Уже год в китайской провинции Ляонин трудится первый в мире тоннелепроходческий комплекс для прокладки вертикальных шахт глубже 1000 м. Высокотехнологичную машину весом почти 500 тонн с диаметром выработки 8,1 метра разработчики поэтично назвали «Стальной хребет».
Земные недра скрывают огромное количество полезных ископаемых на большой глубине. Например, по оценке Геологической службы Китая за 2018 год, залежи важной для производства аккумуляторов и полупроводников сурьмы на глубине до 2000 метров превышают разведанные запасы в 5,3 раза.
Подробности о машине раскрывает Science and Technology Daily. Разработала ее Китайская железнодорожная строительная корпорация. Задача поначалу казалась несложной — взять проходческий щит и направить его вертикально вниз.
Однако первые же испытания на вентиляционном стволе автомагистрали вдоль реки Янцзы показали, что такой подход не годится. На глубине около 160 метров начался аномальный износ зубов ротора. «Внезапно твердость породы подскочила до 140 МПа, скорость проходки упала с 10 мм в минуту до 5 мм, одна сторона изначально симметричного ротора сильно износилась, и оператор явно чувствовал, что машину "не протолкнуть"», — вспоминает Кэ Вэй, конструктор системы проходки «Стального хребта».
Карандаш в точилке
Конструкцию ротора решили сделать такой, чтобы он входил в породу, как карандаш в точилку.
«Раньше мы были в плену инерции: думали, что при вертикальной проходке максимальная разрушающая сила возникает, когда оборудование работает в горизонтальной плоскости, поэтому стандартно располагали резцы перпендикулярно забою. Но опыт заточки карандаша подсказал: если лезвие идет под меньшим углом к карандашу, точить легче — значит, наклонное воздействие может быть эффективнее», — объясняет инженер.
После серии расчетов и моделирования оптимальным оказался угол наклона резцов 15° (при условии безопасного износа резца в 40 мм). Это значительно уменьшило неравномерный износ, а общее распределение нагрузок стало наилучшим. Вызов, брошенный глубокой твердой породой, был принят. От воздействия обломков центральную зону ротора защитили, изменив его форму профиля с V-образной на W-образную.
Драконья кость
Следующим вызовом стало удаление раздробленной породы. «Поднять породу с километровой глубины — как вывезти мусор с 300-го этажа без лифта, — сравнивает главный конструктор "Стального хребта" Дин Чжанфэй. — Остановка на очистку — это потеря времени и сил. Нужна была эффективная схема».
Принцип уборки отходов проектировщики подсмотрели, гуляя в парке у озера Дацзэ. Идею подсказал древний водоподъемник в виде «драконьей кости» — цепи с досками. «Стальной хребет» оснастили 25-метровым вертикальным транспортером, который извлекает на поверхность до 120 кубометров породы в час. Технология защищена двумя десятками патентов.
Парящая опалубка
Последним препятствием оставалось крепление: давление на таких глубинах высокая, подземные воды непредсказуемы, и какой смысл копать шахту, если она в любой момент готова обвалиться?
Обычно стенки бетонируют, установив опалубку прямо на дне ствола. «Но наша проходческая машина постоянно работает в забое, поэтому опалубку можно разместить только над опорной конструкцией щита и при этом она не должна касаться самой машины», — говорит Дин.
Чтобы опалубка «парила в воздухе», полностью перепроектировали и значительно усовершенствовали ротор. «Под опалубкой добавили несущую конструкцию, которая вытягивает в стороны "руки", чтобы поддерживать свежеуложенный бетон. Параллельно установили отдельную подвесную систему для самой опалубки, независимую от ротора и других узлов машины», — уточняет Дин.
Результатом стала неподвижная, независимая от ротора опалубка, которая устанавливается первой в мире автоматической гидравлической системой бетонирования, размещенной за щитом «Стального хребта». Управляемый дистанционно с поверхности, весь цикл — установка, опускание, распалубка — происходит полностью автоматически.
«Испытания подтвердили, что прочность крепи соответствует требованиям для километровых вертикальных стволов», — подчеркивает Дин Чжанфэй.
Наверное, не будет большим преувеличением назвать «Стальной хребет» революцией в горнодобывающей отрасли, потому что высокорисковые работы с твердой породой и подземными водами на километровой глубине он превратил в точный, безопасный и эффективный стандартизированный процесс.
В Китае построен первый в мире тоннелепроходческий щит переменного диаметра
Китай готовится пробурить земную кору и достичь мантии
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX