Горное дело

этапы использования каменных орудийГОРНОЕ ДЕЛО (а. mining, mining engineering; н. Bergbau; ф. industrie miniere, genie minier; и. ingenieria minera) — область деятельности человека по освоению недр Земли. Включает все виды техногенного воздействия на земную кору, главным образом извлечение полезных ископаемых, их первичную переработку и научные исследования, связанные с горными технологиями.

Общие сведения. Горное дело зародилось в глубокой древности с возникновением человеческого общества и развивалось в тесной связи с его социально-экономической структурой на базе совершенствования орудий производства. Ранние периоды истории горного дела протекали в разных регионах в различное время — наиболее достоверные и ранние по времени археологические источники культур периода каменного века обнаружены в Африке, Европе, Азии, медного и бронзового — в странах Средиземноморья, в Малой Азии, на Балканах и в Альпах, на Урале и в Казахстане, периода железных орудий — в странах античного мира, Малой и Средней Азии, Закавказье, Западной Европе, Китае, Японии. Возникновение горного промысла и ремесла, перерастание их в горную промышленность впервые происходит в странах Переднего Востока, античного мира, Западной Европы и др.

С развитием горного дела росло число широко используемых полезных ископаемых: к нерудному минеральному сырью каменного века добавляются в 7-5-м тысячелетии до н.э. руд цветных металлов (меди, золота, олова, сурьмы), в 9-8 вв. до н.э. — железные руды, в античное время и средние века — горючие полезные ископаемые (нефть и уголь), в 20 в. — радиоактивные руды. Известная с древнейших времён разработка полезных ископаемых открытым и шахтным способом дополняется в 1-м тысячелетии до н.э. технологией добычи посредством буровых скважин, с 50-х гг. 20 в. технологией разработки залежей в морских акваториях (главным образом на шельфе). В 70-е гг. горное дело перерастает в гигантскую по масштабам и комплексную по содержанию область производства, обеспечивающую свыше 70% всех потребностей общества в сырье. В мире ежегодно извлекается из недр около 100 млрд. т горной массы, добывается около 20 млрд. т полезных ископаемых, суммарная ежегодная стоимость горной продукции — сотни млрд. руб. Важнейшее место среди минеральных ресурсов занимает топливно-энергетическое минеральное сырьё, в балансе которого около 27% стоимости приходится на уголь, свыше 40% — на нефть (с газовым конденсатом), 17% — на природный газ. За историческое время в мире добыто 140 млрд. т угля, свыше 50 млрд. т нефти.

Реклама



этапы развития добычи кремняОдним из главных факторов развития горного дела, определяющим его уровень в различные исторические периоды, являются орудия горного производства. Наряду с каменными топорами древнейшего периода в 12-6-м тысячелетии до н.э. используются роговые кайла, в 5-4-м тысячелетии появляются медные, а затем бронзовые, позднее, с начала 1-го тысячелетия до н.э., железные кирки и кайла. В античное время в шахтах и каменоломнях в качестве горных орудий применяются простейшие механизмы, появляются первые горные машины, в 16-17 вв. они значительно совершенствуются, с конца 18 в. оснащаются автономным приводом. Научно-техническая революция 20 в. открыла дорогу внедрению в горное дело машин-автоматов и автоматизированных систем.

Эпоха горных орудий составила наиболее протяжённый этап истории горного дела. Собирательство каменного сырья предшествовало целенаправленной разработке недр и восходит к раннему палеолиту (2,5 млн. лет — 35 тысяч лет назад). Период характеризуется отбором с поверхности Земли каменных материалов (обломки камней и гальки), которые могли быть применены без какой-либо обработки или после скалывания (олдувайская, ашельская, мустьерская эпохи) для резания или рубящих действий. Установлено (на территории Европы, Африки и Азии), что в это время наряду с кремнем человек использовал свыше 20 минералов и около десятка горных пород (яшма, обсидиан, роговик, сланец, кварцит, доломит и др.), а также минеральные краски (преимущественно охры). Собирание каменного материала на протяжении палеолита привело, с одной стороны, к заметному истощению поверхностных залежей качественного кремня, с другой — способствовало выработке навыков в создании техники обработки камня и распространению её в Африке, Азии и Европе (карта 1). 

каменные орудияроговые орудияПримитивное собирательство высококачественного каменного материала с поверхности к концу периода постепенно сменяется целенаправленной добычей с некоторой глубины (рис. 1).

С эпохами мезолита и неолита связано использование вначале камня (рис. 2), позже рогов животных (рис. 3) в качестве примитивных горных орудий.

Аграрная революция, вызванная появлением земледелия и скотоводства, привела к выделению ремесла, в том числе по изготовлению каменных орудий. Появляются молоты, кайла, мотыги, кирки, клинья для горных работ. Формируется древнейшее горное дело как система приёмов применения этих орудий: для добычи кремня выкапываются ямы, канавы, ниши в крутых берегах рек и подземные ходы-выработки. Они обнаружены на территории многих стран Европы — Спьен, Обур, Стрепи (Бельгия), Граймс-Грейвс (рис. 5), Сисбери (Великобритания), Мюр-де-Баррес, Шампиньоль (Франция), Ольборг, Хов (Дания), Кварнбю (Швеция), Мадьярошдомб (Венгрия), Кшемёнки (Польша), Мауэр (Австрия), Красное Село (СССР).

Археологические реконструкции показали, что для выемки залежей кремня, обнажающихся на крутых берегах рек, в оврагах и балках, проводились горизонтальные выработки, а применительно к пластам или конкрециям кремня в известняках — вертикальные выработки, вначале в виде котлованообразных ям, а с развитием навыков горных работ — стволов шахтного типа (рис. 6), глубина которых достигла 18 м.

Стремление отработать возможно большую площадь залежи приводило к созданию расширений в забойной части и сбойке стволов под землёй. Появляются деревянные распорки для крепления.

древние горные выработкидобыча кремня в горизонтальных выработкахСовершенствование обработки камня посредством шлифования, пиления и сверления привело к использованию наряду с кремнем других крепких и абразивных горных пород в качестве исходного сырья (гнейсы, диабазы, жадеит и др.) и расширению ассортимента каменных орудий, изготавливаемых в древних специализированных мастерских (остров Рюген в Балтийском море; Кшемёнки на территории Польши, Капчагай на территории СССР). Вблизи поселений обычно добывалась глина для керамических изделий.

Первое использование медных минералов (малахит) для изготовления украшений датируется 10-8-м тысячелетием до н.э. Наиболее ранний пример добычи и плавки медной руды зафиксирован в 7-м тысячелетии до н.э. (поселок Чатал-Хююк в Анатолии). Однако начало распространения медных орудий датируется 6-5-м тысячелетием до н.э., когда добыча медных руд и изготовление изделий из меди приобретают относительно широкий характер (территории Ирана, Анатолия, Балкано-Карпаты, подробнее см. на карте 2).

Наряду с медными рудами добываются золото, руды олова, мышьяка, свинца. С 5-4-го тысячелетия до н.э. из среды общинников выделяются группы горняков-профессионалов, передававших свой опыт из поколения в поколение. Целые кланы и даже племена могли специализироваться в горном деле.

добыча кремня в вертикальных выработкахкаменные топорыВ начале периода основную массу горных орудий по-прежнему составляли каменные топоры (рис. 7) и роговые кайла.

С расширением объёмов добычи медных руд, усовершенствованием процессов плавки и ковки медные и бронзовые орудия постепенно вытесняют каменные. Появляются кайла из меди и бронзы, бронзовые кирки и клинья (рис. 8).

Однако высокая крепость рудных тел значительно затрудняла их выемку с помощью и этих простых орудий. Впервые внедряется способ искусственного ослабления прочности массива с помощью пожога (рис. 9), когда перед плоскостью забоя раскладывали костёр, нагретые породы обливали водой, а в образовавшиеся трещины каменными кувалдами забивали деревянные клинья.

использование металлических горных орудийЗатем клинья смачивали, и при разбухании они отрывали породные глыбы от массива (например, Лаврионские рудники в Греции, копи "Миттерберг" в Австрии). Исследование хорошо сохранившихся подземных выработок ("Айбунар" и "Рудна-Глава" на Балканском полуострове, "Вади-эль-Араба" на Синае, Гумешевский рудник на Урале, Зодский рудник в Армении, Калбинские рудники на Алтае и др.) позволяет составить представление о технологии работ в них. Для отбойки пород от массива использовались металлические долота и кайла. Форма подземных выработок, их трасса и протяжённость (достигавшая сотен метров) повторяли конфигурацию рудного тела. Это вызывало необходимость предохранять выработки от обрушения, что достигалось оставлением целиков, сооружением подпорок из глыб камня, применением деревянных распорок. Для этих же целей кровле горной выработки придавали сводчатую, арочную или остроугольную формы. Проветривание осуществляли посредством специальных дополнительных вертикальных выработок, проходимых на разных уровнях. Для предотвращения затопления шахт ливневыми дождями около ствола строили защитные плотины. Подземные воды собирали в ямы-водосборники, из которых воду вычерпывали кожаными или берестяными вёдрами. Освещались горные выработки сжиганием сухого хвороста или лучин, а позднее — с помощью масляных сосудов-ламп.

этапы использования железных орудийдобыча руд с помощью огневых работДля спуска и подъёма рудокопов в стенке вертикальной выработки оставляли небольшие уступы, применяли также брёвна с зарубками или частично обрубленными сучьями. Руду поднимали на поверхность в кожаных сумках, плетёных корзинах и т.п. Для выемки руд из близповерхностных залежей начинают выкапывать ямы и котлованы значительных размеров, оставляя между ними участки массива пород. Выработки типа карьеров достигали длиной 100 м и более, глубиной 20-30 м. Древний медный карьер в урочище Кенгазган (Центральный Казахстан) имел длину до 500 м, ширину до 100 м, глубину до 18 м; на Синайском полуострове древний медный карьер (долина Кариг) представлял собой котлован длиной около 100 м, шириной10 м, глубиной 9 м. Появляются первые горные чертежи — сохранился древнеегипетский папирус, на котором показана схема шахты по добыче золота.

Складываются навыки и приёмы подготовки руд к плавке, в частности разделение их в водной среде с использованием разности в плотности минералов. Возникает новая область горного дела — обогащение полезных ископаемых. В качестве дробильных орудий начинают использовать каменные молотки, а также цилиндрические песты и тёрочники. Для измельчения подбирались крупные камни округлой формы (куранты), а также каменные плиты. Для разделения минералов в водной среде вода подавалась даже из удалённых источников, например в районе древних Миттербергских копей — из горного озера на расстояние в 200 м. В районе древних выработок Джезказганского меднорудного месторождения в Казахстане сохранилась система ям, соединённых арыками между собой для направления потоков весенних вод.

Для выделения рудных минералов измельчённую руду ссыпали в деревянные корыта и промывали. На дне осаждались куски тяжёлой руды, а с водой выносились более лёгкие частицы породы.

схема древнеегипетской шахтыосвящение горняков перед спускомВ самостоятельное направление горного дела выделилась добыча и обработка каменных блоков. Наиболее крупных масштабов эта деятельность достигла в Древнем Египте при сооружении пирамид. Техника выемки заключалась в оконтуривании отделяемых блоков системой врубов, в которые забивали клинья. Для постройки только одной пирамиды Хеопса (Хуфу) потребовалось 2300 каменных блоков массой от 2 до 15 т каждый. Высокого уровня достигла техника обработки камня — примитивными резцами создавали ровную поверхность. В значительных количествах добывался гипс (о. Крит), лазурит (Бадахшанское месторождение на территории Афганистана), хризолиты, топазы и другие драгоценные камни, минеральные пигменты (аурипигмент, диморфин, гётит, гематит, хантит и др.).

