CC BY
31
© И.М. Ялтансп, 2007
УДК 622.271:532 И.М. Ялтанец
КАДРЫ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
В сложившихся рыночных условиях в нашей стране, когда дальнейшее существование и развитие гидромеханизации зависит от научных и технических разработок, научнотехнических программ по созданию новой техники и технологии, к будущим инженерам-гидромеханизаторам повышаются требования - производству нужны инициативные, думающие, высококвалифицированные специалисты. Растущая потребность в независимом экономическом и промышленном росте нашей страны способствует значительному увеличению объемов различных видов гидромеханизированных работ, поэтому специалисты-гидромеханизаторы выпуска последующих лет должны быть готовы не только к обслуживанию, эксплуатации хозяйства предприятия, но и в большей степени - к созданию и использованию принципиально новых технологий добычи, переработки полезных ископаемых, строительству различных сооружений и охране окружающей среды.
Начало подготовки гидромеханизаторов в Московском горном институте совпало с завершением строительства канала Москва-Волга, где успешно был применен гидромеханизированный способ разработки грунта. Один из руководителей строительства канала профессор Николай Дмитриевич Холин был приглашен в МГИ, где в 1939 г. организовал ка-
федру «Г идромеханизация земляных и горных работ». В состав кафедры, кроме Н.Д. Холина, входили: проф. Н.В. Поляков, ассистент М.А. Акулов и аспирант Г.А. Нурок. Первый выпуск планировалось осуществить в 1942 г. Однако, в самом начале войны кафедра была расформирована в связи с эвакуацией института в г. Караганду.
В 1940 году в Московском горном институте профессором, доктором технических наук Евгением Фомичом Шешко была организована кафедра открытых горных работ. Это была первая кафедра такого профиля в Советском Союзе и в мировой практике. В период своего становления научная деятельность кафедры была связана, в основном, с проблемами совершенствования открытой добычи угля. В последующие годы на кафедре были развиты научные направления в области открытой разработки руд черных и цветных металлов, строительных горных пород, массовых земляных работ, гидромеханизации.
Первый выпуск 15 инженеров по специализации «Открытая разработка месторождений гидромеханизированным способом» (ОРГ) состоялся в 1951 году под руководством доцента кафедры Г.А.Нурока. Всего за 4 года с 1951 по 1954 выпуск специалистов-гидромеханизаторов составил 59 человек. С 1955 г. в МГИ выпуск ин-
женеров гидромеханизаторов осуществлялся в рамках одной специальности «Открытые горные работы» без подразделения по специализациям.
В 1969 г. вновь была создана специализация «Г идромеханизированные горные работы», которая существует по настоящее время под названием «Гидромеханизированные и подводные горные работы».
Руководство кафедрой после Е.Ф. Шешко в 1960 году принял профессор В. В. Ржевский, который впоследствии был избран действительным членом АН СССР.
Подготовка кадров на кафедре осуществляется по дневному (прием 80 человек в год) и заочному (прием 36 человек в год) видам обучения. Подготовка ведется по трем специализациям:
- разработка рудных и угольных месторождений;
- разработка месторождений строительных горных пород;
- гидромеханизированные и подводные горные работы.
Много внимания на кафедре «Технология, механизация и организация открытых горных работ» уделяется подготовке молодых специалистов -горных инженеров-гидромеханизато-ров. Для их подготовки созданы новые учебные курсы, написаны учебные пособия, практикумы и справочные материалы, в которых изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, опытноконструкторских разработок, аналитические методы решения технологических задач, новейшие достижения науки и практики в области гидромеханизации, а также сформулированы основные направления дальнейших отечественных исследований и разработок в области гидромеханизации [6].
На кафедре «Технология, механизация и организация открытых работ»
(ТО) уделяется формированию научных кадров для периферийных вузов, научно-исследовательских, проектных организаций и предприятий. Подготовка этих кадров осуществляется в стенах МГГУ через специализированный совет по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата технических наук.
