Хроники Угля

                (рисунок смотреть через меню:
                Открыть рисунок в новой вкладке)   
       В западной Европе закрыты  шахты Угля. Этот черный бриллиант, пролежавший в недрах миллионы, лет - чистый Углерод, накопивший солнечный свет прошедших эпох.  Но Уголь – Труженик и История его продолжится, не в дымных топках, но в превращениях в материалы,  необходимых земной Цивилизации, и только сегодня из него готовят не менее 24 продукта. И еще, закрытие шахт связанно, не только с «зеленной экономикой», но и с удорожанием добычи, умноженной на то, что на Западе труд горняка высокооплачиваемый. Европе гораздо выгоднее покупать Уголь, чем добывать самим. США же продолжают добычу и в отличии от Европы долгое время основной системой  у них была камерная выемка и именно для её оживления там, создали поворотный ленточный конвейер, хотя впервые, еще в 70 – е  он был создан в КПТИ (Алотин Л.М.) на кафедре Детали машин. А для совершенствования проходки выработок Илон Маск считает необходимым увеличить энерговооруженность проходческих комбайнов в 5 раз. Правда до него, еще в 90 – е годы, об этом говорил и Абылкас Сагинов (основатель КПТИ), тогда уже директор ИПКОН республики Казахстан, но у него расчет был скромнее – речь шла о 3-х кратном увеличении. И это относилось не только к проходке, но и камерной выемке, тематику которой проводила лаборатория Безлюдных способов выемки.


      Выемка Угля в Европе и у нас производится лавами. Например, сегодня в Китае лава оборудована секциями крепи высотой до 5 м, а вообще они создали и семи метровый гигант, рис. 1- справа.  В лаве эти секции  выстроены вдоль забоя во фронт длиной до 200 - 300м. При ширине секции 1, 5м их должно быть до 200 штук. Эти стальные монстры, весом по 20 тонн. Сегодня каждый из них по существу горный робот и имеет не менее чем 24 датчика, управляющих, как минимум, 10 - ю гидроцилиндрами – мышцами этих монстров. А представьте, как их проектируют? Если только давление на кромку пласта у которого расположены эти секции   равно пяти кратному весу столба пород   от верхушки робота до земной поверхности. А такой столб в среднем имеет высоту 500-700 м. И теперь увеличите его в 5 раз - т. е. 3 км пород давят на зону, где стоит лава. И это объясняется просто: консоль пород гигантским рычагом зависает за фронтом этих роботов,  длина которой увеличивается с каждым шагом движения лавы. Не о таком – ли рычаге просил Архимед, чтобы сдвинуть Землю?! Во истину секции крепи - Титаны удерживающие Земной шар!

Посмотрите рис.1 на людей под секциями, как они малы и казалось бы беззащитны. И вспомните, эти 200 монстров самодвижутся в недрах съедая 5 метровой пласт и обрушая над собой колоссальные толщи пород высотой до 700 м! И ведь это не вода, а порода с весом кубометра в 3 тонны! Такие машины работают в условиях, где давления на узлы ничем не меньше, чем на такие, как Подводные лодки, или Космические корабли. Да и методы их расчета мало чем уступают.
 
      Пик их развития был достигнут в Караганде в 70 – е годы. И в целом, это были лучшие времена для Горного дела в Казахстане. Так шахты Республики стали наиболее технически оснащенными в СССР. Большое внимание уделялось изучению смещению пород в зонах где добывался уголь. И за надежностью их прогноза стояла Безопасность работы тысяч горняков. Тогда и был применен новый метод определения перемещений горного массива  на основе радиоактивных изотопов Жамал Канлыбаевой. Мировое признание её исследований принес заслуженную славу Геомеханики Казахстана и Жамал не раз выступала на форумах известных горных школ во Франции и США. К сожалению жизнь её не была долгой, но о популярности её работы говорит и использование  этих способов для замера искривлений нефтедобывающих скважин. А в
прошлом году научная общественность СНГ отметила её 100 летний юбилей.
 
      Значительную часть запасов в карагандинском бассейне составляют мощные угольные пласты Верхняя Мариана (до 12м),  Д6 (до 6 м) и др. В результате проводимых исследований и накопленного опыта было решено создать  для их разработки новую технику   так, что бы вынимать их  сразу на полную высоту. Ранее же они разрабатывались  слоями, когда с отставанием на 50 – 30 м монтировалось три механизированных комплекса, разделявшие пласт на слои. Т. е., что бы вынуть мощный пласт следовало смонтировать  200*3 почти 600 многотонных конструкций. Что же, уголь был необходим, и тем более коксующийся, для набиравшей мощь Казахстанской Магнитки. Почин инновациям задал московский  Гипроуглемаш   где взялись разрабатывать специальную механизированную крепь М-120 и комбайн К-120 (гл. конструктор Иван Христофорович Гогия), рис. 1 слева.


Особенностью 50 тонного четырехшнекового комбайна была пара верхних шнеков, имеющих возможность наклоняться к забою, так что форма забоя после прохода комбайна вдоль лавы была снизу прямолинейной - вертикальной, а сверху наклоненной в глубину пласта под углом около 20 градусов. Считалось, что такая форма не позволит действию горного давления разрушить пласт и травмировать обслуживающий персонал.  Но такое решение приводило к удлинению  козырька в сторону забоя, что могло бы вызвать опрокидывание секции. Поэтому на козырек устанавливалась гидростойка, которая упиралась в наклонную часть забоя. Вес же секции достигал 12 – 14 тонн. Вот что примерно сообщается о ней в сети: «Созданный первый в мире комплекса КМ120 для выемки пластов мощностью до 5 м, разработан высококвалифицированным конструктором института «Гипроуглемаш» Иваном Христофоровичем Гогия.. Изготовленный на Малаховском экспериментальном заводе (МЭЗ), комплекс прошёл в Кузбассе промышленные испытания с положительными результатами.. Конструкция Гогия по комплексу для мощных пластов была встречена отрицательно большинством специалистов-угольщиков, но была поддержана главным инженером комбината «Кузбассуголь» В. Ф. Крыловым… Опытные образцы комплекса КМ120 изготовлялись и заводом «Каргормаш».

 
      В это же время в КПТИ разрабатывалась альтернативная технология. В Карагандинском бассейне не особенно полагались на гиганты, и на одной из международных конференций по разработке мощных угольных пластов, проходивших ежегодно в Караганде и Новосибирске один из докладчиков, сравнил их  с Динозаврами. Пройдет время и они вымрут, так, примерно, он утверждал. Идея  КПТИ, с ростом мощности пласта не приводила к такому росту высоты и веса секции, поэтому расходы метала уменьшались. Она базировалась на крепи среднего размера высотой до 3,5 м. Но в перекрытии, устраивалось углеспускное отверстие,  а пачка угля толщиной до 1, 5 м  обычно перемятая горным давлением обрушалась  и перепускалась через него на забойный конвейер. Что бы не допустить прорыв пород, а также улучшить разрушение угля (он часто распадался на крупные блоки) в перекрытие секции в задней его части устраивалось крышка - ограждение, которая в открытом состоянии перекрывала путь к углеспускному отверстию для обрушенной породы в завале, и поскольку в ней имелась гидравлически выдвижная часть, то можно было дополнительно поддерживать кровлю, на крышке также имелись направляющие,  для перемещения резцовой головки при скалывании пачки, если она не самообрушалась.


