Развитие техники горного дела

Под влиянием промышленного подъема, охватившего со второй половины XVII в. основные страны Европы, резко возрос спрос на полезные ископаемые. Значительно увеличилась разработка железных руд , так как спрос на железо быстро повышался. Особенно большое значение в железорудном деле и в черной металлургии приобрели страны, богатые не только запасами железной руды, но и лесом, необходимым для получения древесного угля, на котором проводился в то время доменный процесс.

С конца XVIII и особенно в первой половине XIX в. техническая революция началась в области горного дела. Большое влияние на развитие горного дела, на прогресс горной техники оказала паровая машина. В частности, ее влияние сказалось на конструкциях бурильных машин, перфораторов, компрессоров, вентиляторов и других, в которых, так же как и в поршневой паровой машине, использовался принцип возвратно-поступательного движения. Под влиянием прогресса паровой энергетики создавались благоприятные предпосылки развития каменноугольной промышленности – одной из основных отраслей горного дела.

Таким образом, в результате большого спроса на продукты горнодобывающей промышленности горное дело быстро превращалось в крупнейшую отрасль капиталистического хозяйства. В 60-х годах XIX в. среднегодовая добыча всей продукции горного дела достигала 225,3 млн. т против 17,3 млн. в первые два десятилетия XIX в.

Среди развитых в промышленном отношении стран Англия в начале XIX в. занимала ведущее положение в добыче каменного угля. На ее долю приходилось 87 % мировой добычи. Однако уже с середины XIX в. заметными темпами начала развиваться горнодобывающая промышленность в Германии, США и Франции, и в 60-х годах на Англию приходилось только 52 % мировой добычи каменного угля.

Наряду с каменным углем в этот период росла добыча цветных и благородных металлов. В XIX в. были открыты богатейшие россыпи золота, а также рудные месторождения в Калифорнии (1848 г.), Австралии (1851 г.) и на Аляске (1898 г.) Несмотря на отсталость горнодобывающей промышленности в целом в России, по добыче цветных металлов она занимала одно из первых мест ( в первой половине XIX в. она вышла на первое место по добыче золота и платины). Так, с 1814 года начались разработки россыпного золота на Урале (Березовский прииск), а с 1830г. – в Западной и Восточной Сибири. В первые годы разработок (1814-1820гг.) было добыто 184 пуда золота, а за период 1831-1840гг. добыча золота в России составила 4328 пудов. В повышении добычи золота в России немаловажную роль сыграло изобретение русским инженером Л.И. Бруснициным способа промывки золотоносных песков.

Рост добычи полезных ископаемых основывался на появлении новых технических средств, многих изобретений в области горной техники, которые в корне меняли отдельные трудовые процессы. Но, несмотря на известный прогресс в развитии техники горного дела, самые трудоемкие, основные процессы при добыче полезного ископаемого: зарубка, отбойка и навалка в забое – еще не были механизированы, там применялся в основном ручной труд.

Появившиеся в угольной промышленности зарубные (врубовые) машины находились только в стадии опробования. Дальнейшее развитие горной и металлургической промышленности всецело зависело от освоения новых месторождений полезных ископаемых. В связи с этим необходимо было усовершенствовать методы разведки и, прежде всего, бурение.

Появившиеся в середине ХVIII в. ударно-штанговое бурение позволило решить две проблемы: бурить породы значительной крепости и проходить скважины до 100 м и более. Однако этот способ бурения имел свои недостатки, выразившиеся в том, что в штангах, соединенных в одну систему, при работе возникало большое напряжение, приводившее к их сгибанию и скручиванию. В целях ликвидации этих недостатков были внесены некоторые усовершенствования в технические средства, использовавшиеся в то время при ударно-штанговом бурении. Так, в 1834 г. в Германии инженер Эйгаузен изобрел «раздвижные ножницы», которые перемещались между ударником (ударная штанга с долотом) и системой штанг, расположенной выше. Это изобретение позволило увеличить срок службы штанг и бурить скважины большей глубины.

Быстрый рост горной промышленности создавал благоприятные предпосылки для совершенствования горной техники. С вводом в строй новых шахт и рудников возникла задача совершенствования методов проходки вертикальных (стволов) и горизонтальных (штолен, штреков, квершлагов и др.) горных выработок. Шахтные стволы в устойчивых породах с малым притоком воды проходили при помощи буровзрывных работ, выработанное пространство крепили венцовой крепью. Там, где встречались плывуны, а также в условиях трещиноватых пород с большим притоком воды буровзрывной способ проходки был непригоден. В этих условиях крепление шахтных стволов велось забивной деревянной крепью, а в некоторых странах (например, в Германии) в 60-х годах XIX в. начали впервые применять металлическую забивную крепь.

Начиная со второй половины XIX в. с помощью ударно-штангового бурения уже проходили шахтные стволы диаметром 4,5 м в мягких породах с большим притоком воды. Поскольку предварительно воду не откачивали, это создавало известные трудности при бурении и креплении выработки. Поэтому наибольший успех имела проходка при использовании ударно-штангового бурения с опускной крепью. Этот метод расценивался как значительное достижение в развитии горного дела.

