8.5. Бурение в подземных выработках
Для добычи под землей в прежние времена пользовались киркою и молотком.
Начиная с 17 века для отбойки пород стали применять порох. Для этого в породе пробуривали шпур диаметром 20 мм и глубиной около 1 м., в который помещали порох, затравку и забойку. Использовали вращательное и ударное бурение. При ударном способе бурения использовали долотчатый бур.
Способ бурения: с помощью ударов молотка загоняли бур в породу, перед каждым ударом поворачивая бур. В процессе бур необходимо было охлаждать, а шпур прочищать. Рабочих, занятых на бурении одного шпура было двое. Один держал и поворачивал бур, а другой наносил удары. Процесс был очень тяжелым и долгим.
В 1863 г впервые в шахте для бурения была применена машина похожая на перфоратор.
По способу действия различали перфораторы ударные, снабженные долотчатым буром и вращательные, снабженные спиральным буром, для бурения в мягких, и коронкой с алмазами, для твердых пород.
Префоратор Лисбе. На стойке закреплен винт с рукояткой. Рабочий,вращая рукоятку, вращает винт.
Позднее появились перфораторы, работающие от электрического тока.
Развитие буровых работ в России 19-20 веках
Первая скважина на воду в России была пробурена в 1831-1832 г.г. в г. Петербурге близ Лесного института. В 1847-1848 г.г.г по инициативе чиновника Горного ведомства В.Н. Семенова близ г. Баку была пробурена первая в мире скважина на нефть. А в 1850 г. Г Л. Дорошенко организовал бурение разведочных скважин на уголь.
Русские инженеры и ученые того времени внесли существенный вклад и совершенствование и внедрение техники и технологии бурения скважин.
Инженер Романовский Г.Н. В 1859 г. под его руководством в России, в районе Самарской Луки была пробурена первая скважина с использованием парового двигателя и применен разработанный им новый тип бурового долота. А в 1877 г. под его руководством в Крыму была пробурена самая глубокая по тому времени скважина - 1790 м. С 1872 г. в районе г. Баку было положено начало массового бурения нефтяных скважин, а несколько позже и в районе г. Грозного.
В начале 19 века применяли ударное бурение, во второй половине 19 века начали применять станки алмазного бурения. В 20-х годах 20 века начало активно развиваться отечественное буровое станкостроение.
Из-за повышения цен на технические алмазы, алмазные буровые коронки стали заменять твердосплавными. В 1929 г. Московский «Электрозавод» впервые в стране выпустил твердый сплав «победит». Это был металлокерамический сплав с содержанием 90% карбида вольфрама и 10% кобальта
В 1933 г. А М Игнатьевым в лаборатории самозатачивающихся инструментов была создана впервые в мире самозатачивающаяся твердосплавная коронка.
Современная буровая техника стала выпускаться после Великой отечественной войны.
8.6. Создание экскаваторов
Экскава́тор от латинского excavo— «долблю».
Историю землеройной техники, в частности экскаваторов, можно начать писать с начала 15 века, когда в венецианском издании «Кодекса Джованни Фонтана» 1420 года был опубликован рассказ о ковшедолбежной землечерпалке, использовавшейся для углубления дна каналов, расширения морских гаваней. Но официально идея создания землеройных машин принадлежит Леонардо да Винчи, который в начале 16 в. предложил схемы экскаваторов-драглайнов. К 1500 году относится набросок чертежа грейфера для землечерпалки. Несколько лет спустя Леонардо руководил прокладкой каналов в засушливой Миланской долине. На земляных работах он применил землечерпалку собственной конструкции.
Рисунок 20 – Землечерпалка Леонардо да Винчи
В записных книжках ученого наряду с чертежами летательного аппарата есть зарисовки землечерпалки с ковшом-драглайном, а также сооружения, напоминающего конструкцию экскаватора. Драглайн, предложенный Леонардо да Винчи, в основных чертах напоминает ковш современного экскаватора. Вот его описание: «Ковш, заостренный, как лемех, спереди и сзади, имеет сито. Это позволит зачерпнуть много грунта и даст стечь воде. Ковш будет подвешен на канатах, которые наматываются на ворот, расположенный на понтоне. Дно ковша может также откидываться, что облегчит его разгрузку». Сейчас, правда, не выпускаются ковши-драглайны с откидным днищем, но этот принцип успешно применяется в ковшах для прямой лопаты.