Приобретённые навыки сооружения горных выработок позволили строить подземные системы водоснабжения. Так, колодец Иосифа в Каире состоял из 2 стволов — верхнего (глубина 50 м) и нижнего (40 м), между которыми была создана куполообразная камера с бассейном для воды, вычерпываемой из нижнего ствола. Вода на поверхность подавалась в глиняных сосудах, подвешенных к верёвке (т.н. нориях). Документальные свидетельства особенностей горного дела этого периода обнаружены в медных рудниках фараона Тутмоса IV на Синайском полуострове: перед лазами в копи устанавливались таблички с изображениями и надписями, где у богов испрашивалось счастливое возвращение из-под земли и богатая добыча. При раскопках храмовых сооружений в Тимне, расположенных непосредственно в районах добычи полезных ископаемых, найдены медные фигурки животных и маска покровительствующей горному делу богини Хатор. Этот период завершается переходом к массовой разработке железных руд, когда большие серии железных орудий стали вытеснять бронзовые на большей частью Евразии (карта 3).

этапы использования орудий из меди и бронзыПервые письменные сведения по обработке и добыче железных руд связаны с Анатолией и восходят к середине 3-го тысячелетия до н.э. Там же со 2-го тысячелетия до н.э. начинается производство серий железных орудий (народ халиб в Малой Азии). В течение последующих нескольких столетий добыча железных руд и выплавка железа не получили широкого распространения. Начавшаяся с 9 в. до н.э. разработка озёрных, болотных и луговых залежей железных руд привела к появлению больших серий железных орудий, которые стали вытеснять бронзовые на большей части Евразии. Развитие добычи и выплавки железа привело к крупным сдвигам в производительных силах. Ф. Энгельс характеризует железо в этот период как "... последнее и важнейшее из всех видов сырья, сыгравших революционную роль в истории...". В этот период рабский труд в горном деле постепенно становится основным. Рост объёмов производства способствовал освоению новых месторождений железных руд и возникновению железоделательных центров (поселение Хансбери на территории Великобритании, поселение Камп-д'Африк на территории Франции и др.). Стимулом к расширению и интенсификации горного дела становится дальнейшее развитие торговли рудой, металлами, солью, мрамором, минеральными красками, драгоценными камнями и другими полезными ископаемыми. Железные молот и кайло становятся основными орудиями горного производства. Железные руды разрабатываются по всем горно-металлургическим районам Старого Света, исключая северо-восточные области Азии и Африку южнее Сахары.

Замена бронзовых и каменных горных орудий на железные позволила усовершенствовать технологию горных работ: возрастают темпы проведения горных выработок, их глубина и протяжённость. Замена горняцких бронзовых орудий на железные обусловила рост масштабов добычи полезных ископаемых — руд железа, меди, золота, серебра, свинца, мышьяка, мрамора, каменной соли и др. Начинается добыча нефти: к 7 в. до н.э. относится одно из первых упоминаний (тексты Ашшурбанипала на глиняных таблицах) о колодцах для добычи светлых нефтей; два века спустя Геродот описывает колодезный журавль с мехом вместо ведра для добычи нефти с её последующим отстаиванием в ёмкостях в Киссии (Сузиана).

Совершенствование железоделательного производства привело к созданию сложных орудий труда, нашедших применение в горном деле. Развитие горного дела в этот период происходит на фоне возникновения и расцвета античных государств — Древней Греции, Древнего Рима и других стран Средиземноморья. В 6 в. до н.э. складывается объединение древнегреческих естествоиспытателей, так называемая милетская школа, просуществовавшая до 494 г. до н.э. Зарождение в странах античного мира естествознания создало основу для коренного совершенствования средств и способов горных работ, особенно в области разработки железных руд. В ещё более широких масштабах разрабатываются руды меди (Кипр, Странджа), золота (острова Сифнос и Taсоc, Фракия), серебра (Лаврионские рудники, Сифнос, Фракия, Македония, Эпир, Лидия). Практическое применение в горном деле получают геометрические измерения. В этой связи показательно сооружение водопроводного тоннеля длиной 1 км на остров Самос (6 в. до н.э.), когда работы были одновременно начаты с двух сторон скалы и обе партии проходчиков встретились под землёй в намеченном месте. Появляются сложные механические приспособления для подъёма руды из шахт глубиной свыше 100 м, производительные водоотливные механизмы ("Архимедов винт").

добыча руды в шахтекамень из ЛинаресаЗначительного совершенства достигают работы по добыче золота с использованием водных потоков. Обычно золотоносный песок ссыпали на бараньи шкуры, которые промывали водой, подаваемой по деревянным желобам (Колхида). На территории Испании эти работы по долинам рек Taxo, Дуэро, Миньо и другим приняли глобальный характер: на предварительно расстеленные шкуры обрушивались посредством искусных подкопов огромные объёмы горных пород, на которые затем отводились водные потоки от рек. После окончания промывки в обоих случаях шкуры высушивались и сжигались. Остатки горения собирали в корыта и вручную промывали в проточной воде, которая уносила пепел. На дне корыта оставались золотинки. Свинцово-цинковые и другие руды измельчали в каменных ступах (позднее толчеях) с последующей промывкой на каменных "столах" — площадках с параллельными канавками для воды, которая подавалась из водоёмов "Архимедовым винтом". Появляется первое крупное, дошедшее до наших дней описание и систематизация минералов и полезных ископаемых ("Естественная история ископаемых тел" Плиния, 1 в.). Территория Испании становится одним из главных центров добычи руд в Европе. До наших дней сохранился знаменитый "камень из Линареса" — одно из редчайших произведений искусства римской эпохи, который изображает рудокопов с кайлами на плече перед спуском в шахту.

бурение скважин в КитаеВ 1-м тысячелетии до н.э. отмечается резкий подъём горного дела и в других регионах Старого Света. Например, в Китае ведётся разработка нескольких тысяч месторождений руд железа, меди, олова и других полезных ископаемых. Для добычи соляных растворов впервые осуществлялось бурение скважин глубиной до 900 м, диаметром 12-15 см (рис. 14).

