптимальности, самотечный гидротранспорт мог быть применен, грубо говоря, только в пределах выемочного участка шахты. На остальном, подавляющем протяжении основных горных выработок должен был быть осуществлен напорный гидротранспорт по трубопроводам. Противоречия примирены, рекомендации к оптимальному проектированию разработаны и, довольный собой, я направился с первой главой своей диссертации к своему научному руководителю. Такого «разноса» я не претерпевал даже при невыполнении «плана добычи угля», что иногда случалось в моей практике. Руководитель–еврей Маркус распалился настолько, что «тыкал» мне в стенах академического института как при базарной склоке, говорил, что я, такой–сякой, нарушаю «принцип учителя», чуть не назвал врагом народа, хотя и намекнул на этот счет. Такие как я недостойны, называться представителями нового направления, которое перевернет в скором времени все представления о подземной добыче угля. Главу велел порвать, никому не показывая. Из этого я сделал свой первый вывод, что попал по больному месту в технологии и что для «них» лучше замалчивать, чем решать возникающие проблемы. Я работал в это время заместителем главного инженера шахты, и спорить с «большими учеными» еще не научился. Вторым моим выводом было то, что, замалчивая, но, не решая проблемы, технологию не сделаешь действительным достоянием человечества. Третий вывод я сделал намного позже, что евреям и не надо было делать ее «достоянием человечества». Им ее надо было сделать только «своим достоянием», на период своей конкретной жизни, а дальше, как говорится, хоть трава не расти.
Проблемы гидроотбойки угля
Кроме «однооперационности», трансформировавшейся под давлением неопровержимых фактов в «малооперационность», «основоположник» выдвинул аксиому «универсальности» своей технологии, т.е. простыми словами – она применима везде и всегда, в любых горно–геологических условиях, при любом развитии инфраструктуры угленосного района, умолчав, однако, что для каждой гидрошахты нужна специальная электростанция, говоря гиперболически. Дело в том, что струя гидромонитора действует на угольный забой как кувалда мощностью от 800 до 1700 киловатт, добывая за час от 30 до 100 тонн угля. Горный комбайн при механическом разрушении мощностью 135 киловатт добывает за час от 120 до 360 тонн. Это пример из 80–х годов, годов «зрелости» гидродобычи. Посчитаем. Минимальная энергоемкость гидроотбойки 800 : 100 = 8 кВт–ч/т, максимальная 1700 : 30 = 57 кВт–ч/т, средняя 32.5 кВт–ч/т. Минимальная энергоемкость механической отбойки 135 : 360 = 0.4 кВт–ч/т, максимальная – 135 : 120 = 1.1 кВт–ч/т, средняя 0.75 кВт–ч/т. Впечатляет? Энергоемкость гидроотбойки даже в среднем выше энергоемкости механической отбойки в 43 раза, а по максимальным показателям – в 51 раз! Что только тут не делали два специализированных института и лаборатория головного института горного дела – все тщетно. Да оно в принципе должно быть тщетным. Разве можно равнять по эффективности разрушение кувалдой и разрушение острым кайлом. Ведь не даром наши предки изобрели главный инструмент горняка – кайло, а заостренные скрещенные молоточки в петлицах горняков всех стран – это же обушки–кайла.
Революцию в принципе механического разрушения горных пород и угля произвел в первые послевоенные годы горный слесарь с кузбасской шахты, самоучка без высшего образования, Яков Яковлевич Гуменник, который критически рассмотрел существовавший в то время при конструировании горных комбайнов принцип сверления горных пород и пришел к выводу, что он бесперспективен. До него никто не мог додуматься до этого, и делали очень большое в диаметре сверло, пытаясь сверлить горные выработки диаметром в несколько метров. Впервые сделал это конструктор Могилевский, создав «шнекобуровую машину Могилевского», сокращенно ШБМ. Машина должна была бурить выработку диаметром три метра и весила тонн тридцать. Чтобы усилить давление на забой при бурении, своего веса машины было мало, и конструктор предусмотрел гидравлические домкраты, распиравшие машину в борта проводимой ею выработки. Но как только сверло его машины вгрызалось в породу, сверло намертво сцеплялось с забоем, а вся тридцати тонная громадина, несмотря на распиравшие ее домкраты, начинала вращаться вокруг своей оси, приводя в изумление окружающих ее шахтеров, которые в ужасе отскакивали от нее и бежали, выключать электроэнергию. Только так ее можно было остановить. Опытный образец этого комбайна в 1951 году стоял в бурьяне около Прокопьевского горного техникума, где я учился, и показывал нам тщетность идеи Могилевского.
Слесарь Гуменник рассудил, что разрушение породы должно вестись как кайлом, но не одним кайлом, а одновременно несколькими десятками кайл. При этом каждое кайло соприкасаются с забоем доли секунды, во время удара, а остальное время находятся «на отдыхе», проходя свою траекторию вне соприкосновения с забоем, в воздухе и остывая от теплоты удара. Совершенно точно как это происходит с кайлом в руках забойщика: замах, удар, снова замах и опять удар. Если энергию человека заменить энергией машины, то получится то, что надо. Когда Гуменник пытался рассказать свою идею ученым, они смотрели на него, как на изобретателя вечного двигателя и ухмылялись. Не добившись помощи, он решил построить свой комбайн собственными силами. Он уговорил своего директора шахты (к сожалению, забыл его фамилию), тот дал ему в помощь двух мужиков. Три умельца, без литейного цеха, имея на вооружении только сельский кузнечный горн, небольшой токарный станок и сварочный аппарат, создали первый в мире горнопроходческий комбайн, какой по плечу был разве что заводу Уралмаш, выпускающему лучшие в мире танки времен Великой отечественной войны Т–34. Этот комбайн перекрыл все мировые достижения и стал прототипом по принципу разрушения забоя для всех горных комбайнов мира.
Слесари–энтузиасты, не умея производить инженерные расчеты на прочность валов, подшипников, редукторов и прочих конструкторских деталей машин, воспользовались готовыми конструкциями. В качестве главного редуктора привода рабочего органа они использовали редуктор со списанной врубовой машины, вспомогательные редуктора боковых фрез соорудили из редукторов скребковых шахтных конвейеров. Ходовые редукторы гусеничного хода своей машины изготовили из каких–то редукторов автомобиля УралЗИС и т.д. и т.п. Рабочий орган полностью изготовили сами, проявив чудеса изобретательности, так как надо было найти в скрапе (металлоломе) Кузнецкого металлургического комбината подходящие детали, которые у них «сидели» в голове, а, отнюдь, не были изображены на ватмане или кальке.
Рабочий орган состоял из двух «лучей», вращающихся вокруг своей оси в разные стороны, чтобы компенсировать те реактивные силы, которые так эффективно опрокидывали комбайн Могилевского. Лучи сходились в одной точке, где и получали вращение от подобранного в металлоломе редуктора. На лучи через определенные расстояния были насажаны жестко диски, вращающиеся вместе с валами–лучами. По ободу дисков, с наклоном под 45 градусов в сторону вращения, были закреплены зубки от врубовой машины, служившие каждый одним из нескольких десятков кайл. Собственно, каждый из дисков представлял собой подобие фрезы. Когда один из зубков ударял по забою, остальные зубки вращающейся фрезы «отдыхали». Вот и весь принцип. Комбайн не имел никаких домкратов для распора в бока выработки для создания давления на забой, он двигался просто на гусеницах навстречу забою и этого давления вполне хватало для отбойки угля, так как фрезерное «сверло» сверлило не от напора его на забой, а от многочисленных ударов зубков–кайл. При этом общий вес комбайна составлял всего 5 тонн вместо 30 у его неудачного прототипа.
За отдельные сутки комбайн Гуменника проходил до 200 метров выработки подковообразного поперечного сечения, что в 10–15 раз превышало темпы проходки обычным, ручным, с применением взрывчатых веществ, способом. Началась эра эффективного механического разрушения угля и горных пород. В дальнейшем этот принцип только совершенствовался: придумали более эффективные зубки, улучшили кинематику их движения, применили более износостойкие материалы. Но ученый горный мир Гуменника не принял, он только воспользовался его идеей, сам он не был принят с распростертыми объятиями, ученый мир был очень обижен. Какой–то неуч утер им нос. Министерство обороны создало лабораторию для Гуменника при Институте горного дела им. Скочинского для решений своих военных задач по скрытому «подкопу» под противника. Он что–то для них делал, изобретал. Создавая эту лабораторию в рамках Института горного дела, военные надеялись, что возникнет альянс горняков и гениального самоучки, но надежды их не оправдались. «Ученые» настолько обиделись, что не замечали гения и десятилетия спустя, и он «варился в собственном соку», что не принесло пользы стране, породившей гения разрушения горных пород.
Разрушение угля и горных пород гидравлическим способом при таком положении вещей требовало кардинальнейшего преобразования, но гения гидравлического разрушения не появилось. Физика процесса истечения струи из насадка (сопла) имеет свои законы, преодолеть действие которых не удалось. В начале заманивания в свою технологию членов Политбюро, Мучник говорил, что давление воды перед насадком гидромонитора должно быть 30 атмосфер. После серии экспериментов он сам признал, что надо 60 атмосфер, потом эта цифра увеличилась до 100 атмосфер, но и этого оказалось мало. Начали разрабатывать оборудование для 160 атмосфер, но тут от технологии окончательно отказались, слишком уж она становилась назойливой и все менее эффективной по сравнению с традиционной. Шел 1987 год.
Я уже говорил, что идея гидродобычи угля Мучником была позаимствована из открытых горных работ, точнее из технологии размыва и намыва земляных сооружений из, так называемых несвязных, грунтов, попросту говоря, из земли, глины, песка и гравия с примесью гальки. Там используются струи низкого и среднего давления, до 15–30 атмосфер. Эти струи имеют гладкую поверхность, которая сохраняется на достаточно длинном участке, а потом струя «рассыпается» на отдельные капли воды. Наличие гладкой поверхности обусловливается действием поверхностного натяжения. Жидкость несжимаема, поэтому целая и гладкая струя действует как металлический клин на преграду. «Капельная» струя действует как дождь, орошая, но, не разбивая преграду. Но низконапорная струя даже на своем эффективном участке, целая, разбивает только слабые грунты. Для того чтобы разбить уголь в массиве надо сообщить ей несколько большую энергию, т.е. давление воды перед насадкой гидромонитора. Но в этом–то и заключается главная беда. При возрастании давления воды «портится» струя, она быстрее распыляется до капельного состояния. Прежде чем браться за повышение давления для гидроотбойки более связных грунтов, каким является уголь, надо было исследовать физическую сущность процесса. Этого молодым ученым Мучником сделано не было. Он просто подумал, что раз струя пожарного брандспойта разрушает слежавшийся песок, то, увеличив давление, он будет разрушать все, что потребуется. Дело за давлением воды – очень простое, детское решение. Это детское решение положили в основу, не проверив, а, построив гидрошахты, начали исследования.
Исследования показали, что не все так просто. Оказывается, на поверхности сплошного потока струи образуются, так называемые, волны Релея. Струя становится на небольшом расстоянии от насадки похожей на гирлянду сосисок, диаметр ее периодически меняется. Когда скорость ее становится близкой к скорости звука, верхушки волн Релея заворачиваются как волны на море в «барашки», возникают зоны вакуума, струя аэрируется, расширяется наподобие метлы и распадается на бесполезные для дела отдельные капли. Зачатки волн Релея происходят еще в насадке, так как на внутренней поверхности насадки скорость воды равна нулю, а в центре потока она очень высока. Поэтому при выходе из насадки струя имеет диаметр даже меньше выходного диаметра насадки, так называемое «сжатие струи». Самой идеальной формой насадки является коноидальная, когда насадке придают профиль, соответствующий естественному образованию профиля ее при истечении из отверстия в тонкой стенке. Сделали коноидальную насадку, но это мало помогло. Отполировали насадку до зеркального блеска, чтобы уменьшить толщину пограничного слоя воды и металла, чтобы повысить скольжение, а не завихрение воды на границе «вода–насадка». Помогло, но мало. Больше в этой области делать было нечего.
