— При электрогидравлическом дроблении порода разрушается ударной волной, порождаемой мощным электрическим разрядом в воде. Так, надеюсь, понятно?
— Более чем, — ответил кто-то из зала.
— Основными факторами, определяющими возникновение электрогидравлического эффекта, — продолжал профессор, — являются амплитуда, крутизна фронта, форма и длительность электрического импульса тока. Длительность импульса тока мала и мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч Киловатт. Крутизна фронта импульса тока определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков Киловольт, амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч Ампер. Процесс приводит к резкому, лавинообразному возрастанию давления в жидкости, формирующему гидроудар до сто сорока тысяч атмосфер.
Высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления приводят к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями. Возникают импульсные перемещения жидкости, совершающиеся со скоростями, достигающими сотен метров в секунду, кавитационные процессы, инфра и ультразвуковые излучения, и механические резонансные явления, которые не оставляют шансов полуразрушенному керну.
Производительность, как и в случае электроимпульсного разрушения, не зависит от прочности пород и пропорциональна энергии разряда, запасаемой в конденсаторе и частоте следования разрядов. Дробление породы имеет избирательный характер. Наиболее слабые породы разрушаются в первую очередь, а металлические включения остаются целыми, что благоприятно для отделения самородных металлов и кристаллических некоторых минералов. Энергозатраты зависят от степени дробления и составляют от двух до восьми кВт*часов на тонну породы. Оператор, через контроллер, задаёт размер фракции, от которых и зависит скорость разрушения, а значит проходки.
— Значит, буровые головки — это своеобразные мобильные дробилки? — спросил Дмитрий.
— Вы совершенно правы, молодой человек. Такая конструкция больше походит для быстрого разрушения пород и их гидротранспортировки.
— Есть какие-либо подводные камни?
— А где их нет? Что при электрогидравлическом дроблении, что при электроимпульсной дезинтеграции, рабочий конец электрода, как и разрушаемая порода, подвергается действию ударной волны. Скорость разрушения электродов два сантиметра в час. В первых моделях мне приходилось постоянно их извлекать и зачищать вручную, но теперь они самозатачивающиеся и рассчитаны на непрерывную работу. Особые валки подают с катушки в каналы кабель-электрод по мере расходования. Коронка изготовлена из вязкой стали MAGSTRONG А500 с высоким пределом текучести. Несмотря на то, что сталь не имеет прямого контакта с породой она интенсивно истирается вследствие воздействия ударов, давления и постоянного контакта с абразивными частицами. В зависимости от прочности породы её хватает на срок от трёх недель до двух месяцев. Рассчитываем в три раза увеличить износостойкость стали. По составленному нами техническому заданию сейчас в «НИИ стали и сплавов» разрабатывают сталь с пределом текучести до трёх тысяч МПа. Шаманят с пропорциями карбидов тантала и ниобия. Коронки будем не лить, а печатать индукционным 3D принтером, тем самым повысим износостойкость и уменьшим цену на порядок.
— Сколько же стоит одна головка, подсчитывали? — спросил Тимур.
— Сейчас, с учётом импортных комплектующих стоимость силовой электроники двенадцать тысяч долларов. При полном цикле производства цена снизится раз в десять. Извините, моё время вышло. Подведу итог: за час непрерывной работы головка разрушит три куба кварцитов или одиннадцать кубов гипсового камня. За сорок четыре месяца, соответственно — семьдесят тысяч кубаметров кварцитов или триста пятьдесят две тысячи гипса. Чтобы уложиться в обозначенный срок, потребуется произвести одиннадцать тысяч семьсот восемьдесят головок. Учитывая, что кольцевой забой разрушает не более пяти процентов от объёма породы, расход электроэнергии на разрушение кубометра кварца семнадцать КВт*часов, а гипса — четыре. При суммарной электрической мощности работающих головок в пятьсот пятьдесят МВт для разрушения пород и их транспортировки потребуется семнадцать млрд. КВт*часов.
— Энергия дело наживное! Если всё обстоит так, как вы рассказываете, — воодушевился Дмитрий, — я буду самым большим вашим сторонником. Подскажите, а буровой модуль долго менять?
— Износ коронок равномерный. Замена осуществляется одновременно, вручную, точно так как я вам демонстрировал. Одновременно производится замена катушек электродов и доливка жидкого азота в систему охлаждения. Время работ зависит от конструкции рамы и устройства проходческого щита, а это, извините, уже не моя стезя.
— Антон Игоревич, огромное спасибо за доклад. Профессор занимается проходческими головками, но кроме них нам нужна техника для крепления и отделки стенок тоннелей. По техническим заданиям ЦИК проектируются: роботизированная арка для точного позиционирования и свинчивания чугунных тюбингов в шахтах и горизонтальных тоннелях, самоходная механизированная опалубка для бетонирования стен тоннеля, секционный модуль плазменно-искрового спекания корундовой керамики, колёсные и гусеничные платформы с матрицами для крепления головок. В перспективе, для движения всех перечисленных модулей мы будем использовать геоход.
— О! Слышал-слышал. Проект «Элан», три секции с винтовыми лопастями, при повороте одной, две другие фиксируются распорными элементами и обеспечивают передачу крутящего момента. Что-то типа винта, вкручивающегося в гео-среду, — Дмитрий вставил слово.
— Не буду скрывать, ребята из Томского политехнического института участвуют в разработке нашего проекта, только у нас немного другая конструкция.
Дмитрий показал, что «застёгивает рот на замок», и примирительно поднял ладони. Я вывел в центр сцены 3D модель геохода, похожую на толстый винт, и продолжил:
— Существующая проходческая техника не задействует геосреду в процессе и работает на небольших углах наклона, вследствие чего не может перемещаться в любом направлении подземного пространства и самые небольшие отклонения от прямолинейного движения составляют проблему. Наш проходческий модуль получил название «Крот», да это геоход, как подсказал Дмитрий, принципиально новый вид проходческой техники.
Геоходы отличаются от проходческих щитов тем, что используют породу для создания напорного и тягового усилия за счёт того, что формируют дополнительные винтовые и продольные каналы в породе. «Крот», подобно шурупу, ввинчивается в грунт и не использует собственный вес для формирования напорного усилия. На стенки тоннеля оказывается на порядки меньшее давление, что не накладывает ограничений на величину и направление развиваемых тяговых и напорных усилий. Говоря простыми словами, «Крот» может работать непрерывно, а не периодически. Может независимо от крепи вести проходку при любых углах наклона, перемещаться в вперед-назад и даже вертикально вверх!
Поскольку буровым головкам профессора Константинова не требуется высокое упорное усилие движитель «Крота» представляет собой цилиндр, имеющий подвижные части в виде колец. Для работы в слабых и сыпучих грунтах служит многозаходная винтовая лопасть с суммарным охватом от ста восьмидесяти до трехсот шестидесяти градусов, а для крепких пород — винт пропеллерного типа. Видите, вот эти винтовые лопасти? — я выделил короткие «крылья», похожие на киль корабля. — Они позиционируют машину в подземном пространстве и равномерно распределяют тяговое усилие, что исключает её перекос и заклинивание в тоннеле. В качестве упоров используются жёстко фиксируемые штоки. В перспективе установим универсальный движитель с регулируемыми электроцилиндрами, которые в зависимости от типа грунтов будут формировать необходимый профиль «крыла».