      В те времена технические вопросы решались не без поддержки Центра. Поэтому в Москве, где располагался МУП СССР наши сотрудники искали тех, кто встанет за Идею. И они нашлись среди разработчиков струговой выемки. Это был проф. Игнатьев Александр Дмитриевич.  Дело в том, что в крепи КАМ - 1с, его заинтересовала конструкция выдвижной резцовой головки – по существу струга. И она действительно  выглядела внушительно: водруженная на длинноходовый гидроцилиндр с усилием в 40 тонн, с поблёскивавшими твёрдой наплавкой 7 - ю крупными резцами, сцепленная с мощными направляющими.  И для расчета параметров резания можно было применить его методику. Но были  и те кто выступал против. Довод же противников этого предложения был в том, что наличие в одном забое 44 резцовых головок  усложнит комплекс и повысит его цену. 

Но дело в том, что эти же цилиндры применялись как гидростойки осуществляя дополнительную поддержку кровли на не малом удалении от торца пласта, что помогало её приподнять и уменьшить опасное разрушение - отжим забоя, (далее это было обоснованно и аналитическим расчетом). Сопротивление смещению пород  гидростойки струга достигало 100 тс, что для тех времен считалось не малым.  Но самый убедительный ответ был в том, что общее количество гидроцилиндров составило не больше чем на секции М-120. В итоге был разработан и испытан первый угледобычной казахстанский комплекс  КАМ – 1с. Нижняя часть забоя могла быть отработана обычным и даже облегченным стреловидным комбайном, поскольку длина лавы не превышала в первом эксперименте 10, а во втором 45 м. Заметим, что вес секции крепи КАМ - 1 с был в 1, 5 – 1, 7 раз меньше чем секции М-120.


      Чем же был вызван проект крепи КАМ? Дело в том, что слоевая система была внедрена в Караганде с активным участием вначале директора КНИУИ, а затем ректора   КПТИ и КарГТУ  академиком А.С. Сагиновым и естественно, что он и дальше развивал идею о совершенствовании отработки мощных пластов, а этого можно было добиться применением технологии их выемки сразу на полную мощность. Поэтому в Караганде   при разработке мощного пласта Верхняя Марианна вначале появилась технология Погашение с применением индивидуальной крепи. Забой разделялся на 2 части: нижнюю выбирал обычный комбайн, а верхнюю, подкрепленную металлическими верхняками и стойками трения, отпаливали буровзрывными работами (БВР). Для этого в средней части, крепление частично снималось, и уголь потолочины выпускался на  забойный конвейер. В задней же части обычно использовались деревянные стойки – лесины, которые после подвигания  оставались за лавой, и обрушались. Эти работы курировал А.А. Шортамбаев, также занимавшийся проектными изысканиями улучшения технологии. Разработку же первых 5 уже полностью механизированных  секций крепи КАМ, прошедших испытания на 22 шахте возглавил доцент Жетесов Сантай Сулейменович, только что вернувшийся из Днепропетровска, где он закончил аспирантуру и защитил кандидатскую диссертацию.

 Ему исполнилось лишь 30 с небольшим, а работа предстояла тяжелая: создать новый, невиданный до сих пор комплекс оборудования с механизированными самодвижущимися секциями крепи, комбайном и скребковым конвейером, причем каждая секция должна быть оборудована выдвижной многофункциональной струговой головкой, а учитывая, что придется разрабатывать комплекс на лаву в 45 метров, следовало создавать исследовательскую лабораторию с приборами и стендами,  коллективом научных сотрудников и аспирантов  к ней. Здесь, кроме опыта работы необходимо было быть и просто мужественным человеком. Конечно Сантай Сулейменович пользовался и поддержкой ПО Карагандауголь. Это и директор герой Соц. Труда Трухин Петр Михайлович, и его главный инженер Токмагамбетов Шугайбек Толеубекович. Причем уже в те годы Шугайбек Толеубекович настаивал, чтобы работа выдвижного струга должна быть автоматизирована. Он должен быть автодействуюшим, повторял он.
 
