Проф., доктор технических наук Лыхин П.А.

ТОННЕЛЕСТРОЕНИЕ И БУРЕНИЕ ШПУРОВ (СКВАЖИН) В XIX И XX ВЕКАХ
  АННОТАЦИЯ
  ВВЕДЕНИЕ
   1. ОБЪЕКТИВНОСТЬ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ОЦЕНОК ИЗМЕНЕНИЯ ИСТОРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНИКЕ ГОРНОГО ДЕЛА
   2. ОТ РУЧНОГО К МАШИННОМУ БУРЕНИЮ
     1. Ручное ударное бурение
     2. Пневматические ударные машины
     3. Электрические ударные перфораторы
     4. Вращательное бурение
     5. Производительность бурения различными способами
   3. ПЕРИОД ИНТЕНСИВНОГО РОСТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУРИЛЬЩИКА И БУРЕНИЯ
     1. Колонковые перфораторы
     2. Распорные колонки и каретки
     3. Ручные перфораторы
     4. Буры и головки буров
     5. Давление сжатого воздуха, подаваемого в перфоратор
     6. Электросверла
     7. Производительность бурения ручными и колонковыми перфораторами в первой половине ХХ века
   4. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И АВТОМАТИЗАЦИЯ БУРЕНИЯ
     1. Быстроударные перфораторы
     2. Высокочастотные вращательно-ударные пневматические машины
     3. Гидроперфораторы
     4. Электромагнитные ударные перфораторы
     5. Полуавтоматические бурильные каретки и установки
     6. Манипуляторы
     7. Податчики и величина подачи
     8. Оригинальные каретки на рудниках Советского Союза
     9. Автоматизация процесса бурения
     10. Инструмент для бурения во второй половине ХХ века
     11. Подавление пыли при бурении шпуров
     12. Применение гидроперфораторов и проблемы комфортных условий труда
   5. ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ
     1. О научном прогнозе
     2. Закон цикличных процессов и его проявление в процессе бурения
     3.Энергоемкость разрушения породы взрывом и подвигание забоя выработки за взрыв
     4. Историческая спираль технического прогресса шпурового бурения
     5. Прогноз возможных путей развития технологии
  ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  ЛИТЕРАТУРА

 

1. ОБЪЕКТИВНОСТЬ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ОЦЕНОК ИЗМЕНЕНИЯ ИСТОРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНИКЕ ГОРНОГО ДЕЛА

Семантика и историчность изложения. За сравнительно короткий период развития механического бурения, изменилась терминология в горном деле, получила колоссальное развитие техника измерений количественных изменений различных процессов, меры их измерения, размерность и значения их конкретных величин.

Если коротко комментировать происшедшие изменения за прошедший век в орфографии, терминологии и размерности измерения различных величин, то, например, слово тоннель изменило не только свое написание с туннеля на тоннель, но и свой род.

В России вышли из употребления такие американские термины как Джеки, дрифтеры, стоперы, постепенно претерпели изменения термины, связанные с использованием кареток, а на них - стрел, манипуляторов и др. Не стал употребляться термин “п а л е н и е” при взрывных работах.

Еще более неопределенна ситуация с масштабом измерения различных физических величин. Ушли в прошлое старые русские меры измерения (пядь, ладонь, палец, локоть) и более поздние (сажени, аршины, вершки, пуды и фунты), в том числе чисто горные (лахтер, 1,7 м), но в XX веке остались в повседневной практике Америки и Англии дюймы и мили наряду с вновь введенными понятиями "Ньютон" и "Паскаль" и т.д.
Трудности возникают при сравнении параметров машин, применявшихся ранее, и производительности работ в различные периоды истории. При написании соблазнительно осовременить текст, опуская применявшуюся прежде терминологию, меры измерения и размерность, но тогда в какой-то степени теряется историчность описания, колорит исторических событий. Поэтому там, где не было большой необходимости изменения прежде применявшихся понятий, они остались в тексте, без комментариев или с пересчетом на применяемые в последнее время терминологию и размерность различных сравниваемых величин.

Оценка прочности горной породы. Как известно, производительность процессов разрушения горной породы прямо пропорциональна прочности горной породы, трудоемкости её разрушения. С накоплением знаний о физико-механических свойствах горных пород и изучением процессов при её разрушении менялись показатели трудоемкости её разрушения и, в частности, при бурении и взрывных работах. По этим причинам возникают трудности в объективности оценки производительности работ при разрушении породы в разные периоды истории.

Физико-механические свойства пород настолько разнообразны, что часто оказываются характерными только для данного месторождения, конкретного рудника. За прошедшие полтора века горняки перешли на более глубокие горизонты разработки месторождений и одинаковая по минералогическому составу порода, например, гранит часто характеризуется другими прочностными параметрами. Кроме того, сами методы оценки прочности породы настолько изменились, что бывают трудно сопоставимы. Тем не менее, сопоставимая и в меру объективная оценка трудоемкости разрушения горной породы в данном случае крайне необходима.

Очевидно, она возможна, если имеется минералогическое описание породы, характеристика горно-геологических условий её залегания и классификационная оценка трудоемкости её разрушения или добывания. К сожалению, не всегда в распоряжении исследователя имеется в наличии вся совокупность характеристических данных трудоемкости разрушения горной породы.

Если в наличии объективные данные трудоемкости разрушения данной горной породы, определяемые стандартными параметрами, то для сравнения производительности производственного процесса таких данных оказывается достаточно.

Однако классификационные оценки трудоемкости разрушения породы за прошедшие полтора столетия менялись.

В XIX и начале XX веков широко применялась простейшая классификация пород. По трудоемкости разрушения породы делились на три (или четыре) класса: мягкие, крепкие и весьма крепкие. К подобной характеристике в конкретных случаях обычно давалось минералогическое описание породы.

Классификация горных пород по крепости. В двадцатых годах XX столетия в России и Советском Союзе получила широкое применение классификация пород по шкале М.М. Протодьяконова, по которой породы оценивались по трудоемкости их добывания (разрушения) и устойчивости при поддержании горных выработок.

М.М. Протодьяконов (1874 - 1930 годы), разрабатывая классификацию пород по трудоемкости их разрушения при добывании, предполагал положить подобную классификацию в основу оценки труда рабочего при добыче угля и руд, нормирования труда. Он полагал, что при любом методе разрушения породы и способе её добычи, возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости. Если один из двух типов пород более трудоемок при разрушении, например, энергией взрыва, то порода будет более крепкой при любом процессе её разрушения, например, зубком комбайна, кайлой, лезвием головки бура при бурении и т.д.

Таблица 1

Коэффициент крепости f по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Категория Степень крепости Порода f
1 В высшей степени крепкие породы Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы. 20
11 Очень крепкие породы Очень крепкие гранитовые породы.
Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец, менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки.
15
111 Крепкие породы Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известяки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат.
Очень крепкие железные руды.
10
111а То же Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор, доломит. Колчеданы. Обыкновенный песчаник. 8
Довольно крепкие породы Железные руды.
Песчанистые сланцы.
6
То же Сланцевые песчаники 5
Y Средние породы Крепкий глинистый сланец.
Некрепкий глинистый сланец и известняк, мягкий конгломерат
4
    Разнообразные сланцы (некрепкие)
Плотный мергель
3
Y1 Довольно мягкие породы Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс.
Мерзлый грунт: антрацит. Обыкно-венный мергель.
Разрушенный песчаник, сцементированная галька и хрящ, каменистый грунт
2
Y1a То же Крепкий каменный уголь 1,5
Y11 Мягкие породы Глина (плотная). Мягкий каменный уголь, крепкий наносо-глинистый грунт 1

Примечание. Характеристика пород с Y11a до Х категорий нами опущена.

При разработке подобной шкалы М.М. Протодьяконов ввел понятие крепость горной породы. В отличие от принятого понятия прочность материала, оцениваемой по одному из видов напряженного её состояния, например, временном сопротивлении на сжатие, на растяжение, на кручение и т.д., параметр крепость позволяет сравнивать горные породы по трудоемкости разрушения, по добываемости. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении породы различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом.

Кроме этого, различие между этими терминами в том, что по прочности материал оценивают по его способности не разрушаться при заданных нагрузке и времени службы сооружения, а крепость характеризует породу по затратам энергии на ее разрушение.

М.М. Протодьяконов разработал шкалу коэффициента крепости породы. Одним из методов определения этого коэффициента было предложено испытание образца породы на его прочность на сжатие в кг/см2, а значение коэффициента определялось как одна сотая временного сопротивления на сжатие.
Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М.М.Протодьяконовым для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т.е. породами с временным сопротивлении на сжатие 2000 кг/см2, а у сливного базальта, например, этот параметр равен 3000 кг/см2. Тем не менее, в Советском Союзе шкала крепости М.М. Протодьконова имела широкое применение при оценке трудоемкости разрушения горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении при помощи буровзрывных работ.

Метод относительной оценки горной породы по крепости, трудоемкости при её разрушении имеет, как отмечалось многими, недостатки, за рубежом им не пользуются, но без него не обходятся в технической литературе Советского Союза и России.

Очевидно, со временем архаичный метод оценки прочности горной породы с помощью коэффициента крепости f потеряет свое практическое значение, но из истории горной промышленности России его убрать невозможно.

Понятийные элементы и терминология. В период исторического развития технологии буровзрывных работ менялись понятия, термины, меры измерения и размерность параметров. В настоящее время ряд понятий также часто имеет различное толкование.
При исследовании исторического развития технологии и изменения за длительный период производительности бурения необходимо, очевидно, определиться с однозначностью целого ряда понятий и терминов.

Шпурами и скважинами принято называть цилиндрические отверстия в горной породе, получаемые в результате её бурения. В русской горной литературе под шпуром понимают отверстие диаметром до 70 - 75 мм и длиной до 5 м, Скважина имеет большие длину или диаметр, чем шпур.

В шпуре различают устье, начало отверстия в породе, цилиндрические стенки и забой шпура, по удалению которого от его устья, начала бурения, определяют длину шпура. При бурении шпура с наклоном к поверхности выработки под его глубиной понимают наименьшее расстояние забоя шпура до этой поверхности.