Развивавшиеся производительные силы требовали увеличения масштабов производства и потребления. Экономический кризис перерастает в социальный и приводит к распаду рабовладельческого строя на территории Европы в первых веках н.э. Горное дело с крушением могущественной Римской империи в течение нескольких веков переживает глубокий кризис.

С формированием феодальных отношений и выделением свободных производителей (в т.ч. ремесленников-горняков) связан новый подъём производительных сил. Объёмы горного производства расширяются, возобновляются римские разработки в Альпах, в Трансильвании, Северных Балканах, северных районах Европы. С 4-5 вв. разрабатываются угольные месторождения в районе Льежа (Бельгия). В 712 г. начинается добыча железных руд в Штирии. В больших масштабах разрабатываются руды полиметаллов в Богемии, на р. Рейн. С 11 века в странах Европы стали формироваться крупные города — центры ремесленной деятельности горняков (в Чехии, Саксонии, Франции и др.). Жители этих городов добывали руду для выплавки железа, золото и серебро для чеканки монет, каменную соль и др. Города добиваются от феодалов так называемых горных свобод, а правила ведения горных работ закрепляются специальным законодательством — горным правом (впервые в 1249 для чешского горного города Йиглавы). Резкое повышение производительности труда в горном деле было связано с переходом к особой — цеховой организации рудокопов, которые создают в этот период товарищества по эксплуатации месторождений. Опыт профессиональных объединений в Чехии, Саксонии, Австрии широко распространился в Европе. Деятельность этих товариществ начинает регламентироваться горным правом. Формируются традиции горняков, получающие своё выражение в профессиональных праздниках, парадной одежде, знаках отличия. См. рис.

парадная форма саксонских горняковЭтот процесс находит отражение в фольклоре и произведениях искусства. Показательно оформление алтарной части Гедштедтской горняцкой церкви (в Тюрингенском меднорудном районе), своды которой поддерживают консольные фигуры легендарных основателей горного дела в Мансфельде — Наппиана и Нойке (созданы около 1290). См. рис.

Одежды рудокопов, в которые облачены обе фигурки, позволяют судить об условиях работы в средневековой рудной шахте. О технике добычи и условиях труда на шахтах середины 14 в. дают представление также стеклянные витражи Фрайбургского собора (1340-50), украшенные изображениями работающих горняков. К 15 и 16 вв. относится появление большего числа выдающихся примеров отображения горной тематики в изобразительном искусстве. Замечательные творения в живописи и архитектуре, связанные с горной тематикой, создают известные мастера этого времени Э. Грассер (в Шваце), Г. Фрицше (во Фрайберге), Ф. И. Платцер (в Праге), Х. Xecce (в Аннаберге), П. Парлерж (в Кутна-Горе). Появляется одно из наиболее впечатляющих творений, прославляющих горное дело, — величественный собор свыше Барбары (Кутна-Гора; Чехия). Подобные храмы строятся также в горных городах Фрайберг, Шнеберг и Аннаберг, а также альпийских горных посёлках Швац, Халль и Раттенберг. Особый характер "горняцкой церкви" подчёркнут в убранстве храма в Клаустале, парапеты хоров которого украшают рудные штуфы и красивые минералы. В этот же период успехи в добыче полезных ископаемых начинают отмечаться созданием уникальных по своим размерам и красоте ваз и бокалов. Пожеланием постоянной удачи в добыче и разработке месторождения Раммельсберг как бы должна была служить искусно выполненная Госларская горняцкая кружка (1477). Позже появляется Раппольтштайнский кубок золотых дел мастера Г. Кобенхаупта (изготовленный им в 1530 из серебра месторождения Маркирхе) — выдающееся произведение немецкого искусства малых форм эпохи Ренессанса. Во Франции в связи с соляными разработками в Салене (Юра) создаётся гобелен "Святой Анатоль".

фрагмент горного алтаряОсобое художественное и иллюстративное оформление получают так называемые горные книги. Сборники законодательных актов, касающихся регламентации горных работ (середина 16 в.), потребовали включения в них красочных иллюстраций, отображавших в то же время правильные методы и способы ведения горных работ. Пример этого — иллюстрации к Швацкой горной книге, выпущенной в 1556. Поясняющими рисунками к тексту, описывающему с высокой точностью все рабочие процессы, снабжается созданный первый технический учебник — "Двенадцать книг о горном деле и металлургии" Г. Агриколы. В 13 веке в Западной Европе начинается подземная добыча каменной соли методом растворения. У средневековых горняков Гарца появляются первые обогатительные машины — прообраз отсадочных. Глубокие корыта разделяли перегородкой, не доходящей до дна, на два отделения; в одном из них вертикально движется плоский поршень, вызывая пульсацию пульпы. Происходит отделение рудного материала (свинца, цинка, серебра) от пустой породы.

Центром добычи золота и серебра в 16 веке становится Южная Америка, где объёмы получения этих металлов в 5 раз превышают уровень Европы до открытия Нового Света. В этот период, например, в Мексике для измельчения и истирания руды применялись специальные устройства (арастры), для привода которых использовались мулы. В кольцевых каменных ямах с выпускными отверстиями для измельчённой руды дробление осуществлялось огромными обтёсанными камнями, прикреплёнными цепями к вращающейся крестовине. Позднее для привода арастры стали использовать водяное колесо. Для извлечения серебра начинает широко применяться амальгамация в чугунных ретортах (так называемый американский способ).

средневековые горняки в шахтеводоотливная машинаЭпоха горных машин связана с возникновением мануфактурного производства, которое в 16-18 вв. стало истоком для научно-технического прогресса в Европе. Под влиянием идей Возрождения наука обращается к практике: её знаменуют изобретение компаса, пороха, книгопечатания и др. Магнитный компас находит применение в маркшейдерской практике (Германия, 1539), замена огневых работ взрывной отбойкой произвела переворот в горной технологии (рудник "Банска-Штявница", 1627), появляются первые печатные руководства по горному делу. В этот период создается теория махового колеса и маховых движений, теория жёлоба, учения о напоре воды, о сопротивлении, трении, изучаются свойства водяного пара и др. Научные разработки нашли отражение и при создании первых горных машин: прототипа подъёмной шахтной машины для спуска-подъёма груза с использованием цилиндра для навивки каната, бура для разведки недр (известны по рисункам Леонардо да Винчи, 1500), водоотливных машин (рис. 18), эрлифта для откачки воды из обводнённых шахт, конного ворота для шахтного подъёма (рис. 19), диффузоров, флюгеров, примитивных вентиляторов (рис. 20), рудничных вагонеток, маркшейдерских инструментов.

