Совершенствование гидроструйных технологий в горном производстве

УДК 622.232.5 
ББК  33.24 
         Б87 
 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным санитарным 
врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое 
заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей 
и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.012634.11.08 

 
 

 
Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Поляков Ал.В., 
Поляков Ан.В. 

Б87 
Совершенствование гидроструйных технологий в горном про
изводстве. — М.: Издательство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2010. — 337 с.: ил. 
(ГИДРОСТРУЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ) 
ISВN 978-5-98672-187-3 (в пер.) 
ISВN 978-5-7418-0628-9   

 
Освещен отечественный и зарубежный опыт создания высокона
порного оборудования. Описаны особенности конструкции, устройство
и работа уплотнений для преобразователей сверхвысокого давления. На
основании теоретических и экспериментальных исследований показаны
закономерности функционирования, даны научные и практические рекомендации по расчету и обоснованному выбору геометрических параметров гидромультипликатора сверхвысокого давления. Содержатся
сведения о структуре импульсной струи высокого давления, способах
получения и средствах ее формирования. Приведены результаты экспериментальных исследований процесса резания горных пород гидроимпульсными струями, а также инженерная методика расчета и проектирования гидроимпульсных инструментов. Изложен метод расчета основных параметров и показателей процесса фрезерования горных пород
гидроабразивным инструментом. 
Для работников научно-исследовательских и проектно-конструк
торских организаций горной промышленности. Может быть использована 
преподавателями, аспирантами и магистрами горных вузов и факультетов.

УДК 622.232.5 
ББК 33.24 

 
ISВN 978-5-98672-187-3 
ISВN 978-5-7418-0628-9   

 

© В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, М.М. Щеголевский, Ал.В. Поляков, Ан.В. Поляков, 2010

© Издательство «Горная книга», 2010 

© Издательство МГГУ, 2010 

© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2010 

 
Brenner V.A., Zhabin А.B., Shchegolevsky M.М., Polyakov Al.V., 
Polyakov Аn.V. 
 
B87
Improvement of hydro-jet technologies in mining. — М.: Publishing

house «Mining book», Publishing house of the Moscow state mining
university, 2010 — 337 p.: il. (HYDRO-JET TECHNOLOGIES IN INDUSTRY) 

 
Domestic and foreign experience in creating high-pressure equipment is pre
sented. Special design features as well as the construction and function of seals for 
ultrahigh-pressure intensifiers are described. On the basis of theoretical and experimental research the laws of functioning are shown, scientific and practical 
recommendations are given on the calculation and choice of parameters of a highpressure hydraulic intensifier. The structure of the pulse high-pressure jet has been 
described, the ways of its production. The results of experimental research of cutting rock with hydraulic jets are presented, as well as the engineering methods of 
calculating and designing of hydraulic tools. The calculation procedure for basic 
parameters and indices of the rock cutting process with a hydro-abrasive tool are 
considered.   
This work can be used by workers on scientific-research and development 

institutions in the mining industry as well as by teachers, post-graduates and masters of mining colleges and departments. 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Гидроструйные технологии, основанные на использовании 
энергии высокоскоростных струй воды для разрушения углей, 
горных пород и различных твердых материалов, нашли применение во всем мире как одно из перспективных направлений 
развития техники и технологии. Эти технологии позволяют решать задачи повышения производительности горных машин и 
оборудования, а также безопасности ведения очистных, подготовительных и вспомогательных работ на угольных шахтах, 
разрезах и карьерах по добыче природного камня. 
В частности, повышение производительности проходческих 
комбайнов без увеличения их габаритов и массы и расширение 
области их применения на породы повышенной прочности могут быть достигнуты на основе гидромеханического способа 
разрушения, заключающегося в комбинированном воздействии 
на породный массив высокоскоростных струй воды и механического инструмента. Известно, что гидромеханические исполнительные органы проходческих комбайнов реализуют как бесщелевую, так и щелевую схемы разрушения [22, 63, 70, 90]. Бесщелевая схема гидромеханического разрушения горных пород к 
настоящему времени достаточно хорошо изучена. Что же касается щелевого разрушения, при котором производится нарезание опережающих щелей высокоскоростной струей воды с последующим скалыванием межщелевых целиков механическим 
инструментом, то здесь существуют резервы повышения его 
эффективности. Эффективность же щелевого разрушения в значительной степени определяется глубиной нарезаемой щели. 
Результаты расчетов показывают, что глубина щели, нарезаемая 
в крепких горных породах струями воды давлением до 200 МПа, 
оказывается недостаточной (не более 3 мм) для эффективного 
ослабления массива и, как следствие, снижения нагруженности 
механического инструмента [90]. 

Результаты проводимых в последнее время в России и за 
рубежом научных исследований, направленных на изыскание 
способов и средств повышения режущей способности высокоскоростных струй воды, свидетельствуют о следующем. Повышение эффективности щелевого разрушения (увеличение производительности резания или расширение области применения на 
более крепкие породы) может быть достигнуто на основе создания и применения как непрерывных струй воды сверхвысокого 
давления (более 200 МПа), так и импульсных струй воды высокого давления [10, 39]. Кроме того, использование импульсных 
струй воды высокого давления наряду с повышением производительности процесса щелеобразования обеспечивает и снижение энергозатрат без увеличения гидравлической мощности 
оборудования. 
Необходимо отметить, что изучение процесса нарезания 
щелей в породном массиве высокоскоростной струей воды носит самостоятельный характер. Однако если вопрос о закономерностях разрушения пород струями воды давлением до 200 МПа 
достаточно хорошо изучен [97], то процесс нарезания щелей 
струями сверхвысокого давления еще недостаточно исследован. 
Известные зависимости по определению глубины щели, прорезаемой струей воды сверхвысокого давления, носят во многих 
случаях фрагментарный характер, поскольку не учитывают 
влияние на процесс щелеобразования ряда основных факторов. 
В связи с этим отсутствует метод расчета эффективности резания горных пород струями воды сверхвысокого давления, который позволил бы установить взаимосвязь основных показателей 
и параметров процесса щелеобразования. 
Кроме того, для создания сверхвысокого давления требуются преобразователи (повысители) давления мультипликаторного 
типа, как наиболее приемлемые с точки зрения агрегатирования 
их с исполнительными органами проходческих комбайнов. Одним из элементов преобразователя давления, во многом определяющих его КПД, является уплотнение. При этом в преобразователях сверхвысокого давления наиболее широкое распространение нашли бесконтактные уплотнения, повышение эффективности работы которых (снижение утечек жидкости через зазор 

уплотнения) достигается введением в них вязкой запирающей 
жидкости. 
Вместе с тем отсутствие практических рекомендаций по 
конструктивному исполнению и параметрам бесконтактного уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью 
сдерживает широкое практическое использование преобразователей давления. Требуется, наряду с разработкой метода расчета 
эффективности процесса щелеобразования, проведение исследований и в этом направлении с целью разработки методик расчета уплотнения и преобразователя сверхвысокого давления в 
целом. Результаты таких исследований нашли свое отражение в 
первом разделе настоящего издания. 
Основные результаты исследований с использованием импульсных струй воды сводятся к изучению различных способов 
их получения, средств формирования струи и влиянию отдельных факторов на показатели процесса разрушения, главным образом, различных материалов и только в отдельных случаях — 
горных пород. 
Однако этого недостаточно для успешного использования 
импульсных струй воды высокого давления в конструкциях гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, так как не изучена перспектива применения таких струй 
для нарезания щелей в горных породах. Не обоснованы и не выбраны эффективные способы и средства получения и формирования гидроимпульсной струи при разрушении горных пород. 
Отсутствуют практические рекомендации по выбору и обоснованию рациональных параметров и режимов работы гидроимпульсного инструмента. Не установлена взаимосвязь показателей процесса щелеобразования с параметрами импульсной струи 
воды и прочностными характеристиками горных пород, а следовательно, отсутствует метод расчета эффективности процесса 
разрушения породного массива импульсными струями воды высокого давления. Наличие таких результатов позволило бы разработать методики расчета основных параметров и показателей 
процесса гидроимпульсного резания горных пород для гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов. 
Решению этих задач и посвящен второй раздел книги. 

Ежегодно в России из недр извлекается более 650 тыс. тонн 
природного камня, высокие прочностные свойства и декоративные качества которого обеспечили его широкое применение во 
многих областях народного хозяйства [74]. Для этого существуют как буровзрывные, так и безвзрывные технологии разработки и комплексной механизации выемки естественных блоков 
природного камня. Применение последних позволяет организовать в условиях карьера не только производство, например, 
щебня, но и товарных блоков облицовочного камня, включающее наряду с распиловкой еще и обработку их поверхности [93]. 
К безвзрывным технологиям относится, например, технология 
комплексной механизации селективной разработки карбонатных 
месторождений с применением комбайнов со стреловидным рабочим органом. Но особенно перспективной является технология отрыва от массива крупных блоков при их оконтуривании и 
обработке высокочастотным магнитным полем с использованием электрофизического контактного инструмента, размещенного 
в щелях, которые нарезаются, например, гидроабразивным инструментом, реализующим энергию высокоскоростной струи 
воды, несущей в себе абразивные частицы, оказывающие разрушающее воздействие на горные породы [21]. В настоящее 
время известно много способов (механический, термический, 
лазерный и др.) и средств (универсальные фрезерные и шлифовально-полировальные станки, термические и лазерные установки и др.) обработки горных пород. Для всех них характерен 
один главный недостаток, заключающийся в наличии механических повреждений на обрабатываемой поверхности и ее расслаивании, а также нарушении внутренней структуры обрабатываемого материала, зачастую влекущих за собой его последующее разрушение. Одним из наиболее эффективных и реальных 
путей исключения этого недостатка является применение способа обработки, основанного на эрозионном разрушении. При 
этом также целесообразно применять гидроабразивный инструмент, осуществляющий процесс «гидроабразивного фрезерования». Этот термин впервые применил M. Hashish. Гидроабразивное фрезерование заключается в последовательном и непрерывном уносе объема (массы) материала при послойной его об