В английском языке нет четкого различия между терминами шпур и скважина, нет понятия глубина шпура, отсутствует термин "коэффициент использования шпура" при взрыве шпурового заряда взрывчатого вещества (ВВ), но само понятие, характеризующее этот термин, имеет место.

Операция бурения входит составной частью в комплексные операции в горном производстве или подземном строительстве при технологии буровзрывных работ.

Под операцией в широком её толковании понимают действия, направленные на достижение поставленной цели. Например, операция проведения тоннеля, целью которой является строительство подземного сооружения, операция бурения шпуров и, как результат, пробуренный комплект шпуров по заданному паспорту, схеме и т.д. Необходимо различать простую, включающую ряд последовательных приемов, сложную, состоящую из простых операций, и комплексную (многосложную) операцию, например, проведение выработки.

Под процессом следует понимать течение операции во времени, определенный порядок, последовательность выполнения приемов в отдельной операции или операций в их сумме. Используя, например, термин "операция бурения" мы подразумеваем конечную её цель - пробуренный комплект шпуров. Понятие процесса бурения предполагает последовательность выполнения отдельных приемов, операций, характер их течения во времени, прерывистость или непрерывность их выполнения и длительность.

Бурение шпуров является сложной операцией, состоящей из более простых ее составляющих, как непосредственное бурение шпура бурильной машиной, перестановка машины для бурения другого (следующего по схеме) шпура, обратный ход инструмента после окончания бурения шпура на заданную глубину и других.

Основная операция, непосредственное разрушение породы под коронкой бура, изготовление отверстий в породе и сопутствующие ей другие вспомогательные операции прерываются и повторяются при бурении очередного шпура в комплекте.

Таким образом, бурение шпуров является цикличным процессом, в котором основная операция разрушение породы под коронкой бура прерывается не основными, вспомогательными операциями.

К операциям, назовем их неосновными, увеличивающим цикл и время бурения, относятся также подготовительно-заключительные операции, необходимость в которых определяется сменой бурения другой операцией в процессе проведения выработки или добычи полезного ископаемого, например, такими как уборка породы или заряжание и взрывание пробуренных шпуров, проветривание забоя.

Чем больше время и число неосновных операций, тем меньше времени в цикле на выполнение основной операции, продолжительнее цикл и меньше производительность бурения и труда бурильщика.

Очевидно, цикл бурения комплекта шпуров - не простая сумма операций его составляющих, а некоторая взаимосвязанная система таких операций и их параметров.

Производительность бурения комплекта шпуров в определенных горно-геологических условиях, в конечном счете, определяется временем бурения комплекта шпуров, а производительность труда бурильщиков (операторов) - не только объемом работы и временем, затраченном на ее выполнение, но и числом рабочих, занятых в процессе бурения комплекта шпуров.

Время выполнения отдельных операций бурения, связанных с объемом работ, может быть оценено некоторой относительной условной величиной, скоростью бурения.

Необходимо различать чистую, среднюю и эксплуатационную скорости бурения.

Чистой скоростью оценивается производительность основной операции, подвигание забоя шпура в единицу времени в процессе разрушения породы под коронкой бура. Она обычно определяется при бурении первого метра шпура от устья или интегрально средней по длине всего шпура.

При определении средней скорости бурения суммируется время основной и всех вспомогательных операций, и делится на объем бурения в метрах всех шпуров в комплекте.

Эксплуатационная скорость бурения определяется полным временем, которое тратится на всю операцию, включая время доставки машин и инструментов и подготовки их к бурению и заключительных операций при окончании процесса. По этой скорости определяется производительность труда бурильщика, к её увеличению направлены все технические и организационные меры в истории совершенствования технологии бурения шпуров и скважин.

Таким образом, полный цикл бурения комплекта шпуров состоит из следующих операций: подготовительно-заключительные, т.е. подготовка забоя и технических средств к началу операции и уборка машин и оборудования в конце операции (подготовка забоя к следующей операции); основная операция, бурение (изготовление) шпура; вспомогательные, включающие начало бурения, т.е. забуривание, смену коронки или бура, очистку и продувание шпура в период бурения (при ручном бурении), вынимание бура из пробуренного шпура или обратный ход податчика, переход на бурение следующего шпура; в процесс бурения входят также отдых бурильщика, простои, связанные с поломкой машин, инструмента, перерывами в подаче энергии и т.д.

Исторический процесс совершенствования технологии проведения горных выработок, технических средств бурения шпуров (скважин) и в соответствии с ним качественное и количественное изменение операций, производительности бурения и проходческих работ являются предметом данного исследования.

 

2. ОТ РУЧНОГО К МАШИННОМУ БУРЕНИЮ

1. Ручное ударное бурение

Технология ручного бурения. История мелкошпурового бурения ведет свой отсчет с января 1627 г., когда впервые Тирольский горняк Каспар Вайндель применил в горном деле для добычи руды черный порох в одной из штолен в Шемнице.

Нельзя сказать, что до этого шпуры не бурили и не применяли для разрушения горных пород, но с применением черного пороха возникла новая, не существовавшая ранее технология буровзрывных работ.

Шпуры практически до середины XIX века изготавливали вручную, используя энергию человека. Шпуры бурили диаметром от 25 до 90 мм, срижая его с развитием технологии, и длиной от 0,25 до 1 м.

Б.И. Бокий примерно так описывает технологию ручного бурения. Выбрав место и задав направление шпура, с помощью кайлы, клина и молотка, или бура-забурника выравнивают в намеченном месте небольшую площадку, если порода крепкая, или, если порода не крепкая, делают небольшое углубление и, ставя на эту площадку или в углубление забурник, наносят по затылку его удары молотком, сначала легкие, а после углубления шпура на 2 - 3 см - более сильные удары. После нанесения каждого удара бур (забурник) поворачивают вокруг своей оси. Если шпур горизонтальный или нисходящий, буровую мелочь раздробленной бурением породы удаляют из него специальной чищалкой, ложечкой.

В течение нескольких столетий отбирались наиболее рациональные параметры инструмента ручного бурения. Бур представлял собой стальной стержень, круглой, квадратной или наиболее удобной для бурения многогранной формы в сечении. Длина буров в комплекте, рекомендуемая Б.И. Бокием /1/: забурник - 0,35, средний бур - 0,7 и большой бур - 1 м, диаметр головки бура, соответственно, 32, 28, 25 мм и масса бура - 1, 2, 3 кг. Масса молотка принималась от 1 до 3-4,5 кг.

При двуручном бурении, когда один бурильщик держит и поворачивает бур, а другой наносит по буру удары молотком (балдой), параметры инструмента изменяются. Длина буров: 0,7; 1,0; 1,4 м, диаметр головки бура, соответственно, 45, 40, 35 мм и масса буров - 3; 4; 6 кг. Масса молота от 4 до 8 кг.

Чистая скорость бурения. По данным /2 / чистая скорость бурения шпуров диаметром 25 мм в крепкой породе составляла 0,4 - 1 см/мин, в породах средней крепости - 1 - 1,5 см/мин и в некрепкой породе – до 5 см/мин. При двуручном бурении скорость была на 30% выше.
Число ударов в зависимости от направления бурения к горизонту составляло от 50 до 90 в минуту.

Классификация горных пород по буримости. В XIX веке и в начале XX века разработана теория ударного бурения. Её разрабатывали Dolezalek, Havrez, Nordenstrom, Sparre и другие. Н.С. Успенский предлагал определять производительность бурения в зависимости от твердости породы и, соответственно, числа ударов буром, необходимых для подвигания шпура на 1 мм. Породы по буримости он делил на 5 категорий. Для первой категории для подвигания шпура на 1 мм необходимо 19 ударов, а для пятой - 70 - 200 ударов, или в пересчете на чистую скорость бурения при среднем числе ударов, наносимых бурильщиком, равном 70 в минуту: 7 мм/мин и 0,35 мм/мин. По наблюдениям того же Н.С. Успенского время при бурении распределялось следующим образом, %,: чистое бурение - 54, чистка шпуров - 5, смена буров - 11, паузы - 30.

В начале XX века В. Гуськов /3/ для одноручного бурения рекомендует применять забурник с диаметром головки 30 мм, средний бур - 25 мм и большой - 20 мм, длиной, соответственно, 0,4; 0,7; 0,9 м. Для двуручного бурения он рекомендует диаметры буров - 40, 35, 30, 25 мм и их длину - 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 м.
Число ударов в минуту определяются / 3 / в зависимости от угла наклона шпура к горизонту; при нисходящем шпуре - 80, горизонтальном - 65 и восходящем - 60 ударов в минуту. Соответственно изменяется работа удара: 4,25 - при нисходящем шпуре, 2,5 - при горизонтальном шпуре и 2,0 кгм - при восходящем шпуре.

Производительность бурения. Производительность ручного бурения зависела от физических возможностей человека, его мастерства и параметров и качества инструментов для бурения. Очевидно, изменения производительности от первых двух факторов крайне ограничено, поэтому на протяжении нескольких веков основное внимание уделялось совершенствованию инструмента. Бур изготавливали из твердой углеродистой стали. Лезвию бура придавали самые различные формы и размеры.
Применялись паличные – 1, венцовые - 2, крестовые - 3, зетобразные - 4, многолезвийные-фигурные - 5 и другие. Лезвия однодолотчатых буров (а, б, в) чаще применялись закругленной формы - в.
Известны примеры значительного роста производительности труда за счет мастерства бурильщиков и изменения параметров инструмента. Так, / 4 /, при проведении выработок в Германии в 60-х годах XIX в. итальянскими и местными горняками на шахтах Кронд и Вестфалия, итальянцы в квершлаге наряду с одноручным применяли двуручное бурение. Вес молотка (кувалды) применяли различный: при бурении шпуров вверх - молотки массой 3,5 кг, для горизонтальных шпуров - 5 кг, и при бурении шпуров вниз (почвенных) - 5,5 кг. За счет применения двуручного бурения скорость проведения выработки возросла с 15 до 22,5 м в месяц. Позднее итальянский метод бурения шпуров стал применяться на многих шахтах. Так на шахте "Иббнбюрен" при переходе на двуручное бурение шпуров в крепких песчаниках и конгломератах скорость проведения выработок увеличилась с 9,5 до 13,5 м/месяц.

Одним из существенных препятствий роста производительности ручного бурения была большая потребность в бурах, их быстрая затупляемость. Даже в относительно некрепкой породе на 400 м пробуренных шпуров требовалось до 30 вновь заправленных буров / 2 /. В начале XX века для изготовления буров пробовали применять легированную сталь, но массового использования на практике она не получила.
Авторы / 3, 5 / приводят обобщенную характеристику производительности в зависимости от условий бурения (табл .2).

При бурении шпуров диаметром 26 мм в породе И.С. Кеннегисер, ссылаясь на Гутмана, приводит следующие данные производительности бурильщика в м/ч: в железняке - 0,18, в граните - 0,4 - 0,6, серой вакке - 0,5, глинистом сланце - 0,6, доломите и известняке - 0,7 и мягком кварце - 0,8. Однако в зависимости от условий бурения производительность бурения могла значительно снижаться. Так по данным Дорошенко она в той же вакке в четыре раза меньше, чем по данным Гутмана.
Производительность бурильщика за 8-часовую смену в метрах шпуров составляла / 3 / при бурении: известняка - 0,9 м, крепких песчаников - 1 м, песчанистых сланцев - 1,8 м, глинистого сланца - 2,1-2,8 м, угля - 5,5 м. По данным зарубежных источников производительность одноручного бурения в 8-часовую смену при проходке штолен и квершлагов, м, в породах: граниты - 0,7 - 1,2, диориты - 0,6 - 0,9, сиениты - 1,0 - 2,2, порфиры - 0,6 - 1,6, полевошпатовые порфиры - 1,6 - 3, гнейсы - 1,6 - 2,6, плотные известняки и песчаники - 1,6 - 2,3, песчанистый сланец - 2,3 м, глинистый сланец - 2 - 4 м или в зависимости от крепости пород - от 0,075 до 0,5 м/ч. В конце периода применения ручного бурения Б.Н. Бокий / 19, 20 / приводит следующие данные, характеризующие производительность этого способа за 8-часовую смену в породах: граниты, диориты, сиениты, порфиры - в пределах 0,6 - 2,2 м, полевошпатовые порфиры, гнейсы, плотные известняки и песчаники, песчанистые сланцы - 1,3 - 3 м и сланцы (слюдистые и глинистые) - 2 - 4 м.

Таблица 2

Скорость, м/ч, бурения в породах различной крепости

Характеристика пород Одноручное бурение* Двухручное бурение**
вверх вниз вверх вниз
Весьма крепкие 0,4-0,8 0,2-0,6 0,35-0,75 0,25-0,5
Крепкие 0,8-1,5 0,6-1,0 0,5-1,25 0,50-1,9
Некрепкие 1,2-2,0 1,0-1,5 1,25-1,85 0,90-1,25

Диаметр шпура: * - 25 мм и ** - 32 мм

Интересно, что кроме одноручного и двуручного бурения применялось и трехручное, когда в бурении участвовало три человека. Если при бурении гранита, например, производительность одноручного бурения составляла 0,85 м/ч, при двуручном - 1,45 м/ч, то при трех ручном бурении - 2,65 м/ч / 7 /. К этому времени средняя скорость бурения перфоратором была уже в крепких породах 3 м/ч, т.е. 24 м в смену, а в сланцах - до 9 м в час.

Схемы бурения и пороховые затравки. В соответствии с технологией ручного бурения, приспосабливаясь к ней, осуществлялись взрывные работы. При небольшой глубине шпуров в крепкой породе, не превышающей 25 см, и использовании пороха в качестве взрывчатого вещества, с относительно слабой энергией взрыва в схемах расположения шпуров в забое тупиковой выработки врубов не применяли, отбивая породу небольшими объемами, используя естественные геологические нарушения, трещины, слоистость, разницу в крепости породы по площади забоя (см. рис. 2.3). Бикфордов шнур, изобретенный в 1832 г., на рудниках почти не применялся из-за его дороговизны. Вместо него применялись затравки из соломинок, набитых порохом, бумажных трубочек, намазанных изнутри смесью пороха с клеем. Примечательно, что в самом начале XX века в горном учебнике Ш. Демане / 8 / подробно описывается старая традиционная технология взрывных работ с использованием подобных соломенных затравок.

 

2. Пневматические ударные машины

Начало истории пневматического ударного бурения теряется в бесчисленных идеях, изобретениях, неиспользованных патентах на машины, работающих не только на пневмоэнергии, но и энергии пара, воды, а позже и электроэнергии / 2, 3, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,18 /.

После применения черного пороха в горном деле, уже во второй половине XY11 века известны идеи и изобретения машин для бурения шпуров. Многочисленные попытки механизации ручного ударного бурения предприняты в первой половине XIX в.(1803-1813 гг.). В 1813 г. ирландец Richard Travithick изобрел паровую установку для бурения известняков, а в 1838 г. при строительстве каналов в США братья Зингер для бурения шпуров также предложили использовать паровой двигатель.

Заслуживающие внимания технические идеи механизации бурения посредством использования энергии пара и сжатого воздуха предлагали в 1844 г. английские изобретатели J.Nasmits и Brunton.
 


Рис. 2.4

Поршневой перфоратор. В 1849 г. J.J. Couch из Филадельфии получил патент на паровую ударную бурильную машину. Его подсобный рабочий Фавле (J.Fowle) значительно улучшил конструкцию машины для бурения, совместив работу поршневого клапана с управлением вращения бура, и предложил цепной податчик.

В результате Фавле создана не только оригинальная и работоспособная конструкция бурильной машины, но и положено начало конструированию целого класса машин, получивших в дальнейшем наименование поршневых перфораторов. Основные принципы, заложенные в эту конструкцию перфоратора, использовались изобретателями и конструкторами и в XIX и в XX веках. В 1851 г. Фавле запатентовал бурильную машину, работающую на энергии сжатого воздуха.

B пятидесятые годы XIX века над совершенствованием ударной машины работали многие изобретатели. В 1857 г. в Саксонии в горном строительстве успешно применялась машина Шумана с ручной подачей, значительно усовершенствованная в дальнейшем шведом Бергстремом. Первая машина Шумана имела ручное реверсирование хода поршня, но уже в 1859 г. перфоратор имел принудительное реверсирование. Улучшенная конструкция машины при бурении гранита обеспечивала скорость бурения шпуров 2,5 см/мин (1,5 м/ч) при подаваемом к машине сжатом воздухе всего в 2 атм. Одновременно с Бёргстремом над совершенствованием перфоратора работали Doring и Stapff в Швеции и Sachs и Ticler в Германии.

Увеличению числа изобретений машин для бурения способствовало начало строительства первого крупного альпийского тоннеля Mont-Cenus. Для бурения шпуров в забое этого тоннеля англичанином Барлет предложена машина, работающая на сжатом воздухе. Используя идеи разных изобретателей, машину Барлета конструктивно изменил итальянский тоннелестроитель немец Соммейлер, и с 1857 г. машины этого типа стали использоваться при проведении горных выработок, в 1861 г. они успешно применялись в южном забое вспомогательного тоннеля Монт-Сени, а затем в 1863 г. - в северном забое. К моменту применения в тоннеле машина значительно усовершенствована изобретателем. Один из её типов имел маховик и механизм вращения бура, связанный с золотником. Вращение бура осуществлялось от отдельного привода, поршневого моторчика, передававшего вращение буру через кривошипный вал, коническую зубчатую передачу, фрикционную муфту и шлицевое соединение. Подача машины осуществлялась посредством двойной зубчатой рейки и связанным с ней бесконечным винтом (см. рис. 2.4). Машины числом от 4 до 9 устанавливались на специальной каретке (рис. 2.5), обеспечивая проходку забоя от 19 - 32 м в крепкой породе и до 77 м в месяц (максимально 84,2 м) в менее крепкой породе.

Машину изготавливала бельгийская фирма "Коккериль". Перфоратор имел диаметр цилиндра 76 мм, ход поршня 201 мм, массу 280 кг и число ударов поршня 200 - 300 в минуту.

Изобретение Соммейлера имело большое значение в тоннелестроении. Применение этого типа машин при проходке тоннеля Монт-Сени сократило проходку тоннеля с 27 лет по проекту до 9 лет. Машина оценивалась в целом как достаточно надежная, хорошо ремонтировалась и применялась в этом тоннеле вплоть до окончания его строительства, до декабря 1870 г.

Строительство этого тоннеля побудило изобретателей к совершенствованию производства сжатого воздуха, который вырабатывался в тот период только с помощью паровой машины.
 


Рис. 2.5

Стоимость единицы объема сжатого воздуха была высокой. Тоннелестроители при проходке встретились с высокой температурой окружающих выработку пород, и пришлось решать задачу подачи в забои холодного воздуха, Решая эту проблему, проф. Colladon в 1850 г. предложил конструкцию компрессора, работающего от водяного двигателя.

Англичанами Sturgeon, Crease, Green, Harrison и Stanley в конструкцию машины Соммейлера вносились различные изменения, в частности, они предложили водяную промывку через пустотелый бур. Машины конструкции этих изобретателей, изготавливаемые впоследствии по патенту Бурлайна, использовались при проходке ряда тоннелей. В 1860 г. в США выдан патент на паровую бурильную машину, изобретенную Гарднер и Лисбет, а в 1865 г. патент на свою машину получил Хаунт. Эти машины применяли сначала при проходке тоннеля Hoosat-Eisenbahntunnels (1856 - 1876 гг., 7641 м), потом в другом тоннеле. Машины были ненадежны, и конструкция их неоднократно менялась. Наконец, ближе к 1868 г. Бурлайном создана удачная конструкция машины, на которую вместе с Фавле получен патент. Перфораторы изготавливались на машиностроительном заводе Mahler und Essenbacher в Вене.

Две машины типа Бурлайн N1 в течение одного года применялись при проходке штолен (1844-1877 гг.,13900 м) в Фрайбурге (Саксония).

