Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

бронзовых орудий, хотя их применение существенно расширило техни-

ческие возможности разработки (рис. 1.7).

Важным этапом развития техники и технологии горных работ ста-

новится способ искусственного ослабления прочности массива с помо-

щью пожога (рис. 1.8). Для осуществления способа перед плоскостью

забоя раскладывали костер, нагретые породы обливали водой, а в об-

разовавшиеся трещины каменными

кувалдами забивали деревянные кли-

нья. Затем клинья смачивали, и при

разбухании они отрывали породные

глыбы от массива. Иногда вместо де-

ревянных клиньев использовали ме-

таллические плоские и четырехгран-

ные. Их загоняли в трещины, расша-

тывали каменные блоки и разбивали

их кирками.

Форма древних горных вырабо-

ток, их трасса и протяженность (дос-

тигавшая сотен метров) обычно по-

вторяли конфигурацию рудного тела.

Для предотвращения обрушений ос-

тавлялись целики, сооружались под-

порки из глыб камня или в виде дере-

вянных стоек, применялась закладка

выработанного пространства. Для

этих же целей кровле выработок при-

давали сводчатую или остроугольную

форму. Проветривание осуществляли

посредством вертикальных вырабо-

ток, проходимых на разных уровнях.

Рис. 1.7 Использование металлических горных орудий для проведения горной

выработки в Тимне (Вади-эль-Араба, т.н. «копи царя Соломона»)

Рис. 1.8 Добыча руд с помощью

огневых работ

Для предотвращения дождевого затопления шахт около ствола строи-

ли защитные плотины. Подземные воды собирали в ямы-водосборни-

ки, из которых воду вычерпывали кожаными или берестяными ведра-

ми. Освещались горные выработки сжиганием сухого хвороста, а по-

зднее – с помощью масляных сосудов-ламп из глины. Для спуска и подъе-

ма горняков в стенке вертикальной выработки создавали небольшие ус-

тупы, применяли также бревна с частично обрубленными сучьями [4].

Добыв в выработках куски породы с вкрапленными в них минерала-

ми меди, древний горняк раскалывал из молотком и подвергал ручной

сортировке, отделяя пустую породу от руды. Дробление производили

на больших плоских камнях-платформах. Следы таких «обогатитель-

ных фабрик» нашли, например, в Палестине (Вади-эль-Араба) близ зна-

менитых «копей царя Соломона». В бронзовом веке руду обычно дро-

били круглыми каменными молотами, сделанными из увесистых галек.

По периметру такого молота-булыжника была пропилена бороздка, за

которую тот привязывался к рукояти. Иногда для дробления использо-

вали каменные терки-мельницы (рис.1.9). Этот способ сохранился едва

ли не до нашего времени под названием «сухой обработки руд».

Однако не всегда дробление и ручной отбор медных минералов ока-

зывались достаточными для обогащения руды. В этом случае использо-

вали т.н. мокрое обогащение, особенно эффективное когда разница в

удельном весе пустой породы и минералов была существенной. При этом

способе обогащения куски раздробленной руды насыпали в деревянные

корытообразные лотки с водой. Энергично качая корыто из стороны в

сторону, добивались того, что более тяжелые куски минералов опуска-

Рис. 1.9 Древнеегипетские каменные терки-мельницы

для дробления руд

лись на дно, а пустая порода собиралась сверху и вместе с водой удаля-

лась из лотка. На древней японской гравюре (рис. 1.10) рудокопы «моют»

лотки с необогащенной рудой в большой бадье с водой. Чистые мине-

ралы они складывают в

стоящий рядом ящик.

Только после всех этих

операций чистая отсор-

тированная руда будет

готова к выплавке.

В бронзовом веке на-

ряду с медными рудами

добывали золото, оло-

во, свинец, мышьяк. В

это время появляются

первые горные чертежи.

Сохранился древнееги-

петский папирус, на ко-

тором показана схема

шахты по добыче золо-

та – (рис. 1.11). Следует

отметить, что подземные

горные работы опережа-

ли открытые, хотя после-

дние также имели неко-

торое распространение.

Известно, что скифы раз-

рабатывали небольшими

карьерами руды в райо-

не совр. Кривого Рога; в

большинстве районов

Причерноморья сохранились древние

каменоломни, из которых открытым

способом брали известняк, мрамор,

глину [8].