Чем больше повышали давление воды, тем все короче становился «хрустальный» участок струи, собственно, и представлявший «долото», и все большую часть длины струи представляла «метла» – капельная часть струи. При этом ухудшение струи происходило не линейно увеличению давления воды, а квадратично. Увеличил давление в два раза, струя распадалась в четыре раза раньше.
Задача стояла так: струя должна была хорошо разрушать уголь хотя бы на расстоянии 6–8 метров, если меньше, то вообще разговоры о гидродобыче надо было прекратить. Но тогда выработки, в которых стоял гидромонитор, должны были проходиться на расстоянии 5–6 метров друг от друга, а это очень много проходческих дорогих и трудоемких работ на 1000 тонн добычи. Для сравнения на 1000 тонн добычи при обычной традиционной технологии лавами надо было пройти, например, при мощности пласта в 1 метр, 15 метров штреков. При гидротехнологии при этих же условиях надо было пройти не менее 120 метров выработок, т.е. в 8–10 раз больше, правда, несколько меньшей площади поперечного сечения. Больший объем выработок при гидродобыче компенсировался отсутствием затрат на очистную выемку, так как струя не требовала присутствия людей в забое, действовала дистанционно. В результате экономических расчетов выходило, что эффективная длина струи не может быть меньше 6–8 метров, а достижение 12–15 метров – это голубая мечта, так и неосуществленная.
В угоду «универсальности» технологии для очень крепких углей, когда все усовершенствования струе формирующих устройств были исчерпаны, пошли совершенно идиотским методом, увеличением диаметра насадки с 18–20 мм до 28–32 мм. Этим увеличивался «эффективный» участок длины струи на 30 процентов, а затраты энергии в два раза, мощность на формирование струи составила 1750 кВт. Разве не идиотство, если мощность механического разрушения при этих условиях требовалась в 60–80 раз меньшая?
Сподвижники «основателя» выдвинули в эти дни, начале 70–х, новую пропагандистскую «штучку». Она была «тонкой» и в «струе времени». Они заменили слово энергоемкость «энерговооруженностью». Это совсем другое дело. Человечество все время энерговооруженность, от лошадиной силы до атомной бомбы. Но понятие энерговооруженность совсем не отражает эффективность, оно игнорирует понятие коэффициент полезного действия. Энерговооруженность показывает, что человек очень сильный, он обладает силой в миллионы тонн тринитротолуола. Ну и что из этого? Способен ли он этой силой вспахать всю землю за день. Да, способен «вспахать», но только на этой земле никогда ничего не вырастет. Энерговооруженность в таком понимании даже опасна. Понятие энерговооруженность употребляют обычные люди очень редко, когда хотят сказать: ух, какой бугай. Или когда, например, сравнивают земледельца, вооруженного мотыгой в одну человеческую силу, с земледельцем, вооруженным сохой в одну лошадиную силу, а затем с земледельцем, вооруженным трактором К–700. Энергоемкость – это понятие и техническое, и экономическое. Полезная энергоемкость – это то, что надо, но такого понятия никто не вводил, а надо бы ввести. На то, чтобы отбить от забоя тонну угля обычный комбайн тратит 0.375 киловатт–часа электроэнергии, хотя для этого хватит 0.225 киловатт–часа. КПД комбайна будет: 0225 : 0.375 = 0.6 = 60 процентов. Для того чтобы отбить от забоя тонну угля гидромонитор тратит 14.5 киловатт–часа, КПД гидромонитора будет: 0.225 : 14.5 = 0.0155 = 1.55 процента, в три раза меньше, чем у паровоза, хрестоматийного «эталона» низкой эффективности. А нам поют песню об энерговооруженности технологии гидродобычи, вместо того чтобы опубликовать ее КПД.
Практикующие инженеры гидрошахт сделали для развития технологии гидродобычи едва ли не более чем три института, два из которых ничем больше как гидродобычей не занимались. Яркий пример – замена гидроотбойки везде, где только возможно по горно–геологическим условиям, механической отбойкой угля комбайнами. Пионером была первая гидрошахта Кузбасса «Полысаевская–Северная», позднее переименованная в «Заречную», вернее сказать ее инженеры–практики. Гидрошахта была спроектирована институтом ВНИИгидроуголь на давление технологической воды для гидроотбойки угля гидромониторами в 60 атмосфер. Первые же опыты показали, что этого давления не хватает, струя забой «лижет», но уголь не отбивает. Увеличить давление было невозможно из–за предела мощности электроподстанции и толщины стенки проложенных трубопроводов высокого давления. Главный инженер шахты Степанов снял с обычного комбайна для «сухой» проходки штреков типа К–56 погрузчик и ленточный перегружатель, которые требовались для погрузки угля на конвейер, расположенный сзади комбайна. Вместо них на стреловидный рабочий орган комбайна он прикрепил кусок трубы диаметром 100 мм, а к трубе буровой шланг с внутренним диаметром 76 мм и длиной 18 метров. Второй конец шланга он прикрепил к высоконапорному водоводу. Одновременно он снял половину рабочих колес с высоконапорных насосов, стоящих на поверхности шахты, чем снизил напор воды, развиваемый ими с 60 до 30 атмосфер.
Технология получилась такая: комбайн рубит уголь, на забой льется вода, 150 кубометров в час, уголь смывается, угольная пыль подавляется, а так как штрек наклонный (3.5 градуса), то пульпа течет по металлическим желобам. Все как в гидрошахте, только давление низкое и вместо гидромонитора – комбайн. Эффект был потрясающий. Комбайн был автономен на длине 18–метрового шланга. Поэтому ехал и рубил уголь 18 метров непрерывно, не останавливаясь для того, чтобы нарастить длину конвейера. Затем наращивался высоконапорный трубопровод–водовод минут за двадцать–тридцать и комбайн снова ехал 18 метров. Крепление возводилось позади комбайна и только это ограничивало движение, но крепильщиков можно было увеличить, чтобы остановки комбайна были как можно короче. Очень сильно мешавшие маневренности комбайна грузчик и перегружатель, а также конвейер ограниченной производительности и очень низкой надежности, были удалены и комбайн смог достичь своей теоретической производительности – 135 тонн в час. Раньше, при «сухой» технологии у него не получалось больше 20 тонн за час работы, ограничивал транспорт. Воодушевленные инженеры быстро нашли способ использовать этот комбайн не только для проходки выработок, но и для очистной выемки столбов, ранее вынимавшихся гидромонитором.
О гидрошахте «Полысаевская–Северная» узнал весь мир, приехали японцы, немцы, поляки, китайцы, венгры, хотя гидрошахтой в понимании профессора Мучника она не была. Фактически был применен только самотечный гидротранспорт и напорный гидроподъем. Ученые позировали фоторепортерам, принимая поздравления, хотя заслуга была не их, а главного инженера шахты Степанова. Не прими он тогда кардинального, действительно инженерного, решения в борьбе за «план добычи угля», за который как главный инженер он отвечал, не построили бы больше ни одной гидрошахты, ни мы, ни японцы, ни китайцы, ни поляки, ни немцы, а гидротехнология бы мирно и тихо загнулась в замшелых институтах.
«Ученые» быстренько сориентировались и придумали официальное лукавое название изобретению Степанова: «механогидравлическая выемка угля, хотя, повторяю, выемка угля была чисто механическая, тем самым, «примазав» ее к «своему детищу», довольно неудачному. Однако, продолжали на «всех перекрестках» восхвалять собственно гидроотбойку монитором и в проекты новых гидрошахт вводить преимущественно ее, хотя новые эти проекты стали возможными только благодаря решению проблемы Степановым, отказу именно от гидроотбойки. ВНИИгидроуголь зациклился на высоконапорных гидромониторах и лет двадцать пять топтался на месте, пока главный их исследователь и конструктор, уже доктор технических наук Николай Федорович Цяпко не уволился из института на пенсию и поехал доживать свой век на Украину, откуда и был родом, упрямый хохол.
Между тем, УкрНИИгидроуголь, потеряв надежду на стационарные струи гидромониторов, занялся импульсными струями, это когда часть воды передает энергию другой части воды, а сама сливается из системы, часть воды, которой передала энергию сброшенная часть, выстреливает на забой как пулемет, очередями. Ничего путного из этого тоже не получилось, хотя денег, бумаги и железа извели много за 20 лет научно–исследовательских и опытно–конструкторских работ и экспериментов. Лаборатория гидравлического разрушения угля и горных пород Института горного дела им. Скочинского все свои силы направила на исследования, так называемых, тонких струй диаметром в один миллиметр, которые от забоя должны были быть не далее сантиметра–двух. Исследования и разработки их закончились тем, что они придумали разрушать уголь перед каждым зубком обычного механического комбайна, с чем зубок и без струи отлично справлялся, зато пылеобразование снизилось радикально, столь вредное для машиниста. Но это имело отношение уже не к разрушению угля и горных пород, а к санитарным правилам, что тоже важно, но к гидродобыче никакого отношения не имеет.
Заканчивая этот раздел, хочу сказать несколько фраз об упертости «ученых». Мне понятны их мотивы, защитить свое детище, будь оно уродом, но оно их детище. Но как можно человеку неглупому по определению говорить, писать, отстаивать перед всем честным народом заведомые глупости? Я не могу поверить, что интеллектуальный человек не понимает, что он отстаивает заведомо плохую идею, если не сказать подлую идею? Он это прекрасно понимает, я уверен. Но он делает только удобство себе, пренебрегая удобством тысяч людей. В конечном счете, это прямая подлость. Недаром ВНИИгидроуголь называли институтом евреев, недаром я заостряю внимание именно на этом. Мне кажется, что именно в этом заключается эта тупая настойчивость, по поговорке: «Ему ссы в глаза, а он – «божья роса»».
Износостойкость и ремонтопригодность оборудования гидродобычи
Первые гидромониторные насадки для формирования струи воды давлением в 100 атмосфер из инструментальной стали работали всего несколько часов. Потом в гладко отполированной внутренней полости их возникали каверны, ранее гладкая поверхность становилась похожей на сплошные горные цепи. Струя из такой насадки вылетала форменной метлой и ничего не отбивала, шум стоял как от реактивного двигателя, вся тысячекиловаттная энергия превращалась в звук. Это результат эрозионного износа. На чистой воде износ был низкий, но чистую воду получить не удавалось в замкнутом цикле водоснабжения. Обогатительная или обезвоживающая (на энергетическом угле) фабрики не справлялись с осветлением оборотной воды, так как были именно, так и спроектированы ВНИИгидроуглем, чтобы не справлялись. Причины этого будут рассмотрены в соответствующем разделе. Здесь просто констатируем факт.
Износ насадок, это, наверное, всего одна проблема, которую ВНИИгидроуголь решил кардинально. Первоначально внутреннюю часть насадки стали армировать порошковым вольфрамокобальтовым сплавом ВК, но это оказалось слишком дорого, так как много порошка уходило в утиль при замене насадки на новую. Остатки сплава невозможно было извлечь. Потом попробовали силумин, но он очень хрупок, так как, собственно, является стеклом и погибает от кавитации в насадке. Остановились на армировании металлокерамикой. Она выдерживает кавитацию и изнашивается равномерно, не горными цепями. Срок службы насадки достиг 20 дней почти непрерывной работы. Этого вполне достаточно.