В 1867 г. машины, аналогичные по конструкции перфораторам типа Бурлайн, изготовлены во Франции фирмой Дюбуа-Франсуа (Dubois и Francois). Машины демонстрировались сначала на Амстердамской, а затем в 1878 г. на Парижской промышленных выставках. Первые их образцы в 1870 г. имели диаметр поршня 120 мм и массу 125 кг. Машины устанавливались на специальной тележке с рельсовым ходом. Тележка была высотой 1 м и шириной 0,65 м. Перфораторы этой фирмы применялись при проходке тоннеля St.Gotthard (1872 - 1882, 14912 м) до замены их в 1873 - 74 гг. машинами Ферру (Ferroux). Главный механик Сан-Готтарского тоннеля Ферру предложил свою конструкцию машины в 1873 г. и затем постоянно совершенствовал её. В машине (см. рис. 2.4), устанавливаемой в забое на распорной стойке, по мере бурения шпура осуществлялась автоматическая подача бура. Она производилась сжатым воздухом, постоянно поступающим в цилиндр, в котором двигался поршень с ударником и жестко связанным с ним буром. Перфоратор вместе с цилиндром удерживался от движения вперед собачкой, заходящей в зубец рейки на штоке поршня. С бурением шпура на некоторую величину собачка выходила из зацепления с зубчатой рейкой за счет подъема коромысла, на котором она закреплялась. Коромысло поднималось, набегая выступом на конусное утолщение на штоке ударного поршня. При подаче перфоратора на один зуб рейки утолщение на штоке уходило из-под собачки, и начинался следующий цикл бурения. Управление золотником, регулирующим поступление сжатого воздуха в переднюю и заднюю части рабочего цилиндра, происходило также механически, при движении штока поршня и связанную с ним систему рычагов.

Нельзя не подчеркнуть заслуги в усовершенствовании пневматических ударных машин американца Симона Ингерсоль, получившего широкую известность среди горняков после изобретения им треноги (рис. 2.6) для бурения шпуров на карьерах, патент на которую выдан ему в 1871 г. В этом же году им взят патент на бурильную машину, применявшуюся сначала на поверхности. В дальнейшем, используя идеи конструирования машин Folwe-Burlein, С.Ингерсоль значительно усовершенствовал перфоратор.


Рис. 2.6

У перфораторов конструкции Ингерсоль первых типов поршень при своем движении перемещал кулачки, а посредством их стержень и соединенный с ними золотник, поочередно открывающий отверстия в каналы поступления сжатого воздуха или выхлопа в атмосферу. Конструкция этого перфоратора имела существенные недостатки. Так отмечалось / 3 /, что в цилиндре велики вредные пространства, а механическое распределение воздуха крайне ненадежно. Машина могла внезапно останавливаться, если кулачки и поршень попадали в мертвую точку своего движения. Для того чтобы вывести кулачки из мертвой точки, в конструкции предусматривались аварийные рукоятки.

Первые практические результаты применения пневматических перфораторов. Применение первых ударных пневматических перфораторов в тоннелестроении было достаточно эффективным.

Таблица 3

Показатели применения пневматических перфораторов при
строительстве первых крупных тоннелей

Показатели Тоннели
Монт-Сени С Готтар, забои:
1 2 3 4
- - Северный Штольня 2
Сечение, м2 7,8 6,75 6,50
Характер породы Сланец, кварциты Гранит и гнейс Слюдистый сланец
Крепкая порода, % - 100 75
Подвигание выработки, м:  
суточное среднее 1,8 1,77 2,1
" максимальное   2,9 6,1
на 1 м выбуренного шпура 0,015 0,035 0,03
Тип перфоратора Соммелье Дюбуа и Франсуа
Число машин в забое 10 6 -
Численность звена 34 18 -
Производительность бурильщика, м/ч * 0,229 0,159 0,2
Скорость бурения, м/ч:*
средняя (одной машины) 0,78 0,478 0,666
эксплуатационная 7,8 2,868 4,13
Глубина шпуров, м 0,975 1,1 1,5
Число шпуров на: забой 63 26 24
1 м проходки 66 28 25,47
1 м2 площади забоя 7,7 3,85 3,85
1 м3 забоя 8,45 4,22 4,38
Время бурения шпура, мин 75 138 108
Расход ВВ, кг на: (динамит)
1 м проходки 27,39 24 40
1 м3 породы 3,51 3,56 6,15
Расход буров на 1 м проходки, шт. 126 - -
Стоимость работ, франки:  
1 м выработки 737,5 - -
1 м3 выработки 94,5 - -

* Подсчитано нами

Показательны расходы по статьям при проведении тоннеля С.Готтар. На подземные работы при проведении 1 м выработки тратилось 77,9 , на ВВ - 152, производство сжатого воздуха - 20, содержание перфораторов и буров - 35, т.е. всего 284,9 франка или 42,2 франка на 1 м3 вынутой породы.

При проведении выработок небольшого сечения на рудниках и шахтах тяжелые и громоздкие машины применялись мало. В шестидесятых годах XIX века, да и позднее еще не было полной ясности какой вид энергии рациональнее использовать, или паровой, или гидравлический, или пневматический. Тем не менее, механическое бурение получало все большее и большее распространение.


Рис. 2.7

В Европе, в частности, в Германии (Рур, Верхняя Силезия, Саар, Ахен) и Австрии получил довольно широкое применение пневматический перфоратор конструкции Закса / 4 /. При использовании машины такой конструкции при проведении квершлага сечением 2,25х2,25 м месячную скорость проходки увеличили с 4,25 м (при ручном бурении) до 11,41 м.

Интересны данные / 6 / рекордных результатов бурения пород в этих условиях в штреках и квершлагах (табл. 4). Оптимистические высказывания в пользу механического бурения / 4 / публиковались уже в шестидесятые годы XIX века.


Рис. 2.8

Машины второго поколения. В 1873 г. Дарлингтоном взят патент на беззолотниковую машину, в которой управление потоком сжатого воздуха осуществлялось при движении поршня (рис. 2.7). Машина не получила в то время широкого применения в практике, уровень техники, применяемые допуски при изготовлении машины не обеспечивали требуемое качество конструкции, потери сжатого воздуха при работе машины были недопустимо велики.

Тем не менее, конструкция машины в принципе обладала большими достоинствами. Перфоратор Darlington-blanzy имел сравнительно небольшую массу, всего 87 кг, при ходе поршня 105 мм число его ударов составляло 500 в минуту. Отмечались простота конструкции, отсутствие сложной воздухораспределительной системы, как у машин с золотниками, сильный удар при коротком ходе поршня.

Все большую популярность на рудниках получали машины С.Ингерсоль. Совместно с другим изобретателем Сержент создана машина Ингерсоль-Сержент, имевшая два золотника, основного в виде катушки и вспомогательного в виде подковы. Вспомогательный золотник перемещался от выступа поршня и подавал сжатый воздух в основной золотник, посредством которого сжатый воздух распределялся в камеры рабочего цилиндра. Геликоидальный стержень был значительно усовершенствован, в конструкцию введена медная муфта и удачно скомпонованная коробка храпового колеса.

Таблица 4

Рекордные результаты бурения в штреках и квершлагах

Год проходки выработок Производительность, м/ч:
Бурения Бурильщика
1881 7 0,36
" 6,57 0,36
1882 8,245 0,46
1883 4,49 0,266

Фирмой Ingersoll Sergant Drill C0 проводились обширные исследования по созданию наиболее работоспособных машин (табл. 5), а перфораторы этой фирмы успешно применялись при проведении горных выработок.

Фирма быстро росла, в 1906 г. объединилась с машиностроительной горной компанией и действует до сего времени под наименованием Ingersol-Rand Co, являясь одной из ведущих фирм в мире производящих горные машины и оборудование.

Конец XIX века характеризовался обилием изобретений, вносимых в конструкцию перфораторов ударного типа, но чаще не существенных.

Ш.Дэмане по этому поводу замечает, что "чуть не каждый день появляются перфораторы новых систем, часто отличающихся друг от друга лишь в несущественных мелочах"/ 8 /.

Наиболее распространенными в тот период (табл. 6) были перфораторы системы Dubois-Froncois, Ferroux, Schram, Ingersoll, Sachs, Mc.Kean-Seguin; отличительной особенностью в характеристике перфоратора типа Mc.Kean было большое число ударов поршня, до 1000 ударов в минуту. Зарекомендовали себя также машины типа Gatti (рис. 2.8).

Машины типа Гатти (завод Л.Мошнер в Клагенфурте) в 1903-1906 гг. применялись при строительстве северной штольни Bosruchtunnеles (1901 - 1906 г. длина 4766 м). Они имели автоматическую штанговую (зубчатая рейка) подачу. Величина подачи в определенной степени регулировалась и осуществлялась посредством управляющего конуса на штоке поршня. При бурении триассового известняка шпуров диаметром 42 мм машина обеспечивала чистую скорость бурения в среднем от 3,6 до 4,9 см/мин (2,16 - 2,94 м/ч) и максимально до 6,6 см/мин (3,96 м/ч).

Таблица 5

Зависимость производительности бурения от диаметра поршня машины

Параметры Значения параметров
Диаметр поршня, дюймы 3⅛ 4 ¼ 5
" , мм 63,5 69,8 79,4 88,9 107,9 127
Ход поршня, дюймы 5 5 6 6 ½ 8 8
“ “ , мм 127 127 152 165 203 203
Число ударов в минуту 360 325 125 300 250 250
Ударный груз в фунтах 350 500 625 750 1000 1500
То же в кг 159 227 284 340 454 680
Производительность за 10 часов в футах 50 60 70 70 70 70
То же в м 15 18 21 21 21 21
Диаметр шпура, мм 25,4 31,4 31,4 33 50,8 76,2
Скорость бурения, куб. дюймов в минуту 0,8 1,5 1,7 2,5 4,4 9,9
То же в см3/мин 13,1 24,6 27,8 40,9 72,1 162

Перфоратор Шрама выпускался в двух модификациях: массой 83 и 100 кг. Воздухораспределение у машины осуществлялось с помощью золотника, перемещающегося в коробке от выступа поршня при его движении.

В дальнейшем перфораторы Шрама, выпускаемые под маркой Schram und Mahler и применявшиеся в Австрии, Швеции, Англии, были значительно усовершенствованы. Золотник у машины, вынесенный на корпус перфоратора, перекидывался из одного положения в другое сжатым воздухом при движении поршня. Камера храпчатки вынесена в отдельную коробку. Подвижной осью колеса храпчатки служил винтовой стержень, жестко скрепленный с поршнем. Собачки прижимались сжатым воздухом к колесу храпчатки при прямом ходе поршня. Число ударов поршня по буру было в пределах от 300 до 400 в минуту. Отмечалось, что габариты машины позволяли бурить в выработках малого сечения.

К концу XIX века получили достаточно широкое распространение в практике перфораторы Эклипс (Eclypse) фирмы Ингерсоль. Перфораторы отличались надежностью, воздухо-распределительные и вращения бура устройства были закрыты от внешнего влияния. Подача осуществлялась от руки. Машины, обычно две, устанавливались на колонку-раму с винтовым домкратом для раскрепления рамы в стенки выработки. Рама позволяла бурить шпуры с разным наклоном и направлением к забою. Число ударов поршня машины небольшое - 200 - 250 ударов в минуту. Шпуры бурили с начальным диаметром 40 мм и конечным - 28 мм. Из недостатков этого перфоратора отмечали, что момент вращения у него был низким для бурения в некрепких породах, в глинистых сланцах, например, бур застревал.

В / 6 / описана проходка квершлага в 1886 г. по породам (82% песчаники и 18% сланцы). Бурили двумя перфораторами типа Эклипс, установленном на распорной колонке. Эксплуатационная производительность бурения - 3,8 см/мин или 2,28 м/ч, а производительность рабочего, занятого на бурении, - 0,57 м/ч. В южном нижнем забое тоннеля Bosruch работала машина типа Вервольф (завод Хофман, Айзерфелфьд/Вестфален ). При бурении ею шпуров диаметром 43 мм в сланцах чистая скорость бурения составляла 4,7 - 6,1 см/мин или 2,8 - 3,7 м/ч, а в доломитизированном известняке - 3 - 3,5 см/мин или 1,8 - 2,1 м/ч. Машины в числе четырех устанавливались на каретке, обслуживаемой 8-мью бурильщиками. В этот период ударные машины выпускались более чем пятнадцатью фирмами. В 1908 г. в практику внедрены пустотелый бур и подача воды через центральную иглу, в 1910 г. стали применять автоматическую смазку.

О классификации перфораторов. Применявшиеся в конце XIX и начале XX века ударные пневматические машины (табл. 6) классифицировались по конструкции следующим образом:

1. По устройству распределения сжатого воздуха. Золотник, регулирующий поступление сжатого воздуха в рабочий цилиндр перфоратора:
а) передвигается поршнем или его штоком; типичным примером такого типа конструкции были машины Ферру;
б) передвигается частично поршнем или его штоком, а частично непосредственно сжатым воздухом, поступающим по специальным каналам в корпусе машины (перфораторы Ингерсоль, первых модификаций, а также Dubois-Francois);
в) перекидывается из одного-крайнего в другое положение сжатым воздухом при движении поршня машины, перекрывающего или открывающего соответствующие отверстия в каналы в корпусе машины (перфораторы Эклипс, Шрама, Гумбольта); В перфораторе Дарлингтона золотник отсутствует, а воздух поступает в камеры цилиндра при движении поршня также открывающего или перекрывающего соответствующие воздушные каналы, отверстия которых выходят в цилиндр.

Таблица 6

Техническая характеристика некоторых типов перфораторов

Тип машины Параметры машин Производительность, м/ч, в породах:
масса, кг диаметр поршня, мм ход поршня, мм длина, м не крепких крепких весьма крепких
Dubois-Francois 22072 200 2,2 - - -
Ferroux 180 100 100 2,4 - - 4,5"
  100 88 150 1,0    
Frolich 75651200,96 8,55,53,4#
  85 85 150 1,16      
Jager 82 100 110 0,85 10,7 4,14 1,6+
Ingersoll (Eclypse) 103 120 70 1,1 - - -

*, #,+ - диаметр головки бура, соответственно, 41, 43, 46 мм

2. По конструкции устройства, вращающего бур:
а) шток поршня имеет продольный паз, в который входит шпонка зубчатого колеса храпчатки;
б) шток поршня снабжен винтовым пазом и поворачивается посредством сцепления с храповым колесом;
в) в поршень вставлена гайка, в которую входит стержень с винтовой нарезкой, вращающийся вместе с храповым колесом;

Долежалек по устройству вращения бура различает: в перфораторе шток поршня имеет направляющие желоба, связанные с храпчатым колесом (машина Ферру); шток поршня поворачивается особым внутренним стержнем (машины Шрама, Дарлингтона, Эклипс); шток поршня поворачивается зубчатым механизмом как у перфоратора Дюбуа-Франсуа.

3. Подача машины осуществлялась или вручную или автоматически. При автоматической подачи она производилась:
а) сжатым воздухом, поступающим в цилиндр машины, который посредством шпоночного устройства был установлен на раме корпуса машины (перфоратор Ферру);
б) за счет бесконечного винта в раме машины и посаженной на него гайки, связанной с цилиндром машины и вращающейся от храпового колеса (перфоратор типа Jager).

Шарль Демане дает несколько другую классификацию / 8 / перфораторов, различающихся по:
а) параметрам ударного движения (числа ударов и ходу поршня);
б) устройству механизма распределения сжатого воздуха, зависимого и независимого от хода поршня;
в) способу вращения бура, связанного и несвязанного с движением поршня;
г) способу подачи бура, автоматического и ручного (от руки).

В конце XIX и начале XX века активно внедрялась водяная промывка шпуров водой. Из расположенного в забое бака вода под давлением сжатого воздуха, поступающего в бак, подавалась по шлангу к устью шпура.

Параметры буровзрывных работ. С изменением технологии бурения менялись параметры буровзрывных работ. В частности, эти изменения в большей мере касались схемы расположения и глубины шпуров.

Сравнивая производительность ручного и механического бурения на 1860 г. /14/, автор обращает внимание на увеличение глубины шпуров в среднем с 0,35 м при ручном бурении до 0,54 м при машинном бурении. В начале XX в. П. Паутов /13/ делает заключение о целесообразности увеличения глубины шпуров при проведении горных выработок по причине, в частности, экономии времени на перестановку машины от одного шпура к бурению другого.

Увеличению глубины шпуров способствовало изобретение и применение на практике динамита вместо пороха. Дата изобретения и тем более начала его применения оспаривается /16, 17/. Так, А.И. Иволгин в главе "Загадочная история динамита" подробно излагает активное участие в изобретении динамита русских ученых Н.Н. Зинина (1812 - 1880) и В.Ф.Петрушевского (1829 - 1891). Другой русский ученый М.М. Боресков (1829 - 1898) в 1869 г. писал, что привилегией в изобретении динамита обладает В.Ф. Петрушевский, но не А. Нобель. "Таким образом, - пишет М.М. Боресков - открытие, сделанное в России, приписано иностранцу ..." В 1867 г. партия динамита В.Ф. Петрушевского была направлена на золотые прииски. Это был первый, как утверждают авторы, случай применения в горном деле ВВ, отличного от пороха. Однако известны и другие сведения применения динамита при проходке тоннелей уже в 1862 г./18/.

При проходке тоннелей до применения мощных ВВ в центре забоя бурили скважину большого диаметра, взрывали её и использовали как врубовую полость. Затем от бурения подобной скважины отказались. При проведении выработок в относительно некрепкой породе бурили серию параллельных шпуров, взрываемых одновременно, В конце XIX века в схемах бурения шпуров в забое стали применять врубы различной конструкции.

 

3. Электрические ударные перфораторы

Соленоидные перфораторы. Во второй половине XIX века и вплоть до начала первой мировой войны при строительстве подземных сооружений пользовались в основном пневматическими перфораторами. Однако в этот период изобретатели пристальное внимание обратили на новый вид энергии, электрическую энергию, создавая на её основе бурильные машины.

Пройдя длинный путь изобретения работоспособной электрической машины, изобретатели использовали, наконец, идею, поданную еще в 1879 г. В. Сименсом, заключающуюся в применении для ударных машин двойных соленоидных катушек. Машины, конструированные на этом принципе, находили практическое применение вплоть до 1925 г.

В первых электроперфораторах соленоиды не находили еще применения. У перфоратора Сименс-Гальске бур передвигался и ударял по породе с помощью зубчатой передачи, эксцентрика и двух гибких валов, получающих вращение от электромотора. Позже перешли на перфораторы с соленоидами. У системы Марион стержень из мягкого железа двигался в бронзовом цилиндре, имевшего на наружной его поверхности две катушки емкости, навитые в разных направлениях. Ток в катушки подавался от коммутатора, и стержень, совершая колебательные движения, наносил удары по буру.

В других системах электроперфораторов катушки получали ток непосредственно от генератора, подававшим его то в одну, то в другую катушку.

В системе Томсон-Хаустон между двумя катушками помещалась третья, в которую подавался постоянный ток, индуцировавший в железном стержне магнитное поле. Изобретателями было предложено несколько типов динамо, вырабатывавших все три разных по характеристике тока от одного генератора.

У Б.И. Бокия /19/ описан соленоидный ударный перфоратор Унион фирмы Сименс и Гальске. Перфоратор имел массу 106 кг, длину 1,19 м, средний диаметр его корпуса - 0,13 м, мощность 4 - 5 л.с. и совершал при работе до 400 ударов в минуту.

Чистая скорость бурения таким перфоратором в весьма крепких породах достигала 0,96 - 2,7 м/ч. Однако в публикациях о применении машин обращалось внимание на их ненадежность, 73% рабочего времени при бурении тратилось на замену самого перфоратора и буров.

Основные принципы конструирования, принятые в тот период для ударных машин, сохранились и при создании электроперфораторов. Машина ставилась на лафетный податчик с ручной винтовой подачей. Для смягчения удара обратного хода ставились буферные пружины, способствующие к тому же более полному использованию энергии прямого ударного хода (рис. 2.9).