шахтный подъемпроветривание шахтРасширяется область применения простейшего гидравлического двигателя — водяного колеса в качестве привода подъёмных шахтных лебёдок (Великобритания, 17 в.), обогатительных механизмов (толчеи, мельницы, мешалок), сложных устройств шахтного подъёма и др. Всё это позволило сооружать шахты в виде упорядоченной системы горных выработок, придавая им облик крупного производства (рис. 21).

Впервые используется энергия водяного потока для обогащения золотых руд в забое шахты (рис. 22).

Руду к местам переработки доставляют с помощью конной тяги (рис. 23).

Дробление и сортировка руды осуществляются с помощью специальных устройств, для обогащения россыпей широко применяется энергия потока воды (рис. 24).

Вводятся в практику технологические процессы: обжиг руд, рудоразработка по цвету и блеску, амальгамация. Разрабатываются методы распознавания местоположения рудных тел по почвам, растительности, вмещающим породам. В Саксонии, Чехии и других странах появляются первые горные школы и училища, создаются обобщающие руководства. Наиболее значительное среди них — капитальный труд Г. Агриколы "О горном деле и металлургии..." (1556).

Широкие масштабы на Апшеронском полуострове приобрела добыча нефти при помощи колодцев глубиной 10-15 м, из которых она вычерпывалась кожаными вёдрами (рис. 25) с использованием конной тяги (описана немецким учёным Э. Кемпфером, 1683). В крупную отрасль горного дела вырастает добыча каменной соли.

средневековая рудная шахташахта с мокрым обогащениемИсключительную роль в совершенствовании конструкций горных машин сыграло изобретение парового котла (Д. Папен, Великобритания, 1680). Горное дело оказалось такой областью производства, где внедрение парокотельных агрегатов в 18 веке происходило наиболее интенсивно. Так, на рудниках Западной Европы получает распространение пароатмосферная водоподъёмная машина (Т. Ньюкомен, Великобритания, 1705), на угольных шахтах близ Льежа применяется паровой насос для водоотлива (1717). Решающее значение имело создание универсального парового двигателя Дж. Уатта в 1774-84 (первая паровая воздуходувная машина сконструирована И. И. Ползуновым в 1763-65). Первую такую машину Дж. Уатт использовал для водоотлива в шахте (1774), позднее паровой двигатель применяется для шахтного подъёма (угольная шахта в провинции Эпо, Бельгия, 1809). Паровые двигатели механизируют наиболее трудоёмкие процессы на шахтах Великобритании (за что именуются "друг шахтёра"). Отличительные особенности периода — появление подземных выработок постоянных сечений, схем рационального их размещения в подземном пространстве, специализация выработок (для водоотлива, вентиляции, спуска-подъёма руды, транспортирования и т.п.). Преимущественное распространение получила шахтная разработка месторождений, что объяснялось отсутствием техники для крупномасштабных земляных работ.

Достоверными документами, характеризующими уровень развития горного дела 17-18 вв., стали произведения изобразительного искусства в Западной Европе. На памятных медалях, выпускавшихся в честь закладки новой шахты или открытия рудника, воспроизводились в высокохудожественной манере водяные колёса, насосы, горный инструмент и т.п. Крупные красивые рудные штуфы и образцы минералов всё чаще использовались для создания так называемых горных миниатюр — макетов рудников. Миниатюры, назывались также "ручными камнями", являли собой воплощение традиционных представлений о горном предприятии с заключёнными в нём минеральными богатствами, как о "Божьем даре", о своеобразном микрокосме. В начале 18 века в искусстве малых форм особо прослеживается влияние горного дела на фарфоровую скульптуру. Ведущая в Германии Майсенская мануфактура посвятила целую серию фарфоровых фигурок горнякам как профессиональному сословию, которое, оказывая значительное воздействие на экономику Саксонии, обеспечивало её благосостояние. Примером связи горного дела с искусством малых форм может служить и ваза "Сатурн" (после 1745). На этом выдающемся произведении искусства изображены все стадии добычи и обработки серебряно-свинцовой руды, а также различные административные акты.

доставка рудыпромывка песков россыпейМотивы, связанные с горным делом в 18 веке, стали появляться также в искусстве стеклодувов. Саксонские, бранденбургские, чешские и брауншвейгские (Лауэнштайн) мануфактуры начали выпускать чаши и бокалы с изображением рудников, средств добычи и самих горняков. Подобные бокалы, украшенные гербами Пруссии, сценками из жизни и трудовой деятельности рабочих соляных копей, пускались вкруговую во время традиционных празднеств на Троицын день горняками района Галле-Зале (как их называли — "галлоры"). Фигурами горняков, горными эмблемами и т.п. украшали и изделия из олова (кружки, подсвечники). Профессиональное достоинство и сословная гордость горняков нашли своё отражение в произведениях искусства из слоновой кости — элементах горняцких парадных топориков, шпаг и др.

Качественно новый период в развитии горного дела наступает с налаживанием индустриального выпуска высокопроизводительных горных машин во время промышленного переворота (конец 18 — начало 19 вв.), который характеризовался победой и утверждением капитализма. Основой организации обществ, производства стала капиталистическая фабрика, образовались промышленные центры, формируется промышленный пролетариат (см. горнопромышленный пролетариат в России). Изобретение и применение рабочих машин стало началом перехода от мануфактурного производства к машинному. Возникает машиностроение, которое к 70-м гг. 19 в. превращается в крупную отрасль фабрично-заводского производства (Великобритания), создаются заводы горного машиностроения. Огромный спрос на минеральное сырьё со стороны расширяющегося машиностроения превращает горное дело к 70-м гг. 19 в. в крупнейшую отрасль капиталистического хозяйства (среднегодовая добыча свыше 225 млн. т, в т.ч. 187 млн. т. каменного угля и 20,5 млн. т железной руды).

