Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

но рабочий орган машины в виде дисков с резцами приводился во вра-

щательное движение двумя рабочими. К концу 50-х годов XIX в. по-

явились штанговые врубовые машины с пневматическим приводом. В

1864 г. была изготовлена цепная врубовая машина с баром.

С 30-х годов XIX в. для опытной разработки угольных пластов при-

меняют водометы (первый прообраз гидромонитора применен в 1830

г. при разработке золотоносных россыпей на Урале). В 1852 г. Э.Мат-

тиссон (США) использовал водяную струю для разработки месторож-

дений золотосодержащих песков в Калифорнии. Вода из естественно-

го источника подводилась к забою по кожаным трубам, со специаль-

ными насадками на концах. С 1853 г. кожаные трубы заменили метал-

лическими.

В 1835 г. в Германии появляются стальные канаты для рудничного

подъема и откатки. В 40-х годах XIX в. началось промышленное произ-

водство металлопроката, а уже в 60-х годах на шахтах Чехии и Герма-

нии используют стальные рамные крепи для поддержания горных вы-

работок.

Открытая разработка месторождений получает импульс к развитию

с изобретением экскаваторов, одновременно решающих проблему

выемочных и погрузочных работ. Первая паровая землечерпалка по-

строена на Ижорском заводе в России под руководством А.А. Бетан-

кура в первой четверти XIX в. Одноковшовый паровой экскаватор

на рельсовом ходу запатентован в США В. Отисом в 1834 г. Первый

многоковшовый цепной экскаватор сухопутного типа изобретен во

Франции М. Куве (1860 г.). В 1863 г. в Новой Зеландии для добычи

золота впервые применена драга рычажно-ковшового типа, что по-

зволило эффективно разрабатывать обводненные месторождения.

В 1861 г. А. Лопатин (Россия) получает авторское свидетельство на

изобретение т.н. «песковоза» – первого ленточного конвейера для

золотых приисков. Для золотопромывочных работ на крупных при-

исках возводят специальные обогатительные фабрики (рис. 3.3),

частично механизирующие процессы транспортирования, первич-

ной обработки и «промыва» горной массы.

Для подготовки рудного сырья к переработке создаются дробил-

ки различных конструкций (рис.3.4): валковые (1806 г.), роторные

(1842 г.), щековые (1858 г.), стержневые (1859 г.), конусные (1877 г.),

молотковые (1895 г.).

Первостепенное значение для совершенствования технологии как под-

земных, так и открытых горных работ имела замена пороха более мощ-

ными взрывчатыми веществами (ВВ) – нитроглицерином, динамитом, ам-

монитом, а также применение новых средств взрывания, что требует более

подробного рассмотрения этого вопроса.

Первые опыты по воспламенению электрической дугой пороха

были проведены в 1803 г. петербургским профессором физики В.В.

Петровым, спустя лишь три года после изобретения итальянским фи-

зиологом Алессандро Вольта батарей электрического тока. В 1811 г.

русский ученый П.Л. Шиллинг (будущий автор электро-магнитного

телеграфа) создает изолированный электрический провод, а в 1812 г.

конструирует электрозапал зарядов ВВ (рис. 3.5). Сущность электри-

ческого способа взрывания заключалась в том, что в пороховой заряд

Рис. 3. 4 Принципиальные схемы дробилок: а – щековая;

б – конусная крупного дробления; в – конусная среднего и

мелкого дробления; г – валковая; д – валковая зубчатая;

е – молотковая; ж – роторная

Рис. 3.3 Золотопромывочная фабрика на Березовском прииске (Россия)

вкладывался угольковый за-

пал, к которому при помощи

медного провода, изолиро-

ванного шелком и смолистым

составом, подводился ток от

батареи. Успешное испытание

электрического способа

взрывания показало его

большие возможности: вос-

пламенять порох с любого

произвольного расстояния (что ранее даже теоретически считалось не-

возможным), прокладывать провода в обводненной среде (где приме-

няемые огнепроводные шнуры не обеспечивали надежной работы), осу-

ществлять мгновенное взрывание (тогда как скорость горения огне-

проводного шнура не была постоянной и составляла в среднем около

0,5 м/с). П.Л. Шиллинг настойчиво рекомендовал использовать его

изобретение для взрывной отбойки горных пород: «Это открытие весь-

ма важно для горного дела и обладает преимуществами» [10]. Однако

инженерная часть Генерального штаба России засекречивает электри-

ческое взрывание и использует его исключительно для минного дела.

Демонстрационные опыты по подрыву моста через реку были прове-

дены на войсковых маневрах в Красном Селе. По трагическому стече-

нию обстоятельств, балки взорванного моста пролетели буквально над

головой Николая I и убили стоявших за спиной царя двух офицеров

свиты. Неудачный взрыв был приписан свойствам электричества, а

работы приостановлены.

В 1831 г. англичанин Бикфорд разрабатывает надежную конструк-

цию огнепроводного шнура (плотную сердцевину шнура составлял

порох, а оболочкой служила джутовая ткань, пропитанная смолой).

Уже через несколько лет потребность в бикфордовом шнуре для ве-

дения горных работ исчислялась километрами. В истории техники

это был замечательный пример того, как усовершенствованная тех-

ническая идея «вчерашнего дня», на какой-то период времени стано-

вится доминирующей в технике, хотя право на это уже принадлежит

технической идее более высокого уровня (в данном случае – электри-

ческому взрыванию).

Дальнейшее развитие электрического взрывания связано с заменой

угольных запалов воспламенителями с электрическими мостиками на-

каливания (1839 г.), созданием специальных гальванических батарей

(1840 г.) и, наконец, разработкой академиком Б.С. Якоби в 1843 г. пер-

Рис. 3.5 Электрозапал П. Л. Шиллинга

вой магнитоэлектрической взрывной машинки. Эти изобретения позво-

лили электрическому взрыванию занять главенствующие позиции снача-

ла в минном, а потом и в горном деле.

Создание принципиально новых взрывчатых веществ (ВВ) связано с

именем профессора Туринской высшей инженерной школы Асканио

Собреро, который в 1847 г., воздействуя на глицерин азотной кислотой

в присутствии серной, получил исключительно опасное ВВ – нитрогли-

церин [19]. Его испытания были проведены во время Крымской войны

1854-1856 гг. Русской армии катастрофически не хватало пороха. О

военном министре говорили: «Князь Долгоруков имеет тройное отно-

шение к пороху: он пороху не нюхал, пороху не видел и пороху не по-

сылает в Севастополь». В ответ правительство инициирует поиск но-

вых эффективных ВВ. В 1854 г. известный химик-органик Н.Н. Зинин

(создатель анилина) и артиллерийский поручик В.Ф. Петрушевский

проводят ряд практических опытов с нитроглицерином. Они установи-

ли, что некоторые сорта нитроглицерина не взрываются от пламени,

поэтому для инициации взрыва необходим небольшой заряд черного

пороха. Сравнение мощности взрыва нового ВВ с порохом, показало

преимущество нитроглицерина в 24 раза! [20].

После окончания войны В.Ф. Петрушевский продолжает работу по

совершенствованию нового ВВ. Понимая неудобства работы с жидким

веществом, он пропитывает ряд пористых материалов составами из нит-

роглицерина и получает твердое ВВ, названное динамитом Петрушевс-

кого. С 1860 по 1863 гг. он изготовил 160 пудов динамита, который с

изобретением в 1865 г. Д.И. Андриевским запала-детонатора получает

еще большее распространение. В 1867 г. динамит используют для разра-

ботки скальных пород и мерзлых грунтов на золотых приисках Якутии.

Это был первый случай применения в горном деле ВВ, отличного от по-

роха [10].

Несмотря на прекрасные результаты испытаний и практического

использования динамитов, финансирование работ В.Ф. Петрушевско-

го было приостановлено. Этот случай характеризует общее отношение

российского правительства к науке, удачно выраженное академиком

С.М. Вавиловым: «Царская Россия смотрела вообще на науку как на

некоторый декорум, необходимый для культурного государства, кото-

рый в случае нужды может быть выписан из-за границы». Дальнейшее

совершенствование и распространение динамитов было продолжено

талантливым шведским инженером и предпринимателем А. Нобелем.

Впервые его внимание к нитроглицериновым ВВ привлек Н.Н. Зинин, с

которым Нобели были соседями по даче (семья Нобелей долгое время

жила в России). В 1867 г. А. Нобель патентует относительно безопас-

ное, поддающееся патронированию ВВ – гурдинамит. По методу Пет-

рушевского он пропитывал нитроглицерином различные материалы

и нашел исключительно удачное сочетание с кизельгуром (инфузор-

ной землей). В том же 1867 г. А. Нобель разрабатывает и патентует

свой капсюль-детонатор в виде медной гильзы с начинкой из грему-

чей ртути. Эти изобретения приводят к массовому применению дина-

митов в горном деле, особенно для разрушения крепких и весьма креп-

ких горных пород. Первую опытную отбойку угля динамитом провел

немецкий инженер Менцель в каменноугольных копях «Анна Мария»

(Северная Вестфалия), что сразу показало преимущества нового ВВ

над порохом. Применение пороха в угольных шахтах сопровождалось

образованием большого количества ядовитых газов и длительным по

времени открытым пламенем, что приводило к частым взрывам мета-

на и угольной пыли. Более высокая скорость детонации динамита в

условиях горных работ предопределили бóльшую безопасность ра-

бот с этим ВВ.