К концу 90-х годов прошлого века подготовка инженерных кадров горных и строительных работ соответствовала требованиям производства России в 70-х, 80-х и в начале 90-х годов, когда выпуск инженерных кадров специализации «Гидромеханизированные и подводные горные работы» МГИ (ныне МГГУ) составлял 20 человек, а набор студентов по гидромеханизации для гидротехнического, транспортного и специального строительства вёлся в количестве 25-50 человек в Московском инженерностроительном институте, 50 человек в Новосибирском инженерно-строительном институте и 50 человек в Тверском политехническом институте.
Однако, в конце 90-х годов положение существенно изменилось в худшую сторону. Для горной отрасли подготовка инженеров-гидромехани-заторов осталась в МГГУ (20 чел.), для строительных отраслей подготовка гидромеханизаторов осталась только в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете в количестве одной группы (20 чел.) для огромного Восточного региона, а в Московском государственном строительном университете и Тверском государственном техническом университете подготовка гидромеханизато-ров-строителей прекратилась полностью, и Россия сейчас в связи с этим испытывает острый дефицит в инжене-рах-гидромеханизаторов для строительной отрасли [3].
Гидравлический способ разработки месторождений известен с древних времен. В России упоминания об этом способе разработки относятся к 1800 г., однако тогда он применялся в основном на золотоносных приисках при наличии естественного напора воды и естественных уклонов для самотечного (безнапорного) гидравлического транспорта. Наиболее бурное развитие гидромеханизации произошло в 30, 40 и 50-х годах. Несмотря на многообразие структур гидромеханизированных предприятий в народном хозяйстве бывшего Советского Союза определяющую роль в то время, в основном, играли гидромеханизированные организации трех министерств - это: Союзная контора «Монтажгидромеханизация», основанная в 1936 г. Минмонтажстроя; хозрасчетное Бюро «Гидромеханизация», основанное в 1938 г. Мин-трансстроя; трест «Энергогидромеханизация», основанный в 1946 г. Минэнерго, а также многие другие тресты и конторы, выполнявшие большие объемы различных горных и строительных работ.
В настоящее время подразделения Минмонтажстроя (~2003 г.) и Минэнерго (~2005 г.) стали самостоятельными организациями в форме ЗАО, ОАО, ООО, а подразделения Мин-трансстроя, в основном, объединены в Компанию, которая в настоящее время называется ООО Компания «Трансгидромеханизация».
Этими организациями и другими трестами и конторами в 1988 году в России гидромеханизированным способом было разработано около 1,0 млрд. м3 горной массы (гидротехнические сооружения, транспортное и мелиоративное строительство, намыв территорий под промышленное и гражданское строительство, вскрышные работы и т.д.).
В настоящее время гидромеханизированным способом разрабатываются вскрышные породы на угольных и рудных карьерах, на карьерах строительных горных пород; добываются строительные горные породы, золотоносные и алмазоносные пески; осуществляется сооружение котлованов, каналов и углубление рек; возводятся дамбы, строительные площадки и дорожные насыпи, обустраиваются нефтяные и газовые месторождения.
Г идромеханизация является одним из тех направлений в открытых горных работах и строительстве различных сооружений, которое обеспечивает минимальные трудовые и денежные затраты и значительное выполнение требований по охране окружающей природной среды. На территории России существует очень много видов работ, выполнение которых возможно только с использованием средств гидромеханизации. К этим работам относятся:
- разработка обводненных песчаных и песчано-гравийных месторо-
ждений;
- переработка песчано-гравийных смесей;
- дноуглубительные работы на реках и озёрах, в портах;
- очистка водоёмов и малых рек в черте города;
- разработка обводненных сапропелевых месторождений;
- намыв гидротехнических сооружений (плотин, дамб, перемычек и т.д.);
- намыв площадей, полотна автомобильных и железных дорог в труднодоступных (обводненных) местах для других видов оборудования (экскаваторно-автомобильных, экскаваторно-железнодорожных и экскаваторно-конвейерных комплексов);
- разработка и переработка россыпных песков;
- транспортирование отходов с обогатительных фабрик в хвостохра-нилища.
В настоящее время объем горных и строительных работ, в основном, выполняется с применением плавучих землесосных снарядов.
В СССР земснаряды получили развитие с 30-х гг. прошлого столетия.
Строительство осуществлялось в гигантских масштабах, и земснаряды были гигантскими. Они имели сотни и тысячи тонн собственного веса, на них устанавливались насосы производительностью от 4 до 10 тыс. м3 грунта за смену.
Во времена перестройки и почти до 1999 г. с исчезновением понятия «госзаказ» строительство земснарядов в массовом порядке прекратилось. Перестали поворачивать северные реки на юг, больших каналов тоже не строят, и вообще, гигантоманию в России пока сдали в архив. Но жизнь остановить невозможно, все вокруг меняется, развивается, и появилась потребность в так называемом малогабаритном земснаряде [5].
Малогабаритные земснаряды весом от 8 до 40 т имеют производительность от 5 до 150 м3/час грунта и являются мобильными, перевозимыми всеми видами транспорта. Появление малогабаритного земснаряда с модернизированным комплектующим оборудованием, особенно с новыми видами погружных насосов, можно сравнить, пожалуй, с появлением компьютеров, которые в свое время заменили механические счетные и пишущие машины. Малогабаритные земснаряды добывают в реках Сибири золото и алмазы; в прибрежной зоне Калининградской области - янтарь; в озерах ряда регионов - сапропель; в карьерах многих городов -
песок, щебень, гравий. Малогабаритные земснаряды очищают отстойники металлургических комбинатов, химии-ческих и сахарных заводов и любые другие отстойники, где в технологии циркулирует вода. Земснаряды малых и средних размеров очищают от наносов подводящие и отводящие каналы электростанций, поддерживают судовой ход на реках, очищают озера, реки и городские каналы, а также пруды. Трудно перечислить все области деятельности этого эффективного труженика под названием «малогабаритный земснаряд» [5].
Проектированием и изготовлением этих земснарядов занимаются, в основном, ППП «Спецгидротехника», ОАО «Коммерческий центр, транспорт и лес» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Промгидромеханизация» (г. Москва), Цимлянский завод компании «Т рансгидромеханизация», Миасский и Рыбинский заводы.
С целью увеличения глубины отработки обводненных песчаных и песчано-гравийных месторождений специалистами Московского государственного горного университета (МГГУ) и ООО «Гольфстрим» ведутся научные и лабораторные исследования влияния глубины погружения грунтовых насосов на земснарядах на консистенцию гидросмеси, расход электроэнергии и глубину отработки месторождения с последующим изготовлением земснарядов с погружным грунтовым насосом [4]. С использованием таких земснарядов глубина отработки месторождений достигает 30-35 м (рис. 1, 2).
Потребность в песке, гравии и щебне для строительных работ постепенно растет. Поэтому значительные площади сельскохозяйственных, лесных и других угодий уже отчуждены и отчуждаются под карьеры для добычи песчано-гравийных смесей (ПГС).
8 1 і ОП 1 1. ІЙ □ □0 0
:\г- — - 'І'лі • ; £ - •-’>•••гЛ :• / И ■ ’— — /п\ / «—]
Рис, 3. Схема отработки уступа плавучим земснарядом с погружным грунтовым насосом без разбивки его на ярусы: Ну - высота разрабатываемого уступа; Нн - высота надвойной части уступа (менее 4-12 м. в зависимости от типа земснаряда); Нп - высота подводной части уступа (до 30 м. в зависимости от типа земснаряда); 2п - глубина погружения грунтового насоса; 1 - рама земснаряда; 2 - всасывающий трубопровод земснаряда; 3 - погружной грунтовым насос; 4 - корпус земснаряда; 5 - надстройка; 6 - напорный трубопровод; 1 - звено плавучего пульпопровода; 8 - гидромонитор
Рис. 4. Схема отработки месторождения двумя уступами: Н„.1у. - высота надводной части левого уступа; Нп1.у.. - высота подводной части первого уступа; НУ1 - высота первого разрабатываемого уступа; НУ2 - высота второго разрабатываемого уступа; Нп.и.к. - мощность полезного ископаемого карьера; 2п - глубина погружения грунтового насоса; 1 - рама земснаряда; 2 - всасывающий трубопровод зеснаряда; 3 - погружной грунтовый насос; 4 - корпус земснаряда; 5 - надстройка; 6 - напорный трубопровод; 7 - звено плавучего пульпопровода; 35-45 - угол откоса нерабочего уступа; 55-65 - угол откоса рабочего уступа
Большая часть таких месторождений находится ниже уровня подземных вод и не может быть отработана экскаваторным способом. Отработка таких запасов обычно осуществляется землесосными снаряда-
ми, которые из-за ограниченной по техническим возможностям грунтовых насосов, глубина отработки не превышает 15-20 м.
Основываясь на многолетнем опыте создания новой техники для разра-
ботки глубокозалегающих месторождений твердых полезных ископаемых способом СГД (скважинная гидродобыча) для разработки обводненных месторождений сотрудниками НПЦ «Геотехнология» разработаны мощные гидроэлеваторы, позволяющие поднимать с больших глубин валунногалечный материал с размерами в поперечнике от 150 мм до 250 мм. К настоящему времени в НПЦ «Геотехнология» освоено производство гидродобычных установок (земснарядов) У ГБ, с производительностью по воде от 590 до 1250 м3/ч, глубиной разработки 10, 15, 22, 36 и до 50 м. Эти земснаряды при одинаковой производительности (150-200 м3/ч) по твердому с серийно-выпускаемыми земснарядами за счет замены грунтового насоса с массой 9-12 т на гидроэлеватор с водяным насосом массой 1-4 т стоят в 5-7 раз дешевле (6 млн. руб.), чем серийно выпускаемые земснаряды (31-40 млн. руб.) [2].
Наиболее оптимальным, на наш взгляд, решением вопроса увеличения глубины разработки, повышения концентрации гидросмеси и снижения энергоемкости процесса добычи несвязных полезных ископаемых может быть применение грунтовых пневматических камерных насосов (ПКН), обладающих целым рядом преимуществ по сравнению с грунтовыми погружными и низконапорными насосами. Насосы ПКН можно отнести к классу гидростатических и пневматических насосов одновременно, т.к. всасывание гидросмеси в погружные камеры насоса происходит за счет внешнего гидростатического давления воды, а подача гидросмеси на поверхность происходит за счет работы сжатого воздуха [1]. Разработка залежи (донных отложений, сапропеля) может производиться пневматическими камерными насосами
производительностью до 600 м3/ч с естественной влажностью (с плотностью уп = 1300-1900 кг/м3) и глубиной разработки до 200 м.
Рабочий цикл такого насоса может быть разделен на три фазы:
Первая фаза - наполнение камеры ПКН гидросмесью под действием внешнего гидростатического давления жидкостью на глубине.
Вторая фаза - опустошение камеры и перекачка с помощью сжатого воздуха подаваемого в верхнюю часть камеры.
Третья фаза - сброс сжатого воздуха из пустой камеры и подготовка к первой фазе [1].
Для обеспечения непрерывности процесса всасывания и подачи гидросмеси на поверхность, дистрибьютер воздуха работает поочередно с тремя цилиндрами, производя до 3-х циклов в каждую минуту. Стоимость насоса ПКН Итальянской фирмы РЫБиМА, включая распределитель воздуха, составляет от 60 000 до 600 000 ЕВРО в зависимости от производительности и вида распределителя.
ЗАО Научно-производственное предприятие «Композит» специализируется на исследованиях, разработке и производстве изделий из резинотехнических композиционных материалов, в составе которых используются закладные элементы из металлов, стеклопластиков, тканей и других материалов.
На сегодняшний день одними из основных видов продукции предприятия являются фланцевые трубопроводы диаметром от 102 до 920 мм, предназначеннные для гидротранспорта абразивных смесей. Трубопроводы, как один из видов основного оборудования гидромеханизации, изготавливаются для эксплуатации как на берегу, так и на дне водоема, а так же на плаву. Благодаря повышенной
стойкости к гидроабразивному износу трубопроводы применяют в технологических системах гидро- и пневмотранспорте горных предприятий. В среднем срок службы в 5-8 раз больше, чем стальных труб.
Трубопроводы из композиционных материалов допускают радиус изгиба при рабочем давлении до 15 диаметров.
Величина рабочего давления трубопроводов массового производства отвечает напору масленого оборудования гидромеханизации.
Отличительная особенность труб из композиционных материалов - наличие вварных фланцев, обеспечивающих прочность фланцевого соединения, равную прочности трубопровода. Такое фланцевое соединение гораздо технологичнее в эксплуатации, надежнее и прочнее традиционных патрубков с хомутами
Плавучесть, длинномерность и гибкость, отсутствие громоздких шаровых соединений и металлических понтонов, легкость монтажа и демонтажа позволяет использовать трубопроводы как в условиях стесненных русел рек, так и на больших акваториях, в том числе на волне.
Применение резинотканевых трубопроводов в составе плавбухты земснаряда позволяют снизить энергоемкость гидротранспорта (до 15%) и эксплуатационные расходы, а также значительно уменьшить вредные техногенные влияния на экологическую обстановку. Трубопроводы имеют температурный режим хранения и эксплуатации от -50 до +50 0С.
В 2003 году эластичный напорно-всасывающий трубопровод производства ЗАО НПО «Композит» награжден дипломом 1 степени конкурса «Сто лучших товаров России».
Область применения трубопроводов обширна- это горнодобывающая
и перерабатывающая промышленности, гидромеханизация в строительстве, в том числе в транспортном, гидротехническом, дноуглубление, мелиорация.
Освоен выпуск офланцованных трубопроводов длиной до 10 метров из композиционных материалов диаметром 920 мм. Трубопроводы, как показали испытания в производственных условиях, имеют высокую стойкость к гидроабразивному износу и необходимую изгибную способность, в том числе для эксплуатации на серийных металлических понтонах взамен громоздких шаровых соединений: соединительные отрезки диаметром 920 мм и длиной 2 метра также оснащены вварными фланцами требуемых размеров. Это позволяет легко и быстро производить монтаж, ремонт и демонтаж грунтопровода большого диаметра [7].
В настоящее время рядом ведущих вузов России горного и строительного профиля выполняются научные исследования чисто теоретического, опытно-конструкторского и технологического характера. Учеными и специалистами Российского государственного геологоразведочного университета ведутся обширные работы по многим важным направлениям и в частности:
- модернизация эжекторных малогабаритных земснарядов для подводной разработки эфельных отвалов;
- проблема снижения энергоёмкости процесса напорного гидротранспортирования и гидроподъема;
- разработка новых конструкций грунтозаборных устройств с эр-лифтным подъемом;
- перспектива развития скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых;
- модернизация серийно применяемых гидромониторов за счет
улучшения гидродинамических условий струеформирования, т.е. повышения качества гидромониторной струи.
Основными направлениями исследований ученых Московского государственного горного университета являются вопросы повышения эффективности выполнения основных производственных процессов гидромеханизации горных и строительных работ, а также оптимизации параметров грунтозаборных устройств плавучих землесосных снарядов.
Конкретными направлениями являются:
- особенности технологии разработки обводненных песчаных месторождений в условиях крайнего Севера;
- способы добычи и транспортирования донных отложений (илисто-глинистых, сапропелей);
- вопросы повышения качества добываемого песка средствами гидромеханизации;
- проблемы очистки водоемов и рек Москвы;
- вопросы отработки обводненных месторождений на полную глубину;
- технология гидромеханизированной доработки приконтурных запасов разрезов;
- оптимизация конструктивных параметров грунтозаборных устройств плавучих землесосных снарядов с целью доработки обводненных месторождений ила, песка и песчаногравийной смеси;
- оценка и контроль устойчивости дамб намывных гидротехнических сооружений.
Одним из значительных событий в жизни горной общественности, связанных с проблемами гидромеханизации, являются прошедшие съезды гидромеханизаторов России с при-
глашением специалистов ближнего и дальнего зарубежья. Всего было четыре съезда: в 1998, 2000, 2003 и 2006 годах. Съезды проходили в Москве в Московском государственном горном университете. Инициатором и организатором проведения этих съездов была кафедра «Технология, механизация и организация открытых горных работ» МГГУ. Возросшую масштабность и действенность съездов обеспечивал Оргкомитет, в который входили видные ученые и специалисты высших учебных заведений: Московский государственный горный университет, Российский государственный геологоразведочный университет, Санкт-Петербургский горный институт (Технический университет) и промышленные предприятия (Компания «Трансгидромеханизация научнопроизводственное объединение «Гольфстрим»). В работе съездов принимали участие от 140 до 150 представителей; это были руководители отраслевых предприятий, представители ведущих зарубежных фирм (Голландии, Швеции, США, Германии, Англии, Украины, Литвы), проектных организаций, заводов-изго-товителей российского оборудования, конструкторских бюро, юридических компаний, Госстроя России, надзорных организаций, представители деловых кругов, ученые, аспиранты и студенты.
Основной задачей съездов было объединение усилий ведущих специалистов, деловых кругов, инженеров, ученых и работников высшей школы, занятых развитием и применением методов, техники и технологии для решения важных задач горных и строительных работ. В докладах и обсуждениях участников съездов отчетливо выражена суть экономической стратегии гидромеханизации
горных и строительных работ в современных условиях, что является достойным вкладом в решении актуальных политических, социальных и экономических проблем России.
Из анализа состояния и стратегии создания новой техники и технологии в области гидромеханизации горных и строительных работ видно, что период после 2000 года характеризовался относительно благоприятным сочетанием различных факторов для повышения эффективности производства работ. Вместе с тем необходимо констатировать, что несмотря на наме-
1. Ялтанец И.М., Фалди Дж., Дементьев В.А., Леванов НИ. Повышение глубины разработки при добыче несвязных полезных ископаемых земснарядами с применением пневматических камерных насосов (ПКН) фирмы РЫБиМА. Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Из-во МГГУ, 2006, стр. 73-89.
2. Бабичев НИ., Дворовенко А.Е. Конструкция и опыт эксплуатации новых типов гидродобычных установок для разработки обводненных залежей песчаногравийных смесей. Горный информационноаналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Из-во МГГУ, 2006, стр. 135-142.
3. Огородников С.П. Состояние подготовки инженерных кадров для строительной гидромеханизации России. Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Из-во МГГУ, 2006, стр. 11-12.
тившиеся в последние годы определенные успехи в научных исследованиях в области гидрооборудования и технологии горных и строительных работ, направление гидромеханизации не полностью реализует свои потенциальные возможности. Этому ещё пока способствует разрозненность отдельных ОАО, ЗАО, НПО, ГУП и т.д., т.е. отсутствие комплексной стратегии освоения минеральных ресурсов и изготовления гидромеханизированного оборудования, отвечающего мировым стандартом качества и надежности.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Иванов С.А. К вопросу оценки глубины погружения насоса и глубины разработки земснарядами с погружными грунтовыми насосами. Горный информационноаналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Из-во МГГУ, 2006, стр. 253-256.
5. Мустафаев С.Ф. Производство малогабаритных земснарядов. Специализированный каталог «Техника для строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений». Из-во Макситех, 2006, стр. 46-47.
6. Ялтанец И. М. Подготовка специа-листов-гидромеханизаторов открытых горных работ в МГГУ. Гидромеханизация 2003. По материалам 3-го съезда гидромеханизаторов России. М., Изд-во МГГУ, 2004, стр. 15-17.
7. Полищук В.Г., Ермаков В.Н. Продукция НПП «Композит». Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Из-во МГГУ, 2006, с.264-266 с пункта 1. ШИН
— Коротко об авторах----------------------------------------------------
Ялтанец Иван Михайлович - профессор, доктор технических наук, действительный член Международной академии информатизации, Московский государственный горный университет.
ій