добыча нефти из колодцевС развитием промышленного производства тесно связан процесс развития науки. Научные исследования в области горного дела приводят к созданию основ горной механики (П. А. Олышев, И. А. Тиме), теории горного давления (М. М. Протодьяконов), теоретических основ обогащения полезных ископаемых (Г. Я. Дорошенко и др.). В 1761 патентуется механическое приспособление для подрубания угольного пласта (М. Мензис, Великобритания). Патентуется основная машина для открытого способа разработки — одноковшовый паровой экскаватор на рельсовом ходу (В. Отис, США, 1834) и дисковая врубовая машина для угольных шахт (С. Воринг, Великобритания, 1852). Внедряются пневматические поршневые перфораторы (Франция, 1861). В 30-х гг. появляются стальные канаты для рудничного подъёма и откатки (Германия, 1835), устройства для воздействия на горные породы напорной струёй воды — водомёты ("фонтаны", а затем "брызгала" — прообраз гидромониторов, Россия).

макет рудникаВ 1860 французский инженер М. Кувре изобрёл многоковшовый экскаватор, в 1863 началась добыча золота с помощью драг (Новая Зеландия). В 1864 изготовлена первая цепная (баровая) врубовая машина (Великобритания). Первостепенное значение для совершенствования горной технологии имела замена порохов мощных взрывчатых веществ — пироксилином, нитроглицерином и, наконец, динамитом (1867). Первая отбойка угля динамитом в шахте "Анна-Мария" (Северная Вестфалия, Германия) открыла дорогу широкому внедрению взрывных работ в практику горного дела. Благодаря применению динамита стала возможной проходка многокилометровых тоннелей в Альпах — Мон-Сенисского (12 км), Сен-Готардского (15 км), Арльбергского (10 км), Симплонского (19 км). Тоннелестроение формируется в самостоятельную отрасль горного дела.

Для подготовки рудного сырья к переработке создаются дробилки различных конструкций: валковые (1806), роторные (1842), щёковые (1858), стержневые (1859), конусные (1877), молотковые (1895).

Изобретение во Франции (1844-49) способа бурения свободно падающим инструментом послужило основой увеличения объёмов проходки скважин. Начинается скважинная добыча нефти (1859, США; 1864, Россия). В США внедряется глубиннонасосная добыча нефти (1865), а с конца 80-х гг.- роторное бурение на нефть с применением лопастных долот и промывкой глинистым раствором (штат Луизиана).

подземный буровой станокподъемный воротшахтный вентиляторСовершенствуется привод горных машин; на смену парокотельным агрегатам приходят электрические двигатели. Использование их в шахтах (Великобритания, 1880) сыграло решающую роль в техническом перевооружении горного производства: создаётся электрический станок для бурения скальных пород (Германия, 1884) и электродвигатель становится основным приводом буровых механизмов (рис. 27), внутришахтного транспорта (рис. 28), вентиляторов (рис. 29), водоотливных установок и др. Значительно усовершенствовался шахтный подъём, для которого наряду с бадьями используют многоэтажные (до 6) клети. Водоотлив из шахт осуществляется насосами с приводом от парового двигателя. Открытый способ разработки применялся в ограниченных масштабах, в основном для добычи природных строительных материалов (глин, известняка, мрамора и др.), бурого угля, торфа, железных руд (главным образом болотных), россыпного золота. В широких масштабах применяется эрлифтная нефтедобыча на нефтепромыслах Баку (с 1894).

В конце 19 — начале 20 вв. резко увеличивается потребность в полезных ископаемых, выделяются крупные отрасли горнодобывающей промышленности: каменноугольная, железорудная, нефтяная (см. горная промышленность). Новые общественные условия, возникновение крупных капиталистических объединений горного машиностроения приводят к качественным изменениям в горном деле. Значительно совершенствуется буровая техника для проведения нефтяных скважин глубиной до 500 м; появляются станки вращательного бурения с паровым приводом, а также от двигателей внутреннего сгорания. Расширяется применение этих приводов. Например, в 1902 в районе Баку для бурения на нефть использовалось около 42 тысяч паровых машин (суммарной мощностью около 670 тысяч л. с.) и 12 тысяч двигателей внутреннего сгорания (мощностью 240 тысяч л. с). Улучшаются методы проходки шахтных стволов: появляется способ замораживания. Патентуется первый в мире комбайн для проходки горизонтальных горных выработок (А. Калери, Россия, 1897). Для отбойки угля широко применяются цепные врубовые машины (в 1913 в Великобритании эксплуатировалось около 3 тысяч врубовых машин, в США — 15 тысяч). Развивается механизированная откатка в шахтах тягачами — воздуховозами (США, 1881), электровозами (Германия, 1882). В угольных шахтах появляются конвейерыскребковые (Великобритания, 1902), ленточные (Великобритания, 1906), качающиеся (Германия, 1906). Появляется электрический шахтный подъём (Германия, 1894). Внедряются шахтные водоотливные установки с центробежными насосами (Испания, 1903).

Выемка угля из маломощных пологих и наклонных пластов привела к значительному совершенствованию сплошной системы разработки, из мощных пластов — системы с закладкой выработанного пространства. На рудных шахтах распространяются системы с подэтажными штреками, а несколько позже — подэтажного и этажного обрушения. Для обогащения угля применяются отсадочные машины, металл из руды извлекается электромагнитным и флотационным способами.

