Участник:Drovosekk/Развитие техники горного дела

Материал из MiningWiki — свободной шахтёрской энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Развитие тяжелой промышленности увеличило спрос на разнообразную продукцию горной промышленности, добычу которой невозможно было повысить без механизации, без совершенствования технических средств. Так, для угольной промышленности развитых капиталистических стран была характерна концентрация производства, выразившаяся в создании крупных синдикатов и заводов горного машиностроения, в каждом из которых было занято значительное число рабочих (например, Гользен-кирхенское горное объединение — 46 тыс. рабочих). Крупные объединения способствовали созданию новой горной техники. По мере развития тяжелой индустрии повышался спрос на продукты горной промышленности. Если в 1870 году во всем мире было добыто 213 млн т каменного угля, то в 1913 году добыча его составила 1342 млн т, а добыча железной руды возросла соответственно с 30,2 млн т до 176,7 млн т.
Быстро увеличивалась добыча цветных и драгоценных металлов. За тот же период стоимость мировой продукции горного дела возросла в 8 раз.


К 70-м годам XIX в., хотя и были достигнуты определенные успехи в развитии горной техники, добыча полезных ископаемых велась ручным способом. Врубовые машины, предназначенные для зарубки угольных пластов, имели единичное применение. Наиболее благополучно обстояли дела с бурением шпуров, хотя и здесь были свои трудности.

Бурильные машины[править]

Появившиеся в середине XIX в. на проходке тоннелей поршневые перфораторы были весьма громоздки и монтировались на станках. Возможность применения их в шахтах и рудниках была весьма ограниченной. В конце XIX в. получили распространение перфораторы молоткового типа. В 1897 году Георг Лейнер создал портативный молотковый перфоратор, который вытеснил старые — поршневые. Молотковые перфораторы применяли в США и Европе не только при проходке тоннелей, но и при работах в шахтах и рудниках. По своей конструкции они близки к современным отбойным молоткам.

Помимо машин ударного действия, были известны также машины вращательного действия, появившиеся в середине XIX в. в Чехословакии и успешно работавшие там на бурении известняков. Во второй половине XIX в. машины этого типа начали применять в каменноугольных рудниках многих стран Западной Европы (бур-сверло инженера Лисбе), а также в России (перфораторы Эллиота и Рачета).
С помощью ручного вращательного бура Лисбе легко бурились в угольных сланцах любой крепости. Однако при сверлении крупнозернистых песчаников бур Лисбе уступал ударным перфораторам.
Перфоратор Рачета отличался легкостью (16 кг), компактностью и дешевизной, но при работе в более или менее крепких породах легко ломался. Конструкция перфоратора Эллиота была более совершенной, его можно было использовать для более крепких пород и с большей производительностью, чем перфоратор Рачета.

Недостатком перечисленных машин был ручной привод, поэтому уже со второй половины XIX в. начинают появляться идеи вращательного бурения с помощью гидравлического привода. Первые испытания машин с гидравлическим приводом (машина Брандта, 1864 г.) проводили при сооружении Сен-Готардского тоннеля, а с 1877 года их стали применять при сооружении Зонштейнского тоннеля у Траунзее, Брандлейтского — в Тюрингии, Арльбергского — в Швейцарии, Сурамского — на Кавказе и во многих рудниках.

Вращательные бурильные машины имели некоторые преимущества по сравнению с ударными: для получения буровой скважины определенного диаметра вырабатывалась только кольцевая скважина небольшого объема; машина могла работать непрерывно, а при ударном бурении тратилось дополнительное усилие на холостой обратный ход поршня и резца; вращательная машина работала спокойно, ударная же сильно сотрясала станину, на которой она крепилась; вращательная бурильная машина могла бурить скважину большего диаметра, следовательно, на требуемую площадь выработки приходилось меньше скважин. Преимуществом ударных бурильных машин перед вращательными была возможность одновременно с работой вентилировать воздух выработки.
В конце 70-х годов XIX в. в Европе начали появляться бурильные машины с электрическим двигателем. Первая такая машина демонстрировалась на Парижской выставке 1881 года.


Врубовые машины[править]

Основная статья: Врубовые машины

Первые комбайны[править]

Внедрение врубовых машин в шахтах и рудниках значительно облегчало труд горнорабочих, однако самый трудоемкий процесс — погрузка отбитой породы — оставался еще немеханизированным. Нужна была комбинированная машина, в которой были бы совмещены процессы подрубки и отбойки с погрузкой породы.

В некоторых смежных с горной отраслях промышленности стали появляться технические предложения, идеи которых можно было использовать для создания такой комбинированной машины. Так, еще в 1865 г. Департамент торговли и мануфактур выдал «Привилегию № 10» (заявка от 17 мая 1864 г.) Флорену Ванденвину на изобретенную им землекопную машину, предназначенную «для прорытия в возвышенностях рвов или траншей, по которым могли бы быть проведены обыкновенные или железные пути, каналы или сделаны укрепления». Машина Ванденвина состояла из деревянной повозки длиной 8,5 м и высотой 4,5 м, ширина повозки определялась размером выработки. Внутри этой повозки помещали локомобиль или небольшую паровую машину, которая приводила в движение весь механизм. В передней части повозки находились два вертикальных железных вала с двойными резаками из кованого железа. Концы резаков были изготовлены из закаленной стали и имели несколько изогнутую форму. Расположенные на валах в виде спирали резаки каждого вала поочередно касались земли, предназначенной для выемки. Валы вращались в противоположные стороны, поэтому резаки постоянно перекрещивались, образуя при движении ров с откосами.

Машина должна была выполнять те же операции, что и горный комбайн: резать и отделять землю от массива, бросать (захватывая изогнутой частью резаков) ее в ковши, расположенные на бесконечной цепи, из ковшей — на непрерывно движущуюся ленту и далее по наклонной плоскости (из дерева или листового железа) в специальные тележки.

Идея машины Ванденвина была оригинальна. Благодаря встречному движению ножей (резаков) осуществлялась уравновешенность машины, что не всегда достигается даже в современных конструкциях проходческих комбайнов. Новым было предложение армировать ножи закаленной сталью. Ф. Ванденвин удачно решил задачу совмещения разрушающего породу органа с погрузочным. Однако существенным недостатком машины Ванденвина была невозможность проходить породы даже незначительной крепости, так как мощность парового двигателя была небольшой, а режущий инструмент непрочным. Сейчас мы не располагаем сведениями о практическом применении этой машины. Патент Ванденвина — это первая попытка создать комбинированную горнопроходческую машину.

Были и другие проекты. В качестве примера можно привести усовершенствованную землекопную машину Ван дер Эльста, привилегия на которую получена в России 19 декабря 1887 года, № 12033 (заявка от 13 апреля 1884 г.).

В 60—70-х годах XIX в. появляются первые предложения конструкций машин, которые можно уже назвать комбайнами.

В 1864 г. во Франции на проходке подземной выработки по известняку была испытана машина, предложенная англичанином Брентоном. Исполнительный орган этой машины состоял из двух дисков, на которых было закреплено по шесть дисковых резцов, свободно вращавшихся на своих осях. Диски получали принудительное вращение вокруг своих осей и вокруг оси полого винта, в результате чего резцы описывали сложные кривые — эпициклоиды. Впоследствии исполнительные органы горных машин с двойным вращением инструментов получили значительное развитие, а сходство с вращением планет дало основание называть их планетарными исполнительными органами.
Идея, заложенная Брентоном в конструкцию исполнительного органа своей машины, оказалась исключительно плодотворной и, можно сказать, опередила тогдашний уровень техники на несколько десятков лет.

Дисковые резцы и в наше время заслуживают серьезного внимания. Они нашли применение на механизированном щите при строительстве московского метро.

В 70—80-х годах XIX в. были выданы первые патенты на проходческие машины, основанные на принципе сверления. Сюда можно отнести машину, сконструированную в 1880 г. англичанином Стенли для проходки тоннеля под проливом Ла-Манш. Машина Стенли делала круговой вруб, оконтуривающий породный цилиндр, который затем подрывали взрывчаткой, а отбитую породу грузили вручную.

В одной из первых машин, разработанной на базе проходческой машины Стенли и вывезенной в США из Англии в 1883 г., использован принцип зарубки коронками ударного действия. Снабженная транспортером врубово-погрузочная машина была внедрена на шахте Бенкет (Иллинойс) в 1890 г. Эта машина, так же как машина Стенли, стала предшественницей будущей комбинированной проходческой машины Эдварда Мак-Кинли, в которой получила воплощение идея высверливания выработки в некрепкой горной породе. Патент на машину Мак-Кинли был выдан в США на рубеже XIX и XX вв. Практическое применение она нашла лишь в 1920 г.

В конце XIX — начале XX в. в России появляются проекты более совершенных машин для одновременной механизации зарубки, отбойки и погрузки горной породы в вагонетки. Авторы проектов не задавались целью сконструировать машину для какой-либо определенной отрасли горной промышленности. Они ставили перед собой задачу, и кстати сказать ошибочную, создать универсальную горную машину — горный комбайн широкого назначения. Ошибочность их подходов к созданию универсальной горной машины состояла в том, что они не учитывали специфику различных горных пород — их залегания, крепости, неоднородности и т. д. Такие машины могли работать только в идеальных условиях, то есть в некрепких однородных породах. Поскольку это были первые машины, явившиеся прообразом современных горных комбайнов, они представляют несомненный интерес для специалистов-горняков и историков техники. Остановимся на некоторых из них.

23 апреля 1893 года петербургский служащий — коллежский регистратор А. К. Калери подал в Департамент торговли и мануфактур прошение о выдаче ему привилегии на машину для земляных работ, названную «Землерой». По замыслу автора, машина предназначалась для проходки тоннелей, причем предполагалось, что тоннель сечением 25 м за один месяц «может быть прорыт на 1 версту». Помимо проходки тоннелей, машина, как утверждал автор, могла быть применена и к добыванию каменного угля или руды. Для этого она должна была быть оборудована двумя режущими головками, из которых одна имела бы резцы параллельные (для горизонтальных нарезов по всей высоте пласта), а другая — резцы под углом (для снятия вертикальных призм, высота которых равна расстоянию между горизонтальными нарезами). Над усовершенствованием своей машины изобретатель работал в течение ряда лет. Так, за период 1893—1896 гг. Калери 10 раз подавал в Департамент торговли и мануфактур прошения и заявления с дополнениями по улучшению конструкции его машины.
Изобретатель пытался запатентовать свое предложение не только в России, где он жил и работал, но и за границей. Так, 25 января 1896 г. А. К. Калери подал в патентное бюро Германии заявку, по которой в декабре того же года ему был выдан патент (нем. патент № 89185).

В России Калери в конце концов удалось получить привилегию (за №. 4912 от 28 февраля 1901 г.) на «машину для добывания горных пород».
В этой привилегии говорилось, что «предлагаемая машина назначается для добывания горных пород в забоях, обнажениях и пр., преимущественно в виде глыб или призматических кусков квадратного поперечного сечения». Машина состояла из остова, двигателя, бара, снабженного зарубоотбойной режущей головкой с противовесом, системы конвейеров — скребкового и ленточного. Рабочее движение от двигателя к исполнительному органу передавалось через сложную систему передач, при этом широко использовали канатные передачи.
Принцип работы машины заключался в следующем. Горную породу отделяли от массива с помощью режуще-отбойной головки, состоящей из набора (два, четыре и более) режущих дисков, установленных под прямым углом один к другому. Отбойная головка укреплена на баре, перемещавшемся в горизонтальной и вертикальной плоскостях и сообщавшем дискам, кроме вращательного, поступательное движение.
Работа машины начиналась с подачи ее на забой и выемки горизонтальной полосы у почвы пласта. Затем бар последовательно перемещался снизу вверх, вырезая узкие вертикальные блоки. Отделенная от массива горная порода по лотку поступала на систему конвейеров и далее в вагонетки.

Калери предполагал использовать свою машину не только на подземных, но и на открытых разработках. Однако конструкция машины обладала существенными недостатками: слабостью ряда узлов (и прежде всего исполнительного органа), отсутствием механической подачи машины на забой, громоздкостью и ненадежностью канатной системы передач. Вместе с тем предложение А. Калери представляет интерес из-за оригинального принципа работы режущего органа: съема стружки с поверхности забоя с помощью специальной режуще-отбойной головки. К преимуществам машины можно отнести возможность разрушения малой части забоя, что не требовало больших усилий.

В первом десятилетии XX в. русский изобретатель Ф. А. Поляков-Ковтунов разработал целую серию машин, среди которых был и комбайн для проходки горных выработок. На одиннадцать изобретений ему было выдано в России шесть привилегий по заявкам от 1907 и 1908 гг. Все проекты отличались глубиной и оригинальностью разработки. Изобретатель поставил перед собой задачу создать универсальную машину для проходки тоннелей, штреков, рытья каналов и т. п. Характерная черта его проектов — применение в качестве режуще-отбойного органа строгающих «ножей» различной формы. Такой строгающий исполнительный орган мог не только отделять полоску горной породы, но и разрушать ее, облегчая при этом навалку вынутой породы. Возможность выемки различных пород в зависимости от их крепости достигалась регулировкой толщины снимаемого стоя. Поляков-Ковтунов подробно разработал принцип конструкции рабочего органа машины «для разнообразных земляных работ». Эту машину он рассматривал как базовую для различных видоизменений и вариантов. Автор отмечал, что «этой же машиной можно производить выемку тоннелей, для чего верхний нож должен быть изогнут». В одной из следующих своих заявок Поляков-Ковтунов представил полностью разработанный проект комбайна для проходки горных выработок — «самодействующую машину для производства земляных работ и для иных целей, отличающуюся применением строгального станка и тележки с автоматическими передвигающимися рельсами». Машина представляла сложную конструкцию, смонтированную в жестком каркасе, и состояла из следующих основных частей: мотора, режуще-отбойной головки с ножами, изогнутыми спирально по поверхности конуса, системы конвейеров для погрузки породы и ходовой части платформы с автоматической прокладкой рельсов по принципу шагающей подачи. В силу сложности конструкции машина имела значительные габариты, поэтому изобретатель предусмотрел установку на ней щитового крепления. Процесс работы комбайна состоял в следующем: машину по рельсам подавали на забой, затем включали режущую часть. Срезанный слой породы попадал на систему конвейеров и далее в доставочные устройства.

Горнопроходческий комбайн Полякова-Ковтунова мог найти применение только при разработке некрепких горных пород. Перед первой мировой войной Путиловский завод изготовлял спроектированную Поляковым-Ковтуновым «землестрогальную машину», предназначавшуюся для разработки глиняного грунта при кирпичном производстве, но удалось ли ее внедрить в производство — неизвестно, хотя указывается [18, с. 184] производительность машины — до 1000 м3 грунта в 10-часовую смену.

В проектах Полякова-Ковтунова, конечно, были конструктивные недостатки (громоздкость, ненадежность системы передачи движения исполнительному органу, слабость режущего инструмента и т. п.), но с учетом низкого уровня механизации в горнодобывающей промышленности того времени становится очевидной талантливость нашего соотечественника.

На Западе и особенно в США отмечается некоторый рост изобретений комбинированных горных машин с начала 1910 г.

Первым реализованным за границей проектом горнопроходческого комбайна явилась машина Морган — Джеффри. Ее изобрел в 1910 г. американец Е. С. Морган и изготовила в 1913 г. фирма «Jeffrey». Машина предназначалась для быстрого прохождения подготовительных выработок по углю в достаточно мощных (до 2 м) пологопадающих пластах [19]. Она состояла из трех баров с режущимп цепями, тарана и пяти долот. Бары были установлены на прочных салазках вместе с мотором в 50 л. с. и пластинчатым конвейером [6].

Нижний горизонтальный и два вертикальных бара вели врубы по трем плоскостям, таран же, совершавший качательные движения, сбивал подрезаемый уголь, который падал на головной конвейер, вводимый в нижнюю зарубную щель своим передним концом, и затем грузился в вагонетки. Один проходческий цикл выполнялся в три приема-заходки. По мере внедрения в уголь вся машина подавалась вперед на длину 2,4 м. Когда одна заходка завершалась, машину с помощью каната отодвигали назад и делали вторую заходку, и т. д. Зарубка и отбойка шли довольно быстро. Например, в 2-метровом пласте средней крепости на заходку шириной 1,5 м и глубиной 2 м требовалось 20— 30 мин и штрек шириной 3 м мог быть пройден со скоростью 10 м в смену [6, с. 92].

Машина Моргана представляла собой комбайн для проходки выработок по углю. Фирма «Jeffrey» рекламировала машину как универсальную, то есть способную работать и по проходке подготовительных выработок, и по добыче угля [20]. Однако все попытки использовать машину в очистных работах на крепких углях ни к чему не привели [19, с. 32].

В основу работы комбайна был положен неудачный принцип ударной отбойки, поэтому машина не получила широкого распространения не только в очистных, но и в подготовительных работах.

В 1920 г. фирма «Sauthern Coal Coke and Mining С0», владевшая шахтами в штате Иллинойс (США), начала впервые применять комбинированную проходческую машину Мак-Кинли, работавшую на принципе высверливания забоя. Машина отличалась высокой производительностью: проходка штрека с ее помощью составляла 8—10 м за смену [19, с. 32]. На руднике «Pocahontas» (США) скорость проходки штрека по углю сечением 4.5 м2 составила 10,5 м/ч; за каждые 10 мин машина нагружала четыре трехтонные вагонетки угля [21, с. 667j. Машины Мак-Кинли продолжительное время работали также на руднике Новый Ориент. Однако машины часто ломались, из-за чего многие из них были сданы в лом. На базе машин Мак-Кинли впоследствии было создано несколько типов более совершенных комбайнов («Мариэтта». «Майнер-500», «Гудмен-400», «Гудмен-500»).

На американских угольных шахтах для проведения штреков некоторое время применяли комбинированную машину О’Тула [6]. работавшую по принципу резания (царапания) забоя. Исполнительный орган машины представлял собой прочную стальную раму, шарнирно укрепленную на передней части четырехколесной платформы и несшую десять и более (в зависимости от желаемой ширины выработки) цепей с насаженными резцами. Во время работы цепи с резцами двигались вокруг рамы по направлению, параллельному оси проходимой выработки, царапая грудь забоя, а сама рама совершала качательные движения вверх и вниз, вследствие чего подрезанный уголь падал на почву выработки и винтовым поперечным транспортером сгребался к конвейеру машины, с которого попадал в стоящие позади машины вагонетки. На одной из американских угольных шахт машиной О’Тула проводили штрек по углю сечением 6,3 м2 со средней скоростью 11,5 м в 10-часовую смену, расходуя 164 кВт-ч и добывая около 80 т угля. Уголь получался мелкий.