Перспективы применения планетарных механизмов в качестве исполнительных органов роботов-бурильщиков

В статье излагаются особенности и преимущества технологии направленного бурения, применяемой для эффективного освоения труднодоступных месторождений твердых полезных ископаемых. Анализируются специализированные буровые комплексы, методы и оборудование, включая гидравлические забойные двигатели, роторно-управляемые системы, компоновки низа бурильной колонны и телеметрические системы. Представлены и проанализированы запатентованные перспективные конструктивные решения устройств для образования скважин и проходческих роботов, обозначена область их применения в современных роботизированных добычных комплексах. С точки зрения принципа образования механизмов по Л. В. Ассуру обосновывается возможность и перспективность применения моногастеллитных планетарных механизмов в качестве исполнительного органа роботов бурильщиков. Приведены новые конструктивные решения четырех- и пятисателлитных планетарных механизмов особой структуры, в которых решена проблема неравномерного распределения нагрузки по сателлитам. Несмотря на усложнение структурного строения механизмов, такое исполнение позволяет путем установки на сателлитах породоразрушающего инструмента осуществлять разрушение породы по всей площади забоя скважины всеми режущими элементами одновременно, а также управлять направленным бурением. На примере динамически уравновешенного пятисателлитного планетарного редуктора показано распределение крутящего момента по звеньям механизма. Полученные результаты исследований являются основой для разработки робота-бурильщика, обладающего повышенной скоростью проходки скважин в горной породе.

Жуков И. А., Верховский М. И. Перспективы применения планетарных механизмов в качестве исполнительных органов роботов-бурильщиков // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 12-3. — С. 23—36. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_123_0_23.

Жуков Иван Алексеевич¹ — докт. техн. наук, доцент, зав. кафедрой машиностроения, https://orcid.org/0000-0001-9068-3201, e-mail: tmmiok@yandex.ru
Верховский Михаил Игоревич¹ — аспирант, e-mail: s245064@stud.spmi.ru
¹ Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д.2, Россия, 

Жуков И. А., e-mail: tmmiok@yandex.ru.

1. Данилов Б. Б, Смоляницкий Б. Н., Чещин Д. О. Перспективы развития технологий направленного бурения скважин в прочных горных породах // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2015. — Т. 2, №3. — С. 49−53.

2. Ананьев К. А., Ермаков А. Н., Сидоров М. С., Варнавский К. А. Обзор исполнительных органов буровых установок // Техника и технология горного дела. — 2022. — №4(19). — С. 35−61. — DOI: 10.26730/2618-7434-2022-4-35−61.

3. Stafford, A., Brown Requist, K. W., Lotero Lopez, S. et al. Underground Mining Self-Escape and Mine Rescue Practices: an Overview of Current and Historical Trends // Mining, Metallurgy & Exploration. 2023, vol. 40, pp. 2243−2253. DOI: 10.1007/s42461-023-00863-6.

4. Basfar S., Ahmed A., Elkatatny S. Stability Enhancing of Water-Based Drilling Fluid at High Pressure High Temperature // Arabian Journal for Science and Engineering. 2021, vol. 46, pp. 6895−6901. DOI: 10.1007/s13369−020−05126-w.

5. Niu Y., Zhao J., Li Z., Xu W., Liu D., Zhao M. Optimization of Geological and Mineral Exploration by Integrating Remote Sensing Technology and Borehole Database // Wireless Communications and Mobile Computing. 2022, vol. 3, pp. 1−11. DOI: 10.1155/2022/9717749.

6. Чещин Д. О., Данилов Б. Б., Плохих В. В. Повышение эффективности пневмоударного бурения горизонтальных скважин // Проблемы недропользования. — 2024. — №3(42). — С. 63−71.

7. Ma J., Li X., Yao Q., Xia Z., Xu Q., Shan C., Sidorenko A., Aparin A. Numerical simulation on mechanisms of dense drilling for weakening roofs and its application in roof control // Journal of Central South University. 2023, vol. 30, pp. 1865−1886. DOI: 10.1007/s11771-023-5345-1.

