Прогноз развития разрушения горных пород: основные проблемы и задачи

УДК 622.23

Прогноз развития разрушения горных пород: основные проблемы и задачи

С.А. Ермаков, Л.Н. Федоров

Показано, что развитие породоразрушающего инструмента (ПИ) и разрушения горных пород (РГП) от древнейших времен до наших дней происходит циклически на основе смены инструментальных материалов на материалы нового поколения и по закону S-образного развития технических систем и объектов. На основе этого сделан прогноз о зарождении нового твердотельно-полевого цикла развития ПИ и РГП и сформулированы его основные проблемы и задачи.

Ключевые слова: разрушение, порода, породоразрушающий инструмент, циклы, S-образное развитие, новое поколение, инструментальные материалы и нанотехнология.

It is shown that the development of a rock cutting tool (RCT) and destruction of rocks (DR) from ancient times to the present goes cyclically on the base of change of tool materials on the materials of a new generation and according to the law of S-shaped development of technical systems and objects. On this base a forecast of the birth of a new cycle of development of RCT and DR is done and its main problems are formulated.

Key words: destruction, rocks, rock cutting tool, cycles, S-shaped development, new generation, tool materials and nanotechnology.

Растущие потребности человечества в минерально-сырьевых ресурсах требуют существенного повышения темпов добычи полезных ископаемых.

Современная горная техника и технология, даже самая передовая зарубежная, - продукт отживающего пятого технологического уклада, в дальнейшем не смогут обеспечить требуемые объемы добычи при объективно ухудшающихся горно-геологических условиях и повышающихся экологических требованиях. Поэтому в России необходимо опережающими темпами переводить горное машиностроение на рельсы шестого технологического уклада, ориентированное на выпуск техники нового поколения [1]. Это значит, что добычные, проходческие и буровые машины должны, в первую очередь, реализовывать новые способы разрушения горных пород с повышенным КПД и высокой производительностью. В этой связи на настоящий момент времени становятся актуальными вопросы развития способов и средств разрушения горных пород.

Еще 30-40 лет назад многим казалось, что в РГП наступает технический прогресс на основе применения различных физических полей и лучей высоких энергий. Более того некоторые даже предрекали об исчерпании потенциальных возможностей механических способов разру-

ЕРМАКОВ Сергей Александрович - к.т.н., зав. лаб. ИГДС СО РАН, s.a.ermakov@igds.ysn.ru; ФЕДОРОВ Лазарь Николаевич - н.с. ИГДС СО РАН, lnfedorov@ mail.ru.

шения [1]. Прогноз о применении в будущем эрозионного, искрового и взрывного способов бурения, сделанный американскими учеными С.В. Маурером и Д.С. Роули в 70-х годах прошлого века, до сегодняшнего дня еще не претворился в практику бурения [2,3]. Эти примеры, в первую очередь, говорят о недостаточном развитии на то время научного прогнозирования. Только действительно выдающимся представителям науки и техники на основе анализа прошлого опыта и экстраполяции, но, в основном, благодаря их научной интуиции, удавалось успешно прогнозировать дальнейшее развитие отдельных направлений науки и техники [4].

В настоящее время прогнозы о развитии науки и техники можно делать на основе теории циклично-генетического анализа и прогноза [5]. Циклическое развитие, графически отображаемое в виде следующих друг за другом кривых, ценно тем, что обладает диагностическим и прогностическим свойством, поэтому установление факта циклического развития разрушения горных пород является необходимым условием для оценки современного состояния и прогноза его дальнейшего развития.

На рис. 1 отображены основные законы циклического развития технических систем и объектов [6]. В частности, на кривой 2.3 видно, что каждый цикл развития включает пять фаз: зарождение, освоение, распространение, расцвет и старение [7]. Траектория цикличного движения характеризуется последовательной сменой фаз; частично совмещаясь, смежные циклы формируют волнообразную динамику процессов.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 годы

Рис. 1. Смена направлений и поколений техники с фазами развития: I - зарождение; II - освоение; III - распространение; IV - расцвет и V - старение

Между последовательно сменяющими друг друга циклами нет перерыва. Каждый следующий цикл рождается в недрах предыдущего, и, постепенно набирая силу, вытесняет элементы старого цикла.

Исторические циклы развития породоразрушающего инструмента. В первобытные времена породоразрушающий инструмент был представлен каменными орудиями труда, изготовление которых проводилось ударом камня о камень. Таким простейшим способом получали чопперы, скребла, рубила и другие орудия труда. Описание путей развития каменных и бронзовых орудий труда и железных ПИ, данное археологами и историками техники [8-10], вполне укладывается в 8-образную кривую развития техники (рис. 1 и 2). Однако в бронзовом веке ПИ из бронзы развития не получили. Поэтому только в железном веке каменные ПИ были вытеснены железными. В наше время породу разрушают инструментами из твердого сплава и алмаза. Рассмотрим развитие твердосплавного и алмазного инструмента в горном деле.

Впервые литые сплавы карбида вольфрама и кобальта стали применяться в качестве инструментального материала в 1914 г. по предложению немецкого инженера Ломана (рис.2, кривая

I, участок 1 - фаза зарождения твердосплавного ПИ). Твердые и износостойкие, они больше подходили для станочного бурения, чем стальные буры. Существенным недостатком литых сплавов карбида вольфрама была их хрупкость. Этот недостаток был преодолен, когда в 1929 г. в СССР и чуть ранее в Швеции был получен вольфрамо-кобальтовый (ВК) твердый сплав методом порошковой металлургии (рис. 2, кривая I, участок 2 - фаза освоения). Последующие совершенствования сплава по составу и структуре обеспечили их массовое производство для разных пород и способов разрушения (рис.2, кривая I, участок 3 - фаза распространения). Однако в настоящее время, как показывает практика, дальнейшее совершенствование твердосплавного ПИ достигло своего предела (рис.2, кривая I, участок 4 - фаза расцвета).

Впервые алмазы стали применяться в ПИ с 1862 г., когда швейцарский часовщик Ж. Лешо при проходке тоннелей в крепких породах предложил на торце трубы механической чеканкой крепить зерна алмазов и бурить скважину такой трубой. В России алмазное бурение стало развиваться в конце XIX века (рис. 2, кривая I, участок 1 - фаза зарождения алмазного ПИ. Здесь и далее кривые циклов развития твердосплавного и алмазного ПИ целесообразно изобразить одной кривой не только по причине мелкого масштаба, но также из-за совпадения времени наступления фаз их развития).

Буровые коронки оснащались крупными алмазами, так как они закреплялись механическим способом, а это делало очень дорогим алмазный инструмент. В 30-х годах XX века начали выпускать алмазные коронки с применением методов порошковой металлургии, что позволило использовать мелкоалмазное сырье от 30 до 90 зерен/карат (рис. 2, кривая I, участок 2 - фаза освоения). При этом, чтобы как-то уменьшить проявление дефектов в виде микротрещин и хрупкость алмазов при бурении, их предварительно дробят, гранулируют, металлизируют, полируют и овализируют. С этого времени алмазное бурение стало шире применяться при проходке геологоразведочных скважин в крепких породах. Но наибольшему распространению алмазов в бурении способствовали промышленный выпуск синтетических алмазов (1954 г.) и изготовление из них импрегнированных алмазных инструментов (рис. 2, кривая I, участок 3 -фаза распространения). Однако в настоящее время алмазное бурение, как и твердосплавное, уже исчерпало потенциальные возможности дальнейшего повышения эффективности бурения (рис. 2, кривая I, участок 4 - фаза расцвета). По всей вероятности, с появлением новых инструментальных материалов спрос на твердосплавные и алмазные инструменты снизится, и их развитие вступит в фазу упадка. Краткий анализ динамики развития твердосплавного и алмазного бурения показывает, что твердосплавные и алмазные породоразрушающие инстру-

Рис. 2. Циклы развития ПИ и РГП от древнейших времен до наших дней. Фазы развития: 1 - рождение; 2 - освоение; 3 - распространение; 4 - расцвет; 5 - старение

менты прошли путь развития по 8-образной кривой, подобно каменным и железным ПИ.

Таким образом, можно сделать вывод, что развитие ПИ с древнейших времен до нашего времени происходит циклически на основе смены старого инструментального материала на материал нового поколения.

Циклическое развитие разрушения горных пород. Проводя огибающую кривых развития ПИ, получим кривую развития РГП как последовательную смену инструментальных материалов с древнейших времен до наших дней (рис. 2). При построении кривых циклического развития ПИ на одной оси был учтен переход на машинный метод разрушения горных пород, вызвавший повышение уровня функциональных возможностей твердосплавно-алмазного ПИ, поэтому огибающая, представляющая кривую развития РГП, принимает более высокий уровень, чем это было бы без механизации. Циклы развития ПИ и РГП носят названия инструментальных материалов.

Общим для всех циклов, т.е. ядром циклического развития РГП, является твердый инструментальный материал. Каждый инструментальный материал в определенном периоде развития человечества находит свое применение до полного исчерпания возможностей ПИ в разрушении горных пород, что приводит к полному застою в развитии РГП на этапе его наивысшего развития на основе этого материала. Однако застой заставляет искать и находить новый материал, превосходящий по своим функциональным возможностям старый. И с этого времени начинается новый цикл развития РГП, но уже на основе нового инструментального материала. Применение старого материала по мере распространения нового становится все реже и реже, а потом сходит на нет.

Таким образом, развитие разрушения горных пород с древнейших времен до наших дней происходит циклически на основе смены старого инструментального материала на материал нового поколения, а именно: камня - железом (сталью), железа - твердым сплавом и алмазом.

Гипотеза о зарождении нового цикла развития ПИ и РГП. Установление циклического развития ПИ и РГП дает нам возможность прогнозировать их дальнейшее развитие. Именно в циклических процессах предшествующая кривая развития служит моделью для последующего развития, и по аналогии с последовательной сменой инструментальных материалов в предшествующие эпохи мы можем предположить о наступлении нового цикла развития ПИ и РГП на основе применения инструментальных материалов нового поколения. И, действительно, в настоящее время в России и за рубежом интенсивно ведутся работы по разработке инструментальных наноматериалов нового поколения. Особенностью этих материалов является их высокая теплостойкость и твердость по сравнению с исходными материалами более крупной зернистости. Некоторые результаты этих работ приведены в таблице.

Современный уровень развития инструментальных материалов показывает, что с развитием наноматериаловедения могут появиться новые материалы, которые станут основой последующего цикла развития ПИ и РГП. Более того, такие материалы, как нанокомпозиты карбида вольфрама и кобальта или кубического нитрида бора (КНБ) [11], или известные инструментальные материалы с нанопокрытием следует рассматривать как прообразы инструментальных материалов нового поколения и начало зарождения нового цикла развития ПИ и РГП. При этом мы исходим из того, что человечество вступает в эру новой технико-технологической революции, связанной с развитием нанонауки и нанотехнологий [12]. И новый цикл развития ПИ и РГП будет поддерживаться именно этой технической революцией, подготовленной современной наукой.

Вместе с этим современная наука подготовила также полевую форму воздействия на горную породу как основу для зарождения нового цикла развития РГП. В конце 60-х и начале 80-х годов прошлого века у нас и за рубежом интенсивно велись исследования физических способов раз-

Наименование Разработчик Произво- дитель Твердость, Па Теплостойкость, °С

Твердый сплав ВК, легированный нанопорошком карбида тантала ОАО «ВНИИИнструмент», г. Москва - 14 800

Твердый сплав ВК из нанопорошка Институты химии твердого тела и механохимии, ядерной физики, теплофизики, гидродинамики СО РАН, г. Новосибирск - - -

Твердый сплав ВК Инст-т металлургии им. А. А. Байкова РАН, г. Москва - 27 -

Нанокомпозит КНБ ЗАО «Микробор Нанотех», г. Москва Завод в г. Владимире, 2012 г. 72 1500

Поликристаллический наноКНБ Институт Гейдельберга, Германия - 85 1300

рушения с применением разнообразных устройств, излучающих различные поля и лучи высоких энергий. Лабораторные и отдельные производственные испытания новых способов разрушения показывали хорошие результаты. Но мало что вышло из стен лабораторий и применяется сейчас в горном деле, хотя интенсивные исследования велись множеством научных, учебных и производственных учреждений и организаций. Причем такая ситуация наблюдается не только в России, но и в экономически развитых странах, где велись такие исследования.

С чем это связано и не говорит ли это о не-перспективности применения полевого воздействия на горные породы при их разрушении? Ответ на эти вопросы заключается в том, что техника того времени не могла осуществить на практике идею использования различных физических полей для разрушения горных пород, так как эти поля разупрочняли не только породу, но и породоразрушающий инструмент, снижали работоспособность забойной техники или со временем вообще выводили ее из строя. Попытки решить эту проблему привели к конструктивным, технологическим и эксплуатационным усложнениям ПИ, и потому работы по применению физических полей завершились безрезультатно [13].

Однако современное развитие материаловедения позволяет достаточно оптимистично оценить возможность применения тепловых полей и облучения горных пород другими полями. Уже в настоящее время резцы из нанокристал-лического КНБ в металлообработке обеспечивают резание жаропрочных сталей при температуре 800-900°С без охлаждения. Известны виб-ростойкие материалы, которые могут обеспечить применение вибрации в разрушении горных пород. Исходя из этого, можно достаточно уверенно прогнозировать применение различных физических полей в комбинированных способах разрушения, когда физические поля разу-прочняют или охрупчивают породу, а резец или долото отделяют эти разупрочненные слои породы. Таким образом, есть все основания высказать гипотезу о зарождении нового цикла разрушения горных пород на основе применения инструментальных материалов нового поколения и полевого воздействия на породу. Но это не значит, что не будут при новом цикле применяться струи воды и газа, химическое и биологическое воздействие на горную породу. Тем не менее, по преимущественному применению в ПИ материала в твердом агрегатном состоянии без или в комбинации с тепловым, вибрационным, электрическим, магнитным, электромагнитным и другими полями цикл логично

назвать твердотельно-полевым или нанотехнологическим (рис. 2). Таким образом, прогнозируется новый твердотельно-полевой цикл развития РГП на основе применения полевого воздействия и новых инструментальных наноматериалов, которые не теряют свои прочностные свойства при полевом воздействии, а горные породы при таком воздействии интенсивно ра-зупрочняются. Можно также говорить об ускоренном росте функциональных возможностей РГП, исходя из экспоненциального характера кривой, плавно соединяющей касательные к волнам циклов РГП (рис. 2, кривая II).

Современная научная проблема разрушения горных пород. Появление нового инструментального материала всегда вызывает всплеск научно-исследовательских и опытноконструкторских работ, направленных на изучение процессов взаимодействия ПИ из нового материала и горной породы в различных способах разрушения. Так было, когда появились твердые сплавы разных марок, когда открыли месторождения алмазов в Якутии, и позже, когда стали производить более дешевые синтетические алмазы. Для успешного применения этих материалов в различных процессах горного производства в СССР были созданы сначала лаборатории, а затем целые институты: ВНИИИнструмент, ВНИИТС, ВНИИАлмаз, ИСМ АН УССР, СКБ «Геотехника», ВНИИБТ, ИГД им. А.А. Скочинского и др. Кроме этих институтов, проблемой эффективного применения твердого сплава и алмаза в РГП и создания нового инструмента занимались во многих вузах горного направления. И все эти учреждения решали проблемы изучения физико-механических и технологических свойств твердых сплавов и алмазов, процессов их воздействия на горные породы и разработки на этой основе новых способов и средств разрушения.

Однако, несмотря на масштабность поставленных исследований, по объективным причинам мы отстали в решении этих проблем от передовых стран. Мы позже стали производить твердые сплавы, алмазы у нас появились тоже значительно позже, только в 60-х годах прошлого века, в то время как за рубежом доступ к африканским алмазам был уже в конце XIX века. И все это на фоне общего экономического отставания от передовых капиталистических стран. В результате наши ПИ уступают как по производительности, так и по стойкости зарубежным инструментам.

В настоящее время стартовая ситуация кардинально изменилась: у нас появились продукты малосерийного производства инструментальных материалов нового поколения, строятся

заводы по их промышленному производству. В этом плане мы не отстаем от передовых стран, а по некоторым позициям даже опережаем. Мы первыми в мире начали производить нанострук-турированный КНБ для металлообработки [11]. И это в то время, когда только зарождаются нанонаука и наноматериаловедение. Поэтому уместно предположить, что с их развитием могут появиться новые конструкционные и инструментальные материалы с уникальными свойствами, что ставит проблемы изучения изменения их свойств в процессах и самих процессов взаимодействия ПИ из нового материала и горной породы в различных способах разрушения. Рамки этих исследований многократно расширяются не только разнообразием вида и характера этих взаимодействий, но и многообразием типов горных пород и их генезиса.