В период ранней бронзы в одно из

направлений горного дела выделилась

добыча и обработка каменных блоков,

связанная с сооружением мегалитов –

монументов из массивных каменных

Рис. 1.10 Водное обогащение руд в древней Японии

Рис. 1.11 Схема древнеегипетской шахты

на папирусе

глыб. На рис. 1.12 показано, как выглядит знаменитый мегалитический

памятник Стонхендж (2-е тыс. до н.э.), котрый возможно служил древней-

шей астрономической обсерваторией. Он выложен огромными вертикаль-

ными камнями – ортостатами, добыча, транспортирование и установка

которых свидетельствуют о знании древнейшими горняками работы кли-

на, рычага и наклонной плоскости. Мегалиты были обнаружены на севере

Европы, в Средиземноморье, Крыму, Западном Кавказе. Наиболее извест-

ны – Стонхендж (Англия), Карнак (Франция), Нью-Грейндж (Ирландия).

Представляет интерес технология добычи каменных плит и искусст-

во сооружения мегалитов у населявших Крым древних тавров. Чтобы от-

колоть глыбу от материнской скалы, они выбирали породный массив,

имеющий слоистое строение, находили сравнительно легко отделяемые

части и с помощью клиньев из твердых пород дерева отрывали плиты

необходимых размеров. Затем их водружали на деревянные катки и дос-

тавляли к месту строительства. Обработка плит, выдалбливание пазов

велись каменными и металлическими орудиями [9].

Примечательно, что величайшее достижение древней техники – ко-

лесо, ведет свою родословную от катков для перемещения каменных

глыб. Оно появилось в виде деревянного диска в четвертом тыс. до н.э.,

а во втором тыс. до н.э. уже имело гнутый обод и спицы.

Наиболее крупных масштабов деятельность по добыче и обработке

строительных блоков достигла в Древнем Египте при сооружении пи-

рамид. Для отделения от массива блоков геометрически правильной фор-

мы по заранее размеченной поверхности металлическими долотами вы-

далбливались канавки и вертикальные углубления под деревянные клинья

(рис. 1.13). Смоченные клинья набухали и отрывали монолит от массива.

Обработка монолита в блок правильной формы велась на месте добычи.

Перевозка блоков осуществлялась с помощью катучих барабанов (катков)

и двухполозных салазок. Для постройки только одной пирамиды Хеопса

(Хуфу) потребовалось 2 300 000 блоков известняка весом 2,5 т каждый. Об-

Рис. 1.12 Мегалитический

памятник Стонхендж близ

г. Солсбери (Англия)

щий объем добытого в каменоломнях материала для строительства этой

пирамиды составил 2 568 000 м

, что с учетом развития техники того време-

ни (строительство окончено в 2580 г. до н.э.), можно по праву считать «чу-

дом № 1». Антипадр Сидонский, предложивший во II в. до н.э. понятие

«Семь чудес света», поставил «большую пирамиду» на первое место.

С завершением строительства пирамиды Хеопса совпало по време-

ни событие, которое действительно «чудесным образом» изменило всю

историю техники. В середине 3-го тыс. до н.э. горняки Малой Азии (рай-

он Анатолии) начали добывать и обрабатывать железную руду. «Девять

десятых борьбы за цивилизацию было выиграно» (Г. Морган) [1].

Выплавка железа из руды производилась обычно в печи, представ-

лявшей собой простую яму, обложенную вертикально поставленными

каменными плитами. На дно ямы устанавливали глиняную чашу боль-

шого диаметра, поверх чаши насыпали слой древесного угля, на уголь –

слой железной руды, размельченной до размеров щебня. Руду и уголь

насыпали чередующимися слоями. Под нижний слой угля подкладыва-

ли конец сопла, куда мехами нагнетали воздух. Постепенно металл в

руде плавился, стекал и собирался в чаше на дне ямы. Скопившиеся на

поверхности шлак и окалину удаляли в отдельные ямы.

Важнейшим компонентом плавки был древесный уголь, который

получали из плотных пород деревьев путем их обжига. Когда бревна

прогорали настолько, что начинали распадаться, их оббивали палка-

ми, чтобы отделить уголь. Горячий уголь сгребали и гасили, заливая

водой. Охлажденный древесный уголь хранили возле плавильных пе-

чей. Следует отметить, что принудительное дутье (меха для нагнетания

воздуха изготавливали из кожи животных) явилось значительным ша-

гом вперед в развитии металлургической техники.

Рис. 1.13 Добыча каменных блоков в Древнем Египте

В силу ряда исторических причин первый опыт и знания по произ-

водству железных орудий, полученные халибами Малой Азии, были

утеряны более чем на тысячелетие. Только с 9 в. до н.э. начавшаяся раз-

работка болотных и луговых залежей железных руд привела к появле-

нию больших серий железных орудий, которые начали вытеснять брон-

зовые на большей части Евразии. Стимулом к расширению горного

производства становится дальнейшее развитие торговли рудой, метал-

лами, солью, мрамором, драгоценными камнями, минеральными крас-

ками и другими полезными ископаемыми. Железные молот и кайло ста-

новятся основными орудиями горного производства, что позволило усо-

вершенствовать технологию и повысить интенсивность горных работ.

В первом тыс. до н.э. в Древнем Китае начинают добывать камен-

ный уголь, используя его как топливо. Здесь же велась разработка ра-

створов каменной соли. Для их добычи бурились ударным способом

скважины диаметром 12-15 см и глубиной до 100 м и более. Буровой

инструмент (металлическое долото и бамбуковые штанги) опускали в

скважину на канатах, свитых из тростника; для привода бурильной ус-

тановки использовали тягу быков (рис. 1.14).

К VII в. до н.э. относится одно из первых упоминаний о колодцах для

добычи нефти. Два века спустя греческий путешественник и историк Ге-

родот описывает виденные им в Персии колодцы для добычи нефти (с

мехом вместо ведра) и емкости для ее последующего отстаивания.

Дальнейшее развитие горного дела происходит на фоне возникнове-

ния и расцвета античных государств – Древней Греции и Древнего Рима.

Особенностью этого периода является зарождение научных школ и сис-

тематизация естествознания. Так в 6 в. до н.э. складывается т.н. милетс-

кая школа, представители которой (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен и

Рис. 1.14

Бурение скважин

в древнем Китае

др.) пытаются дать научное объяснение происхождению недр, возник-

новению полезных ископаемых. В 4 в. до н.э. Аристотель в книге «Ме-

теорология» говорит о горных камнях, называемых «углеподобными

веществами» и делает сравнение ископаемого угля с древесным, кото-

рый тогда использовался для выплавки металлов. Ученик Аристотеля

Теофаст в своем труде «О камнях» характеризует свойства полезных

ископаемых, в т.ч. каменного угля. Философ Стратон из Лампсака впер-

вые описал горные орудия и технические приемы рудного дела своего

времени (рукопись, к сожалению, не сохранилась). В I в. выходит фун-

даментальный труд Плиния «Естественная история», в котором прове-

дена первая систематизация и описание разрабатываемых минералов,

даны наставления по ведению горных работ.

Представляют интерес приведенные Плинием сведения о вентиляции

горных выработок. «Чтобы обнаружить опасность для землекопов, опус-

кают горящую лампу, которая в этом случае гаснет. Тогда вблизи колод-

ца, справа или слева, выкапывают воздушные каналы, по которым отхо-

дят опасные испарения. Для проветривания непрерывно машут полотна-

ми». Описанная «техника» свидетельствует о проблеме вентиляции, как

факторе, ограничивающем возможности ведения горных работ.

В античный период практическое применение в горном деле получа-

ют геометрические измерения. Показательно в этой связи сооружение

водопроводного тоннеля длиной 1 км на острове Самос, когда работы

были одновременно начаты с двух сторон скалы и проходчики встрети-

лись под землей в намеченном месте. Используются также достижения

механики (рис. 1.15), которые применяют в приспособлениях для подъема

и водоотлива.