Второй проблемой был износ задвижек, их зеркала и корпуса в момент закрывания – начала открывания, когда они работают в режиме насадки. Эту проблему можно было решить применением прочных дорогих сталей, например, броневой стали танков с содержанием никеля до 20 процентов. Но такие стали правительство Страны Советов разрешало использовать только для выпуска танков. Как и оловянную бронзу, впрочем, которая была очень хороша для вкладышей подшипников катков гусениц горных комбайнов, работавших в жидкой грязи. Здесь, конечно, не вина ВНИИгидроугля, но сообразительности у ученых все–таки не хватило, как выйти из этой ситуации. Часто открываемая задвижка в забое работала всего несколько дней, переставала держать напор воды, не закрывала поток воды полностью, что совершенно недопустимо при напоре в 100 атмосфер.
Проблемы гидроотбойки угля
Кроме «однооперационности», трансформировавшейся под давлением неопровержимых фактов в «малооперационность», «основоположник» выдвинул аксиому «универсальности» своей технологии, т.е. простыми словами – она применима везде и всегда, в любых горно–геологических условиях, при любом развитии инфраструктуры угленосного района, умолчав, однако, что для каждой гидрошахты нужна специальная электростанция, говоря гиперболически. Дело в том, что струя гидромонитора действует на угольный забой как кувалда мощностью от 800 до 1700 киловатт, добывая за час от 30 до 100 тонн угля. Горный комбайн при механическом разрушении мощностью 135 киловатт добывает за час от 120 до 360 тонн. Это пример из 80–х годов, годов «зрелости» гидродобычи. Посчитаем. Минимальная энергоемкость гидроотбойки 800 : 100 = 8 кВт–ч/т, максимальная 1700 : 30 = 57 кВт–ч/т, средняя 32.5 кВт–ч/т. Минимальная энергоемкость механической отбойки 135 : 360 = 0.4 кВт–ч/т, максимальная – 135 : 120 = 1.1 кВт–ч/т, средняя 0.75 кВт–ч/т. Впечатляет? Энергоемкость гидроотбойки даже в среднем выше энергоемкости механической отбойки в 43 раза, а по максимальным показателям – в 51 раз! Что только тут не делали два специализированных института и лаборатория головного института горного дела – все тщетно. Да оно в принципе должно быть тщетным. Разве можно равнять по эффективности разрушение кувалдой и разрушение острым кайлом. Ведь не даром наши предки изобрели главный инструмент горняка – кайло, а заостренные скрещенные молоточки в петлицах горняков всех стран – это же обушки–кайла.
Революцию в принципе механического разрушения горных пород и угля произвел в первые послевоенные годы горный слесарь с кузбасской шахты, самоучка без высшего образования, Яков Яковлевич Гуменник, который критически рассмотрел существовавший в то время при конструировании горных комбайнов принцип сверления горных пород и пришел к выводу, что он бесперспективен. До него никто не мог додуматься до этого, и делали очень большое в диаметре сверло, пытаясь сверлить горные выработки диаметром в несколько метров. Впервые сделал это конструктор Могилевский, создав «шнекобуровую машину Могилевского», сокращенно ШБМ. Машина должна была бурить выработку диаметром три метра и весила тонн тридцать. Чтобы усилить давление на забой при бурении, своего веса машины было мало, и конструктор предусмотрел гидравлические домкраты, распиравшие машину в борта проводимой ею выработки. Но как только сверло его машины вгрызалось в породу, сверло намертво сцеплялось с забоем, а вся тридцати тонная громадина, несмотря на распиравшие ее домкраты, начинала вращаться вокруг своей оси, приводя в изумление окружающих ее шахтеров, которые в ужасе отскакивали от нее и бежали, выключать электроэнергию. Только так ее можно было остановить. Опытный образец этого комбайна в 1951 году стоял в бурьяне около Прокопьевского горного техникума, где я учился, и показывал нам тщетность идеи Могилевского.
Слесарь Гуменник рассудил, что разрушение породы должно вестись как кайлом, но не одним кайлом, а одновременно несколькими десятками кайл. При этом каждое кайло соприкасаются с забоем доли секунды, во время удара, а остальное время находятся «на отдыхе», проходя свою траекторию вне соприкосновения с забоем, в воздухе и остывая от теплоты удара. Совершенно точно как это происходит с кайлом в руках забойщика: замах, удар, снова замах и опять удар. Если энергию человека заменить энергией машины, то получится то, что надо. Когда Гуменник пытался рассказать свою идею ученым, они смотрели на него, как на изобретателя вечного двигателя и ухмылялись. Не добившись помощи, он решил построить свой комбайн собственными силами. Он уговорил своего директора шахты (к сожалению, забыл его фамилию), тот дал ему в помощь двух мужиков. Три умельца, без литейного цеха, имея на вооружении только сельский кузнечный горн, небольшой токарный станок и сварочный аппарат, создали первый в мире горнопроходческий комбайн, какой по плечу был разве что заводу Уралмаш, выпускающему лучшие в мире танки времен Великой отечественной войны Т–34. Этот комбайн перекрыл все мировые достижения и стал прототипом по принципу разрушения забоя для всех горных комбайнов мира.
Слесари–энтузиасты, не умея производить инженерные расчеты на прочность валов, подшипников, редукторов и прочих конструкторских деталей машин, воспользовались готовыми конструкциями. В качестве главного редуктора привода рабочего органа они использовали редуктор со списанной врубовой машины, вспомогательные редуктора боковых фрез соорудили из редукторов скребковых шахтных конвейеров. Ходовые редукторы гусеничного хода своей машины изготовили из каких–то редукторов автомобиля УралЗИС и т.д. и т.п. Рабочий орган полностью изготовили сами, проявив чудеса изобретательности, так как надо было найти в скрапе (металлоломе) Кузнецкого металлургического комбината подходящие детали, которые у них «сидели» в голове, а, отнюдь, не были изображены на ватмане или кальке.
