Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.11 Подшипники: а – первый шариковый подшипник (эскиз Л.да Винчи);

б – современный роликоподшипник, применяемый в драглайнах с шагающим

ходом (масса – 6,1 т; внешний диаметр – 3, 7 м)

Рис. 2.12 Экскаватор-драглайн в Л. да Винчи – прообраз гигантов современных

угольных разрезов

стояний). Роберт Гук (1635-1703 гг.)

сформулировал основополагающий

закон линейной зависимости между

внешней нагрузкой, действующей на

тело, и его деформациями. Однако,

расчетные методы не нашли приме-

нения при определении параметров

крепи вплоть до ХХ в. Крепь по-пре-

жнему выбиралась по методу анало-

гий на основе данных практическо-

го опыта.

Под влиянием идей Возрождения

наука обращается к практике: созда-

ются теория махового колеса и махо-

вых движений, теория желоба, учение

о напоре воды, о сопротивлении, тре-

нии, изучаются свойства водяного

пара и др. Вводятся в практику тех-

нологические процессы: обжиг руд, рудоразработка по цвету и блеску,

амальгамация. Разрабатываются методы распознавания месторасполо-

жения рудных тел по почвам, растительности, вмещающим породам. В

маркшейдерской практике находит применение магнитный компас.

Исключительную роль в развитии горной технологии сыграла взрыв-

ная отбойка пород, впервые примененная К. Байделем на словацком руд-

нике «Банска-Штявница» в 1627 г., а уже с 1645 г. использовавшаяся в

рудниках Саксонии.

Первым европейцем, сделавшим сообщение о черном порохе был

монах ордена францисканцев Роджер Бэкон (1214-1292 гг.). Крупней-

ший ученый раннего средневековья Р. Бэкон первым ввел термин «экс-

периментальная наука», ему принадлежит знаменитая формула науч-

ной логики – «наблюдение, опыт, умозаключение», а также... изобрете-

ние пороха. В 1242 г. проводя эксперименты с селитрой, завезенной

арабами в Европу, Бэкон определяет состав черного пороха: селитра – 7

частей, уголь – 5 частей, сера – 5 частей (рецепт был им зашифрован в

виде анаграммы). Поскольку «адская смесь», с которой эксперименти-

ровал Бэкон в монастыре, часто взрывалась, то по кельям поползли

слухи о неизбежных связях ученого с дьяволом. «Волшебство» с селит-

рой стоило Бэкону десяти лет тюрьмы...

Первое упоминание о подземных пороховых зарядах (прообразе со-

временных камерных зарядов взрывчатых веществ) относится ко вре-

мени осады Белграда (1440 г.). Почти четыре столетия это изобретение

применялось только в военных, разрушительных целях (для подрыва

Рис. 2.13 Фрагмент рукописи Л. да Винчи

«Исследование прочности арок»

крепостных стен, в качестве метательного средства в огнестрельном ору-

жии, для снаряжения разрывных ядер). В XVII в. порох находит «мир-

ное» применение в горном деле.

Первоначально взрывная отбойка представляла собой выдалблива-

ние у подножия породного забоя дыр, куда засыпался порох, затем уст-

раивалась «пороховая дорожка» и из укрытия производилась подрыв-

ка пород. Вскоре в породном массиве стали продалбливать шпуры дли-

ной до 1 м. Для этих целей двое рабочих использовали паличный бур и

молот. Этот тип бура оказался «долгожителем». Именно его описал

М.В. Ломоносов в книге «Первые основания металлургии, или рудных

дел»: «Железный бурав длиною в два аршина, толщиною в диаметре в

два дюйма, к концу о четырех гранях с четвероугольною завостиною.

Сим буром пробивают в твердом камне дыры, наполняют оные поро-

хом и, запалив, великие части горы для облегчения работы отрыва-

ют». Машинное бурение шпуров было разработано немецким механи-

ком Г. Гутманом в 1683 г., однако применение бурильных машин было

крайне редким вплоть до второй половины XIX в.

В качестве средств взрывания сначала применяли соломинку, позже –

серную нитку. Последние поджигали и отходили в укрытие. Первое вре-

мя взрывали шпуры без забойки, т.е. без пыжей. В 1687 г. впервые была

выполнена забойка в виде деревянной пробки. К концу XVII в. в шпурах

стали применять плотную глинистую забойку, что позволило в полной

мере использовать силу газов, которые образовывались при взрыве по-

роха. Использование пороха положило конец примитивной огневой, кир-

ковой и клиновой работе по отделению скальных пород от массива.

Рассмотренные выше достижения горной техники определили прогрес-

сивные черты сооружения рудников (рис. 2.14): возведение выработок по-

стоянных сечений, наличие схем их рационального размещения в подзем-

ном пространстве, функциональная специализация выработок (для транс-

Рис. 2.14 Средневековая

рудная шахта близ

г. Хёмниц (Германия)

порта, вентиляции, водоотлива и т.п.). Преимущественное распростране-

ние получает шахтная разработка месторождений, что во многом объясня-

ется отсутствием техники для крупномасштабных вскрышных работ.

Характерной чертой периода является распространение печатной

информации по горному делу (книги У. Кальва, В. Бирингуччо, А. Маг-

нуса, Г. Агриколы и др.), а также появление первых специализирован-

ных учебных заведений: 1513 г. – т.н. гуманитарная школа У. Кальва во

Фрайберге (Германия), 1709 г. – горнозаводсткая школа Н. Демидова

в Нижнем Тагиле (Россия), 1715 г. – горно-металлургическая школа

В. Генина в Петрозаводске (Россия),1716 г. – горно-металлургическое

училище в Яхимове (Чехия).

Важным событием в деле становления изобретательства (в т.ч. горной

техники) стал принятый в Англии в 1623 г. «Закон о патентах», заклю-

чавший в себе практически все основные положения современного па-

тентного законодательства. Уплата предпринимателями определенных

премий первоначальным изобретателям технических средств стала эф-

фективным стимулом совершенствования горных машин и механизмов.

Прогрессивным фактором промышленного и общественного разви-

тия становятся т.н. горные свободы, которых добиваются от феодалов

центры ремесленной деятельности горняков. Впервые «Горное право»

(свободы, оформленные законодательно) закрепляется в 1249 г. за чеш-

ским городом Йиглавой. В 1368 г. его получает польский город Велич-

ка – центр европейского соляного промысла. В 1791 г. Петр I издает

аналогичный российский закон – «Берг-привилегию»: «...Соизволяется

всем и каждому во всех местах, как на собственных, так и на чужих зем-

лях искать, плавить и чистить всякие металлы, минералы, земли каме-

нья...», ибо «...От рудокопных заводов и прилежного устроения оных

земля обогатеет и процветет, и пустые и бесплодные места многолюд-

ством населятся». Таким образом, развитие горного производства фор-

мирует не только промышленную базу, но и первые формы капиталис-

тического способа хозяйствования.

Глава 3

ПЕРИОД

ПРОМЫШЛЕННОГО

ПЕРЕВОРОТА

(вторая половина XVIII -

конец XIX веков)

«Для развития науки требуется в каж-

дую данную эпоху не только, чтобы люди

мыслили вообще, но чтобы они концентри-

ровали свои мысли на той части обширного

поля науки, которое в данное время требу-

ет разработки...»

Дж. Максвелл

ереход от мануфактурного к

машинному производству привел к

скачку в развитии производительных сил и ут-

верждению капиталистического способа хозяй-

ствования. Это определило качественно новый

период в развитии горного дела.

К середине XVIII в. становится очевид-

ным, что один только опыт разработки по-

лезных ископаемых при существующем уров-

не техники не может обеспечить необходимых

темпов развития промышленности. Возника-

ет потребность в обобщении накопленных

знаний и теоретическом обосновании новых

технических методов и средств, т.е. в станов-

лении горной науки и образования.

Начало дифференциации горной науки

связано с появлением в XVIII в. многочислен-

ных книг-наставлений и описаний по горно-

му делу. Среди наиболее значительных сле-

дует отметить труд шведского ученого М. Три-

вальда «Обо всем, что являясь результатом мно-

голетнего опыта, содействует познанию камен-

ного угля», опубликованный в 1741 г. В нем приводятся сведения об ос-

новных горнотехнических условиях, характерных для разработки уголь-

ных месторождений, описываются процессы разведочного бурения на

уголь, различные виды крепи, включая т.н. забивную крепь, методы

разработки каменноугольного пласта, способы естественного провет-

ривания. В 1760 г. в России было издано «Обстоятельное наставление

рудному делу... с прибавлением о добывании каменного угля» прези-

дента Берг-коллегии И.А. Шлаттера. Книга носила энциклопедический

характер и охватывала все разделы горного производства, начиная от

разведывательных работ и кончая «рудотолчейным» делом; в ней опи-

саны процессы проходки выработок, крепления, водоотлива, вентиля-

ции; подробно рассмотрены горные машины «потребные к рудному про-

изведению» (примечательно, что их конструкции почти не изменились

со времен Г. Агриколы).