8. Gao H., Wang Q., Ma F., Jiang B., Zhai D., Cai S., Zhang C., Bian Z., Liu G. The identification method for rock strength and joint while drilling based on cutting energy density // Journal of Central South University. 2024. Vol. 31, pp. 621−635. DOI: 10.1007/s11771−024−5581-z.

9. Poedjono Benny, Nwosu Dozie, Albert Martin. Wellbore Positioning While Drilling With LWD Measurements // Petrophysics. 2019, vol. 60, pp. 450−465. DOI: 10.30632/PJV60N3−2019a8.

10. Kazanin O., Sidorenko A., Drebenstedt C. Intensive underground mining technologies: Challenges and prospects for the coal mines in Russia // Acta Montanistica Slovaca. 2020, vol. 26(1), 2020. pp. 60−69. DOI: 10.46544/AMS.v26i1.05.

11. Габов В. В., Задков Д. А., Прялухин А. Ф., Садовский М. В., Молчанов В. В. Совершенствование конструкции шнекового исполнительного органа очистного комбайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — №11−1. — С. 51−71. — DOI: 10.25018/0236_1493_2023_111_0_51.

12. Ковалевский В. Н., Мысин А. В., Сушкова В. И. Теоретические аспекты технологии взрывной отбойки блочного камня // Горные науки и технологии. — 2024. — №9(2). — С. 97−104. — doi.org/10.17073/2500-0632-2023-12−187.

13. Ишейский В. А., Мартынушкин Е. А., Васильев А. С., Смирнов С. А. Особенности сбора данных в процессе бурения взрывных скважин для формирования геоструктурных блочных моделей // Устойчивое развитие горных территорий. — 2021. — Т. 13, №4(50). — С. 608−619. — DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13−4-608−619.

14. Genske D. D. Subsidence. In: Engineering Geology // Springer Textbooks in Earth Sciences, Geography and Environment. Springer, Berlin, Heidelberg. 2024, pp. 303−334. DOI: 10.1007/978−3-662−68762−8_11.

15. Ren B., Yuan L., Mu W., Zhang Y., Yu G., Cao C., Wang M., Luo Y., Li L. Investigation of a Method to Prevent Rock Failure and Disaster Due to a Collapse Column Below the Mine // Mine Water Environ. 2022, vol. 41, pp. 979−995. DOI: 10.1007/s10230-022-00890-7.

16. Cui A. Optimization of Directional Well Trajectory // E3S Web of Conferences. 2025, vol. 625, pp. 03001. DOI: 10.1051/e3sconf/202562503001.

17. Park S., Choi Y. Applications of Unmanned Aerial Vehicles in Mining from Exploration to Reclamation: A Review // Minerals. 2020, vol. 10, p. 663. DOI: 10.3390/min10080663.

18. Корнев А. В., Спицын А. А., Коршунов Г. И. Повышение безопасности труда работников угольных шахт по пылевому фактору на основе использования гидрогеля // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — №4. — С. 5−22. — DOI: 10.25018/0236_1493_2025_4_0_5.

19. Shahmoradi J., Talebi E., Roghanchi P., Hassanalian M. A Comprehensive Review of Applications of Drone Technology in the Mining Industry // Drones. 2020, vol. 4, p. 34. DOI: 10.3390/drones4030034.

20. Михайлов А. В., Жигульская А. И., Казаков Ю. А. Рациональная технология комплексной разработки торфяных месторождений // Горная промышленность. — 2024. — №1. — С 66−69. — DOI: 10.30686/1609-9192-2024-1-66−69.

21. Yoshida H., Yamazaki T., Nakajima M., Tanaka M. Excavation by snake robots with fins and a drill // Advanced Robotics. 2023, vol. 37(14), pp. 942−958. DOI: 10.1080/01691864.2023.2223261.