паровой экскаваторНа основе систематизации обширных практических данных и исследований к началу 20 века формируется чёткая система знаний по горному делу в виде курса горного искусства (наиболее полный труд — "Практический курс горного искусства" Б. И. Бокия, 1914). Наряду с шахтным способом возрастают объёмы открытых горных работ — этому способствуют развитие буровзрывных методов и изготовление паровых экскаваторов. Основным видом транспорта на карьерах остаются конные повозки и ручные тачки. Обогащение песков россыпей ведётся с применением простейших механизмов и ручного труда. Высокими темпами развивается бурение нефтяных скважин. В начале 20 века выявляются рациональные способы и порядок горных работ в шахтах и на карьерах – так называемые системы разработки.

Новый этап развития горного дела связан с научно-технической революцией (2-я половина 20 века) и характеризуется автоматизацией процессов горного производства и массовым применением ЭВМ, созданием системы горных наук. Научно-техническая революция превратила науку в непосредственно производительную силу, привела к внедрению комплексной автоматизации горного производства, контроля и управления основными технологическими процессами, охраны окружающей природной среды от влияния горных работ.

В области подземной разработки твёрдых полезных ископаемых основным средством механизации выемочных и проходческих работ становятся горные комбайны и самоходное оборудование (при разработке руд). С середины 50-х гг. создаются механизированные крепи, позволившие образовать выемочные комплексы и агрегаты, обеспечивающие механизацию всех основных рабочих процессов в очистном забое. Совершенствуется технология гидравлической добычи угля в шахтах (CCCP, с 1935-36). Разрабатываются системы подземной газификации углей с помощью буровых скважин, основанные на бесшахтном методе подготовки подземных газогенераторов (CCCP, 1945-48; идея высказана Д. И. Менделеевым в 1888).

Опережающими темпами развивается открытая добыча полезных ископаемых, в которой к 50-м гг. завершился переход к механизированному производству, основанному на внедрении станков пневмоударного, шарошечного и огневого бурения, многорядного короткозамедленного взрывания, нового ассортимента взрывчатых веществ, машин для заряжания и забойки скважин, мехлопат и драглайнов с большой вместимостью ковша, высокопроизводительных роторных комплексов, электровозов переменного тока и тепловозов, думпкаров высокой грузоподъёмности, систем конвейерного транспорта, гидромеханизации. Создаются и совершенствуются циклично-поточная и поточная технологии и техника непрерывного действия.

горные работы в карьереВысокого технического уровня и степени извлечения полезных компонентов достигает первичная переработка твёрдых полезных ископаемых, которая ведётся на комплексно-механизированных и автоматизированных фабриках способами обогащения полезных ископаемых. Значительно возрастают объёмы полезных ископаемых, перерабатываемых на обогатительных фабриках, что связано не только с увеличением масштабов добычи, но и вовлечением в разработку руд с всё более уменьшающимися содержаниями полезных компонентов. Обогатительные фабрики, расположенные, как правило, вблизи горнодобычных комплексов, тесно связаны с процессами добычи. Роль обогащения в горном деле возросла в связи с внедрением высокопроизводительных процессов добычи, вызывающих разубоживание руды, и снижением качества полезных ископаемых. На обогатительных фабриках вначале осуществляется дробление, измельчение и классификация по крупности добытых полезных ископаемых. Для дробления полезных ископаемых разработаны двух- и трёхстадиальные схемы в замкнутом цикле с классификацией на грохотах. Сортировка полезных ископаемых на первых стадиях переработки осуществляется с помощью оптического и радиометрического методов, а также обогащением в тяжёлых суспензиях. Руды чёрных металлов обогащаются магнитной сепарацией, руды цветных металлов — флотацией и гравитационными методами, которые являются основными и при обогащении углей. Внедряется технология обогащения руд непосредственно в процессе добычи на карьерах и шахтах методами радиометрической сепарации при циклично-поточной технологии. Современная тенденция в обогатительном оборудовании — использование аппаратов большой мощности и производительности: мельницы диаметром до 18 м; для флотации используют машины с увеличенным объёмом камер (свыше 40 м3 для одной флотокамеры). Применяется кучное выщелачивание для переработки забалансовых руд и извлечения металла из породных отвалов.

Добыча нефти и газа характеризуется техническим перевооружением нефтяных и газовых промыслов: созданы и внедрены новые установки для бурения скважин, турбобуры (CCCP, 1922; принципиально усовершенствован в 1935-1939), шарошечные долота, погружные центробежные электронасосы и др. Внедрены новые технологии: наклонно-направленное бурение эксплуатационных скважин (CCCP, 1941), многозабойное бурение (CCCP, 1941), добыча со дна моря, системы разработки с искусственным заводнением нефтяной залежи, тепловым воздействием на нефтяной пласт, шахтная добыча нефти.

В сфере горного производства создаются АСУ с большим диапазоном использования: контроль за ведением отдельных горных операций, планирование, проектирование, научного исследования. Внедряется автоматизированное управление отдельными крупными машинами (например, шагающими экскаваторами, буровыми установками), предприятиями (например, нефтяные и газовые промыслы, газотранспортные системы), отраслями горной промышленности. Начаты работы по использованию в горном деле промышленных роботов. Качественно новыми чертами этого периода становится переход на глубокие и сверхглубокие горизонты разработки месторождений (до 8 км для эксплуатации скважин, около 4 км для шахт и около 700 м для карьеров), достижение единичными горными предприятиями высоких годовых производственных мощностей (млн. т для шахт, десятки млн. т для карьеров), освоение минеральных ресурсов Мирового океана (в т.ч. глубоководных), внедрение малоотходных, безотходных горных технологий, развитие безлюдных технологий добычи (например, микробиологическое выщелачивание), переход на отработку руд с низким содержанием полезного компонента.

обогащение песковСоздание горных машин большой единичной мощности и средств автоматики позволяет планировать и осуществлять разработку месторождений по принципу поточного производства. Это прежде всего относится к открытому способу разработки месторождений полезных ископаемых, на долю которого приходится около 40-70% добычи угля, руд металлов, горно-химического сырья и 100% нерудных строительных материалов. Шахтным способом разрабатываются залежи на глубинах, недоступных для открытой разработки. На шахтах получают распространение дистанционное управление машинами на основе телевизионной техники, системы контроля за шахтной атмосферой и работой шахты в целом. Увеличиваются производственные мощности шахт: создаются предприятия годовой производительностью свыше 10 млн. т ("Кируна" и "Мальмбергет" в Швеции, "Эль-Теньенте" в Чили, "Сан-Маньюэл" в США и др.).