Становление горной науки связано с именем выдающегося русского

ученого XVIII в. М.В. Ломоносова. Это был человек разносторонних

дарований. «Историк, Ритор, Механик, Минералог, Художник и Сти-

хотворец... Он создал первый университет, он, лучше сказать, сам был

первым нашим университетом» (А.С. Пушкин). «С Ломоносова начи-

нается наша литеретатура» (В.Г. Белинский). Сам же Михаил Василье-

вич считал, что «...главное мое дело есть горная наука» (из письма к

В.Н. Татищеву) [15].

В 1742 г. Ломоносов систематизировал собранные им в Германии

материалы по горному делу и приступил к составлению труда «Первые

основания горной науки». На страницах рукописи он впервые ввел тер-

мин «горная наука»: «Наука, которая учит минералы знать, прииски-

вать и приводить в такое состояние, чтобы они в обществе человечес-

ком были угодны».

В изданной в 1763 г. фундаментальной работе «Первые основания

металлургии или рудных дел» М.В. Ломоносов выделяет горную науку

из общего естествознания, предвосхищая ее будущую дифференциацию:

нецелесообразно «рудных дел обстоятельное знание расширять смеж-

ными вопросами, – которые однако к самим рудным делам не принад-

лежат точно..., ибо сие учение было бы почти бесконечно». Последнее

подчеркивает также базовую роль горного дела для всей промышлен-

ности, тесную связь со многими отраслями производства.

Бóльшая часть книги посвящена горнорудному делу: дано описание

руд и месторождений, рассмотрены условия их залегания, разведки и

разработки, описана первичная обработка минералов. Отдельный раз-

дел книги включает главы о применяемой горной технике: «о копании

и укреплении рудников», «о подъем-

ных машинах», «о машинах, которыми

из рудников воду выливают», «о маши-

нах, которыми из ям худой воздух вы-

гоняют и вместо него чистый впуска-

ют» и «об измерении рудников». При

этом автор в отдельных случаях не ог-

раничивается описанием применяемых

ранее приспособлений, а рекомендует

новые. Так, для подъема руд он предла-

гает использовать механизм, приводи-

мый в действие регулируемой силой

воды (рис. 3.1), что ранее применялось

только для водоотлива. Для механичес-

кого проветривания шахт он рекомен-

дует машину французского физика Ма-

риотта и др.

В приложениях «О вольном движе-

нии воздуха, в рудниках примечен-

ном», и «О слоях земных» М.В. Ломо-

носов сделал весьма ценные замечания

о проветривании подземных выработок и изложил основы учения о про-

исхождении полезных ископаемых.

Большое научно-историческое значение книги «Первые основания

металлургии, или рудных дел» определяется стремлением дать научное

истолкование явлениям и техническим процессам в горном деле и на

научной основе наметить способы управления этими явлениями; убеж-

дением в необходимости контакта горной науки с различными облас-

тями техники и естествознания (с механикой, математикой, химией, гео-

логией); практической направленностью научных исследований; госу-

дарственным подходом к решению важнейших вопросов промышлен-

ного развития.

Важным шагом в становлении горной науки и распространении науч-

ных знаний стало создание специализированных высших учебных заведе-

ний. В 1762 г. в Пражском университете открылась кафедра металлургии,

горные академии создаются в г. Банска-Штявница (Словакия, 1763 г.) и

во Фрайберге (Саксония, 1765 г.), школы горных инженеров открываются

в Мадриде (1777 г.) и в Париже (1783 г.).

В 1773 г. по «высочайшему указу» российской императрицы Екате-

рины II учреждено Санкт-Петербургское высшее горное училище, ко-

Рис. 3.1 Подъемник для шахт, приводи-

мый в движение водяным колесом (из

книги М.В. Ломоносова)

торое открылось через 18 лет после основания Московского универси-

тета и было первым техническим вузом России. В разработке устава и

организации этого училища большую роль сыграл сенатор и главный

директор горных и монетных дел М.Ф. Соймонов, который стал первым

командиром (ректором) нового вуза [16]. Подвижническая деятельность

М.Ф. Соймонова связана также с началом освоения Донецкого бассей-

на – он был автором проекта Луганского литейного завода и курировал

строительство донецкой горно-металлургической базы для Черноморс-

кого флота России [17]. Этот пример свидетельствует об изначальной

тесной связи между горной наукой, образованием и производством.

Открытие в короткий промежуток времени во всех развитых горно-

добывающих странах Европы горных вузов отвечало промышленным

требованиям своего времени. Это позволило благодаря проникнове-

нию горной науки в производство и профессиональному руководству

промыслами (за счет выпускников вузов), осуществить широкое внедре-

ние передового опыта и горной техники, разработать новые способы и

средства ведения работ, существенно повысить объемы добычи полез-

ных ископаемых и производительность труда рабочих.

Наряду с развитием науки и образования, важнейшим этапом эво-

люции горной техники стало применение новых видов энергии. Энер-

гия пара не была «привязана» к одному месту, как энергия текущей воды,

не зависела от погоды, как энергия ветра и воды в зимнее время, а глав-

ное – была значительно эффективнее всех других, использовавшихся

ранее. Еще в 1680 г. доктор медицины Дени Папен разработал и успеш-

но испытал конструкцию парового котла. В 1698 г. Томас Севери изоб-

рел и применил на шахте первый паровой насос для откачки шахтных

вод, что на десятилетия опередило использование паровой энергии в дру-

гих отраслях. Вскоре на рудниках Западной Европы получают распрос-

транение пароатмосферные водоподъемные машины и усовершенство-

ванные паровые насосы для водоотлива. Первая паровая воздуходув-

ная машина была сконструирована русским теплотехником И.И. Пол-

зуновым в 1763-1765 гг. Однако решающее значение для горного дела

имело создание в 1784 г. Джеймсом Уаттом (Великобритания) универ-

сального парового двигателя, причем первую свою паросиловую уста-

новку Уатт использовал для... водоотлива в шахтах. Начиная с 1809 г.

паровой двигатель стали применять для шахтного подъема (впервые –

на угольных предприятиях Бельгии).

Изобретение парового двигателя сыграло решающую роль в транс-

портировании полезных ископаемых. Как известно, рельсовый путь стал

применяться в рудниках задолго до появления железнодорожного транс-

порта. Опыт показывал, что лошадь может везти груз на колесно-рель-

совом ходу в несколько раз больший, чем на колесном, поскольку со-

противление движению на рельсовом пути значительно ниже.

В начале XIX в. английский горный инженер Р. Тревитик предло-

жил использовать паровые двигатели для перемещения по рельсам

повозок с углем, а в 1804 г. построил первый опытный паровоз «Нью

Кастл» («Новый замок»). И все же пионером железнодорожного

транспорта считают английского конструктора Дж. Стефенсона. Он

начинал свою карьеру погонщиком лошадей на шахтном рельсовом

транспорте, а уже в 31 год был назначен главным механиком уголь-

ных копей. Решая проблему транспортирования угля с рабочего го-

ризонта на поверхность он построил паровую машину, которая с помо-

щью канатной тяги транспортировала вагонетки. В 1814 г. Стефенсон

создал первый паровоз для шахтной рельсовой дороги. 27 сентября 1825

г. он провел по магистрали Дарлингтон-Стоктон паровоз «Локомо-

шен» («Передвижение») со скоростью 20 км/час, чем открыл эру желез-

нодорожного транспорта.В 1860-1863 гг. в Лондоне фирмой

«Metropolitan Railway» был построен первый метрополитен для поез-

дов с паровой тягой, причем протяженность тоннеля составила 3,6 км.

Быстро расширяющееся применение железнодорожного и водного

парового транспорта потребовало многократного увеличения объемов

добычи угля, как топлива для паросиловых установок. Кроме этого, уже

с начала XVIII в. в Англии ископаемый уголь стали использовать вме-

сто древесного, для выплавки металла из руд. Способ выплавки чугуна

на каменноугольном коксе изобрел английский лорд Додлей, еще не

достигнув своего совершеннолетия! Уголь становится также важным хи-

мическим сырьем (угольные смолы, красители, удобрения и др.). По-

скольку нефтяная промышленность только делала первые шаги, а газо-

вой не существовало вообще, то энергетические и сырьевые качества

«солнечного камня» (рис. 3.2) определили его главенствующую роль в

разработке полезных ископаемых [18].

Резко возросшие в XIX в. объемы потребления минерального сырья

привели к индустриальному выпуску высокопроизводительных горных

машин, созданию заводов горного машиностроения, существенному уве-

личению числа изобретений и новых разработок.

В 1761 г. патентуется механическое приспособление для подрубания

угольного пласта (М. Мензис, Великобритания). В 1852 г. разрабатыва-

ется первая врубовая машина для угольных шахт (С. Воринг, Вели-

кобритания), предназначенная для производства вруба (щели) в мас-

сиве угля с целью обеспечения его последующей выемки. Первоначаль-

Рис. 3.2 Угольное дерево (по К.Ф. Сапицкому)