В 2025 году разведанные запасы калийных солей в России увеличились на три миллиарда тонн благодаря открытию новых месторождений. Помимо сельского хозяйства, калийные соединения широко применяются в пищевой промышленности в качестве добавок, в фармацевтике для производства лекарств, в металлургии при изготовлении теплоносителей, а также при создании специальных видов стекла и моющих средств.
Однако добыча этих ценных ресурсов сопряжена с серьезными трудностями. Соляные шахты постоянно находятся под угрозой прорыва подземных вод. Такие затопления остаются проблемой, не теряющей свою актуальность и сегодня. Каждая новая катастрофа, как затопление шахты «Тейбл-Рок» в Канаде в 1975 году, масштабная авария на немецком руднике «Нойштассфурт» в 1986-м или трагедия Березниковского в 2006 году — сопровождается колоссальными материальными убытками и катастрофическими последствиями для экологии региона. Эти события, разделенные десятилетиями и тысячами километров, наглядно доказывают, что проблема затопления — не локальная беда отдельных предприятий, а глобальный вызов для всей добывающей отрасли.
Калийные рудники постоянно находятся под угрозой затопления из-за особенностей геологического строения. Соляной массив имеет слоистую структуру: пласты ценной калийной соли отделены от вышележащих водонасыщенных горизонтов защитным слоем плотных водонепроницаемых пород. Целостность этого природного барьера нарушается как по естественным причинам — из-за тектонических процессов и горного давления, так и в результате проходческих и очистных работ.
Ключевая опасность для калийных шахт заключается в способности солей растворяться, образуя при контакте с водой рассол, который заполняет выработки, расширяет трещины и стремительно формирует подземные полости.
Наиболее опасно воздействие рассола на целики — специально оставленные нетронутыми массивы соли, которые выполняют роль несущих колонн, поддерживающих кровлю горных выработок. Их потеря провоцирует масштабное обрушение, которое открывает новые пути для лавинообразного нарастания водного притока. В результате быстро развивающаяся цепная реакция приводит к катастрофическому заполнению выработок грунтовыми водами, которые угрожают людям и оборудованию, а на поверхности могут образоваться обширные провалы.
Для борьбы с затоплением существуют различные методы, но все они имеют серьезные недостатки. Например, технология закачки специальных растворов в породу позволяет создать подземный барьер, но требует много времени на подготовку и не может быть реализована быстро. Другой вариант — автоматические шлюзовые ворота — срабатывают мгновенно, но их установка чрезвычайно дорога и должна проводиться заранее.
Для безопасной эвакуации людей и сохранения инфраструктуры калийной шахты используют гидроизоляционные перемычки. По сути, это герметичные сооружения-затворы сложной геометрической формы (зубчатые, сводчатые или призматоидные), которые встраиваются в породу и сдерживают водный поток. Не менее важна их роль как защиты от потенциальной газовой угрозы — при контакте воды с породой могут высвобождаться токсичные и взрывоопасные газы. Локализуя аварийный участок, перемычки помогают предотвратить затопление и распространение опасной смеси газов. Это создает безопасные условия как для эвакуации, так и для последующих работ по ликвидации аварии, осушению и ремонту поврежденного участка.
Формирование монтажных ниш для гидроизоляционных перемычек осложняется недостатками существующего оборудования. Тяжелые проходческие комбайны мало подвижны из-за массивной ходовой части. Такие машины физически не способны обрабатывать почву выработки и плохо маневрируют в стесненных условиях. Альтернативные подвесные агрегаты с гидромолотом, крепящиеся к кровле выработки, сталкиваются с другой проблемой — их конструкция затрудняет обработку верхней зоны, а ударное воздействие гидромолота неизбежно создает на поверхности породы дефекты в виде трещин и выколов. Для достижения требуемой герметичности приходится прибегать к трудоемкой ручной доработке отбойными молотками и последующей пескоструйной обработке, что увеличивает сроки и стоимость работ.
Для решения этой проблемы ученые ПНИПУ и АО «ВНИИ Галургии» разработали уникальный мобильный породоразрушающий агрегат. Статья опубликована в журнале «Горная промышленность».
Его основное отличие от существующих решений заключается в новой схеме крепления и технологии разрушения породы. В отличие от традиционных установок, которые подвешиваются к кровле выработки, данный агрегат устанавливается между стенками тоннеля с помощью системы радиально ориентированных гидравлических стоек. Эти стойки расходятся от центра устройства к стенкам выработки подобно спицам раскрывающегося зонта, создавая жесткую распорную раму. Такой тип крепления работает по принципу домкрата — стойки создают постоянное усилие распора, надежно фиксируя оборудование в рабочем положении за счет силы трения и упора в стенки тоннеля.
— Агрегат мобилен, может последовательно обрабатывать весь контур тоннеля. Вместо гидромолота он использует режущую коронку, что меняет качество обработки стенок выработок. Принцип работы основан на движении по пространственной спирали: режущий инструмент, закрепленный на подвижном манипуляторе, одновременно вращается вокруг оси агрегата и перемещается вдоль нее, — отметил Дмитрий Шишлянников, профессор кафедры «Горная электромеханика», доктор технических наук.
Такое движение позволяет формировать ниши заданной сложной геометрии, обеспечивая при этом гладкую поверхность без трещин и выколов, поэтому дальше потребность дорогостоящей и медленной зачистки отпадает.
— Важная часть комплекса — система удаления породы пневмопогрузчиком, проще говоря, мощным промышленным пылесосом, который оперативно убирает раздробленный материал из рабочей зоны. Это позволяет обеспечить практически непрерывный процесс за счет минимизации простоев на погрузку отделенной рудной массы, — добавил Дмитрий Ситников, аспирант кафедры «Горная электромеханика».
Агрегат ускоряет процесс строительства ниш под водозащитные перемычки: его мобильность и простота монтажа позволяют быстро развернуть работы, а возможность формировать ниши без шероховатостей по всему контуру выработки обеспечивает создание долговечных и герметичных защитных сооружений. В итоге это приводит к повышению производительности и сокращению сроков ведения горных работ.