Рис. 1.15 Простейшие механические устройства для подъема и водоотлива:

а – блок; б – полиспаст; в – ворот; г – архимедов винт

Таким образом, зарождение в странах античного мира естествозна-

ния создало основу для механизации средств и способов ведения гор-

ных работ, для возникновения первых машин. Первостепенное значе-

ние горного дела в жизни античного общества выразил в стихотворной

форме Еврипид: «Бог для мудрого – Плутос, а все прочее – пустяки и

суесловие!» [12].

Наряду с созидательными целями продукты горного производства

начинают использовать для ведения боевых действий. Так, для защиты

и штурма городов применяли раскаленные куски камней (в т.ч. камен-

ные ядра), трубки с зажигательной смесью (т.н. «греческий огонь»), со-

суды с расплавленной серой и смолой.

Ведение подкопов и разрушение стен осажденных городов становится

характерной тактической чертой ведения боевых действий в Греции,

Риме, Карфагене, Персии, Китае. Возникает т.н. «минное дело», кото-

рое во многих языках равнозначно понятию «горное дело» [10]. Обыч-

но «мина» устраивалась следующим образом. Подкоп под крепостную

стену заканчивался обширной камерой в которой кровля подпиралась

деревянными стойками. Их оборачивали соломой, камеру наполняли

горючими веществами и зажигали «мину». Когда обгоревшие стойки

падали, кровля и стены обрушивались, образуя пролом. В VII в. до н.э.

в Китае изобретен порох (в Европе появляется только в XIII в.) [10].

Минное дело, используя разрушающую силу взрыва, выходит на новый

уровень развития. В даль-

нейшем сила взрыва будет

использована человеком

для отбойки горных пород

и облегчения труда горня-

ков.

Конструирование первых

машин для боевых действий

способствовало созданию

механизмов, нашедших впос-

ледствии применение в гор-

ной технике. Так, Архимедом

был создан «грейферный

кран» (рис. 1.16), который

захватывал... нос вражеского

корабля, поднимал его в вер-

тикальное положение и опро-

кидывал судно. Плутарх пи-

шет, что «под конец римляне

были так напуганы маши-

Рис. 1.16 «Грейферный кран» Архимеда

для захвата вражеских судов

ной, что когда только видели над стеной показывающееся бревно или ве-

ревку, то... отступали и обращались в бегство». В ХХ в. грейферные краны

найдут широкое применение на открытых горных работах, а грейферные

погрузчики станут основным механизмом для погрузки породы при про-

ведении вертикальных горных выработок.

Подводя итог развитию эпохи горных орудий, следует отметить, что

несмотря на крайнюю раздробленность горных промыслов, примитив-

ную организацию труда, изоляцию горняков в отдельные профессио-

нальные кланы, слабый обмен опытом между регионами, – анализируе-

мая эпоха все же заложила основы горного производства, чем обеспе-

чила человечество возможностями противостоять стихийным силам при-

роды, создавать ценности материальной и духовной культуры.

«Мы столько можем, сколько знаем»

Ф. Бэкон

тановление эпохи горных машин свя-

зано с возникновением мануфактурно-

го производства, которое начиная с XVI в. ста-

новится двигателем научно-технического про-

гресса в Европе. Это подтверждает положение,

что прежде, чем могут быть «найдены» и вос-

требованны определенные формы техники,

должны существовать известные социальные

и экономические условия, а общество должно

достигнуть определенной ступени духовного

развития.

Само понятие «машина» (древнегреческое

«mechane», латинская форма – «mashina») пер-

воначально применялось в качестве названия

подъемных машин, а во время Римской импе-

рии уже обозначало «любое приспособление,

дававшее возможность, прилагая малую силу,

получить бóльшую [11]. Применение средств

механизации в горном деле, начавшееся еще в

эпоху горных орудий, получает широкое рас-

пространение в средние века.

В XVI в. выходит энциклопедический печат-

ный труд немецкого ученого Георга Агрико-

лы (1494-1555 гг.) «О горном деле и металлур-

гии» [12], в котором он обобщил опыт горно-

металлургического производства своего време-

ни и описал применяемую технику для ведения

горных работ.

В первую очередь механизация затронула

процесс подъема из шахты добытого полезно-

го ископаемого, как один их наиболее трудо-

емких и относительно легко механизируемых.

Для подъема бадей широко использовали

Глава 2

НАЧАЛО ЭПОХИ

ГОРНЫХ МАШИН

Георг Агрикола