Боги и человек (статьи)

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.