Гидравлический горный перфоратор специального назначения для тоннелей: низкий уровень шума, высокая устойчивость, эффективная работа в стеснённых условиях

Дорожный тоннель Каминико в префектуре Хиросима проходился сквозь гранит с прочностью на сжатие свыше 200 МПа, при этом жилые здания располагались всего в 70 метрах над сводом тоннеля. На протяжённых участках применение взрывных работ было исключено. Строительной бригаде требовался гидравлический горный перфоратор, способный обеспечивать скорость проходки свободной забойной поверхности 3,5 м² в час в твёрдых породах при условиях, когда в забое не было места для манёвра крупногабаритного оборудования и недопустимо было любое повреждение грунта над тоннелем, вызванное вибрацией.

Именно такой набор ограничений определяет специфику буровых работ в тоннелях — речь идёт не просто о более тесных пространствах, а об абсолютно ином инженерном задании. Здесь критичны уровень шума, устойчивость конструкции при вибрации в ограниченном объёме, эффективность промывки при ограниченном воздушном потоке, а также геометрия стрелы, обеспечивающая полное покрытие забоя без использования машины, которая физически не может пройти через поперечное сечение тоннеля, в котором должна вестись бурение. Каждое из этих требований противоречит другим, и перфоратор, предназначенный для уступных работ в карьерах, не удовлетворит сразу несколько из них.

Ограничение по геометрии: почему компактность не означает недостаточную мощность

Туннельные буровые установки-джамбо классифицируются по площади поперечного сечения, которую они способны обработать, а не по габаритным размерам базового шасси. Установка, рассчитанная на поперечные сечения от 7 до 35 м², требует такой геометрии стрелы, которая обеспечивает охват всего контура забоя — свода, пола и боковых стен — без необходимости повторного позиционирования базового шасси. Для этого необходима шарнирно-сочленённая конструкция стрелы с возможностью параллельного удержания, обеспечивающая перпендикулярность направляющей балки к схеме бурения независимо от положения стрелы.

Что это означает для самого горного перфоратора: он должен обеспечивать мощность удара в диапазоне 12–20 кВт при компактных габаритах дрифтера. Ступенчатая конструкция поршня, применяемая в некоторых дрифтерах, ориентированных на туннельные работы, повышает эффективность передачи ударной энергии именно за счёт оптимизации плотности мощности, а не пиковой энергии. Дрифтер со ступенчатым поршнем мощностью 15 кВт в забое размером 3,5 м × 1,8 м обеспечивает скорость проходки 2 м/мин в скальных породах прочностью 80–120 МПа и при этом размещается на шасси, способном проходить через подъездной туннель сечением 2,5 м × 1,5 м.

Конфигурации низкопрофильного исполнения — например, класс KJ212, предназначенный для проходки выработок высотой всего 3,5 м × 1,8 м — оснащены складным стреловым устройством специально для того, чтобы машина могла проехать через проём размером 2,5 м × 1,5 м, а затем развернуться до полной рабочей высоты непосредственно у забоя. Это не побочный эффект проектирования; это базовое требование к конструкции машин для проходки выработок в шахтах с узкими жилами.

Шум в тоннеле: когда стандартная спецификация превращается в вопрос соответствия нормативным требованиям

Открытая бурка горных пород создаёт уровень шума 95–115 дБ в зоне нахождения оператора на открытой площадке. В тоннельной выработке размером 5 м × 5 м та же ударная энергия не имеет возможности рассеяться — отражённый звук от бетонных или набрызг-бетонных стен добавляет 10–15 дБ реверберации. Постоянное воздействие уровня шума выше 85 дБ активирует требование использования средств защиты слуха согласно большинству горнорудных нормативных актов; при уровне шума выше 100 дБ в замкнутом пространстве вступают в силу ограничения продолжительности смены.

