Рудничная аэрология и практика проветривания шахт и рудников

Оглавление

С древности человечество жило и адаптировалось к свойствам земной атмосферы, которую горняки называют «наружной». Наша среда обитания — воздушная. Наша жизнь начинается с первого вдоха воздуха и заканчивается с последним его выдохом. Без воздуха мы существовать не можем, но воздух для человека — это нечто незримое и до известного предела неощутимое. Дыхание хорошо ощущается, когда оно затруднено бегом, тяжелой работой, болезнью, холодом, дымом, резким запахом, нахождением в горах или под водой. Помимо затруднения дыхания человек ощущает воздух при движении последнего со скоростью (относительно кожи человека) свыше 0,1 м/с, а потому не сам воздух, а его движение — ветер — занимало всегда мысли человека. Бог ветров — Эол, «Ветер, ветер, ты могуч…», ласковый ветер, знойный ветер, соленый ветер — все это отражение в речи явлений повседневности, с которыми все время сталкивается человек и которые он знает или должен знать для своей успешной жизни. Ветер — от легкого дуновения, несущего прохладу в неподвижное марево знойного дня, до урагана, грозящего разрушениями и смертью, — это явление, непосредственно познаваемое нами в своей конкретной изменчивости.

Впервые человек осознал наличие «другого» воздуха при ведении горных работ. Углубляясь в гору, рудокопы рано или поздно столкнулись с непригодным для дыхания воздухом, но и здесь в своих бедах они сначала винили злых духов — Никеля и Кобольда, исподтишка под землей хватающих горняков за горло и порой душащих их до смерти.

В германской мифологии Кобольд был хозяином помещения, типа русского домового, чаще добродушным, но в шахте он стал злобным и пакостливым. Никель (или Старый Ник) был духом-озорником, но стал настолько хитрым и зловредным обманщиком горняков, что его имя начало заменять ругательное «чертыхание», ибо слово «черт» нельзя было произносить… В чем же дело?

Все несчастья горняков были приписаны Никелю и Кобольду, поскольку, по легендам, они воровали у рудокопов медную и серебряную руды, заменяя их бесполезной породой, а не только якобы душили рудокопов или сбрасывали их без сознания с лестниц и уступов. Никель подбрасывал рудокопам красноватый минерал, похожий на медную руду (сегодня его называют никелином), из которого невозможно было выплавить медь. Этот минерал назвали Kupfernickel («чертова медь», или «медь Ника»). Кобольд превращал внешне богатую серебряную руду в горную массу, не содержащую серебра, которую непонятно было куда девать и которую горняки прозвали «кобальтом». Вот почему в XIX в., разгадав, в чем дело, и открыв в «бесполезной породе» новые металлы, их первооткрыватели дали им название кобальт и никель, а купферникелем в современном немецком языке стали называть мельхиор, сплав меди (Kupfer) и никеля (Nickel).

Проходят столетия, и постепенно на смену этим «ненаучным» понятиям и представлениям приходят новые, более содержательные и глубже отражающие суть вещей понятия и термины: худой воздух (непригодный для дыхания), наружный воздух (пригодный для дыхания и ведения горных работ), громовой воздух (горящий и взрывающийся воздух — по современным представлениям, метано-воздушная смесь).

Развитие промышленности и расцвет западноевропейской науки вносят свою лепту в понятие о воздухе. Из однородного «элемента» воздух становится смесью газов: сначала — кислорода — газа жизни и огня, и азота — не дающего жизнь (др.-греч. ἀζωτος - безжизненный). Слово «азот» было предложено Антуаном Лавуазье вместо названия «флогистированный» или «мефитический» воздух и укоренилось в русском и французском языках. В современной международной номенклатуре используется термин Nitrogenium (от греч. nitron — селитра и genes — рождающийся).

Это было революционное открытие — отныне однородный воздух становится смесью разных газов и паров. К двум основным газам относительно быстро прибавляется углекислый газ («диоксид углерода» согласно современной химической терминологии). Процесс изучения состава воздуха продолжается, а число газов, составляющих природный воздух, — множится, но полностью состав природного воздуха будет определен только в конце XIX в. с открытием аргона.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.1. Никель и Кобольд — гномы-воришки из Саксонии, подарившие имена двум металлам (нем. Nickel и Kobold)

Парадоксально, но факт: природа устроена так, что макрокомпоненты воздуха определяют его физико-химические свойства в целом, а микрокомпоненты — качество воздушной среды для существования человека. Оказывается, что присутствие/отсутствие ничтожных количеств микрокомпонентов воздушной смеси обязательно необходимо для того, чтобы вся газовая смесь была качественно хорошей/плохой. Вот почему качество воздуха определяется не наличием азота и кислорода (без них просто нет воздуха!), а наличием других микрокомпонентов.