Область применения скважинного способа добычи расширяется за счёт его внедрения для выемки твёрдых полезных ископаемых: серы (см. выплавка подземная), калийных и каменных солей (см. растворение подземное), руд цветных металлов и урана (см. выщелачивание подземное, бактериальное выщелачивание), каменного и бурого угля (см. газификация углей), а также использования тепла земных недр (см. геотермия). С появлением плавучих буровых установок (впервые в США в 1949, Мексиканский залив) открываются перспективы применения скважинного способа на морских акваториях, где сосредоточена значительная часть природных запасов нефти и газа. Для вовлечения в разработку недр Мирового океана создают морские нефтегазовые промыслы. Осуществляется прокладка подводных газо- и нефтепроводов на большие расстояния (например, газопровод Алжир — Италия).

Технология первичной переработки полезных ископаемых совершенствуется в направлении комплексного извлечения полезных компонентов с всё более низким их содержанием и переходом на малоотходные и безотходные технологии. Внедряются замкнутые системы водооборота при обогащении полезных ископаемых.

Увеличение объёмов открытых горных разработок приводит к уменьшению площади плодородных земель, ухудшению ландшафтов, эрозии почв. Вредные последствия этого ликвидируются путём рекультивации. Повышается качество работ, связанных с уменьшением вредного воздействия горных технологий на окружающую среду, масштабы которого принимают планетарный характер (см. охрана окружающей среды).

Мировые объёмы добычи полезных ископаемых в 20 в. удваиваются примерно в течение каждых 12-20 лет. Суммарная добыча важнейших полезных ископаемых за 1875-1975 (в скобках — за 1915-75) составила: уголь 137 (64) млрд. т; нефть 46,7 (37,9) млрд. т; природный газ 20 (17,1) трлн. м3; железных руда 24,5 (14,2) млрд. т; бокситы (без стран СЭВ) 0,99 (0,88) млрд. т. Возросли цены на основные виды полезных ископаемых (в 1970-80) на нефть в 15 раз, природный газ в 10 раз, уголь в 4,6 раза, железные руды в 2 раза, нерудные полезные ископаемые в 3 раза.

С возникновением и развитием социализма освоение недр приобрело плановый рациональный характер, созданы научные основы охраны труда и техники безопасности на горных предприятиях (см. горнорабочие в CCCP). CCCP и другие социалистические страны располагают минерально-сырьевой базой всех видов полезных ископаемых, развитым горным машиностроением, научно-исследовательскими и проектными институтами горно-геологического профиля, системой горного образования (подробнее см. в ст. Союз Советских Социалистических Республик).

В странах несоциалистического мира крупными производителями многих видов минерального сырья являются развивающиеся государства, которые испытывают нехватку квалифицированной рабочей силы, финансовых и технических средств, необходимых для развития горного дела. Производство горного и обогатительного оборудования сосредоточено в развитых капиталистических странах, где расположены также крупные учебные центры по подготовке специалистов. Крупные горнодобывающие монополии владеют научными учреждениями по созданию прогрессивных горных технологий.

Удельный вес капиталистических стран в промышленном производстве продукции из минерального сырья в целом в два раза превышает их долю в собственной добыче большинства видов полезных ископаемых. Повышается роль развивающихся стран в снабжении минеральным сырьём развитых капиталистических государств, на долю которых приходится 85-90% суммарного потребления минерального сырья в мировом капиталистическом хозяйстве. Удельный объём используемых основных видов минерального сырья в расчёте на душу населения в развитых капиталистических странах превышает этот показатель в развивающихся странах в 10-20 раз (в США в 20-40 раз). Истощение ряда важных видов минеральных ресурсов в развитых капиталистических странах и борьба стран Азии, Африки и Латинской Америки за экономическую независимость оказывают большое влияние на расстановку сил в сырьевом секторе мирового хозяйства, стимулируют освоение месторождений в труднодоступных арктических районах и морских акваториях. Особенностью периода стало то обстоятельство, что на минеральное сырьё приходится примерно 1/3 мировой капиталистической торговли. Созданы международные отраслевые организации, которые пытаются осуществлять регулирование мировых рынков минерального сырья, ограничить диктат транснациональных корпораций. Объёмы добычи полезных ископаемых в рамках этих ассоциаций значительны (без учёта социалистических стран, %): оловянные руды свыше 72, бокситы около 76, ртутные руды 70, нефть 45, железные руды около 70, медные руды около 50, вольфрамовые руды 42,4 (1984).

Горное дело представляет собой одну из важнейших областей общественного производства, в которой заняты десятки млн. человек. Продукция горного дела — незаменимый сырьевой ресурс промышленности, транспорта, сельского хозяйства и строительства. Этим определяется значение горного дела в мировой экономике.

Основные публикации по горному делу. Первые сведения о горных работах встречаются в трудах философов античного времени. Систематические публикации в виде самостоятельных произведений впервые появляются в Германии в 15 веке. К 80-м годам 20 века общее число изданных названий книг составило несколько десятков тысяч (например, только в CCCP ежегодно издаются книги около 500 названий). Тематика публикаций включает разработку твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых, их первичную переработку, строительство горных предприятий и другие смежные проблемы. Наиболее представительные публикации — фундаментальные научные, учебные, справочные и словарные издания (см. прилагаемый перечень) — характеризуют в известной степени уровень горного дела на различных этапах его развития. См. рис.

15 век 15 век15 век

16 век 16 век

      

    

        



Комментарии

17 января 2014 г.
Шикарная статья, большое спасибо!
Android-приложение
Смотрите также:
Геология полезных ископаемых: Минеральные ресурсы: Страны и континенты: Месторождения: Промышленные отрасли: Техника и технологии: Горное дело: Предприятия: Биографии:
Отраслевые новости:

Аналитика: