Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

«Велико есть дело достигать в

глубину земную разумом, куда ру-

кам и оку досягнуть возбраняет

натура; странствовать размышле-

ниями в преисподней, проникать

рассуждением сквозь тесные рассе-

лины и вечною ночию помраченные

вещи и деяния выводить на солнеч-

ную ясность».

М.В. Ломоносов

4.1 Основоположники отечественных

школ горной науки

рогресс в естествознании совпал в

ХХ в. с революционным скачком

процесса технологического применения на-

уки. Важнейшим критерием совершенства

производственного процесса стало то, «до

какой степени всеобщее общественное зна-

ние (наука) превратилось в непосредствен-

ную производительную силу», как осуществ-

лен процесс замены «...эмпирических рутин-

ных приемов – сознательным применением

естествознания» [23]. В этот период горная

наука вступила в новую полосу технологи-

ческих изысканий и обобщений.

В условиях быстрого роста горной про-

мышленности Российской империи значи-

тельно повысилась потребность в высших

технических кадрах, особенно на Украине,

где к концу XIX в. были открыты месторож-

дения Донецкого каменноугольного бассей-

на, Криворожского железорудного бассей-

на, Бахмутского соляного района, Никополь-

ского марганцевого района и др. В 1896 г.

Совет съезда горнопромышленников Юга

Глава 4

РАЗВИТИЕ ГОРНОЙ

НАУКИ И ТЕХНИКИ

В ХХ ВЕКЕ

России инициирует создание нового высшего учебного заведения по

горному делу в г. Екатеринославе (сейчас г. Днепропетровск). В 1899 г.

там начинает работу Высшее горное училище (ЕВГУ), преобразован-

ное в 1912 г. в Екатеринославский горный институт (сейчас – Нацио-

нальная горная академия Украины). Расположенный в центре бурно раз-

вивающейся горнозаводской промышленности Украины, свободный от

дореформенного управленческого стиля Петербургского института, но-

вый вуз приобретает ведущую роль в деле постановки высшего техни-

ческого образования, в развитии горной науки и практики. В первой

четверти ХХ в. на Украине сформировалась плеяда талантливых уче-

ных-горняков, заложивших основы крупных научных школ и направ-

лений [16, 24, 25]. Имена профессоров А.М. Терпигорева, М.М. Про-

тодьяконова, А.А. Скочинского, Б.И. Бокия, Л.Д. Шевякова, А.О. Спи-

ваковского (рис. 4.1-4.6) получили широкое международное признание.

Академик Александр Митрофанович

Терпигорев (1873-1959 гг.) начал свою инже-

нерно-техническую деятельность в Донец-

ком бассейне в качестве помощника управ-

ляющего (1897 г.), а затем управляющего

рудниками Сулинского завода. В 1900 г. он

был приглашен в Екатеринославское высшее

горное училище на должность заведующе-

го кафедрой горного искусства, где прора-

ботал до 1922 г. Столкнувшись с отсутстви-

ем современных учебников для высших гор-

ных школ, он на протяжении 1900-1908 гг.

издал ряд учебных пособий: «Разработка ме-

сторождений полезных ископаемых», «Руд-

ничная доставка», «Вентиляция», «Освеще-

ние», «Рудничные пожары» и «Рудничное

крепление». В них автор детально знакомил студентов с состоянием

горной техники того времени, на практических примерах показывал

возможности ее применения, научно обосновывал области рациональ-

ного использования различных средств и методов разработки полез-

ных ископаемых Донецкого бассейна.

А.М. Терпигорев первым в мировой горной практике в своей диссер-

тационной работе «Разбор систем разработок каменного угля, применя-

емых на рудниках Юга России, в связи с подготовкой месторождений к

очистной добыче» (1906 г.) применил аналитический метод для решения

задач вскрытия и выбора систем разработки [26]. Аналитическое направ-

ление, развитое также проф. Б.И. Бокием и акад. Л.Д. Шевяковым, по-

ставило горное дело на уровень передовой технической науки.

Рис. 4.1

А.М. Терпигорев

Вторым капитальным трудом ученого является «Описание Донец-

кого бассейна», в котором перу А.М. Терпигорева принадлежат выпуски

второго и шестого томов (разработка месторождений и доставка угля). Ос-

новной целью издания было ознакомление широкого круга горных ин-

женеров с характерными особенностями техники и хозяйства на рудни-

ках Донбасса, чтобы опыт, накопленный отдельными шахтами сделать

достоянием всех остальных и этим предупредить «пестроту и разнооб-

разие в различных сооружениях на шахтах, не оправдываемую разно-

образием условий» [26]. Ввиду большого объема труда Съезд горно-

промышленников Юга России, принявший решение о составлении описа-

ния в 1910 г., поручает подготовку отдельных выпусков А.М. Терпигоре-

ву, М.М. Протодьяконову, Л.Д Шевякову, А.А. Скочинскому и др. уче-

ным. Первый, второй и шестой тома «Описания Донецкого бассейна» выш-

ли в свет в 1914-1918 гг. и получили широкую и заслуженную известность.

Наряду с развитием теории разработки месторождений, проф. А.М. Тер-

пигорев создал принципиально новое научное направление, исследующее

механизацию горных работ. Он организовал изучение физико-меха-

нических свойств горных пород и углей, первым начал работы по изуче-

нию процессов их резания. Вместе с учениками – профессорами М.М. Про-

тодьяконовым, Л.И. Бароном, А.В. Топчиевым, А.И. Бероном и др. он

создал классификацию горных машин, определил целесообразные усло-

вия их применения и поэтапные пути технического прогресса угольной

отрасли с позиции комплексной механизации производства.

А.М. Терпигорев организовал в начале 30-х годов первую в практи-

ке горного образования кафедру горных машин в МГИ и создал пер-

вый учебник по горным машинам. Он считал, что главным качеством

такого учебника должна быть научность, т.е. он должен содержать не

только описание машин и их деталей, но и разбор физических основ, на

базе которых создаются машины (свойства пород, процессы резания,

разрушения и т.п.), а также технологических параметров машин, при-

менительно к системам разработки. Эти подходы распространились и

на практику конструирования горных машин.

Дальнейшая деятельность А.М. Терпигорева была связана со становле-

нием Московского горного института и Института горного дела АН бывш.

СССР, где также ярко проявились его преподавательские и организа-

торские способности. Под его руководством разрабатывалась комплек-

сная программа создания добычных комбайнов для угольных шахт, тес-

но связанная с исследованиями условий применения комбайнов, с вы-

бором систем разработки, с креплением очистного пространства. Акаде-

мик А.М. Терпигорев руководил проектами развития и послевоенного

восстановления Донецкого угольного бассейна, постоянно поддерживал

связь с работниками угольной отрасли. Он был главным редактором мно-

готомной энциклопедии по горному делу (1957-1960 гг.), не имевшей ана-

логов в мировой технической литературе. Перу ученого принадлежит

более 250 работ, многие из которых переведены на иностранные языки.

Вместе с проф. А.М. Терпигоревым на ка-

федре горного искусства ЕВГУ работал Ми-

хаил Михайлович Протодьяконов (1874-

1930гг.), который после окончания Петербур-

гского горного института (1899 г.) начал

практическую деятельность горным инжене-

ром на серебряно-свинцовых рудниках Кав-

каза. В 1904 г. он приглашен в Екатеринос-

лавское высшее горное училище, где сначала

был ассистентом при кафедре горного искус-

ства, а затем, после защиты в 1908 г. диссер-

тации «Давление горных пород на рудничную

крепь» – назначен профессором по специаль-

ностям рудничное крепление и проветривание

шахт. За годы работы в ЕВГУ (1904-1914 гг.)

он проявил свои блестящие дарования как

лектор и ученый, автор великолепных учебников и монографий, как де-

ятельный участник горнотехнических съездов и член научных комис-

сий по обследованию горных предприятий [27].

Публикация диссертации в виде монографии оказала существенное вли-

яние на выбор параметров крепи горных выработок, которые до этого

принимались «по образу и подобию» ранее существовавших типов (мето-

дом аналогий). М.М. Протодьяконов, рассматривая рудничную крепь как

строительное сооружение, осветил вопрос о расчете этой конструкции с

позиций строительной механики. Для этой цели ему понадобилось опреде-

лить величину давления горных пород и характер его распределения вок-

руг выработки. Поскольку теории горного давления еще не существовало,

он считал возможным разрешить эту задачу приближенно, рассматривая

все горные породы как бы состоящими из отдельных кусков, т.е. как тела

до известной степени сыпучие. Характеристику «связности» пород он оп-

ределял для каждой категории соответственно подобранным углом и ко-

эффициентом трения. «Наблюдения показывают, – писал М.М. Протодья-

конов в своей диссертации, – что когда выработка пройдена под значи-

тельной толщей типичной несвязной породы, то в выработку не обрушает-

ся вся вышележащая масса, а из кусков, зажатых давлением, образуется

сам собою свод (правда, довольно неустойчивый), который поддерживает

остальную породу, так что упасть в выработку, а следовательно и давить

на крепь, могут лишь куски этого свода».

Следует отметить, что первым представление о своде давления дал

Рис. 4.2

М.М. Протодьяконов

французский горный инженер Файоль в 1885 г., который наряду с терми-

ном voute (свод) применял термины dome (купол) и cloche (колокол).

Однако это были лишь интуитивные представления, лишенные количе-

ственных описаний. Рассмотрев силы, действующие на породные от-

дельности внутри свода естественного равновесия, М.М. Протодьяко-

нов пришел к выводу, что «на крепь давит своим весом параболический

объем породы, ширина которого равна пролету выработки, а высота –

полупролету, деленному на коэффициент трения пород кровли».

Позже, вместо коэффициента трения был введен разработанный

М.М. Протодьяконовым коэффициент крепости пород, результирую-

щий внутреннее трение и сцепление между частицами породы, что зна-

чительно повысило достоверность предложенного решения. Получен-

ные простые и удобные формулы для расчета крепей горизонтальных и

вертикальных выработок удивительно близко совпали с данными прак-

тического опыта и в течение десятилетий использовались в мировой

практике проектирования шахтных крепей. Разработанная М.М. Про-

тодьяконовым в начале ХХ в. теория свода естественного равновесия

не потеряла своего значения и сегодня, особенно для проектирования

выработок на т.н. «малых глубинах» разработки, что является почти

беспрецедентным случаем в расчетной практике прикладных наук [28].

Особую ценность использованной научной методологии представляет

целостная связь между разработанной теорией горного давления и ме-

тодами расчета параметров шахтной крепи, чего иногда не хватает со-

временным теориям. Исследования рудничного крепления получили

дальнейшее развитие в книгах проф. М.М. Протодьяконова «Проходка

шахт и квершлагов», составивших первый том знаменитого «Описания

Донецкого бассейна» (1914 г.), а также в капитальной двухтомной мо-

нографии «Давление горных пород и рудничное крепление» (1930 г.).

Центральное место в исследованиях М.М. Протодьяконова занима-

ет учение о крепости горных пород, разработанное им в 1907-1911 гг.

Оно вошло органической частью почти во все разделы творчества уче-

ного: в разработку теории горного давления, в методы расчета руднич-

ной крепи и выбора технологии крепления, в разработку методики нор-

мирования горных работ. За меру крепости пород Протодьяконов при-

нял коэффициент крепости – величину безразмерную, указывающую,

во сколько раз одна порода крепче другой, принятой за единицу (гли-

на). Коэффициент крепости (f) стал универсальным относительным по-

казателем сопротивляемости горных пород внешним механическим уси-

лиям. Проанализировав различные классификации крепости горных

пород, М.М. Протодьяконов привел их в единую систему и выразил

количественно (через величину f) отношение между классами. Разрабо-

танная сводная таблица легла в основу расчета для выбора горных ма-

шин, процессов добывания пород и крепления выработок.

Крупным вкладом в учебно-педагогическую литературу стал «Курс

проветривания рудников», впервые опубликованный М.М. Протодья-

коновым в 1911 г. и выдержавший в последствии пять изданий. Эта ра-

бота давала физическое понимание процессов, имеющих место при про-

ветривании, и обучала практическим навыкам контроля за состоянием

вентиляции горных выработок.

В 1911-1914 гг. М.М. Протодьяконов впервые систематизировал и

дал научный анализ показателей производительности труда горнора-

бочих, а в дальнейшем, используя методы математической статистики,

разработал научные основы нормирования труда в горном производ-

стве, которые вошли в книги «Материалы для урочного положения гор-

ных работ» (1926 г.) и «Составление горных норм и пользование ими»

(1930 г.).

В 1914 г. по состоянию здоровья проф. М.М. Протодьяконов пере-

ехал в Ташкент. Здесь он участвовал в организации горного отделения

Туркестанского университета, где на протяжении последних десяти лет

жизни (1920-1930 гг.) был деканом технического факультета.

Примечательно, что даже при современном уровне развития техники,

понятие «крепость пород по Протодьяконову» продолжает надежно слу-

жить горнякам, а имя ученого является одним из самых известных и ува-

жаемых в среде горных специалистов.

Становление аналитического метода иссле-

дований в горном деле связано с работами

профессора Бориса Ивановича Бокия (1873-

1927). По окончании Петербургского горного

института (1895) он более 11 лет работал гор-

ным инженером на шахтах Донецкого бассей-

на, где внедрил прогрессивную для того вре-

мени сплошную систему разработки вместо

столбовой. Опыт многолетней практической

работы, знание отечественной и зарубежной

техники, выдающиеся аналитические способ-

ности позволили Б.И. Бокию глубоко иссле-

довать и обобщать обширный материал по

эксплуатации месторождений Донецкого бас-

сейна в диссертационной работе «Выбор сис-

тем работ при разработке свиты пластов»

(1906 г.). Решая вопрос о том, какой из способов вскрытия свиты поло-

гих пластов является наиболее выгодным, ученый выделил факторы, вли-

яющие на показатели стоимости работ: угол падения пород, глубина

заложения, число рабочих пластов, их мощность и взаимное распо-

Рис. 4.3

Б.И. Бокий

ложение, а также выразил аналитически влияние их параметров на сто-

имостные показатели. Это позволило перейти от эмпирических дан-

ных к точным технико-экономическим расчетам.

Уже будучи профессором Петербургского горного института Б.И. Бо-

кий отмечал, что в причинах ошибок при проектировании горных пред-

приятий главным было то обстоятельство, что «выработанное практи-

кой принималось на веру, тогда как могло быть подсчитано». Эту же

мысль подчеркивал и М.М. Протодьяконов: «довольно горные люди

работали на глаз, ощупью, да по примеру соседа; пора хоть сколько-

нибудь вступить на научную почву». Значительным шагом в решении

этой проблемы явился замечательный учебник Б.И. Бокия «Практичес-

кий курс горного искусства» (1912 г.), ставший своеобразной энциклопе-

дией и настольной книгой горных инженеров. В 1923 г. выходит его фун-

даментальный труд «Аналитический курс горного искусства», который

предопределил переход от господствовавшей ранее эмпирики к методу,

основанному на анализе и комплексном учете технических и экономи-

ческих факторов. Это утвердило аналитическое направление в проек-

тировании горных предприятий.

В 1925 г. Б.И. Бокий публикует работу «Пути развития каменноу-

гольной промышленности Донецкого бассейна». В ней он рассматрива-

ет вопросы подземной газификации углей и, развивая идеи Д.И. Менде-

леева, приводит подробный технический проект подземного генерато-

ра. Этот проект, как и более ранние работы английского химика В. Рам-

сея (1912 г.), оставлял ряд нерешенных вопросов, однако явился значи-

тельным шагом в техническом решении этой проблемы.

После гражданской войны (1918-1920 гг.) проф. Б.И. Бокий активно

участвовал в восстановлении и реконструкции угольной промышлен-

ности Донбасса, где вновь ярко проявились его научный талант и зна-

ния «горного искусства». Б.И. Бокию принадлежат прекрасные слова:

«Проект горного предприятия является таким же произведением гения

горного инженера, как создание картины художником». Борис Ивано-

вич оставил после себя целую «галерею» талантливых проектов, вопло-

тившихся в угольных шахтах Донбасса.

В 1907 г. Совет съезда горнопромышленников Юга России открыл

первую горноспасательную (а с 1910 г. – испытательную) станцию в Ма-

кеевке (Донецкий бассейн), которая была в течение ряда лет единствен-

ным научно-исследовательским учреждением по горному делу. Ее орга-

низации во многом способствовала инициатива петербургского профес-

сора Александра Александровича Скочинского (1874-1960), основателя

русской школы рудничной аэрологии и безопасности горных работ [29].

В 1904 г. он публикует работу «Рудничный воздух и основной закон

движения его по выработкам», в которой формирует основные теоре-

тические положения рудничной аэрологии. Широкие по размаху и зна-

чительные по результатам дальнейшие исследования А.А. Скочинско-

го были направлены на установление зако-

нов движения воздуха, газов и пыли в выра-

ботках, на изучение аэродинамической струк-

туры вентиляционной струи. В результате ис-

следований была создана теория движения

воздуха и газов в выработках, которая вне-

сла ясность в понимание физико-механичес-

кой природы сложного процесса проветри-

вания шахт, позволила с достаточной степе-

нью точности рассчитывать аэродинамичес-

кое сопротивление выработок и правильно

выбирать параметры вентиляционных уста-

новок.

В 1903-1906 гг. А.А. Скочинский исследу-

ет на шахтах Донбасса процессы выделения

гремучего газа и анализирует сведения о бе-

зопасности ведения горных работ в газообильных рудниках. По резуль-

татам исследований он публикует ряд отчетов «по осмотру каменноу-

гольных копей Донецкого бассейна», в которых отмечает несоответствие

между вентиляционными возможностями шахт и размерами газовыде-

лений, рассматривает состояние вентиляционных устройств, правила

проветривания выработок, анализирует причины рудничных взрывов

и дает ценные рекомендации по безопасному ведению работ. В этот же

период он печает цикл статей по испытанию предохранительных взрыв-

чатых веществ для применения в газообильных шахтах.

В 1907 г. по контракту с промышленником Е.Т. Парамоновым проф.

А.А. Скочинский проектирует и закладывает крупную антрацитовую

шахту «Елпидиофор» (ныне им. Артема), строительство которой было

завершено в 1911 г. До 1917 г. А.А. Скочинский консультирует строи-

тельство и эксплуатацию антрацитовых шахт, для чего ежегодно выез-

жает в Донецкий бассейн, проверяя состояние горных работ на рудни-

ках. В 1917 г. он командируется горным департаментом в составе осо-

бой комиссии в Донбасс для выяснения перспектив развития угледобы-

чи в этом бассейне на ближайшие 3-5 лет, где его застают события граж-

данской войны.

Дальнейшая деятельность А.А. Скочинского связана с преподава-

тельской работой в Донском (Новочеркасском) политехническом ин-

ституте (1917-1920 гг.), а позже – с Московским горным институтом, где

он заведовал кафедрой рудничной вентиляции. В 1934 г. ему присвоена

степень доктора технических наук, а в 1935 г. он избран действиетль-

Рис. 4.4

А.А. Скочинский

ным членом АН бывш. СССР. Большая роль принадлежит А.А. Ско-

чинскому в деле организации Института горного дела АН бывш. СССР

(1938 г.), директором которого он был до последних дней своей жизни.

Здесь раскрылся его талант организатора и координатора научных ис-

следований по крупным проблемам горной науки, сформировались его

научные школы по рудничной аэрологии (В.Б. Комаров, Ф.А. Абра-

мов, А.И. Ксенофонтова, Л.Д. Воронина, Ф.С. Клебанов и др.), по руд-

ничной газодинамике (В.Т. Пальвелев, В.В. Ходот, Г.Д. Лидин, И.Л. Эт-

тингер, А.Т. Айруни и др.), по рудничным пожарам (С.З. Макаров, В.В.

Веселовский и др.). В настоящее время имя академика А.А. Скочинско-

го носит Российский научный центр горного дела (г. Люберцы).

Значительный вклад в теорию проектирования шахт внес академик

Лев Дмитриевич Шевяков (1889-1963 гг.) и его научная школа (Н.С.

Поляков, К.И. Татомир, И.С. Маршак, А.П. Судоплатов, Б.А. Розент-

ретер, А.М. Курносов и др.).

После окончания в 1912 г. Екатеринос-

лавского горного института Л.Д. Шевяков

работал ассистентом, а с 1916 г. доцентом

на кафедре горного искусства ЕГИ. В 1919

г. он защитил дисертацию на тему «Вскры-

тие месторождений каменных углей (преиму-

щественно определение размеров шахтных

полей)» и с 1920 г. по 1928 г. руководил ка-

федрой горного искусства ЕГИ (ДГИ).

Принципы, определившие научную дея-

тельность Л.Д.Шевякова, содержали прак-

тическую направленность исследований. За-

дачи горной науки он определял следующим

образом: «Горная наука должна быть нераз-

рывно связана с практикой. Ее прямой це-

лью и задачей является помощь производ-

ству в деле повышения его эффективности» [24]. Сочетая обширные зна-

ния горного дела и блестящие математические способности Л.Д. Шевя-

ков посвящает свою деятельность теории проеткирования шахт. В ка-

честве методологии исследований он принимает математический ана-

лиз и, развивая аналитические исследования проф. Б.И. Бокия, создает

аналитический метод определения оптимальных параметров при про-

ектировании шахт [30].

В 1919-1926 гг. Л.Д. Шевяков публикует ряд важных работ: «К рас-

чету основных размеров систем разработок месторождений каменных

углей», «О высоте этажа», «К вопросу о размерах предохранительных

целиков», «К вопросу о выборе места заложения шахты», «О стоимости

Рис. 4.5

Л.Д. Шевяков

ремонта горных выработок» и др., составившие его «Сборник статей

по горному искусству» (1927 г.). В нем впервые в мировой практике

утверждалась идея комплексного исследования методами математичес-

кого анализа количественных зависимостей между природными, техни-

ко-организационными и экономическими параметрами разработки ме-

сторождений с учетом применяемой горной техники.

В 1929-1932 гг. Л.Д. Шевяков работает в Сибирском технологичес-

ком институте (г. Томск), в 1932-1944 гг. – он профессор Свердловско-

го горного института, в 1944 -1963 гг. – заведующий отделом вскры-

тия и систем разработки месторождений полезных ископаемых Инсти-

тута горного дела АН бывш. СССР (одновременно – профессор в Мос-

ковском горном институте). В 1939 г. – избран действительным чле-

ном Академии наук бывш. СССР.

В 1950 г. Л.Д. Шевяков публикует монографию – первую в мировой

технической литературе – «Основы теории проектирования угольных

шахт», которая была переведена на ряд языков и стала ценнейшим посо-

бием для инженеров-проектировщиков и ученых. Аналитические методы

проектирования получают дальнейшее развитие в трудах проф. Б. Кру-

пинского (Польша), А. Ржимана (Чехия) и др. зарубежных ученых.

Вторым крупным направлением научной деятельности Л.Д. Шевя-

кова были вопросы горного давления, которыми он занимался, начи-

ная с 1922 г. Он расширил понимание физических явлений горного дав-

ления, установил четкую научную терминологию этого направления,

обосновал актуальные задачи исследований. Им создан метод расчета

опорных целиков в горных выработках, имеющий даже сегодня прак-

тическое и научное значение.

Многие годы Л.Д. Шевяков отдавал свои силы и знания строитель-

ству и реконструкции шахт Донбасса, рудников Кривого Рога, освое-

нию богатств Курской магнитной аномалии.Он придавал большое зна-

чение популяризаторской деятельности. Для серии «Библиотека гор-

норабочего» написал ряд книг: «Механизация горных работ», «Креп-

ление горных выработок» и др. Л.Д. Шевяков оказал большую помощь

аспирантам и соискателям своей книгой «Как работать над диссерта-

цией», а его публицистика и поэзия свидетельствуют о многогранном

таланте большого ученого.

Выдающийся вклад в механизацию горной промышленности был

сделан Александром Анисимовичем Спиваковским (1888-1986 гг.), ко-

торый на протяжении ряда лет (1919-1933 гг.) преподавал в Днепро-

петровском горном институте. Здесь впервые в вузовской практике

А.О. Спиваковским была создана кафедра рудничного транспорта, где

наряду с преподавательской работой были сосредоточены исследова-

ния по механизации горных работ.