В конце XIX века И.С. Кеннегисер приводит данные производительности электроперфоратора "Унион": чистая и эксплуатацинная скорость бурения шпуров диаметром от 24 до 60 мм в очень твердом железняке составляла, мм/мин, соответственно, 44,13 и 14,2, в твердом железняке - 45,78 и 15,96, в сланцах, в зависимости от их твердости, чистая скорость - от 46,41 до 75,14 и эксплуатационная скорость - от 14,84 до 21,76 или 0,9 - 1,3 м/ч. Перфораторы имели диаметр ударной части поршня 125 мм, массу - 100 кг и длину всей машины 1,15 м /5/.


Рис. 2.9

В 1900 - 1901 гг. электроперфораторы применялись при строительстве одного из тоннелей Янгфраубан. Ими бурили шпуры диаметром 47 мм, в крепких известняках юрского периода чистая скорость бурения составляла 2,2 см/мин или 1,32 м/ч. При другой проходке шпуры бурили диаметром 40 мм, обеспечивая чистую скорость бурения в доломитах от 5 до 18 см/мин, а в гранитах - 4 см/мин, т.е. соответственно, 3 - 10,8 м/ч и 2,4 м/ч.

Крупным недостатком таких машин были большие тепловые потери, сильный нагрев перфоратора при разнополюсной подаче электротока, и превышающие нормативы напряжения в металлических деталях машины, Для уменьшения нагрева поверх корпуса машины делались специальные кожухи, под которые для охлаждения перфоратора подавалась вода. Система охлаждения делала машину тяжелой и практически не уменьшала частые выходы перфоратора из строя.

Находили применение также машины, работавшие на уже известном принципе соединения поршня с буром через кривошипный механизм, усовершенствованный Гофманом, предложившим в 1891 г. спиральную пружину как демпфирующий элемент между поршнем и кривошипным механизмом. Мотор соединялся с механизмом машины или непосредственно или через гибкий вал.

В 1901 г. в Австрии при строительстве тоннеля в Каринтии была применена машина конструкции Найбера фирмы Сименс-Шукерт. В частности, машины марки SS/01 мощностью в 1 и 2 л.с. находили довольно широкое применение (см. рис. 2.9). Маховик на машине с фрикционной муфтой защищал мотор от перегрузок, а с внедрением пустотелой буровой стали внедрена водяная промывка шпура через передний сальник и вспомогательный шланг. В зависимости от типа машины перфоратор имел массу от 100 до 235 кг, сердечник совершал от 400 до 500 ударов в минуту при его ходе от 60 до 90 мм.

В этой провинции с помощью электрических поршневых машин проходили большую часть тоннелей (1902-1906 гг., 7976 м). Четыре машины, установленные на каретке, обеспечивали достаточно высокую производительность бурения. Шпуры диаметром 40 - 50 мм в известняке, доломите и песчанике бурили с чистой скоростью от 2,5 до 4,8 см/мин или 1,5 - 2,9 м/ч. Позже подобные машины применялись в забоях при проходке Hartbergtunnel в Австрии (1908 - 1910 гг., 2477 м).

Преимущества электропоршневых машин обеспечивалось меньшим потреблением энергии, высоким к.п.д., до 0,7, (к.п.д. пневматических машин в лучшем случае достигал 0,3), достаточно мощным ударом и высокой эффективностью передачи его энергии в породу, а также относительно небольшой отдачей при обратном ходе ударника.

Однако ненадежность электрических ударных перфораторов сводила на нет все их преимущества. Достаточно надежные, технологически гибкие и безопасные при их применении в забое пневматические перфораторы были вне конкуренции.

Пульсары. В начале века были довольно удачные попытки соединить в одной машине два вида энергии и преимущества пневматических и электрических машин. В 1904 г. R. Temple предложил для бурения так называемый Пульсар. Он конструктивно состоял из ударной пневматической машины, но без систем воздухо-распределения, и находящегося рядом компрессора с электроприводом от мотора мощностью 6 л.с. Сжатый воздух в переднюю и заднюю части цилиндра поршневой камеры ударной машины подавался непосредственно от компрессора по коротким шлангам, что обеспечивало небольшие потери энергии и высокую производительность агрегата.

Подобные машины применялись на одном из рудников в Колорадо. Машины выпускались четырех типов и имели диаметр поршня ударного перфоратора 92 - 143 мм, ход поршня - 161 - 500 мм и массу 57 - 125 кг. В 1906 г. эти машины применялись в передовом забое Lotschbergtunnels. В 1909 г. машинами этого типа пройдено 770 м выработок в забоях тоннеля Heiderberg. применялись они также при строительстве тоннеля Инсбрук-Зеефельд (1910 - 1912 гг., 1809 м) и на рудниках, обеспечивая проходку выработок сечением 6 м2 2 м в сутки и чистую скорость бурения 4 см/мин (2,4 м/ч).

В Германии Пульсар Сименс-Шукерт использовали для бурения с 1900 г. В 1918 г. машина такого типа под маркой фирмы Demag-Fein применялась на поверхности, на треноге (см. рис. 2.6). Машина имела существенное конструктивное изменение в системе воздухораспределения. Для уменьшения потерь воздуха и повышения к.п.д. агрегата использовался подсос воздуха в компрессор при обратном ходе ударной машины. Эта машина имела диаметр поршня ударника 180 мм, ход поршня - 160 мм, число ударов поршня 420 в минуту и мощность электродвигателя 5 кВт.

Пульсары выпускались и другими фирмами. Фирма Temple-Ingersol выпускала три типа Пульсаров с электромоторами 2,9, 4,6, 5,8 л.с., с диаметром цилиндра ударника, соответственно, 90, 120, 140 мм, ходом его поршня - 170, 175, 200 мм и числом ударов в минуту 475, 440, 400. В мотор подавался ток напряжением 220 Вт. Масса агрегата в зависимости от типа составляла от 770 до 900 кг. Машиной бурили шпуры диаметром от 38 до 70 мм.

Несмотря на отмеченные преимущества агрегатов, при использовании их в забоях горных выработок Пульсары не выдерживали конкуренции с пневматическими машинами по причине их громоздкости и большой массы.

 

4. Вращательное бурение

Вращательные приборы. Параллельно с внедрением в практику машин ударного бурения в середине XIX века широкое распространение получили ручные, приводимые в действие энергией человека вращательные приборы (сверла) для бурения шпуров в относительно некрепкой породе (соли, сланцы, уголь).

Все приборы для вращательного бурения, за исключением простого коловорота Лоха, устанавливались на распорной колонке; сверло вращалось одним или двумя бурильщиками, а подача бура чаще всего осуществлялась бесконечным винтом, проходящим через гайку и соединенным различным способом с буром.

Конструкция коловорота, издавна применяемого горняками, постоянно совершенствовалась. В /6/ подробно описаны различные конструкции сверл. Прибор Лисбе, предложенный изобретателем в начале 70-х годов XIX века, состоял из пустотелого стержня с прикрепленной к нему муфтой. Стержень проходил через гайку, вращавшуюся в подшипнике на распорной колонке-раме. Собственно бур помещался внутри стержня и на конце имел храпчатку, он свободно вращался в стержне, но мог получать вместе с ним поступательное движение на забой. Для подачи бура на забой через муфту на стержне проходили две чеки, которые захватывали бур, а к муфте подвигали храпчатое колесо так, чтобы зубец храпчатого колеса входил в зацепление с её зубьями. Стержень, поворачиваясь в гайке, получал вместе с буром поступательное движение. Если вращать рукоять с буром было трудно, то храпчатое колесо отодвигали от муфты, и бур свободно вращался. Отмечалось, что в некрепких породах подвигание бура на забой относительно постоянно, но с увеличением крепости породы операцию освобождения бура приходилось производить все чаще и чаще, и прибор становился невыгодным для бурения. Прибором в сланцах бурили шпуры диаметром 50 мм, а в некрепком песчанике - 35 мм.

С помощью такого прибора в сланцах за три смены (по два человека в смену) проходили 2,4 м штрека сечением 2,2х2,25 м, а в песчаниках - 0,66 м. По опыту применения сверла в Эрфурте при проведении выработок по соли отмечалось, что без сверла за 10-ти часовую смену добывали 20 центнеров соли, а с применением сверла - на 25 - 30% больше. В очистных забоях добывали. соответственно, 160 - 170 и 260 - 270 центнеров соли.

Отмечались такие недостатки прибора, как его громоздкость, невозможность применения в выработках большого сечения, низкая производительность при бурении в относительно крепких породах. Последний недостаток в некоторой степени устранялся в приборах конструкции Эллиота, Шербоньер, Жюбиле, Универсал.

В сверле Эллиота бур 1 проходил через винт 2, связанным с подвижным зубчатым колесом 3, состоявшим из двух половин. Половинки колес соединялись с одной стороны шарниром, а с другой стягивались хомутом, натяжной винт 4 которого позволял увеличивать или уменьшать скорость подачи сверла (рис. 2.10). На конец бура надевали кольцо Х, в которое упирался конец винта 2.


Рис. 2.10

Перфоратор Жюбиле (Jubile) подвешивался на распорной стойке по способу Кардана, а подающая сверло муфта снабжалась левой резьбой, и бур автоматически провертывался, если крепость породы не соответствовала шагу принятой нарезки винта подачи бура.

Сверло конструкции Тома также как и сверло Лисбе имело муфту, винтовой стержень и проходящий через него бур, но в сверле Тома стержень состоял из двух половин. Бур можно было зажимать внутри стержня и, таким образом, подавать его на забой.

Подобные приборы применялись вплоть до тридцатых годов XX века. Б.И Бокий /20/ описывает коловорот Лоха, приборы Рачетта с двумя рукоятками, Лисбе, Ярмолимека с дифференциальной подачей и описанный выше аппарат Эллиота.

Производительность бурения (табл. 7) при использовании приборов вращательного бурения для того периода была довольно высокой.

Буры, армированные алмазами. В XIX веке были попытки внедрить алмазное бурение шпуров. Предлагались приборы с ручным и механическим приводом. В 1860 г. швейцарский часовой мастер Лешот предложил алмазное сверло.