Рост добычи полезных ископаемых находился в прямой зависимости от скорости проходки горизонтальных горных выработок (штолен, штреков, квершлагов и др.), которые вели в основном буровзрывным способом. С течением времени буровзрывные работы претерпели большие изменения: изыскивались новые виды взрывчатых веществ и усовершенствовались способы взрывания, кроме того, изобретались эффективные средства бурения шпуров.

Еще в 1751 г. американец В.Франклин высказал мысль о возможности воспламенения пороха при помощи электрической искры. Несколько раньше, в 1744 г., в Германии начали воспламенять серный эфир с помощью электрической искры. Использовав этот опыт, в Австрии в 1804 г. провели эксперименты электрического взрывания пороховых зарядов. Опыты электрического взрывания пороха велись до 1831 г., когда У.Бикфордом в Англии был изобретен безопасный шнур (бикфордов шнур) для взрывания зарядов. Этот шнур длительное время применяли при ведении взрывных работ в шахтах и рудниках, пока на смену ему не пришел электрический способ.

Ускорение темпов ведения взрывных работ в большой степени зависит от способа бурения шпуров и крепости пород. Первоначально шпуры бурили вручную, применяя бур, молоток и чищалку. Ручная техника бурения и вследствие этого низкая производительность вели к увеличению эксплуатационных расходов до весьма значительных размеров. Все это заставляло инженеров изыскивать способы, позволяющие заменить мускульную силу человека механической силой.

Буровые или бурильные машины, приводившиеся в движение вручную и предназначавшиеся для бурения горизонтальных скважин, существовали уже в XVII в. Так в 1683 г. подобная машина появилась в городе Гарце в Германии. Разумеется, это были лишь первые шаги в механизации бурильных работ, сами машины обладали серьезными недостатками, поэтому применение их было единичным.

К началу XIXв. относятся попытки изобретения перфораторов (бурильных молотков), приводимых в действие вручную. Первым из таких устройств был ударный перфоратор Иордана, предназначавшийся для бурения шпуров в твердых породах. Принцип действия его довольно прост. Ударная штанга, скрепленная с поршнем и маховым колесом, под действием рабочей пружины и собственного веса совершала удары по забою шпура, разрушая его.

В конце 40-х годов XIX в. были созданы перфораторы, приводимые в действие паром и водой. В них использовались элементы поршневой машины, и конструктивно они были довольно громоздки. Поэтому их можно было применять лишь при проходке выработок большого сечения, например, железнодорожных тоннелей. Серьезным недостатком применения паровых перфораторов явилась сложность проветривания проходимых выработок, в результате чего их начали заменять пневматическими перфораторами, более легкими и удобными в отношении вентиляции.

Хотя развитие горнодобывающей промышленности и базировалось на ее техническом перевооружении, следует сказать о том, что в XIX в основной процесс добычи – выемка – осуществлялся вручную с помощью кайлы и обушка или буровзрывным способом. Попытки механизировать эту трудоемкую операцию делались еще в XVIII в. В частности, в 1761 г. англичанин М.Мензис первым получил патент о приспособлении для производства механического вруба. Тяжелая стальная кайла совершала возвратно-поступательное движение, ударяя по углю и делая горизонтальный вруб. Для привода машины использовали механическую энергию большого числа рычагов, цепей и штанг. Создавалось очень сложное сооружение, затрудняющее работу машин.

Развитие ударных пневматических перфораторов натолкнуло техническую мысль на создание ударных врубовых машин для проведения подготовительных выработок по углю. Такая машина была сконструирована впервые в1861 г. Вильямом Фиртом, а в 1862 г. началось практическое применение ее в руднике Вест Ардслей около г. Лидза (Англия). Машина действовала при помощи сжатого воздуха и представляла род механической кайлы, производившей одни только горизонтальные врубы. В1867 г. машина Фирта была представлена на Всемирной Парижской выставке. К тому же времени относится создание в Англии различных типов ударных врубовых машин, действующих с помощью сжатого воздуха, углеотбойной машины с гидравлическим прессом и клином для отбойки.

Особого внимания заслуживают дисковые врубовые машины, которые довольно эффективно работали на угольных шахтах в 60-70-х годах ХIХ в. Первая дисковая врубовая машина была предложена еще в1852 г. англичанином С.Х. Ворингом. Исполнительный орган машины представлял собой плоское горизонтально расположенное колесо с вмонтированными четырьмя двойными резцами. Превращение колеса (при помощи двух рукояток через кривошип и систему конических шестерен) производился вруб. Дисковые врубовые машины были освоены с начала в Англии (1862 г.), а затем и в других странах. Наибольшее распространение получили машины Винстанлея, а также Гилло и Коплея. Однако, несмотря на все эти достижения 70-х годов ХIХ в., не были решены вопросы механизации подземной добычи угля.

Большие усилия были направлены на разработку и применение машин для вентиляции рудников и шахт, подъема полезного ископаемого на поверхность, подземного транспорта и рудничного водоотлива.