От развития наноматериаловедения мы получим не только инструментальные материалы, но и конструкционные, которые будут совместимы с физическими полями, разупрочняющими горную породу. Вот тогда можно вернуться к исследованиям третьей четверти ХХ века, направленным на использование различных физических, химических и лучевых воздействий при разрушении горных пород, но уже на основе нанотехнологий. Поэтому, как сказано выше, в новом цикле развития РГП будут применяться механические способы разрушения горных пород и их комбинации с полевым воздействием.

Таким образом, с зарождением нового твердотельно-полевого цикла развития РГП появляются проблемы разработки новых способов и средств разрушения горных пород. Для разрешения этих проблем должны быть поставлены и решены следующие задачи:

- изучение физико-механических свойств новых инструментальных и конструкционных наноматериалов и изменения их свойств при полевом воздействии;

- исследование процессов взаимодействия инструментальных материалов нового поколения и горных пород в механических способах разрушения;

- изучение процессов взаимодействия инструментальных материалов нового поколения, физических полей и горных пород в комбинированных способах разрушения.

В заключение также заметим, что авторами статьи получены патенты РФ №№2416709, 2416710, 2376439, 2374418 на различные тер-

мофрикционные и терморезцовые породоразрушающие инструменты с применением в качестве вооружения инструментальных материалов нового поколения, что также говорит о правомерности выдвижения гипотезы о зарождении нового цикла развития ПИ и РГП.

Литература

1. Федоров, Л.Н. Развитие горного машиностроения в свете модернизации экономики страны [Текст] / М.Л. Брук, Л.Н. Федоров // Уголь. - 2010. - №11. -С. 51-53.

2. Maurer, W.C. No will drill now and in the Future [Текст] / W.C. Maurer // The Oil and Gas Journal. -1968. - March 18. - P. 85-86.

3. Rowleu, D.S. Rotaries to play big role in Future rock-drilling methods [Текст] / D.S. Rowleu //The Oil and Gas Journal. - 1970. - № 44. - P. 82-87.

4. Яковлев, В.Л. О роли научного прогноза технического прогресса и технологического развития в горной промышленности [Текст] /В.Л. Яковлев // Геотехнологические проблемы комплексного освоения недр: сб. науч. тр. ИГД УрО РАН. - Вып. 4 (94).

- Екатеринбург, 2008. - 302 с.

5. Яковец, Ю.В. Циклы. Кризисы. Прогнозы [Текст] / Ю.В. Яковец - М.: Наука, 1999. - 448 с.

6. Яковец, Ю.В. Закономерности научно-технического прогресса и их планомерное использование [Текст] / Ю.В. Яковец - М.: Экономика. 2003. - 240 с.

7. Селективное разрушение минералов [Текст] / Под ред. В.А. Ревнивцева. - М.: Наука, 1988. - 244 с.

8. Мартынов, А.И. Археология [Текст] /А.И. Мартынов. - М.: Высшая школа, 2005. - 447 с.

9. Мочанов, Ю.А. Древнейший палеолит Диринга и проблема внетропической прародины человечества [Текст] / Ю.А Мочанов. - Новосибирск: Наука, 1992.

- 254 с.

10. Копытов, А.И. История развития горного дела [Текст] /А.И. Копытов, Ю.А. Масаев, В.В. Першин. -Новосибирск: Наука, 2009. - 511 с.

11. http://www.microbor.com/index.php?option=com_ content&view=article&id=56&lang=ru.

12. Нанотехнологии: новый этап в развитии человечества / Под ред. В.Г. Тимирясова. - 2-е изд., доп. и перераб. - Казань: Познание, 2010. - 252 с.

13. Кутузов, Б.Н. Приоритетные направления технического переоснащения взрывных технологий открытой добычи угля, руд, строительных пород [Текст] / Б.Н. Кутузов // Сб. докл. III Межд. конф. по буровзрывным работам. 27-28 мая 1997 г. - М., 1997. -С. 18-28.

Поступила в редакцию 02.07.2012