В 1597 году для очистки каналов в Венеции была сконструирована и построена плавучая землечерпалка. Автором ее был венецианский механик Буанаюто Лорини, который описал устройство машины в труде «Делле Фортификационе». Далее в 1718 г. проект землеройного устройства с двумя ковшами представили Французской Академии наук механики де ла Бальм и Белидор. Механизм работал в портах Тулона и Бреста. Затем в 1795 году известный американский изобретатель, создавший первый практически пригодный пароход, Роберт Фултон сконструировал и первый четырехколесный грейдер-элеватор. Однако испытана машина была только через 70 лет на строительстве дорог в Америке. Но в 1796 году на дноуглубительных работах в английском порту Сандерленд была применена ковшовая драга с приводом от паровой машины. Построена она при участии изобретателя паровой машины Джеймса Уатта. За один рабочий ход ковши доставали со дна гавани до полутора тонн грунта, что примерно в 4 раза превышало производительность ручной драги.
В 1809-1812 гг. инженер и ученый Августин Бетанкур, приглашенный Александром I в Россию, создал оригинальную механическую землечерпалку с паровой машиной для очистки русла рек и каналов. В августе 1812 г. землечерпалка, изготовленная на Ижорском заводе по чертежам Бетанкура и при его участии, была доставлена в Кронштадт, где выполняла дноуглубительные работы в акватории порта.
Рисунок 21 - Механическая землечерпалка с паровой машиной для очистки русла рек и каналов
Первая паровая механическая лопата была запатентована в 1836.
В США нехватка рабочих рук при производстве земляных работ на строительстве железных дорог в первой трети 19-го века была катастрофической. В отличие от сталинских великих строек у американцев не было бесплатной армии заключенных. Плюс к этому те дороги, что вступали в строй первыми – снимали сливки с грузопотока. А опоздавшие – разорялись. Это и привело к разработке и созданию первых железнодорожных экскаваторов. В 1832-1836гг Отисом был разработан и воплощен в металл первый паровой экскаватор. В 1837 году, при проведении земляных работ для части линии железной дороги между Спрингфилдом и Вустером, Массачусетс, Западная Железная дорога, экскаваторы Отиса получили боевое крещение.
Рисунок 21 - Механическая лопата В. Отиса, США.
Уильям Смит Отис родился 20 сентября 1813 года в местечке Пэлхам, Массачусетс, иприходился двоюродным братом Элайше Отису, известному создателю лифта.Как и его отец, который был строителем каналов и железных дорог, Уильям с детства проявлял интерес к работе с землей и очень рано обнаружил в себе талант конструктора.В двадцатилетнем возрасте он проявил незаурядную механическую изобретательность и создал свой первый экскаватор. Используя общедоступные материалы, приобретаемые в окрестностях Кантона, Массачусетс, Уильям создал машину в 1835 году, которая применялась на строительстве железнодорожного полотна между Нориджом и Вустером. Работая в компании, занимающейся строительными работами, “Кармайкл и Фэрбэнкс” (“Carmichael and Fairbanks”), Уильям Смит Отис придумал устройство, по сути выполняющее те же действия, что и человек с лопатой. Его паровой экскаватор набирал грунт в ковш при движении, и затем опустошал его при повороте на 90 градусов, как правило, в ожидающий вагон.Осознав, какую экономию трудозатрат принесет его проект, Уильям Отис переехал в Филадельфию, чтобы доработать его. Он убедил Джозефа Харрисона, управляющего компанией “Гаррэт и Иствик” (“Garrett and Eastwick”), построить опытный образец для него в 1836 году.
15 июня 1836 года Уильям Смит Отис получил патент на свое изобретение, однако в ходе пожара техническая документация была уничтожена, и повторно патент был выдан лишь 27 октября 1838 года.24 февраля 1839 года патент за номером 1089 официально вступил в законную силу, и назывался “Кран-экскаватор для раскапывания и удаления земли”.Объем ковша составлял 1,15 м3, производительность – 64 м3/час.и заменял примерно 50 рабочих. Уже через несколько лет экскаваторы Отиса заменяли 180 рабочих.Уильям Смит Отис умер 13 ноября 1839 года. Все права на его изобретения были переданы его жене Элизабет.До 1840 года было произведено 7 экскаваторов Отиса.
Первоначально экскаваторы использовались преимущественно на строительстве железных дорог. Один из первых экскаваторов был продан в Англию в 1842 г, а в 1843 г четыре из семи построенных Отисом экскаваторов были проданы в Россию для использования при строительстве Николаевской железной дороги. Однако строительные подрядчики не восприняли эти машины и в 1848 г продали на Урал. В Нижнем Тагиле экскаваторы, впервые в мировой практике, были использованы на вскрышных работах при добыче руды.
Во второй половине девятнадцатого века масштабное строительство железных дорог и каналов потребовало перемещения все больших масс земли, которое уже не могло быть осуществлено с помощью ручного труда землекопов. Это привело к активному развитию разнообразных землеройных машин.
В Германии применялись «строительные локомобили», оснащенные одноканатными грейферами.
До конца века основные объемы земляных работ на строительстве железных дорог в России выполнялись вручную (лопаты, тачки, грабарки), поскольку дешевая рабочая сила существовала в избытке. Когда при строительстве западносибирского участка Транссибирской магистрали возникли затруднения с рабочей силой, были закуплены в Америке «землекопные машины»
В такие машины впрягались 12-16 лошадей. Для выемки и перемещения грунта использовались, также, конные волокуши с металлическим ковшом, которые назывались «скреппелами» или «землеройками».
Большой вклад в развитие технологии экскаваторостроения внести французы: в 1860 году инженер М. Кувре создал сухопутный цепной многоковшовый экскаватор с двигателем 15 лошадиных сил. Он был испытан на строительстве дороги Седан - Тионвиль, а позднее работал на сооружении Суэцкого канала. А уже 1862 году на улицах Парижа появился первый паровой каток с обеими ведущими осями. Изобретателем машины был механик Балейсон. Однако паровые катки большого распространения не получили. Ведь для поддержания необходимого давления в его котле требовалось сжигать 60- 80 килограммов топлива в час.
В начале 20 века, с развитием электроэнергетической отрасли семимильными шагами развивались и конструкции экскаваторов. В 1905 году были выпущены первые паровые полноповоротные (с поворачивающейся кабиной) экскаваторы немецкой фирмой «Оренштейн & Коппель». Ковши этих машин вмещали до 4 кубометров земли. В 1910 году появились первые электрические экскаваторы, а американская фирма “Бюсайрус” выпустила в свет полноповоротный экскаватор на гусеничном ходу. Начиная с 1912 года начал работать первый экскаватор с двигателем внутреннего сгорания на гусеничном ходу.
Русские изобретатели предложили немало интересных устройств, способствовавших облегчению тяжелого труда на строительстве каналов, дорог, мостов и других сооружений. Так, в конце 20-х годов 19 века в Петербурге появился ржевский мещанин Немилов. Он уже построил немало мельниц, плотин и мостов, применяя при этом хитроумные машины собственной конструкции и изготовления. Вот и теперь он сдал на заключение генералу Бетанкуру чертежи: “Машины для уравнения земли у подошвы реки”, “Машины для выстилки плитою из гранитного камня подошвы между столбов” и “Копра особого устроения, каковые еще нигде не виданы”. Трижды пришлось Немилову продлить в столице свой паспорт, ответа он так и не дождался и вернулся на родину ни с чем. А ведь эти проекты, если б были одобрены и приняты, могли сыграть заметную роль в развитии строительных машин.
В те же годы в Петербурге на чердаке одного из домов Гороховой улицы у Каменного моста жил “страстный механик” Казаманов. Не имея ни средств, ни материалов, ни инструментов, он умудрялся все же сооружать модели своих изобретений, среди которых были и своеобразный копер для вбивания свай, и машина “для подъема тяжестей с большею легкостью и удобностию на возвышенность”. Технические новинки, созданные этими и другими безвестными изобретателями-самоучками, не нашли ни должного понимания, ни должного распространения. Может быть, чуть больше повезло русским землечерпалкам. Первая плавучая землечерпалка была создана в Петербургском институте путей сообщения в 1809 году. Ее мощность составляла 15 лошадиных сил. Такое устройство могло заменить труд многих людей. Предназначалась эта машина для очистки водоемов. В 1811—1812 годах землечерпалку построили на Ижорском заводе. Начиная с 1813 и по 1819 год машина работала на очистке Кронштадтского порта.
В 1847 году русский изобретатель Кушелевский сделал еще один шаг в этой области. Он предложил идею землечерпательной машины, которая могла работать как на воде, так и на суше. Эта машина соединяла в себе достоинства речной землечерпалки и сухопутного экскаватора.
В 1854 году в Петербурге были изданы материалы, подготовленные комиссией, изучавшей природные богатства и хозяйство Пермской губернии. В них опубликованы интересные сведения о первом русском паровом экскаваторе, который авторы документа и назвали “земляным механизмом”. Кем он был построен, членам комиссии не удалось установить. Было известно только, что был этот неизвестный механик родом из Нижнего Тагила, но описанная машина выполняла, по существу, то, что делает экскаватор: она могла перемещаться и “посредством особых устройств”, говорилось в описании машины, копала руду и производила ее уборку от забоя, подготавливая фронт работ для дальнейшей выемки руды. Так, почти 130 лет назад в России в руднике горы Высокой на Урале был применен способ открытой разработки полезных ископаемых с помощью экскаватора.
Производство одноковшовых экскаваторов в России было начато в 1901 на Путиловском (ныне Тверской экскаваторный) заводе. В СССР производство экскаваторов было организовано в 1931. Выпущены первые 15 машин. С 1947 Уральский завод тяжёлого машиностроения (УЗТМ) впервые в мире организовал серийный выпуск карьерных экскаваторов с ковшами ёмкостью 3-5 м3. В 1958 на УЗТМ был изготовлен шагающий экскаватор-драглайн с ковшом 25 м3 и стрелой 100 м, а на Новокраматорском машиностроительном заводе (НКМЗ) в 1965 - экскаватор-лопата с ковшом 35 м3 для крепких грунтов. В 1975 УЗТМ закончил изготовление шагающего драглайна с ковшом ёмкостью 100 м3 и стрелой 100 м. УЗТМ осваивает наиболее мощную карьерную лопату, с ковшом 20 м3, для крепких грунтов (1976).
Одним из лучших в России сегодня можно назвать экскаватор ЭКГ-8, который впервые был создан на Уральском заводе тяжелого машиностроения в 60 годах прошлого столетия. Модель этого карьерного гусеничного экскаватора была усовершенствована на Ижевском заводе имени Жданова. Он состоит из поворотной платформы с ходовыми механизмами и из рабочего оборудования. Стоит отметить, что служит данный экскаватор для копания и черпания разрушенных пород, а впоследствии и перемешивать их.
Если учитывать массу экскаватор ЭКГ 8 с насыпным противовесом, то она равняется 373000 килограммов. Для такого большого экскаватора достаточно приемлемая скорость передвижения - 0,42 - 0,45 километра в час.
Габариты данных моделей позволяют им работать в самых тяжелых условиях и выполнять самый сложный тип работы на различных поверхностях и грунтах.
Совершенствование существующих экскаваторов идёт по линии повышения их технического уровня, надёжности, удельного усилия копания и производительности. Создаются модификации механических лопат с удлинённым рабочим оборудованием. Наращивается выпуск гидравлических карьерных экскаваторов различных типоразмеров. Экскаваторы-драглайны с ковшами вместимостью до 20 м3 выпускаются в модульном исполнении, обеспечивающем сокращение сроков монтажа в 3-4 раза при уменьшении трудоёмкости работ. Прогрессивное направление в создании экскаваторов непрерывного действия — роторные экскаваторы большой единичной мощности и с высокими усилиями копания, а также — компактные роторные экскаваторы, отличающиеся меньшей удельной металлоёмкостью, что приводит к улучшению их технико-экономических показателей и повышению технологической гибкости при разработке сложноструктурных забоев.