       Эксперимент КПТИ поддержал и МУП СССР, а тогда его возглавлял Б.Ф. Братченко  в свое время, работавший в Караганде главным инженером комбината «Карагандауголь». Там предложили использовать в качестве базовой крепи КТУ 2МКЭ, выпускавшуюся в Кузбассе и имевшей углеспускные отверстия для угля потолочины, которая также, как и в карагандинской системе Погашение отбивалась БВР. Затем это предложение вошло и в Техническое задание (ТЗ) на проектирование комплекса КАМ – 1с, которое в 1972 г. было утверждено МУП СССР.

       До этого, первые пять секций КАМ изготовлялись без основы на базовую крепь и представляли из себя полностью новую конструкцию.    Проект и чертежи секций, разрабатывались в группе Жетесова С.С. (Шманов М.Н., Кафидов В.М., а расчеты выполняли Мендикенов К.К., Тусупов А.Т. и др.) На территории Экспериментального завода была создана уникальная  исследовательская лаборатория, включавшая стенд с углецементным блоком, нагружавшим секцию крепи КАМ, при этом блок можно было разрушать встраиваемыми в секцию исполнительными органами: ударным, динамическим, вращательным за счет гидромотора, статическим и специальной установкой,  работающей на основе взрыва, выбрасывающей импульсную струю газов.


     Для усиления давления на секцию в верхней части блока были установлены гидростойки, имитировавшие горное давление, оснащенные индивидуальными стрелочными манометрами и насосами для создания давления на поршни, кроме того самостоятельно изготовлялись тензодатчики для контроля давления и записи его значений шлейфовым осциллографом Н–700. Системой записей прекрасно обходился Мендикенов К.К., закончивший Ленинградский университет. А в  карагандинском отделений  института ВНИМИ был выполнен в малом масштабе стенд лавы из эквивалентных материалов, повторяющих всю структуру пород на одном из участков, где предполагались испытания крепи КАМ - 1с. Он то и должен был  помочь изобретателям бороться с горным давлением.
   
      Принятие же в качестве базовой секции крепи КТУ 2МКЭ потребовало в корне изменить первый технический проект. Обстоятельства сложились так, что в новую конструкцию приходилось разрабатывать непосредственно Жетесову С.С. и автору этой публикации – его аспиранту, а Старая гвардия подключалась к разработке, в основном при обсуждении крупных вопросов. К.К. Мендикенов по прежнему готовил регистрирующую аппаратуру и к шахтным испытаниям, теперь уже  во взрывобезопасном исполнении. Проблем было не мало и многие из них связывались с неполной пригодностью КТУ 2МКЭ, как базовой крепи. Вскоре этот комплекс, включавший 45 секций, насосную станцию СНУ-4 и другое оборудование на грузовом товарняке прибыл из Кузбасса в Караганду, прямо на завод РГШО, (ныне КЛМЗ корпорации Казах Мыс). КТУ работал как жёсткая конструкция, выполняя функции ограждающего щита. Но нам удалось использовать все узлы комплекса, и Жетесов С.С. проявил большую конструкторскую изворотливость так, чтобы приспособить её  устройства к выполнению несколько других функций.  Но кроме недостатков такого сотрудничества, имелись и преимущества. Так в Кемерово и Прокопьевске нашлись известные горняки, которые поддерживали Идею.  Как уже указывалось, отношение ряда шахт Кузбасса к КМ – 120 – нашим конкурентам, было не лучшим. А мы, избрав их родную крепь в качестве базовой, могли надеется на благосклонность авторов и при подписании результатов испытаний. Ведь межведомственная комиссия собиралась из всего СССР, и обойти Кемерово никак бы не удалось.  Не знаю, что в самом деле по этому  поводу думали  наши покровители  - это всего лишь  лишь моя версия тех сложных времен. 


      К тому времени мнения о КМ- 120 складывались разные, но надо сказать, что Иван Христофорович, был отличным проектантом и в тех условиях попасть сразу в точку было весьма трудно, Гогия шел в авангаде, и как обычно, все шишки  сыпались на него. Время же на подготовку, изготовление и испытания новой техники  было совсем в обрез. Ни у нас, и ни у наших конкурентов спонсоров в виде крупного капитала не было, а нашим достоянием были люди, которые поддерживали Идею, но люди приходили и уходили, а трудности оставались, и поэтому надо было торопиться, и с проектированием, и испытаниями.


     Так или иначе, вскоре вместо КМ -120 пришли другие машины, их создатели отказались от наклонного забоя, что упростило конструкцию и крепи, и громадного комбайна, (см. рисунок крепи КНР). Они выполнены как обычные, резко увеличенные, с большим по площади противоотжимным шитом для поддержки высокого забоя. Но управлять такими секциями, ввиду их большой высоты и веса, оказалось сложно. В тоже время, конструктивная схема крепи КАМ 1 с имела вес в 1, 5 – 1, 7 раз меньший, а центр тяжести смещен вниз, при этом для разрушения угля использовался естественный фактор – горное давление, которое перемалывало пачку.
     Планирование горных работ в те времена  учитывало необходимость хозяйственного отношения к запасам и наряду с отработкой пластов залегающих в идеальных горногеологических условиях предусматривалась выемка сложных участков. Поэтому для испытаний КАМ 1с ПО Карагандауголь   был выбран целик пласта Д6, расположенный  в выработанном пространстве. Это означало, что мощные слои кровли наследовали трещины обрушения  от проходивших по соседству лав  и на целик давили блоки протяженностью от 50 до 25 м. Поэтому обнажающиеся за крепью слои кровли  уже имели впереди забоя трещины облома, и их консоли уже не были связаны с основной плитой, оказывая интенсивное давление на забой и крепь. Т.е.  давление пород нарастало гораздо быстрее чем в обычной лаве.

В результате, мы получили  те самые "боевые условия" которые должна была   пройти новая техника. И именно они были подтверждены инструментальными наблюдениями. В них, как нам стало ясно, исполнительный орган - струг должен был отвечать требованиям, которые  теперь можно было утверждать, как главные  для способа выемки пласта на полную мощность, когда он работает в условиях повышенного горного давления:
- конструкция крышки струга, должна быть такой, чтобы в любой момент её можно было убрать под крепь и в нужный момент вновь развернуть;
- базовая крепь со встроенным струговым органом, как секция для пластов средней толщины не должна потерять раздвижности, и её минимальная высота в опущенном состоянии не превышать 1, 5 м;    
- наличие расчетной методики для определения нагрузок в узлах крепи при любой возможной аварийной ситуации.    
       Именно такие проблемы и были далее  решены.
 

       Надо сказать, что имелся и третий конкурент. Идея выпуска подкровельной тощи на второй специально устанавливаемый конвейер в завальной части крепи была использована в ИГД им. А.А. Скочинского и затем воплощена на базе крепи КМ – 81В, а затем и КМ – 130В. Здесь также как идея КАМ – 1с использовалась крепь для пластов средней мощности, и изменялось только их заднее ограждение, под которым и устанавливался второй конвейер, а шибер ограждения мог приподниматься, образуя зазор между ним и почвой так, что бы, уголь сползавшей с перекрытия в завал у обрушенных пород попадал на задний конвейер. И как только вместе с углем начинала поступать порода, выпуск прекращался.  Эти работы возглавлял зав. Лабораторий мощных пластов ИГД Леонид Николаевич Гапанович, а непосредственную работу в Караганде проводил Павел Федорович Савченко.

Такая технология иногда применялась во Франции компанией «Шарбонаж ля Франс», но в Караганде она не прижилась и руководители Карагандауголь, а затем и Арселор Миттал не спешили дать ей зеленную дорогу. Мы же считали, что уголь пласта Д6  и особенно пласта Верхняя Мариана был достаточно прочным и при обрушении в завал образовывал крупные блоки, попытка же выпустить их на конвейер колебаниями ограждения могла приводить  их к разрушению, но также и к тому, что они вытеснялись дальше в завал.  При этом уголь смешивался с породой и  качество его снижалось.

     Заметим, что эту технологию нельзя было считать альтернативной КАМ, прежде всего по тому, что КАМ – 1с разрабатывалась как крепь с выемкой на полную мощность с ограниченной высотой пласта до  5, 5 м. И эту мощность она обеспечивала с гарантией, без сверх тяжелого комбайна, каковым отличался комплекс  КМ-120 Ивана Христофоровича Гогия, без дополнительного конвейера, как в М-130В, загромождавших огромными приводами сопряжение лавы и штрека, где и с одним конвейером негде было развернуться. При этом КАМ с коротким забоем могла быть легко автоматизирована.

      Здесь хочется вновь вернуться к камерной технологии, где ширина забоя не превышает 20 м и необходимо не более 4 - 10 секций, которые могут маневрировать,  и раз за разом  самоходом переходить на новые участки, без монтажных работ, как это делается для лав.   Технико-экономическое обоснование таких проектов,   показывает, что оно полностью оправданно.   
     Анализ также показывает, что среди управленцев РК, как в научной так и производственной сфере, есть люди поднимающие Казахстанское содержание новых машин, и это нужно не только для техники, но и для образования. Поэтому Горные роботы, управляемые нейросетями и созданные нами – вот, что нужно!
 
      Тем более, что благоприятные  условий  для угольных пластов в которых эффективно работали лавы в ближайшем будущем не останется, а запасы в  сложных огромны. А ведь еще предстоит отрабатывать наклонные и крутые пласты и здесь уже очевидно, что управлять в сложных условиях 4 – 10  роботами, на порядок проще и дешевле, чем в лавах сотнями монстров. 
      К сожалению не могу здесь широко представить эти технологии, учитывая склонности читателей Прозы. ру, но заинтересованных отсылаю уже на научную стезю [1 - 4].  Здесь же хочу напомнить, что ныне  наши ученные обучаются и защищают диссертации на доктора PhD, и тот кто  прошел этот путь, пусть сравнит  его  с тем, что было в прошлые времена: Сантаю Сулейменовичу Жетесову для этого понадобилось, создать свою школу, отраслевую лабораторию со своим научно-техническим оборудованием и измерительными приборами, которые изготовлялись и самими испытателями, разработать и испытать в лабораторных и шахтных условиях 5 секций принципиально новой крепи, и пять новых типов исполнительных органов для разрушения  и выпуска угля верхней угольной толщи, защитить Техническое Задание в МУП СССР и, изготовить и испытать  механизированный комплекс КАМ 1 с на лаву длиной 45 м, по-существу,  первый механизированный комплекс Казахстана, а это в сумме около 500 тс оборудования. Таковою была судьба и других Технарей, и в частности: Даниярова  А.Н., Алотина Л.М., Николаева Ю.А., воспитавших целую плеяду ученых в КарТУ имени Абылкаса Сагинова.


Литература
1.Буялич Г. Д., Жетесова  Г. С., Бейсембаев К. М., Абдугалиева Г.,  Решетникова О. С.  Модели малокомпонентной робототехники для камерной выемки Труды  университета №2 (95) • 2024 с.66-73
2. Т.Ю. Никонова, Г.С. Жетесова, К.М. Бейсембаев, Г.Б. Абдугалиева, О.М. Жаркевич; , А.А. Скаскевич.  Камерная выемка минералов в сложных горно-геологических условиях без выбросов углерода* Ноябрь, 2024
3. Бейсембаев К.М., Малыбаев Н.С., Тутанов С.К., Шманов М.Н. Разработка модели лавы  для системы управления механизированной крепью с обратной связью. Горный журнал, № 8, 2019, с.38-42
4. Бейсембаев К.М . Испытание недрами, возрождение колеса. Проза. Ру