22. Sánchez F., Hartlieb P. Innovation in the Mining Industry: Technological Trends and a Case Study of the Challenges of Disruptive Innovation // Mining, Metallurgy & Exploration. 2020, vol. 37, pp. 1385−1399. DOI: 10.1007/s42461-020-00262-1.

23. Chen Y., Zhang Z., Cao C., Bao S., Wang S., Xu G. Research on the causal mechanism of a rock burst accident in a longwall roadway and its prevention measures // Scientific Reports. 2023, vol. 13, p. 22312. DOI: 10.1038/s41598−023−41769-z.

24. Sun X., Shi F., Zhu M., Ding J., He L., Li Z., Zhang T., Niao C. Microscopic Mechanisms and Acoustic Emission Characteristics of Sandy Mudstone under Different Water Saturations // KSCE Journal of Civil Engineering. 2024, vol. 28, pp. 471−483. DOI: 10.1007/s12205-023-1089-6.

25. Литвиненко В. С., Двойников М. В. Методика определения параметров режима бурения наклонно прямолинейных участков скважины винтовыми забойными двигателями // Записки Горного института. — 2020. — Т. 241. — С. 105−112. — DOI: 10.31897/PMI.2020.1.105.

26. Мендебаев Т. Н., Исмаилов Х. К., Изаков Б. К., Смашов Н. Ж. Конструктивные особенности и технологические возможности забойной компоновки для бурения скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — №12. — С. 114−124. — DOI: 10.25018/0236-1493-2020-12−0-114−124.

27. Юнгмейстер Д. А., Исаев А. И., Гасымов Э. Э. Обоснование параметров пневмоударника для регулирования скорости бурения с помощью расхода воздуха // Горный журнал. — 2022. — №7. — С. 72−77. — DOI: 10.17580/gzh.2022.07.12.

28. Юнгмейстер Д. А., Уразбахтин Р. Ю., Нгуен К. Л., Тимофеев М. И. Комплекс для создания хранилищ особо опасных отходов: обоснование конструкции и параметров // Обогащение руд. — 2023. — №6. — С. 47−51. — DOI: 10.17580/or.2023.06.08.

29. Двойников М. В., Cидоркин Д. И., Юртаев С. Л., Грохотов Е. И., Ульянов Д. С. Бурение глубоких и сверхглубоких скважин с целью поиска и разведки новых месторождений полезных ископаемых // Записки Горного института. — 2022. — Т. 258. — С. 945−955. — DOI: 10.31897/PMI.2022.55.

30. Bołoz, Ł., Biały, W. Automation and Robotization of Underground Mining in Poland // Applied Sciences. 2020, vol. 10, p. 7221. DOI: 10.3390/app10207221.

31. Avram L., Marius S. Modeling Dynamic Motion of Structures Drilling Rigs with Topdrive // International Journal of Scientific Research. 2012, vol. 2, pp. 168−172. DOI: 10.15373/22778179/JULY2013/57.

32. Rouček T., Pecka M., Čížek P., Petříček T., Bayer J. DARPA Subterranean Challenge: Multi-robotic Exploration of Underground Environments // Springer Proceedings in Advanced Robotics. 2020, pp. 274−290. DOI: 10.1007/978−3-030−43890−6_22.

33. Zhai G., Zhang W., Hu W., Ji Z. Coal Mine Rescue Robots Based on Binocular Vision: A Review of the State of the Art // IEEE Access. 2020, vol. 8, pp. 130561−130575. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009387.

34. Lööw J., Johansson J. Eight Conditions That Will Change Mining Work in Mining 4.0 // Mining. 2024, vol. 4, pp. 904−912. DOI: 10.3390/mining4040050.

35. Dvornikov L. T., Zhukov I. A. Fundamentals of a Unified Theory of Planetary Gears // Russian Engineering Research. 2022, vol. 42, no. 6, pp. 541−547. DOI: 10.3103/S1068798X22060090.