Первый аппарат Лешота применен в 1863 г. в Франфурте, он представлял собой трубу диаметром 43 мм с 8-мью алмазами на её конце и выбуривал керн диаметром 35 мм. Бур вращали один-два человека, делая 30 оборотов в минуту. Скорость бурения таким аппаратом в гранитах составляла 0,25 - 0,6 м/ч.

В /3/ приводятся данные бурения прибором Лешота: в весьма крепких породах - 2,3 см/мин, в крепких - 4,4 см/мин или 1,4 -2,6 м/ч.

Перфоратором типа Taverdon алмазными сверлами бурили в весьма крепких породах со скоростью 7 см/мин (4,2 м/ч), или 28 см3/мин, а в единицах затраченной работы - 355 кгм. В крепких породах, соответственно, 17,1 (10 м/ч), 68,5 и 157.

Таблица 7

Производительность ручного вращательного бурения

Тип прибора и характер породы Человек в звене Диаметр головок комплекта буров, мм Скорость бурения, см/мин
Чистая Средняя #
Лисбе. Глинистый сланец 1 43 41,5 39 33 1,71 1,38
Жюбиле. Тоже с желваком 2 43 42 39 35 2,69 2,1
Тоже. Песчанистый сланец 2 43 42 39 30 9,95 7,0

# C учетом вспомогательных операций

Фирмой Шукерт и Ко предложен прибор с водяным двигателем мощностью 2,7 л.с., работавшим при давлении воды 3 - 15 атм. и дававшим 1400 - 1500 оборотов в минуту. При бурении в весьма крепких породах перфоратор обеспечивал чистую скорость бурения 7,5 см/мин (4,5 м/ч) или 59,4 см3/мин, расходуя на бурение 180 кгм, а в крепких породах, соответственно, 12,5 см/мин, 99,17 см3/мин и 108 кгм.

Однако алмазное бурение по причине дороговизны широкого распространения не получило.

Гидравлические сверла. В середине XIX века водяной двигатель использовали для механизации вращательного бурения стальными бурами. В первых аппаратах, предложенных конструкторами в начале 70-х годов этого века, использовали двигатели, работавшими на энергии воды, подававшейся под давлением 10-15 атм.

Удачная конструкция гидравлического сверла была предложена Альфредом Брандтом, в первых двигателях этого типа вода подавалась под давлением 20 атм., а в последующих модификациях - 40-80 атм.

Конструктивная схема устройства машины Брандта следующая (рис. 2.11). Гидравлический поршневой двухцилиндровый двигатель через кривошипный механизм передавал вращение на червячный вал и червячную шестерню на ободе цилиндра и, таким образом, приводил во вращение цилиндр и соединенный с ним бур через промежуточную крыльчатку с выступами. Выступы крыльчатки скользили по внутренним пазам еще одного цилиндра. В цилиндр с пазами подавалась напорная вода для подачи на забой медленно вращающегося бура.

Бур представлял собой трубу с внешним диаметром 75-80 мм и внутренним 50-60 мм, на конце трубы имелось стальное кольцо с 3-5 зазубренными выступами. Для удаления из шпура буровой мелочи по трубе под давлением подавалась вода.


Рис. 2.11

Машины устанавливались на каретке (рис. 2.12) в числе от двух до четырех. Каретку обслуживало 2 человека.

Первая машина Брандта была изготовлена в 1876 г. фирмой Gebruder Sulzer in Winterthur. Машина делала от 3 до 14 оборотов в минуту, бур диаметром от 40 до 80 мм воспринимал давление подачи от 12 до 15 т. Расход воды для промывки составлял от 1 до 2 литров в секунду. Масса машины - 250 кг. Впервые машины Брандта применялись при строительстве Sonnsteintunnels bei Gmunden (1876 - 1877 гг., 1428 м), далее в забоях главной штольни тоннеля Alberg-West (1880 - 1884 гг.,10260 м), при строительстве Simplon 1 (1898 - 1906 гг., 19729 м), Albula (1898 - 1903 гг., 5860 м) и Tauern (1901 - 1905 гг., 8551 м). Чистая скорость (табл. 8) бурения машиной шпуров диаметром 70 мм в граните составляла 2 - 4 см/мин (1,2 - 2,4 м/ч), в порфире - 1,5 - 3 см/мин (0,9 - 1,8 м/ч).


Рис. 2.12

Таблица 8

Производительность машины Брандта первого и второго типа

Тип Порода Р dс vч Место
1 Гранит крепкий 40-80 6 2-4 С.Готтар, пробная штольня
- Доломит очень крепкий 75 8 3 Тоннель Зольштейн
- Песчаник крупнозернистый 85 8 3-4 Тоннель Воксенштейн
- Порфир конгломерат 110 6 3 То же
- Тоже с кремнистым сланцем 150 8 1,2 То же
- Порфир 120 6 1,5-3 Плаунские копи
2 Слюдяные сланцы 100 7 5 Албергский тоннель
- Гнейс 85 6-8 4 Фрейберские копи
- Известняк - 10 1,5-2,5 Генуэзский порт

Р - давление воды в атм; dс - диаметр скважины (шпура), см;
vч - чистая скорость бурения, см/мин.

Машины Брандта использовались и при проведении выработок в шахтах и рудниках. В 1886 г. на шахте Шамрок при проведении полевого штрека сечением 5 м2 при применении машины такого типа темпы проходки увеличились почти вдвое, достигнув 1,13 м в сутки

Неразрешимой проблемой, сводящей на нет все преимущества машины, был большой расход буров. При бурении в гнейсах на 1 м шпура тратилось 10 - 12 буров. Кроме того, на бурение машиной расходовалось большое количество воды. Тем не менее, сверло Брандта применялось при проведении выработок вплоть до 20-х годов XX века.

 

5. Производительность бурения различными способами

Производительность бурения в конце XIX века. Применение в середине XIX века (табл. 9, 10). машин для бурения шпуров не привело к полной замене традиционного ручного бурения, по экономическим показателям успешно конкурировавшего с машинным бурением продолжительное время.

При анализе затрат на бурение пневматическими перфораторами Дюбуа-Франсуа Общество Dulli-Grenau пришло к выводу, что при проведении квершлагов сечением 2х2,7 м, где бурили 18 - 20 шпуров глубиной 1 м, затраты на производство сжатого воздуха и содержание перфораторов составляли чистую потерю средств по сравнению с ручным бурением. Перфораторы применяли, как правило, при проходке тоннелей (см. табл. 9), где снижение сроков строительства сооружения окупало затраты на механическое бурение, которое на первых порах и там не всегда применялось. В забоях С.Готтарского тоннеля, например, при бурении в известняках, т.е. с увеличением крепости пород, уже не применяли механическое бурение.

Тем не менее, к концу XIX века механическое бурение стало внедряться более активно, особенно при проходке тоннелей (табл. 11, 12). Росла чистая скорость бурения, она при бурении железняка составляла, см/мин, 0,9 , гранита - 2,0, сланцев, известняка и доломитов - 2,5 и некрепкого песчаника - 3 или в м/ч, соответственно, 0,54, 1,2, 1,5, 1,8 /5/.

Производительность бурения в начале XX века. В начале века в производство внедрялись молотковые пневматические перфораторы, известные под термином Джеки. Применение их в горном деле открыло новое направление в технологии мелкошпурового бурения и разговор о нем должен, очевидно, вестись особый. Первый опыт их применения (табл. 13) анализируется в /3/.

Таблица 9

Ручное и механическое бурение в квершлагах и тоннелях

Параметры Квершлаги Тоннели
В М В М
Крепкие породы, % 47 33 87 87
Сечение выработки, м2 4 4,22 7,27 7,01
Численность звена (средняя) 3,33 4 11 26
Глубина шпуров, м 0,47 1,187 0,75 1,075
Подвигание, м:  
среднее 0,39 1,228 0,525 2,558
максимальное в сутки 0,527 1,561 0,780 4,5
на 1 м шпура 0,078 0,046 0,144 0,028
Число шпуров:  
на забой 14 26 22 40
на 1 м проходки 30 21,7 30 37,6
на 1 м2 1,84 3,224 0,8 5,13
Время бурения:  
на 1 м шпура 14,1 23,45 22,5 21,22
на 1 м3 породы 3,17 4,92 3,0 5,68
Расход ВВ:  
на 1 м проходки 4,75 10,17 - 31,13
на 1 м3 породы 1,24 6,56 - 4,4
Производительность м/ч  
бурения забоя 4,29 2,55 2,65 2,82
бурильщика 1,28 0,638 0,24 0,108
Средняя зарплата в смену, франки 3,37 2,8 - 3,78
Стоимость, франки:  
1 м проходки 73,4 103,94 301 511,2
1 м3 проходки 23,4 24,34 38,2 68,38

В таблице: В-вручную, М- машинами

К началу второго десятилетия механическое бурение шпуров начинает внедряться на рудниках России. На рудниках Урала /21/ при ручном бурении скорость проведения горизонтальных выработок сечением 2,13х2,33 м составляла не более 4 сажень (8,53 м), а по крепким породам - 1,9 сажени (4,05 м) в месяц. С внедрением электроперфоратора (рудники Н. Тагила) и пневмоперфораторов проходка увеличилась до 8 – 9 саженей.

Таблица 10

Тоннели и штольни, проходимые с использованием ручного бурения

Годыназваниеместо проведенияДлина, км Сечение, м х м
1627 штольня в Шемнице (K.Weidel) Словакия - -
1679-1681 в.т. Франция 0,37 7,3х9,7
1775-1777 в.т.Harecastie Англия 2,1 2,7х3,7
1794-1811 в.т.Standeded Англия 1,6 -
1826, Terrenire ж.д.т. Франция - -
1826-1829 в.т.около Лиона Франция - -
1826-1830 ж.д.т. к Ливерпулю Англия 2,047 -
1831-1833 ж.д.т. Алехане-Портейж США 0,33 -
1836-1843 ж.д.т. Вудхед 1 Англия 4,8 -
1839 ж.д.т. Гумбольткирхен Германия 0,2 -
1844-1877 штольня,Фрайберг/Захсен Германия 13,9 -
1846-1849 ж.д.т. Стандеж Англия 1,6 -
1847-1852 ж.д.т. Вудхед 2 Англия 4,8 -
1849-1852 ж.д.т.Смеринг-Шайтель Германия 1,4 -
1851-1864 штольня, Гарц Австрия 26 -
1853-1858 штольня, Хауенштайн Германия 2,45 -
1857-1861 ж.д.т.,Монт-Сени Италия/Швейцария 1,6 * (9 м2)
1878-1880 ж.д.т.,Осакоямо-Токайдо Япония 0,67 -
1903-1910 ж.д.т.,Рикен Швейцария 8,6 -
1910-1912 ж.д.т.,Мартисванд Инсбрук-Шифельд 1,1 ** =

В таблице - в.т. - водный тоннель, ж.д.т.- железнодорожный тоннель.
* Общая длина тоннеля 12,2 км, окончание строительства в 1871 г. При ручном бурении месячная скорость проведения достигала 32 м, при средней скорости - 19 м. Применялся черный порох.
** Общая длина тоннеля 1,8 км. Применяли динамит, как и при проходке тоннеля Рикед.

Н.В. Трушковым описывается хорошо организованная проходка выработки, когда в 1911 г. за месяц прошли более 50 м. Применяли колонковый перфоратор фирмы Ингерсоль-Серджент с диаметром цилиндра 31,75 мм (2 ¼"), ходом поршня 165 мм (6 ½") и числом ударов 375 в минуту. За месяц отработано 79 перфораторных смен бурения шпуров и при средней глубине шпуров 0,63 м всего пробурено 481,349 м шпуров. В восьмичасовую смену работали бурильщик и его помощник.

Таблица 11

Чистая скорость бурения пневматическими машинами в XIX и начале XX века при проведении железнодорожных тоннелей

Наименование проходки Годы Тип машины Наименование пород Скорость, см/мин
Монт-Сени 1857-1870 Соммейлер Сланец, песчаник известняк 2-3
Арлберг 1880 Ферроу Сланец 3,1
Турчино 1889-1893 Ферроу и Сегуин Известняк и известковый сланец 3-5
Босрук 1901-1906 Гатти и Ворвольф Доломит,сланец, ангидрит 3,6-6,6 до 3-9
Лечберг 1906-1912 Ингерсоль-Рэнд (IR) Известняк, сланец 4,5
= - Майер Сланец, известняк 4,3, 6,4
- 1909 Майер Н4 Гранит 7,6
  IR Гранит, гнейсталлический сланец 2,6-4,5
Хайнштейн 1912-1916 Вестфалия, 18 кг Сланцы, гибс, известковый мергель 13-28

Таблица 12

Производительность бурения и бурильщика (в тоннелях)

А S П ТСБ vэ Lб
Стилвел, 0,79 км, 1906 4,64 Конгломерат андезит -2 шт.IR, вк, (4) 1,5-3 0,375-0,75
Джокер, 1,54 км, 1907 12 - 2-3 L, - вк, (4-5) 4,5 0,9-1,2
Офелия 2,59 км, 1907 7,4 Гранит и брекчия 2 шт. S, вк, ( 4 ) 2,4-3 0,6 - 0,75
Буфало Уотер 2 км, 1910 11,1 Известняк 4 шт.IR колонки, ( 8) 1,8-2,1 0,225 - 0,26
Картер, 2 км 1910 3,8 Гнейс 2 шт.L, колонки, 3( 3) 3 1,0
Рондаун Сифон, 7,19 км, 1911 11 Известняк и сланец 4 шт.IR колонки, ( 8 ) 2,4 0,3
Уолкил Сифон, 7,13 км, 1910 11,1 Сланец 4 шт.IR, вк ( 8) 3,15 0,39-0,6
Централ, 2,74 км, 1910 3,24 Гнейс 2 шт.L гк ( 4 ) 2,4-4,8 0,6-1,2
Голд Линкс, 1,19 км, 1912 4,45 Гнейс 1 шт.IR, вк (2 ) 2,4-3 1,2-1,5
Ларами-Паудре, 3,14 км, 1911 6,48 Гранит 3 шт.L, гк, ( 5 ) 4,5 0,9
Литл Лэйк, - 1913 13,42 Мягкий гранит 2 шт. L, гк, (4) 4,75 1,2
Лакания, 1,95 км, 1911 6,02Гранит 3 шт. L, вк, (5) 3,9 0,78
Маршал Рассел, 1,95 км, 1911 6,68 Гранит и гнейс 2 шт. L, -вк, (4) 3 - 6 0,75-1,5
Нью Хаус, 6,7 км, 1910 6,02 Гнейс 2-3 шт.L - гк и вк, ( 4-5) 3 0,6-0,75
Юта металл, 3,59 км, - 7,41 Кварцит 2 шт. S, гк (4) 3,9 0,97
Елизавет лэйк, 6,36 км, 1911 8,33 Гранит 2 шт. L гк ( 4) 30,75-1,12
Рэйли, 1,9 км, 1912 5,1 Андезит 2 шт. L вк, ( 4 ) 4,5-6 1,12-1,5
Шейккрик, 4,26 км 1916 6,02 Диабаз 2 шт. S - гк, ( 4 ) 2,4-3,6 0,6-0,9

В таблице 12: А-название проходки, длина и год, S - сечение выработки, м2,
П - породы,
vэ, Lб - производительность бурения и бурильщика, м/ч,
ТСБ- технические средства бурения, в скобках – числен- ность звена бурильщиков.

Производительность на члена звена бурильщиков составляла 0,38 м/ч, а производительность бурения - 0,78 м/ч / 21 /.

Представляет интерес оценка пневматического бурения Б.И. Бокий. В 1914 г. / 19 /. Он пишет, что в глинистых сланцах чистая скорость бурения пневматическими перфораторами в 1,5 раза выше, чем при ручном бурении, но в песчанике стоимость ручного бурения уже ниже, чем при бурении перфораторами.

Оценивая производительность различных способов бурения в конце второго десятилетия XX века (табл. 14), Б.И. Бокий / 20 / не меняет мнения о ручном бурении, делая заключение, что с увеличением крепости пород преимущество бурения перфораторами в песчаниках уже теряется, а стоимость ручного бурения в песчанике ниже, чем при бурении перфораторами.

Таблица 13

Показатели эффективности пневматических и электрических машин

Показатели Тип перфораторов
Колонковые Электрческие Джеки Ручное бурение
Весьма крепкие породы
Скорость бурения  
чистая, см/мин 4 3,5 2,5 0,6 - 0,7
-х- см3/мин 52,3 25 11,2 3
Работа, кгм/см3 651 465 350 91
Крепкие породы
Скорость бурения: 
чистая, см/мин 4,5 4,9 - 1
-х- , см3/мин 58 35,6 - 8
Работа, кгм/см3 350 391 - 30
Ломкие породы
Скорость бурения: 
чистая, см/мин 8,8 5,1 4,2 2,7
-х- , см3/мин 126,7 36,9 20 24,5
Работа, кгм/см,3 232 - 70 14

Оценивая производительность различных способов бурения в конце второго десятилетия XX века (табл. 14), Б.И. Бокий / 20 / не меняет мнения о ручном бурении, делая заключение, что с увеличением крепости пород преимущество бурения перфораторами в песчаниках уже теряется, а стоимость ручного бурения в песчанике ниже, чем при бурении перфораторами.

В мягких и ломких породах наиболее экономично, пишет он, ручное бурение вращательными аппаратами. В крепких породах экономичнее ручное бурение. Машинное бурение более рационально в весьма крепких породах, в которых чистая скорость бурения в 5 - 6 раз выше, чем при ручном бурении. Однако при этом отмечалось, что при переходе на машинное бурение многократно, в 6 - 7 раз, увеличивались затраты энергии. Поэтому, как он пишет, машинное бурение применяется в основном при проходке тоннелей, где большие затраты энергии окупаются высокой скоростью проходки выработки.

Ручное бурение медленно сдавало свои позиции. Если последний тоннель с ручным бурением в забое пройден в 1912 г., то на рудниках ручное бурение применялось в тридцатые годы во многих странах и, в частности, в Испании, Южной Америке и в России.

Таблица 14

Производительность бурения различными способами

Способ бурения Характер породы Скорость бурения
Чистая, мм/мин Эксплуатационная, м/ч
Ручное ударное Слабые 110,36 - 0,97
Крепкие 1,8 - 3 0,02 - 0,06
Весьма крепкие 0,27 - 1,0 0,008- 0,03
Вращательное прибором: 
Рачетта и Эллиот Уголь - 2,41 - 3
Лисбе Сланец: глинистый - 0,8 - 1,6
- Песчаник - 0,36 - 0,6
Электросверло Гранит 10 - 40 1,2 - 1,5
- Известняк, песчаник 50 - 100# 1,5 - 4,2
- Соль, уголь, песчанистый сланец 100 – 900 1,5- 2,7
Электроударные: 
Унион Гранит 16 - 45 0,5 - 1,35
Сименс-Гальске Крепкие 45 - 60 1,35 - 1,8
Пневмоперфораторы:  
колонковые Весьма крепкие 10 - 40 -
- Крепкие 40 - 80 -
- Мягкие 80 - 150 1,5
Джеки Известняки, песчаники, сланцы   2,5 - 4

#До 140 мм/мин при бурении с промывкой шпуров водой

Тем не менее, уже в начале века были примеры высокой организации работ при проведении выработок небольшого сечения на рудниках. На рудниках Hot time (CША) в начале века выработку сечением 5 x 7 ½ ft (1,52х2,29 м) по гранитам, гнейсам и, частично, сланцам проходили с месячной скоростью 73 м. Бурили в забое 15 шпуров глубиной 6 ft (1,8 м) диаметром 1 ⅓"(34 мм).

Представляет интерес стоимость проведения такой выработки по статьям затрат. Стоимость проведения 1 ft выработки составляла 13,428 доллара, включая заработную плату - 5,646, сжатый воздух и бурение - 1,236, взрывчатые материалы - 2,828, транспорт породы – 0,72, материальные затраты на оборудование - 0,781, ремонт перфораторов - 0,651, заправка буров - 0,545, содержание мулов - 1,112, разные мелкие затраты - 0,5 доллара /22/.