Мы хорошо чувствуем запахи, можем видеть пар, водяной пар, туман, пыль, снег, дождь, мгновенно реагируем на движение воздуха. Не зная ничего о воздухе, мы осознали важнейшую роль «ветра», т. е. движения воздуха. Именно ветер несет облака, дым, пыль, туман, и кажется, что он и есть самое главное в атмосфере.

От слова «ветер» произошло и слово «проветривание» — процесс (подобный ветру), который «сдувает» пыль, туман, жар, холод, т. е. заменяет одни части воздушной среды другими. Кстати, латинское слово «вентиляция» также происходит от латинского слова «ветер» — ventus.

Подчеркнем, что состав свежего воздуха земной атмосферы везде и всюду, если не обращать внимания на несущественные детали, примерно одинаков и одинаково пригоден для целей проветривания. Это означает, что качество рудничной атмосферы формируется в самом руднике при взаимодействии воздуха с массивом горных пород, с разрушаемой при процессах добычи горной массой, с образующимися при технологических процессах пылью, газами и парами, с радиоактивными эманациями. Под влиянием природных и технологических процессов рудничная атмосфера становится непригодной для дыхания, для поддержания горения и даже для работы оборудования (например, самоходных ПДМ и автосамосвалов с двигателями внутреннего сгорания), а в ряде случаев представляет опасность образования и воспламенения (вплоть до взрывного) горючих смесей кислорода воздуха и взрывоопасных газов, паров и пыли.

Итоги этого взаимодействия различны и зависят от количества подаваемого в горные выработки свежего воздуха, от свойств и количества выделяющихся газов, паров, пыли, радиоактивных эманаций.

Поэтому с точки зрения формирования разных типов рудничной атмосферы, требующих в принципе разных способов своего описания и управления, следует выделить:

• угольные и сланцевые шахты с постоянным выделением больших объемов горючих (метан и его гомологи) газов;

• шахты с практически постоянным выделением большого количества углекислого газа и азота, формирующим «мертвый воздух» (воздух с низким содержанием кислорода);

• рудные шахты (рудники) практически без выделения горючих газов и радиоактивных эманаций;

• урановые рудники и тоннели через горные хребты с существенно повышенной радиоактивностью;

• каменно-соляные рудники без выделения горючих газов и радиоактивных эманаций;

• калийные рудники с эпизодическими локальными выделениями горючих и/или токсичных газов, с незначительной эманацией от радиоактивных элементов.

Рудничная атмосфера является пространственно очерченной частью обычной атмосферы, заполняющей подземные горные выработки, а потому протекающие в ней физические процессы и формируемый ими состав воздуха принципиально ничем не отличаются от аналогичных явлений в земной атмосфере, которыми занимается наука аэрология.

В рудничной атмосфере так же, как и на поверхности Земли, происходят процессы турбулентного тепло- и массопереноса, теплообмена с окружающими породами, отбитой рудой и оборудованием, испарения воды и конденсации водяного пара, агрегации и гравитационного осаждения пыли, электрозарядки аэрозолей и преобразования радиоактивных примесей. Динамика и пространственное распределение этих процессов, как известно, описываются уравнениями, основанными на законах сохранения массы, энергии, импульса, момента импульса, заряда.

Однако у рудничной атмосферы есть одно очень важное отличие от земной атмосферы. Последняя постоянно получает циклический (во времени) приток энергии из-за солнечного излучения и подземного тепла, вызывающий движение воздушных масс и атмосферные осадки, а также постоянно взаимодействует с Мировым океаном и биотой, включая растительность и морские водоросли, поглощающие углекислый газ и генерирующие кислород. Объем воздуха в земной атмосфере неизмеримо больше «размера» человеческой деятельности, оказывающей воздействие на атмосферу. Все это приводит, помимо прочего, к формированию и поддержанию процессов «самоочищения» атмосферы, как в локальном, так и в глобальном смысле.

Этих процессов практически лишена рудничная атмосфера, заполняющая относительно небольшие искусственно созданные человеком полости (горные выработки), где из-за технологических процессов и непрерывного разрушения и обнажения массива горных пород идет постоянное локализированное в рабочих зонах загрязнение воздуха природными и технологическими газами и пылью. Хотя процессы «самоочищения» атмосферы при определенных условиях происходят и в горных выработках, особенно калийных рудников [Медведев, Красноштейн 1990], их роль в общем случае не столь значительна, как на поверхности Земли.

В этих условиях поддержание пригодности для дыхания горнорабочих и взрывобезопасности для ведения горных работ в стесненном пространстве горных выработок, своеобразное «очищение» от локального загрязнения приходится специально организовывать методами, похожими на действие ветра, осуществляющего перенос и рассеяние примесей на поверхности Земли.

Однако сделать это для системы подземных горных выработок оказывается не так просто, как кажется на первый взгляд, поскольку, если «ветер» связан с движением воздуха, а противоположное ему понятие «безветрие» — с неподвижным воздухом, то и деятельному «проветриванию» противостоят «застойные зоны» воздушных масс. И нужно уметь управлять всеми этими явлениями применительно к ведению подземных горных работ.

С необходимостью проветривания подземных горных выработок люди столкнулись очень давно, с самого начала ведения подземных горных работ. Они многого по сути дела не знали, но зато опирались на опыт и на знания, что отчего происходит, что надо делать, чтобы никаких происшествий не происходило. Например, практика показала, что в сквозных выработках так или иначе всегда возникает «естественное» движение воздуха, а потому «глухой», или «слепой» забой (ныне называемый тупиковым), с которого начинаются любые горные работы по проходке горных выработок, всегда стремились превратить в итоге в сквозную выработку.

Поэтому первоначальными текстами «основ горного дела» как «горного искусства» почти «научного характера» стали систематизированные описания накопленного опыта, успешной практики проветривания подземных горных работ.

Считается, что самым первым это сделал древнеримский военный и государственный чиновник высокого ранга, затем историк-эрудит Плиний Старший в своей «Естественной истории» — крупнейшем энциклопедическом сочинении античности, изданном в 77 или 78 г., незадолго до гибели автора, Плиния Старшего, в результате извержения Везувия.

В его распоряжении был опыт ведения горных работ на римских серебряных рудниках в районе реки Рио-Тинто в Испании. Заметим, что добыча серебра на этих рудниках во многом способствовала финансовому благополучию и расцвету Римской империи, а когда месторождения серебряных руд были «истощены» и чеканка монет резко сократилась, это вызвало денежный кризис III в. н. э. В год здесь добывали до 200 тонн серебра. Это были самые большие серебряные рудники в мире до завоевания Испанией Цент ральной и Южной Америки.

Остатки серебряных рудников Рио-Тинто, действовавших более 2000 лет назад, свидетельствуют о том, что уже в то время более длинные штольни снабжались вентиляционными шурфами. В них возникала естественная тяга, способы создания которой в рудниках и были описаны Плинием Старшим.

Одним из древнейших приемов проветривания штолен было вымахивание — постоянное размахивание (направленными взмахами) у их устья большим куском плотного льняного полотна для импульсного нагнетания в штольни свежего наружного воздуха. Повторим, что в латинском языке слово ventus означало ветер. Оно, как и славянские слова «ветер» и «веять», происходит от праиндоевропейского корня * we- *, означающего «дуть». В свою очередь, от существительного ventus (ветер) был образован глагол ventilo. В древней латыни он не просто значил «создавать ветер», но и «веять зерно», очищать его. Когда молотое зерно подбрасывается в воздух, то легкая мякина (шелуха) сдувается ветром (ventus), а тяжелые зерна падают обратно. Таким образом, глагол ventilo впитал в себя два действия: очищение зерна от шелухи и движение/размахивание руками, чтобы подбросить зерно. Когда нужно было обозначить сам процесс или результат действия, латынь использовала суффиксы. Ventilatio — это существительное, образованное от глагола ventilo. Буквально оно означает «процесс проветривания» или «процесс веяния», который был одновременно и процессом очистки. Эти два действия — очистка воздуха от примесей и возбуждение подобия ветра размахиванием полотном руками — слились в одно слово, означающее проветривание горных выработок.

Плиний Старший также указывает, что для отведения опасных испарений, о которых говорят гаснущие светильники, возле тупикового по сути колодца шахты выкапывают справа и слева воздушные каналы, за счет чего возникает циркуляция воздуха, и опасные испарения удаляются. Аналогичные работы по копанию воздушных каналов проводились и спустя 1,5 тыс. лет после описаний Плинием Старшим. За сотни лет методика не потеряла своей актуальности. Столетиями она и другие приемы проветривания оставались неизменными, передавались с опытом, носили сугубо практический характер [Heinemann 1938].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.2. Плиний Старший и его основной труд (лат. Plinius Maior, настоящее имя Гай Плиний Секунд; между 22 и 24 гг. н. э. — 79 г. н. э.)

К концу Средневековья и началу Возрождения Европа остро нуждалась в драгоценных металлах для чеканки монет, без которых никакая отличная от натуральной экономика существовать не могла, в топливе, которым должен был стать каменный уголь (леса были сильно вырублены), в металлах — меди, олове и железе для выплавки бронзовых пушек и колоколов, для производства стволов ружей и пистолетов. В это время под давлением запросов практики вместо чисто схоластических рассуждений догматиков, обсуждавших написанные ранее тексты, все большее значение приобретала основанная на практическом опыте и натурном эксперименте наука.

В 1510—1512 гг. в области Рудных гор на западе Богемии (Чехия) были открыты богатые месторождения серебра. В 1516 г. для его добычи был основан поселок рудокопов, который получил название Таль от немецкого Tal — долина. А уже в следующем, 1517 г. быстро и сильно разросшийся городок в честь покровителя рудокопов святого Йоахима получил название Йоахимсталя [Максимов 1974].

Он сыграл выдающуюся роль в истории Европы, поскольку в нем начали чеканить полновесную серебряную монету. Ее стоимость была эквивалентна самой распространенной золотой монете того времени — гульденеру, которой остро не хватало для нормального денежного обращения. Новая монета содержала около 27,2 г чистого серебра и имела характерный дизайн, включавший изображение святого Йоахима. Всего только с начала чеканки до 1545 г. из серебра рудников Йоахимсталя было выпущено более 3 млн монет, получивших название иоахимсталеров. В дальнейшем в Европе это название монеты преобразовалось в более короткое название — талер, а затем и в доллар. В России иоахимсталеры называли ефимками.

В 1527 г. должность врача в горнорудной общине Святого Йоахима занимает приехавший в Йоахимсталь Георг Агрикола. Ему было тогда всего 33 года, и он был человеком своей эпохи — эпохи Возрождения — врачом и ученым.

В свободное время молодой врач, склонный к на блюдениям и их анализу, посещает рудники и плавильни металла, что способствует увлечению естествоиспытателя горным делом. Агрикола стал первым систематизатором горного дела. Он начинает собирать информацию для своих будущих трудов на греческом и латинском языках, систематизируя полученные знания.

Его главный труд, «De re metallica «(«О горном деле и металлургии») в 12 томах, стал настоящей энциклопедией горного дела, которая использовалась во всей Европе на протяжении 200 лет. В этом фундаментальном труде Агрикола не просто описал технологии горного дела, включая минералогию и поиск руд, собственно ведение горных работ, процессы металлургии — получения из руд полезных ископаемых, но и впервые подошел к ним с научной точки зрения, за что его по праву считают основоположником горной науки.

Благодаря деятельности Агриколы в Йоахимстале геология и минералогия получили свое заслуженное место среди «полноправных» наук, тогда как ранее они представляли из себя лишь знания, которыми пользовались в своем прикладном труде горняки, чеканщики монет и металлурги. В частности, Агрикола создал первую классификацию минералов, описав 20 новых видов и научив определять их по внешним признакам (цвету, весу, блеску). В своем главном труде он подробно описал весь производственный цикл горного дела — от разведки руды и строительства шахт до плавки металлов, систематизировав разрозненные знания средневековых мастеров.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.3. Иоахимсталер образца 1525 года

Врач по образованию, он одним из первых обратил внимание на профессиональные болезни горняков и связал их с условиями труда, заложив основы гигиены в этой опасной профессии.

Вклад Агриколы в рудничное проветривание уникален: он дал первое в истории систематизированное описание способов подачи свежего воздуха в подземные выработки. До него существовали лишь отрывочные сведения античных авторов вроде Плиния Старшего.

В своем труде «De re metallica «(«О горном деле и металлургии») Агрикола подробно описал использование естественной тяги, возникающей из-за разниц температур и плотности воздуха в шахте и на поверхности, что заставляет воздух двигаться по стволам. Для усиления естественной тяги Агрикола предложил технически гениальное для XVI в. решение: разводить костры у основания вентиляционных стволов. Огонь нагревал воздух, делая его более легким и заставляя его быстрее подниматься вверх, что усиливало вытяжку и «высасывало» загрязненный воздух из рудника (шахты).

