Твердая и глубокая горная порода, разрываемая «кровавой дорогой» под оглушительный грохот традиционного буровзрывного метода, оставляет после себя острую боль: нерегулярное дробление породы, свирепствующую пыль, шум и вредные газы, а также такие неизбежные риски безопасности, как обрушения и вывалы. В то же время, метод фрезерования, на который в последнее время возлагались большие надежды, страдает от хронических проблем — высокого энергопотребления, сильного износа инструмента и неспособности «прогрызть» твердую породу. Столкнувшись с этой вековой проблемой горнодобывающей отрасли, исследовательская группа в составе Лю Сяохуэй, Дун Сыюй и Лю Бинъянь из Института строительной и дорожной техники Чанъаньского университета опубликовала прорывные результаты в «Журнале Сианьского университета науки и технологий», впервые предложив новое ротационное магнитно-импульсное устройство для разрушения породы, которое фундаментально меняет физический принцип механического резания и открывает новый путь дробления горных пород — экологически чистый, с низким уровнем возмущения и высокой эффективностью.

Тройной тупик традиционного разрушения породы

Долгое время дробление горных пород основывалось главным образом на двух технических системах: буровзрывной метод разрушает породу ударной волной взрывчатки, и хотя его эффективность приемлема, он всегда сопряжен с серьезными рисками для безопасности и неприемлемыми экологическими издержками; метод фрезерования основан на принудительном сжатии и сдвиге породы резцами, но при работе с твердыми породами резцы как будто «трутся на месте», огромная потребность в крутящем моменте приводит к стремительному росту энергопотребления и износа зубьев, а вибрация дисковой фрезы может вызвать отслоение окружающей породы. Как достичь единства разрушения породы и сохранения устойчивости, как найти баланс между снижением энергопотребления и повышением эффективности — это проверка ключевых инновационных способностей всей горнодобывающей отрасли.

Магнитный удар: зеленая, эффективная инженерная революция с низким уровнем возмущения

Команда Чанъаньского университета полностью отказалась от традиционной идеи «силового дробления» и разработала новую конструкцию магнитно-импульсного устройства. Суть этой технологии заключается в следующем: когда двигатель приводит во вращение постоянные магниты или электромагнитный диск в магнитно-импульсном устройстве, между магнитами возникает переменная магнитная сила. Когда магнитная сила взаимодействует с ударной силой, прикладываемой вращательным механизмом, достигается синергетическое разрушение породы по принципу «удар-сдвиг». Это обеспечивает чистоту рабочего процесса в физическом пространстве — взрывчатка больше не нужна, резцы не требуются, а громоздкое оборудование для пыле- и газоочистки может быть значительно упрощено. Это решает хроническую проблему высокого энергопотребления — в режиме вращательного удара буровая коронка эффективно работает каждую секунду, а не «пробуксовывает на месте» в твердой породе.

Поиск оптимального решения: многопараметрическая оптимизация со стабильным пиковым ударным усилием 950 Н

Ключ к реализации этих преимуществ лежит не только в новой концепции магнитного удара, но и в строгих научных изысканиях команды. С помощью построения динамической модели и замкнутой верификации «симуляция-эксперимент» они превратили «черный ящик» в поддающийся расчетам и оптимизации «белый ящик». Фундаментальные теоретические исследования привели к обнадеживающим инженерным выводам: с увеличением толщины и радиуса магнита магнитная сила возрастает, но темпы роста постепенно снижаются; увеличение числа пар полюсов не всегда полезно, напротив, оно может привести к снижению магнитной силы — этот «эффект сходимости» дает важные ориентиры для проектирования компактных магнитных цепей. С ростом частоты ударов ускорение магнита увеличивается, время одиночного удара сокращается, а кривая изменения магнитной силы становится более крутой — «высокочастотная быстрая ковка» способствует накоплению микроповреждений и повышает эффективность дробления. Что еще более важно, в ходе испытаний на 5 различных частотах ударов пиковое значение магнитной силы неожиданно стабилизировалось на уровне около 950 Н, практически не завися от изменения частоты. Это означает, что устройство может выдавать ударную нагрузку постоянной величины и регулируемой частоты на породоразрушающий инструмент, что задает воспроизводимый механический ориентир для последующего инженерного проектирования.

Широкие перспективы новой инфраструктуры разрушения породы, ускоряющей переход шахт к глубокой интеллектуализации

По мере реализации новых требований государственного 15-го пятилетнего плана по безопасности горных работ и высококачественному развитию, проходка горных выработок ускоренно движется к полной автоматизации и интеллектуализации. Этот прорыв Чанъаньского университета как раз и предлагает отрасли ключевое аппаратное решение, способное поддержать эту трансформацию. Оно потенциально может работать в средах с высоким риском взрыва традиционной угольной пыли и газа, раскрывая свою ценность в таких сценариях, как скоростная проходка породных выработок, прокладка туннелей, дробление сверхтвердых минералов. Кроме того, магнитно-импульсное устройство по своей природе подходит для дистанционного управления и сигнального контроля, что позволяет легко интегрировать его в будущие интеллектуальные шахтные платформы для добычи с «полным восприятием и всепогодным» режимом работы. Можно предвидеть, что в будущих интеллектуальных проходческих забоях беспилотное, дистанционно управляемое магнитно-импульсное оборудование станет надежной гарантией эффективности и безопасности. Оно позволит чистому шахтному воздуху заменить дым от взрывов, напоминающий послевоенные руины, заменит оглушительный грохот на точный и контролируемый магнитный стук, и переместит шахтеров с самой опасной передовой линии в безопасные и светлые диспетчерские центры.

Открытие новой эры горных разработок

От оглушительного грохота взрывов пороха до резкого скрежета вгрызающихся в породу резцов — способ, которым человечество веками покоряло подземные недра, незаметно переписывается магнитной силой. Команда Чанъаньского университета, начав с магнитно-импульсного устройства для разрушения породы, предлагает Китаю и всей мировой горнодобывающей промышленности жизнеспособный путь развития — эффективный, чистый и с низким уровнем возмущения.