Однако чувствительность нитроглицерина к удару, трению, огню;

нарушение правил хранения и транспортировки динамитов приводят

к серии трагических случаев. В 1864 г. в Панаме взлетел на воздух гру-

женый нитроглицерином пароход «Европа», уничтожив несколько

кораблей на рейде и набережную порта Аспинуэль. А 1870 г. в одной

только Германии взорвалось шесть динамитных заводов. Взрывают-

ся склады динамита в Англии, Австралии, США [20]. Многие страны

запретили его производство и хранение на своей территории. Однако

спрос на мощное ВВ, заменявшее труд тысяч людей и сокращавшее

сроки строительства горных выработок, был так велик, что им торго-

вали тайно, как спиртным во времена «сухого закона».

Для изменения ситуации А. Нобель (к тому времени владелец боль-

шинства динамитных заводов Европы) личным примером убеждает мир

в относительной безопасности глицериновых ВВ. Подобно цирковому

магу, он объезжает промышленно развитые страны и демонстрирует

владельцам шахт и строительных компаний опыты с нитроглицерино-

выми ВВ. Нобель погружал в нитроглицерин раскаленный железный

прут, разогревал в огне и бросал на камни бутылки с глицерином, лил

его на наковальню и бил молотком (оглушительно взрывались только

капли под молотком, не передавая взрыва всей массе ВВ), зажигал смесь

пороха с нитроглицерином, сбрасывал ящик с динамитом с 20-метро-

вой высоты – взрывов не происходило. После этого Нобель демонстри-

ровал безотказное действие детонаторов: на глазах у собравшихся один

за другим гремели взрывы. Не лише уточнить, что «почтенная публи-

ка» находилась на безопасном расстоянии, а Нобель, демонстрируя свой

«смертельный номер», действительно рисковал жизнью.

В 1867 г. шведские инженеры И. Ольсен и И. Норбин взяли патент

на более безопасные аммиачно-селитренные ВВ (аммониты). Конкури-

ровать с этим классом ВВ динамиту было не под силу. Судьбу нового

изобретения решили деньги Нобеля: патент на «аммиачный порох» был

им куплен и заморожен на долгие годы. Только в ХХ в. аммониты стано-

вятся основным типом ВВ для подземных работ. С кончиной А. Нобеля

родилась Нобелевская премия, обессмертившая своего автора. Его заве-

щание гласило: все состояние (гигантская по тем временам сумма 2 млн.

фунтов стерлингов) предназначается для ежегодной выплаты в виде про-

центов на капитал пяти премий по 11 тыс. фунтов стерлингов (на 2000 г.

эта сумма составляла 915 тыс. долларов США) тем, «кто в течение пред-

шествующего года принесет наибольшую пользу человечеству...»

Не менее важным шагом в развитии горной техники стала замена

парокотельных агрегатов электрическими двигателями, что сыграло

решающую роль в перевооружении горного производства. В 1834 г.

русский физик и электротехник Б.С. Якоби изобрел электродвига-

тель и успешно опробовал его для привода судна (1838 г.). Начиная

с 1880 г. электродвигатели исполь-

зуют на угольных шахтах Великоб-

ритании и Германии для привода бу-

ровых механизмов (рис. 3.6), внут-

ришахтного транспорта (рис. 3.7),

вентиляторов (рис. 3.8), водоотлив-

ных установок и др. В 1867 г. немец-

кий инженер В. Сименс выдвигает идею

о возможности применения электричес-

кой тяги на транспорте. В 1879 г. им был

изготовлен шахтный электровоз, а в

1882 г. впервые в истории железнодо-

рожного транспорта был введен в экс-

плуатацию контактный электровоз.

Это событие произошло на шахте

«Цаукероде» (Германия).

Однако до начала ХХ в. примене-

ние новых машин и механизмов для

подземных работ (особенно в России)

носило характер скорее опытный,

Рис. 3.6 Подземный буровой станок

с электрическим приводом

чем промышленный.

