Развитие горной отрасли в России

В 1773 г. в Петербурге создается Горное училище, которое позднее преобразовали в Горный институт. Изменения в экономике России, произошедшие в Петровскую эпоху, заложили основу будущих качественных и количественных сдвигов в общем эволюционном процессе формирования ее производственного потенциала. Совершенствование методов и средств механизации, подземных и открытых работ на приисках, шахтах и рудниках, в основном обеспечивалось усилиями отечественных специалистов.

Труды М. В. Ломоносова (1711−1765), И. И. Ползунова (1728−1766), К. Д. Фролова (1726−1800), Е. А. Черепанова (1774−1842), М. Е. Черепанова (1803−1849), А. А. Саблукова (1783−1857), М. В. Остроградского (1801−1861), А. И. Узатиса (1814−1875), А. П. Карпинского (1847−1936), П. А. Ольшева (1817−1896), И. А. Тили (1838−1920) и многих других ученых, инженеров, практиков заложили фундамент русской науки и техники. Зарождение нашей отечественной науки о горном деле тесно связано с именем М. В. Ломоносова — великого русского ученого. Ломоносов вел большую работу по составлению и описанию минералогических коллекций, имеющихся в Академии наук.

Им написаны такие классические труды по горному делу, как «Первые основания металлургии, или рудых дел», «О слоях земли», «Слово о рождении металла от трясения земли». Он представил диссертацию на степень магистра «О движении воздуха, в рудниках примененном». Таким образом, М. В. Ломоносов заложил основы русской науки о добыче угля. Не только в истории отечественной, но и мировой горной науки и техники его имя занимает одно из почетных мест. В начале XYIII в. на Урале учреждается должность «механикуса», отвечающего за эксплуатацию различных машин.

Город Барнаул, где работал Ползунов, был в XYIII в. крупным центром горнозаводской промышленности Сибири. Заводы Барнаула были к тому времени высокомеханизированными предприятиями. Наиболее трудоемкая работа производилась не вручную, а при помощи вододействующих колес, представляющих собой передовую технику.

Это были большие обычные колеса, снабженные по ободу лопастями. Вращались они, как и мельничные колеса, энергией падающей на них воды. При помощи системы передач движение воздействующих колес передавалось мехам, раздувающим плавильные печи. Колеса были огромного размера, а КПД маленьким.

В 1763 г. Ползунов, человек разносторонний — изобретатель, конструктор, технолог и машиностроитель, специалист по металлургии и горному делу, проектировщик, знаток руд, механик, математик и учитель, сконструировал «огненную машину». Это была, по словам Ползунова, машина, действующая через посредство воздуха и паров, образующихся в котле с водой. Изобретение получило одобрение в Петербурге, и Ползунов был награжден званием «бергмеханикуса», 400 рублями и командировкой для обучения в Академии наук.

Но Ползунов не смог бросить свое детище и остался руководить постройкой машины. 23 мая 1765 г. первая в мире заводская паровая машина была введена в постоянную эксплуатацию. В Барнауле не нашлось человека, который бы поддержал изобретателя. Напряженный труд и нищенские условия существования, в которые был поставлен изобретатель, свели его в могилу, а дело его было забыто. Впоследствии честь изобретения паровой машины приписали англичанину Уатту, опубликовавшему свое изобретение на 20 лет позже. Возросшая потребность в ископаемом угле заставила добывать его не только на выходах пластов на поверхность земли, но и из подземных недр.

Но ведение подземных работ для добычи угля при чрезвычайно низком уровне тогдашней техники было сопряжено с большими трудностями. Крепление подземных выработок на случай обвала, удаление подземных вод, заливающих шахты, транспорт и подъем добытого угля, подача свежего воздуха в шахту, борьба с взрывами метана и угольной пыли ставили перед добытчиками непреодолимые препятствия.

К моменту изобретения Ползуновым машины, самые глубокие шахты не превышали 120 м. Изобретение Ползунова двинуло добычу угля в России вперед. С одной стороны, паровые двигатели значительно расширили спрос на уголь, а с другой — позволили механизировать откачку воды и подъем угля. Изобретение Ползунова произвело подлинный переворот в угольной промышленности, быстро сказался на развитии угольной промышленности в России. В бассейнах, где уже велась добыча угля, возникали новые шахты и металлургические заводы, открывались новые месторождения.

В 60-е годы XYIII в. К. Д. Фролов строит уникальные по тем временам гидросиловые установки на алтайских Змеиногородских рудниках, не имевших аналогов в мировой практике. Построенные им здесь же рудоподъемники элеваторного типа обеспечивали транспортировку горной массы на поверхность с помощью барабанов, приводивших в движение бесконечную цепь с подвешенными на ней бадьями. Производительность такой установки составляла от 3 до 6 тыс. пудов за смену.

Начатые И. И. Ползуновым работы в области конструирования паровых машин успешно продолжили отец и сын Черепановы. Они разработали и осуществили проект первой железной дороги. Ими был разработан первый паровоз. XIX век открывает новую страницу в развитии средств ведения производственных процессов. В 1832 году А. А. Саблуков изобретает центробежный вентилятор, в 1835 — винтовой, а позднее «водогон», предназначенный для подъема воды, явившегося прототипом современного центробежного насоса.

В 1843 г. А. И. Узатис опубликовал «Курс горного искусства», включающий такие разделы, как минералогия, геология, разведочное дело, горное искусство, обогащение полезных ископаемых, практическая механика. Высокий теоретический уровень и широкое применение методов математического анализа на долгие годы сделали этот труд основным руководством для горных инженеров. Особое внимание А. И. Узатис уделяет точным наукам, которые, по его мнению, являются базой для создания разнообразных систем.

Основываясь на опыте эксплуатации вентиляционных установок, А. И. Узатис разрабатывает правила безопасности для улучшения работы подземных рабочих, формирует положения о проветривании горных выработок естественным и искусственными способами. Полно описывает конструкции подъемных комплексов и принципы их проектирования, что становится базой для развития вертикального канатного подъема. Он впервые вывел формулы для выбора параметров конических барабанов с желобами и гладкой поверхностью.

Начатое А. И. Узатисом дело продолжили профессора Петербургского горного института П. А. Олышев и И. А. Тиме. П. А. Олышев, решая проблемы гидравлики, маркшейдерского искусства, прикладной механики, значительных успехов достиг в области рудничного подъема. Им разработаны методы использования и расчета установок с постоянным и переменным радиусом навивки. И. А. Тиме обобщил итоги своих исследований в работе «Справочная книга для горных инженеров и техников по горной части, горнозаводская механика», опубликованной в 1879 г. Особое внимание заслуживают такие ее разделы, как «Угледобывающие машины»; «Водоотливные машины»; «Воздуходующие машины и вентиляторы».

Тиме рассматривает канаты, копры, паровые машины и различные вспомогательные элементы, обеспечивающие их нормальную эксплуатацию — контрольные приборы, сигнальные и тормозные устройства, дает рекомендации по определению высоты поверхностных сооружений, времени движения сосудов. Благодаря И. А. Тиме был сделан качественный шаг в развитии горной техники. Усилия ученых, инженеров и практиков на протяжении рада столетий были направлены на механизацию наиболее трудоемких технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых.

На протяжении многих веков основными инструментами для разрушения горной массы являлись обушок, кайло и лопата. Доставка осуществлялась с помощью санок, волокуш, тачек и вагонеток. На открытых работах для этих целей служили телеги-«таратайки».

Появление электрической энергии, а позднее энергии сжатого воздуха существенно изменило ситуацию. Этому способствовало создание новых материалов и сплавов, обладающих большой прочностью и износостойкостью. Общее состояние техники шахт рудников, разрезов и карьеров России на рубеже XX в. в целом не соответствовало потребностям роста производственных мощностей добывающих предприятий. Такое положение было следствием экономической отсталости, чрезвычайно скудного финансирования научных исследований. Несмотря на это, русским ученым и специалистам удалось достигнуть впечатляющих успехов в создании и дальнейшем совершенствовании теории и практики отечественной горной механики.

