Российские ученые изобрели «иглу» для скал, который сделает работу шахтёров безопаснее

Опасный шахтерский труд

Ремесло шахтера еще долго будет опасным, как бы далеко не шагнул технический прогресс. Все дело в экономике. Практически все крупные месторождения на земле разведаны. «Белые пятна» остались только на дне океана и подо льдами Антарктиды. Разведанные месторождения, в которых не ведется добыча, либо недосягаемы из-за низкого уровня технического прогресса (оборудования), либо же полезные ископаемые, руды или минералы обойдутся в такую цену, что на рынке они будут не востребованы.

Чем беднее регион, тем ниже уровень безопасности в шахтах, тем опаснее профессия шахтера в данной конкретной стране. Но и в экономически благополучных странах опасные шахты встречаются — это предприятия, которые вынуждены конкурировать с гигантами отрасли. Упрощенная картина такова: им приходится экономить на оборудовании или объемах работ по обеспечению безопасности.

Сухие и «мокрые»

Нужно понимать, что газ в сухих шахтах — это очень плохо. Но газ в скважинах по добыче нефти или газа (пусть даже это будут разные газы) — полезная дополнительная выработка, «бонус». Этот побочный газ пройдет через систему разделителей-фильтров и надежно осядет в каком-либо баллоне или цистерне.

Газ в сухой шахте — это взрыво- и пожароопасная ситуация. Под угрозой не только техника, но и люди. Рабочий персонал может отравиться газом, который попал в скважину из пластов, если они начали трескаться и дали ему путь в рукотворную пещеру. Новое изобретение предназначено именно для сухих рудников и скважин.

Безопасность так называемых подготовительных выработок («паутины» проходов и галерей, пещер, дающих доступ рабочим и транспорту к залежам руд) по добыче твердых полезных ископаемых — целая наука, которая находится на довольно высоком уровне. От нее зависит не только безопасность шахтеров, но и технико-экономические показатели работы угольных шахт. Постоянное увеличение глубины выработок обусловило серьезный подход и к изучению проявлений горного давления и опасных газодинамических явлений. Но хоть специалисты и изобрели уже массу технических решений, проблемы полностью не решены.

Одной из основных опасностей является вероятность обвала горных пород. Подземные разработки часто подвержены напряжениям, вызванным выемкой полезных ископаемых. Шахтеры работают в условиях высокой силы давления, которая может привести к обрушению туннелей и галерей. Это представляет серьезную угрозу для их жизни. При бурении проявляются высокие горизонтальные напряжения. Упрощенно можно представить себе, что на угольный пласт на большой глубине давит не только вся порода вертикально над ним, но и порода по соседству. Она тоже «принимает на себя» все давление пластов породы сверху и передает их в разных направлениях. В основном — вертикально вниз, но какая-то часть давления передается и в горизонтальных направлениях. Когда шахтеры бурят скважину, шахту или рудник, десятки и даже сотни метров пластов будто хотят «выдавить» в образовавшуюся полость соседствующую с ней породу.

Хорошие и плохие трещины

Для повышения надежности и безопасности процесса специалисты учатся управлять напряженно-деформированным состоянием горного массива. Так, шахтеры-геологи умеют классифицировать трещины и определяют по ним, что происходит с пластами тех или иных пород. Там, где непосвященный человек видит просто разрыв, специалист видит системные, хаотичные или полигональные сети трещин, определяет их эндогенный или экзогенный характер и даже оценивает на углы в этих «паутинах»: по всем этим показателям он может определить устойчивость пород.

Те же угольные пласты избавляют от напряжений таким способом — бурят в них ряд отверстий диаметром 20-30 см через определенные промежутки. Дело в том, что монолитные материалы хорошо передают вибрации и в целом энергию. Рукояти для молотка по этой причине обычно не делают из стали — отдача от удара придется прямиком в кисти работяги. Деревянная рукоять (много слоев целлюлозы) часть энергии от удара гасит внутри себя — волокна передают их в хаотических направлениях и лишь часть из них отдает в ладонь. Если швырнуть камень вдаль на асфальт, то он после падения какое-то время еще будет катиться или даже подпрыгнет. Такое не повторить на песке — тысячи песчинок поглотят энергию брошенного камня, распределят во всех направлениях (по этой же причине мешки с песком все еще хорошо защищают от пуль даже в 21 веке). Этот принцип и используют шахтеры — если расколоть монолитную скалу на достаточное количество кусков, напряженность хаотично распределится во все стороны, и установится некоторый баланс, необходимый для безопасности рудника.

Другие способы снять напряжения — направленные взрывы малой мощности, компенсационные выработки по соседству с проблемным пластом или создание и расширение щелей, которые называют разгрузочными.