В 1888 г. выдаю-

щийся русский химик

Д.И. Менделеев по

предложению Мини-

стерства государствен-

ных имуществ выезжа-

ет в Донецкий бассейн,

где изучает организа-

цию производства

угольной промышлен-

ности. Здесь он сделал

смелый прогноз о воз-

можности превращения

каменного угля в газы

непосредственно на ме-

сте его залегания и обо-

сновал развитие техни-

ки газовых генерато-

ров [21]. «Настанет, ве-

роятно, со временем

такая эпоха, – писал

Д.И. Менделеев, – что

угля из земли выламы-

вать не будут, а там в

земле его сумеют пре-

вращать в горючие

газы и их по трубам бу-

дут распределять на да-

лекие расстояния» [22]. На протяжении пятнадцати лет Д.И. Менделеев

неоднократно возвращался в своих трудах к идее подземной газифика-

ции, разработал принципиальные схемы этой технологии, область ее при-

менения (пласты малой мощности, взрывоопасные и др.), обосновал ее

экономическую эффективность. Идея Д.И. Менделееева получила частич-

ное практическое воплощение уже в первой половине ХХ в.

Для ведения подземных горных работ техническим «предметом пер-

вой необходимости» является шахтный светильник, значительно влия-

ющий на производительность труда горняков. Переносные шахтерские

лампы факельного и фонарного типа, заправленные сурепным маслом,

обычно крепились к деревянным стойкам рамных крепей или устанав-

Рис. 3.7 Подъемный ворот (лебедка)

с электрическим приводом

Рис. 3.8 Шахтный вентилятор

с электрическим приводом

ливались в нишах (рис. 3.9, а-д). Такие светильники использовали по-

всеместно до 1815 г., пока на Ньюка-слских копях не произошел ряд

крупных катастроф (1809, 1812, 1815 гг.), вызванных взрывами грему-

чего газа, воспламенявшегося от пламени осветительных ламп. Для из-

менения ситуации английский химик Г. Дэви разрабатывает принци-

пиально новую конструкцию предохранительной лампы для газообиль-

ных шахт. Необходимый эффект достигался использованием специаль-

ной металлической сетки (156 ячеек на 1 см

), устанавливаемой на обыч-

ной лампе (рис. 3.9, е,ж). К середине XIX в. появляются бензиновые лам-

пы Вольфа (рис. 3.9, з), спиртовые и ацетиленовые лампы Шено (рис.

3.9, и). Эти конструкции получили широкое распространение благода-

ря возможности определения с их помощью процентного содержания

взрывоопасного газа в шахтной атмосфере по высоте пламени лампы.

Кроме того, конструкция исключала раскрытие лампы в шахте рабо-

чими и позволяла зажигать ее при помощи встроенного ударника. Это

значительно повысило безопасность горных работ. Лампы Вольфа (т.н.

«коногонки») для российской горной промышленности (рис. 3.9, к) из-

готавливались на заводах г. Екатеринослава (сейчас г. Днепропетровск)

и до 1940-х гг. использовались как индикаторные наряду с электрически-

ми светильниками. В 70-х гг. XIX в. в результате работ русских ученых

П.Н. Яблочкова, А.Н. Лодыгина, В.Н. Чикалева появились первые элек-

трические лампочки, которые нашли быстрое применение (с 1886 г.) в

шахтных аккумуляторных светильниках, изготавливаемых в Великоб-

ритании, Франции и США (рис. 3.9, л). В России и Украине применение

аккумуляторных ламп начинается лишь в 30-х гг. ХХ в., когда Харьков-

ский завод «Свет шахтера» наладил их промышленное производство (рис.

3.9, м, н). На негазовых шахтах получили распространение ацетилено-

вые лампы (т.н. «карбидки»; рис. 3.9, о).

Большое значение для распространения научных знаний, разработ-

ки и внедрения новой техники имели печатные периодические издания

по горному делу. Как замечательно подметил академик И.Н. Плаксин

– «Печатное слово – это первая фаза внедрения науки в жизнь». Первы-

ми техническими журналами были «Горное дело» (Франция, 1794 г.) и

«Горный журнал» (Россия, 1825 г.). Заметную роль играли такие изда-

ния, как «Glückauf» (нем.: «Счастливо возвратиться», Германия, 1865 г.)

и британский журнал по угольной промышленности «Collieri Guardian»

(1860 г.). В редакционной статье первого номера российского «Горного

журнала» (1825 г.) были выражены мысли не утратившие своей свеже-

сти с течением времени и прекрасно связующие XIX и ХХ века: «Не-

смотря на приговор невежества, что в горном деле участвует только

Рис. 3.9 Конструкции шахтных светильников

один случай, навык и опыт – горные науки необходимы и польза их

особенно очевидна в наше время, когда чрезвычайно распространилось

употребление минералов и в особенности металлов и когда добывание

оных, по чрезмерному углублению их месторождений, сопряжено с боль-

шими затруднениями и большими издержками. Науки сии, подобно всем

прочим, имеют свои системы, более или менее сложные, но во всяком

случае необходимые для облегчения поприща горному человеку».