Конструкция малошумного отбойного молотка работает на двух уровнях: изоляция вибрации между ударным модулем и несущей конструкцией (снижение передачи структурного шума в стрелу и раму) и глушение выхлопа при продувке, где в качестве среды продувки используется воздух. Продувка водой по своей природе подавляет часть ударного шума и одновременно контролирует пылеобразование — оба фактора особенно важны при работе внутри забоя, где пыль накапливается быстрее, чем её можно удалить вентиляцией.

В городских тоннельных проектах — дорожных и железнодорожных проектах, прокладываемых под застроенной территорией — нормативные требования зачастую устанавливают максимальную скорость вибрации на поверхности, а не только уровень шума у забоя. Свободно-лицевые методы бурения с использованием гидравлического удара вместо взрывов позволяют достичь производительности формирования забоя 3,5 м²/ч в граните с прочностью выше 200 МПа, при этом сохраняя вибрацию на поверхности в пределах допустимых значений, чего невозможно добиться при взрывном способе.

Технические характеристики тоннельных буровых установок: поперечное сечение, стрела и класс отбойного молотка

Двухстреловой джамбо, пробуривающий забойную площадку с 50 отверстиями при продвижении на 3,5 м за цикл, обычно завершает цикл бурения за 2,5–3 часа в устойчивой породе. Время цикла значительно увеличивается в трещиноватых или глинистых породах, где функции защиты от заклинивания активируются часто — именно здесь автоматическое управление параметрами снижает задержку реакции оператора, которая в противном случае приводит к заклиниванию бурового става.

Устойчивость при высокочастотных нагрузках в ограниченном пространстве

Буровой станок, установленный на телескопической стреле (джамбо), передает вибрацию на несущее шасси через подающую балку, кронштейны для крепления буровой головки и гидравлические шланги. В туннеле под шасси отсутствует мягкий грунт, способный поглотить эту вибрацию: оно опирается на бетонное основание или уплотнённую скальную засыпку, которые передают всю вибрацию без ослабления. Во всех современных туннельных джамбо в качестве стандартного оборудования применяются мокрые многодисковые рабочие тормоза и стояночные тормоза с пружинным приводом и гидравлическим растормаживанием — специально для предотвращения смещения несущего шасси во время ударного бурения, которое может сместить скважину относительно её запланированного положения.

Точность позиционирования стрелы в пределах ±2 см достижима при использовании автоматических систем параллельного удержания и лазерной наводки, но только при условии полной стабильности несущего шасси в момент начала бурения («collar»). Если шасси сместится на 5 мм в течение первого метра бурения, то отклонение скважины будет накапливаться и составит 50–80 мм на глубине 4 метра — этого достаточно, чтобы нарушить расчётную схему взрывания и вызвать чрезмерное разрушение породы (overbreak), что увеличит расходы на нанесение набрызг-бетона при каждом цикле проходки.

Техническое обслуживание уплотнений и промывочной системы в туннельных условиях

Туннельные перфораторы накапливают ресурс ударного механизма быстрее, чем наземное оборудование, поскольку машина зачастую не может перемещаться между скважинами так же свободно, как наземная установка. Сокращение времени на передвижение означает увеличение времени бурения в течение одной смены. В частности, повышенные нагрузки испытывает промывочная система: промывка водой в ограниченном забое приводит к тому, что обратный поток несёт мелкие шламовые частицы через зону контакта уплотнения промывочного ящика непрерывно, а не освобождается от них, как это происходит при бурении открытой скважины на поверхности.

HOVOO поставляет комплекты уплотнений для продольно-шаровых бурильных машин, используемых на основных джамбо-платформах, включая модели, соответствующие техническим характеристикам бурильных машин Epiroc, Sandvik и Montabert. Учитывая более высокий износ коробки промывки в подземных условиях, наличие комплекта промывки и комплекта ударного механизма в виде отдельных заменяемых компонентов — а не единого комбинированного комплекта — позволяет осуществлять целевую замену только тех компонентов, которые действительно изношены, а не заменять оба компонента одновременно по установленному графику. Модельные комплекты перечислены на сайте hovooseal.com.