На первый взгляд кажется, что чем монолитнее скважина, галерея или «пещера», тем более она безопасна. Отсутствие трещин и разломов непосвященным человеком воспринимается как надежность (но это не значит, что все трещины опасны). На деле же в разных участках скважины давления сильно разнятся, а из-за выемки полезных ископаемых могут происходить обрушения или выбросы смертельно опасных газов. Специалистам нужно аккуратно «прокалывать» горные массивы, взрывать (кроме случаев с газами) их или даже заливать кислотные реагенты в трещины, чтобы снять напряжения в породе. Если где-то рядом с шахтой есть пустоты с горючим газом типа метана или пропана, то он высвободится. Это контролируемый процесс подготовки шахты к обычной работе, когда в ней будут копошиться десятки многотонных машин и сотни человек.

Обошли конкурентов

Для такой работы не подойдет обычный бур или какое-то подобие перфоратора. Потому ученые изобрели «стальное шило» — это тубус длиной около полуметра и диаметром с кофейную кружку. Специалисты сконструировали модель по крайне удачному принципу — при использовании насоса поршень сдвигает друг к другу клинья, которые распирают подвижные стенки тубуса. Он разделяется вдоль на две половинки — отдаленно это напоминает, как искусственный спутник на орбите Земли выпускает в стороны от себя «крылья» солнечных батарей. Изобретение может показаться простым, ведь по своей сути (но не форме) напоминает обычный домкрат.

Внешне он обманчиво прост — это «труба», к которой присоединен масляный насос. Чтобы начать работу, горные инженеры проделывают в массиве лунку около 15 сантиметров в диаметре (по размеру прибора) и глубиной метр-два. Затем специалисты вставляют в нее «шило» и начинают насосом перекачивать масло к поршню. Половинки корпуса передают на породу огромное давление и создают новые трещины. В ходе такой работы существующие трещины немного увеличиваются, создаются новые. Инженеры меняют положение «шила», пока не добьются устраивающего их результата. Они измеряют его «не отходя от кассы» — в изобретении есть датчики акустической эмиссии, которые с помощью ультразвука дают представление о горных массивах вокруг и напряженностях в них.

Эксперты пробовали разные комбинации материалов, углов соприкосновения клиньев, размеров насоса и рабочей жидкости в нем. А когда достигли наилучших результатов — еще раз испытали прибор и запатентовали его.

Итог колоссальный: изобретение может создать в скале давление более чем вдвое большее, чем на дне 11-километровой Марианской впадины — 2700 атмосфер против 1100 атмосфер. Представьте, что даже 11-километровый столб воды не может давить на скалу с такой силой, как эта новинка. Чрезвычайно мощное давление необходимо, чтобы буквально двигать скалы и таким образом «разгрузить пласты». Гениальность новинки в том, что оно всё же намного сложнее дрели или взрывчатки, но значительно проще сложных аналогов, которым требуются электричество, химические реагенты или укрепление стен рудника — и при этом безотказное, как автомат Калашникова. Стоимость меньше, чем у конкурентов.

Кстати, а что они предлагают? Например, есть устройства для гидравлического разрыва пласта — это целая колонна насосных труб со сложными клапанами и «жалом», для ее использования нужна длительная подготовка, а сам процесс очень трудоемкий. И далеко не в каждый рудник такая колонна войдет — необходим большой запас прочности скважины. Несмотря на все минусы, есть и усложненный аналог подобного изобретения — для его работы требуется одновременно и насос, и электричество. А входящие в конструкцию катушка индуктивности и прочие элементы снижают надежность.

Есть другое устройство — упрощенно можно назвать его кислотной лейкой для породы. Это цилиндр со множеством отверстий. Его помещают в пробуренное углубление и постепенно наполняют пласт кислотой. Работа с ним более опасная и трудоемкая, чем с новинкой.

В патентном бюро рассмотрели новинку из НИТУ МИСИС и пришли к выводу, что она действительно содержит ряд инноваций. Кстати, одна из них — особое сочетание пружин и поршней, которое не позволит «шилу» застрять в трещинах. Изобретением уже заинтересовались в АК «АЛРОСА», ОсОО «Вертекс Голд Компани», АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» и Всероссийском НИИ горной геомеханики и маркшейдерского дела.

Россия занимает третье место в мире по запасам угля и делит первое место по залежам железных руд с Бразилией и Украиной. От других стран Россия отличается тем, что много ископаемых залегают на большой глубине или имеются другие сложности для их добычи. Потому труд шахтеров еще долго будет востребован (и опасен), а каждое подобное изобретение позволяет еще на шаг приблизиться к недоступным сейчас богатствам в недрах.

Источник