В начале XX в. горная промышленность России имела низкий уровень технической оснащенности, а на ее предприятиях повсеместно наблюдалось засилье иностранных фирм — французских, немецких, бельгийских, не заинтересованных в изменении сложившейся ситуации. Многие годы вентиляторы, насосы, подъемные машины, электрооборудование и энергомеханическое оборудование закупались за рубежом. В среднем производительность шахт составляла 80−425 т, а их глубина — от 180 до 672 м. На шахтах и в рудниках в основном использовались паровые приводы и лишь на двух рудниках — наиболее эффективные по тем временам подъемные машины со шкивами трения и электродвигателями системы Ильгнера — Леонарда. Применялись центробежные вентиляторы, поршневые насосы зарубежного исполнения с малоэкономичными паровыми двигателями. Вентиляторы типов «Рато», «Сирокко», «Гибаив», «Сер», «Бери», «Женест-Гершер», «Пельцер» имели большие размеры, низкий КПД (не выше 0,4), несовершенные аэродинамические схемы, малую быстроходность, и как следствие невысокие производительность и создаваемый напор. Не получили должного распространения в этот период эффективные центробежные насосы.

Энергетическое хозяйство России этих лет при колоссальных ресурсах не обладало достаточными мощностями для широкого внедрения электрической энергии в различные области промышленности, в том числе и в горную. Особенно низким был уровень механизации процессов добычи и транспортировки по наклонным и горизонтальным выработкам. Отбойку угля подземные рабочие вели лежа или стоя на коленях, вручную, с помощью обушка, в очень стесненных условиях. Различным образом осуществлялась доставка полезного ископаемого от забоя к стволу. В отдельных случаях, например при потолкоуступной разработке тонких пластов, применялась переноска в корзинах и мешках.

Широкое распространение имели и другие способы: перелопачивание и отгребка, когда отгребальщики лопатами перекидывали разрушенную горную массу на расстояние 4−6 м; проталкивание, когда пропускальщики выполняли операции спуска полезного ископаемого по железным листам; перемещение сырья, когда катальщики (в основном на антрацитовых месторождениях, реже на почве пласта) передавали куски друг другу. Не менее изнурительным был труд саночников, которые, обвязав вокруг пояса веревку, тащили за собой очень часто на коленях волокушу или санки, и откатчиков, которые использовали тачки. Простое и производительное транспортирование под действием собственного веса применялось в основном в круто наклоненных выработках.

Транспортирование горной массы после погрузки в вагонетки производилось лошадьми, для чего под землей устраивались конюшни. Примерно такое же положение наблюдалось и на открытых разработках, где преобладали ручная отбойка и перемещение сырья в бричках и вагонетках при помощи лошадиной тяги. На некоторых месторождениях применялись специальные выемочно-погрузочные машины с паровым двигателем, которые называются экскаваторами. Все элементы таких машин, включая корпус, стрелы выполнялись из дерева. Такой экскаватор еще в 1834 г. создан Вильямом Отисом.

В России только в 1902 г. на Путиловском заводе начато производство первых отечественных экскаваторов типа «механическая лопата» с емкостью ковша от 0,38 до 2,29 м³. После Октябрьской революции развитие горной промышленности на базе коренного изменения уровня энерговооруженности и механизации технологических процессов становится одной из первых насущных задач. В 1918;1919 гг. создаются специальные управления — Главтоп, Главхим, Главзолото, Главсоль и Главруда, ведавшие вопросами добычи соответственно угля, нефти, сланцев, торфа, фосфоритов, ртути, золота, платины, минеральных солей, руд черных и цветных металлов, а также выплавкой свинца, серебра и цинка.

Для подготовки высококвалифицированных специалистов в эти годы открывается Московская горная академия и ряд вузов по всей стране; появляются предприятия горного машиностроения, обеспечивающие шахты, рудники, карьеры и разрезы новой высокопроизводительной техникой. Впервые проектируются и начинают внедряться мощные комбайны, струговые установки, экскаваторы и буровые станки. Интенсивно ведутся научные исследования, возглавляемые М. М. Протодьяконовым (1874−1930), М. М. Терпигоревым (1873−1959), Л. Д. Шевяковым (18 891 963), А. А. Скочинским (1874−1960), А. П. Германом (1874−1953) и другими учеными. Начинается качественно новый этап совершенствования стационарных установок.