Рабочий орган состоял из двух «лучей», вращающихся вокруг своей оси в разные стороны, чтобы компенсировать те реактивные силы, которые так эффективно опрокидывали комбайн Могилевского. Лучи сходились в одной точке, где и получали вращение от подобранного в металлоломе редуктора. На лучи через определенные расстояния были насажаны жестко диски, вращающиеся вместе с валами–лучами. По ободу дисков, с наклоном под 45 градусов в сторону вращения, были закреплены зубки от врубовой машины, служившие каждый одним из нескольких десятков кайл. Собственно, каждый из дисков представлял собой подобие фрезы. Когда один из зубков ударял по забою, остальные зубки вращающейся фрезы «отдыхали». Вот и весь принцип. Комбайн не имел никаких домкратов для распора в бока выработки для создания давления на забой, он двигался просто на гусеницах навстречу забою и этого давления вполне хватало для отбойки угля, так как фрезерное «сверло» сверлило не от напора его на забой, а от многочисленных ударов зубков–кайл. При этом общий вес комбайна составлял всего 5 тонн вместо 30 у его неудачного прототипа.
За отдельные сутки комбайн Гуменника проходил до 200 метров выработки подковообразного поперечного сечения, что в 10–15 раз превышало темпы проходки обычным, ручным, с применением взрывчатых веществ, способом. Началась эра эффективного механического разрушения угля и горных пород. В дальнейшем этот принцип только совершенствовался: придумали более эффективные зубки, улучшили кинематику их движения, применили более износостойкие материалы. Но ученый горный мир Гуменника не принял, он только воспользовался его идеей, сам он не был принят с распростертыми объятиями, ученый мир был очень обижен. Какой–то неуч утер им нос. Министерство обороны создало лабораторию для Гуменника при Институте горного дела им. Скочинского для решений своих военных задач по скрытому «подкопу» под противника. Он что–то для них делал, изобретал. Создавая эту лабораторию в рамках Института горного дела, военные надеялись, что возникнет альянс горняков и гениального самоучки, но надежды их не оправдались. «Ученые» настолько обиделись, что не замечали гения и десятилетия спустя, и он «варился в собственном соку», что не принесло пользы стране, породившей гения разрушения горных пород.
Разрушение угля и горных пород гидравлическим способом при таком положении вещей требовало кардинальнейшего преобразования, но гения гидравлического разрушения не появилось. Физика процесса истечения струи из насадка (сопла) имеет свои законы, преодолеть действие которых не удалось. В начале заманивания в свою технологию членов Политбюро, Мучник говорил, что давление воды перед насадком гидромонитора должно быть 30 атмосфер. После серии экспериментов он сам признал, что надо 60 атмосфер, потом эта цифра увеличилась до 100 атмосфер, но и этого оказалось мало. Начали разрабатывать оборудование для 160 атмосфер, но тут от технологии окончательно отказались, слишком уж она становилась назойливой и все менее эффективной по сравнению с традиционной. Шел 1987 год.
Я уже говорил, что идея гидродобычи угля Мучником была позаимствована из открытых горных работ, точнее из технологии размыва и намыва земляных сооружений из, так называемых несвязных, грунтов, попросту говоря, из земли, глины, песка и гравия с примесью гальки. Там используются струи низкого и среднего давления, до 15–30 атмосфер. Эти струи имеют гладкую поверхность, которая сохраняется на достаточно длинном участке, а потом струя «рассыпается» на отдельные капли воды. Наличие гладкой поверхности обусловливается действием поверхностного натяжения. Жидкость несжимаема, поэтому целая и гладкая струя действует как металлический клин на преграду. «Капельная» струя действует как дождь, орошая, но, не разбивая преграду. Но низконапорная струя даже на своем эффективном участке, целая, разбивает только слабые грунты. Для того чтобы разбить уголь в массиве надо сообщить ей несколько большую энергию, т.е. давление воды перед насадкой гидромонитора. Но в этом–то и заключается главная беда. При возрастании давления воды «портится» струя, она быстрее распыляется до капельного состояния. Прежде чем браться за повышение давления для гидроотбойки более связных грунтов, каким является уголь, надо было исследовать физическую сущность процесса. Этого молодым ученым Мучником сделано не было. Он просто подумал, что раз струя пожарного брандспойта разрушает слежавшийся песок, то, увеличив давление, он будет разрушать все, что потребуется. Дело за давлением воды – очень простое, детское решение. Это детское решение положили в основу, не проверив, а, построив гидрошахты, начали исследования.
Исследования показали, что не все так просто. Оказывается, на поверхности сплошного потока струи образуются, так называемые, волны Релея. Струя становится на небольшом расстоянии от насадки похожей на гирлянду сосисок, диаметр ее периодически меняется. Когда скорость ее становится близкой к скорости звука, верхушки волн Релея заворачиваются как волны на море в «барашки», возникают зоны вакуума, струя аэрируется, расширяется наподобие метлы и распадается на бесполезные для дела отдельные капли. Зачатки волн Релея происходят еще в насадке, так как на внутренней поверхности насадки скорость воды равна нулю, а в центре потока она очень высока. Поэтому при выходе из насадки струя имеет диаметр даже меньше выходного диаметра насадки, так называемое «сжатие струи». Самой идеальной формой насадки является коноидальная, когда насадке придают профиль, соответствующий естественному образованию профиля ее при истечении из отверстия в тонкой стенке. Сделали коноидальную насадку, но это мало помогло. Отполировали насадку до зеркального блеска, чтобы уменьшить толщину пограничного слоя воды и металла, чтобы повысить скольжение, а не завихрение воды на границе «вода–насадка». Помогло, но мало. Больше в этой области делать было нечего.
Чем больше повышали давление воды, тем все короче становился «хрустальный» участок струи, собственно, и представлявший «долото», и все большую часть длины струи представляла «метла» – капельная часть струи. При этом ухудшение струи происходило не линейно увеличению давления воды, а квадратично. Увеличил давление в два раза, струя распадалась в четыре раза раньше.
Задача стояла так: струя должна была хорошо разрушать уголь хотя бы на расстоянии 6–8 метров, если меньше, то вообще разговоры о гидродобыче надо было прекратить. Но тогда выработки, в которых стоял гидромонитор, должны были проходиться на расстоянии 5–6 метров друг от друга, а это очень много проходческих дорогих и трудоемких работ на 1000 тонн добычи. Для сравнения на 1000 тонн добычи при обычной традиционной технологии лавами надо было пройти, например, при мощности пласта в 1 метр, 15 метров штреков. При гидротехнологии при этих же условиях надо было пройти не менее 120 метров выработок, т.е. в 8–10 раз больше, правда, несколько меньшей площади поперечного сечения. Больший объем выработок при гидродобыче компенсировался отсутствием затрат на очистную выемку, так как струя не требовала присутствия людей в забое, действовала дистанционно. В результате экономических расчетов выходило, что эффективная длина струи не может быть меньше 6–8 метров, а достижение 12–15 метров – это голубая мечта, так и неосуществленная.
В угоду «универсальности» технологии для очень крепких углей, когда все усовершенствования струе формирующих устройств были исчерпаны, пошли совершенно идиотским методом, увеличением диаметра насадки с 18–20 мм до 28–32 мм. Этим увеличивался «эффективный» участок длины струи на 30 процентов, а затраты энергии в два раза, мощность на формирование струи составила 1750 кВт. Разве не идиотство, если мощность механического разрушения при этих условиях требовалась в 60–80 раз меньшая?
Сподвижники «основателя» выдвинули в эти дни, начале 70–х, новую пропагандистскую «штучку». Она была «тонкой» и в «струе времени». Они заменили слово энергоемкость «энерговооруженностью». Это совсем другое дело. Человечество все время энерговооруженность, от лошадиной силы до атомной бомбы. Но понятие энерговооруженность совсем не отражает эффективность, оно игнорирует понятие коэффициент полезного действия. Энерговооруженность показывает, что человек очень сильный, он обладает силой в миллионы тонн тринитротолуола. Ну и что из этого? Способен ли он этой силой вспахать всю землю за день. Да, способен «вспахать», но только на этой земле никогда ничего не вырастет. Энерговооруженность в таком понимании даже опасна. Понятие энерговооруженность употребляют обычные люди очень редко, когда хотят сказать: ух, какой бугай. Или когда, например, сравнивают земледельца, вооруженного мотыгой в одну человеческую силу, с земледельцем, вооруженным сохой в одну лошадиную силу, а затем с земледельцем, вооруженным трактором К–700. Энергоемкость – это понятие и техническое, и экономическое. Полезная энергоемкость – это то, что надо, но такого понятия никто не вводил, а надо бы ввести. На то, чтобы отбить от забоя тонну угля обычный комбайн тратит 0.375 киловатт–часа электроэнергии, хотя для этого хватит 0.225 киловатт–часа. КПД комбайна будет: 0225 : 0.375 = 0.6 = 60 процентов. Для того чтобы отбить от забоя тонну угля гидромонитор тратит 14.5 киловатт–часа, КПД гидромонитора будет: 0.225 : 14.5 = 0.0155 = 1.55 процента, в три раза меньше, чем у паровоза, хрестоматийного «эталона» низкой эффективности. А нам поют песню об энерговооруженности технологии гидродобычи, вместо того чтобы опубликовать ее КПД.
Практикующие инженеры гидрошахт сделали для развития технологии гидродобычи едва ли не более чем три института, два из которых ничем больше как гидродобычей не занимались. Яркий пример – замена гидроотбойки везде, где только возможно по горно–геологическим условиям, механической отбойкой угля комбайнами. Пионером была первая гидрошахта Кузбасса «Полысаевская–Северная», позднее переименованная в «Заречную», вернее сказать ее инженеры–практики. Гидрошахта была спроектирована институтом ВНИИгидроуголь на давление технологической воды для гидроотбойки угля гидромониторами в 60 атмосфер. Первые же опыты показали, что этого давления не хватает, струя забой «лижет», но уголь не отбивает. Увеличить давление было невозможно из–за предела мощности электроподстанции и толщины стенки проложенных трубопроводов высокого давления. Главный инженер шахты Степанов снял с обычного комбайна для «сухой» проходки штреков типа К–56 погрузчик и ленточный перегружатель, которые требовались для погрузки угля на конвейер, расположенный сзади комбайна. Вместо них на стреловидный рабочий орган комбайна он прикрепил кусок трубы диаметром 100 мм, а к трубе буровой шланг с внутренним диаметром 76 мм и длиной 18 метров. Второй конец шланга он прикрепил к высоконапорному водоводу. Одновременно он снял половину рабочих колес с высоконапорных насосов, стоящих на поверхности шахты, чем снизил напор воды, развиваемый ими с 60 до 30 атмосфер.
Технология получилась такая: комбайн рубит уголь, на забой льется вода, 150 кубометров в час, уголь смывается, угольная пыль подавляется, а так как штрек наклонный (3.5 градуса), то пульпа течет по металлическим желобам. Все как в гидрошахте, только давление низкое и вместо гидромонитора – комбайн. Эффект был потрясающий. Комбайн был автономен на длине 18–метрового шланга. Поэтому ехал и рубил уголь 18 метров непрерывно, не останавливаясь для того, чтобы нарастить длину конвейера. Затем наращивался высоконапорный трубопровод–водовод минут за двадцать–тридцать и комбайн снова ехал 18 метров. Крепление возводилось позади комбайна и только это ограничивало движение, но крепильщиков можно было увеличить, чтобы остановки комбайна были как можно короче. Очень сильно мешавшие маневренности комбайна грузчик и перегружатель, а также конвейер ограниченной производительности и очень низкой надежности, были удалены и комбайн смог достичь своей теоретической производительности – 135 тонн в час. Раньше, при «сухой» технологии у него не получалось больше 20 тонн за час работы, ограничивал транспорт. Воодушевленные инженеры быстро нашли способ использовать этот комбайн не только для проходки выработок, но и для очистной выемки столбов, ранее вынимавшихся гидромонитором.
О гидрошахте «Полысаевская–Северная» узнал весь мир, приехали японцы, немцы, поляки, китайцы, венгры, хотя гидрошахтой в понимании профессора Мучника она не была. Фактически был применен только самотечный гидротранспорт и напорный гидроподъем. Ученые позировали фоторепортерам, принимая поздравления, хотя заслуга была не их, а главного инженера шахты Степанова. Не прими он тогда кардинального, действительно инженерного, решения в борьбе за «план добычи угля», за который как главный инженер он отвечал, не построили бы больше ни одной гидрошахты, ни мы, ни японцы, ни китайцы, ни поляки, ни немцы, а гидротехнология бы мирно и тихо загнулась в замшелых институтах.
«Ученые» быстренько сориентировались и придумали официальное лукавое название изобретению Степанова: «механогидравлическая выемка угля, хотя, повторяю, выемка угля была чисто механическая, тем самым, «примазав» ее к «своему детищу», довольно неудачному. Однако, продолжали на «всех перекрестках» восхвалять собственно гидроотбойку монитором и в проекты новых гидрошахт вводить преимущественно ее, хотя новые эти проекты стали возможными только благодаря решению проблемы Степановым, отказу именно от гидроотбойки. ВНИИгидроуголь зациклился на высоконапорных гидромониторах и лет двадцать пять топтался на месте, пока главный их исследователь и конструктор, уже доктор технических наук Николай Федорович Цяпко не уволился из института на пенсию и поехал доживать свой век на Украину, откуда и был родом, упрямый хохол.
Между тем, УкрНИИгидроуголь, потеряв надежду на стационарные струи гидромониторов, занялся импульсными струями, это когда часть воды передает энергию другой части воды, а сама сливается из системы, часть воды, которой передала энергию сброшенная часть, выстреливает на забой как пулемет, очередями. Ничего путного из этого тоже не получилось, хотя денег, бумаги и железа извели много за 20 лет научно–исследовательских и опытно–конструкторских работ и экспериментов. Лаборатория гидравлического разрушения угля и горных пород Института горного дела им. Скочинского все свои силы направила на исследования, так называемых, тонких струй диаметром в один миллиметр, которые от забоя должны были быть не далее сантиметра–двух. Исследования и разработки их закончились тем, что они придумали разрушать уголь перед каждым зубком обычного механического комбайна, с чем зубок и без струи отлично справлялся, зато пылеобразование снизилось радикально, столь вредное для машиниста. Но это имело отношение уже не к разрушению угля и горных пород, а к санитарным правилам, что тоже важно, но к гидродобыче никакого отношения не имеет.
Заканчивая этот раздел, хочу сказать несколько фраз об упертости «ученых». Мне понятны их мотивы, защитить свое детище, будь оно уродом, но оно их детище. Но как можно человеку неглупому по определению говорить, писать, отстаивать перед всем честным народом заведомые глупости? Я не могу поверить, что интеллектуальный человек не понимает, что он отстаивает заведомо плохую идею, если не сказать подлую идею? Он это прекрасно понимает, я уверен. Но он делает только удобство себе, пренебрегая удобством тысяч людей. В конечном счете, это прямая подлость. Недаром ВНИИгидроуголь называли институтом евреев, недаром я заостряю внимание именно на этом. Мне кажется, что именно в этом заключается эта тупая настойчивость, по поговорке: «Ему ссы в глаза, а он – «божья роса»».
Износостойкость и ремонтопригодность оборудования гидродобычи
Первые гидромониторные насадки для формирования струи воды давлением в 100 атмосфер из инструментальной стали работали всего несколько часов. Потом в гладко отполированной внутренней полости их возникали каверны, ранее гладкая поверхность становилась похожей на сплошные горные цепи. Струя из такой насадки вылетала форменной метлой и ничего не отбивала, шум стоял как от реактивного двигателя, вся тысячекиловаттная энергия превращалась в звук. Это результат эрозионного износа. На чистой воде износ был низкий, но чистую воду получить не удавалось в замкнутом цикле водоснабжения. Обогатительная или обезвоживающая (на энергетическом угле) фабрики не справлялись с осветлением оборотной воды, так как были именно, так и спроектированы ВНИИгидроуглем, чтобы не справлялись. Причины этого будут рассмотрены в соответствующем разделе. Здесь просто констатируем факт.
Износ насадок, это, наверное, всего одна проблема, которую ВНИИгидроуголь решил кардинально. Первоначально внутреннюю часть насадки стали армировать порошковым вольфрамокобальтовым сплавом ВК, но это оказалось слишком дорого, так как много порошка уходило в утиль при замене насадки на новую. Остатки сплава невозможно было извлечь. Потом попробовали силумин, но он очень хрупок, так как, собственно, является стеклом и погибает от кавитации в насадке. Остановились на армировании металлокерамикой. Она выдерживает кавитацию и изнашивается равномерно, не горными цепями. Срок службы насадки достиг 20 дней почти непрерывной работы. Этого вполне достаточно.
Второй проблемой был износ задвижек, их зеркала и корпуса в момент закрывания – начала открывания, когда они работают в режиме насадки. Эту проблему можно было решить применением прочных дорогих сталей, например, броневой стали танков с содержанием никеля до 20 процентов. Но такие стали правительство Страны Советов разрешало использовать только для выпуска танков. Как и оловянную бронзу, впрочем, которая была очень хороша для вкладышей подшипников катков гусениц горных комбайнов, работавших в жидкой грязи. Здесь, конечно, не вина ВНИИгидроугля, но сообразительности у ученых все–таки не хватило, как выйти из этой ситуации. Часто открываемая задвижка в забое работала всего несколько дней, переставала держать напор воды, не закрывала поток воды полностью, что совершенно недопустимо при напоре в 100 атмосфер.