Также Агрикола описал и изобразил на гравюрах известные ему устройства для улавливания ветра — специальные деревянные шахтные флюгеры, или колпаки-воздухосборники. Они поворачивались отверстием навстречу ветру и направляли свежий воздух по трубам вниз, в шахту.

Работа Агриколы «De re metallica «(«О горном деле и металлургии») содержит ряд других описаний, касающихся вопроса проветривания горных выработок. При этом движение воздуха в копях описано во время подробного разбора процесса проходки горных выработок.

Георг Агрикола пишет, что поскольку горняки использовали горящие костры для «размягчения» особо прочных пород, то они, запалив костры, дожидались у входа в штольни, пока ветер не вытянет из них дым и «ядовитые газы» [Агрикола 1986: 56−57].

Кроме этого, Агрикола описывает характер воздуха, находящегося в штольнях и копях, не имеющих сообщения между собой, то есть «слепых», а также в весьма протяженных выработках, опять же не связанных с другими рукотворными полостями. Поскольку движение воздуха не происходит, он становится

Нахождение в таких выработках рудокопов чревато головной болью, а учитывая искусственное освещение от ламп и испарения от людей, воздух становится еще более худшим .

Интересны наблюдения Агриколы, связанные с ес тественным движением воздуха. Они заключаются в том, что если шахтные стволы расположены на разной высоте и сообщаются между собой, то движение воздуха происходит, в зависимости от природных условий, как сверху вниз, так и наоборот. В первом случае это имеет место весной и летом, когда воздух, попадая в устья шахтных стволов, пройдя по штольням и штрекам, выходит наружу через устья штолен, расположенных ниже. Осенью и зимой наблюдается обратная картина — воздух с нижних штолен стремится к верхним. Смена направления происходит в умеренном климате в начале весны и в конце осени, а в странах с более холодным климатом — в конце весны и в начале осени [Агрикола 1986: 57−58].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.4. Георг Агрикола (лат. Georgius Agricola; латинская калька его истинной фамилии Бауер (нем. — крестьянин))

Также Георг Агрикола приводит описание машин, которые использовались в то время для нагнетания воздуха в горные выработки. В приведенной им типологии он выделяет «три рода подобных устройств».

Первый род делится на три вида. Коротко охарактеризуем каждый из них. Первый вид проветривающего устройства изготавливается из деревянных досок и балок. Над шахтным стволом укладываются три балки, которые через отверстия на концах деревянными кольями прочно крепятся к земле. Затем поперек них укладывают еще три балки, не просто сверху, а врезав их через выбранные пазы к первым балкам. Образуется прочная деревянная рама. На перекрестие центральных балок устанавливают вертикально доски, скрепленные продольно под прямым углом, таким образом образуя крест. Каждый из его углов должен улавливать течение ветра и направлять его внутрь шахты. Сверху этого дощатого креста крепится круглая крыша, призванная направить воздушные потоки вниз и не дать им выходить вверх. Агрикола отмечает, что данная крыша не нужна в тех местностях, где можно расположить описанное устройство так, чтобы ветер дул в него сверху [Агрикола 1986: 97].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.5. Ветроулавливающее устройство первого вида, описанное Агриколой

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.6. Ветроулавливающее устройство второго вида, описанное Агриколой

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.7. Ветроулавливающее устройство третьего вида, описанное Агриколой

Второй вид ветроулавливающих устройств представляет собой сколоченную из досок трубу прямоугольного сечения, которая опускается в шахту. Та ее часть, что остается на поверхности, делается расширенной (подобно воронке) для того, чтобы лучше улавливать воздушные потоки. В случае если труба опущена вровень с поверхностью, возле нее устанавливают вертикальный деревянный щит, служащий направляющей для ветра [Агрикола 1986: 97−98].

Третий вид устройств делался иначе. В данном случае к деревянной трубе, опущенной в шахту и торчащей одним концом на поверхности, сверху прикрепляли бочку с отверстием, через которое ветер попадал в трубу и далее нагнетался в шахту. Чтобы бочка улавливала ветер в «автоматическом» режиме, ее основание, которым она крепилась к трубе, делали немногим меньше диаметра самой бочки, так, чтобы она могла вращаться на нем вокруг своей оси. На верхнем конце бочки устанавливали крыло, улавливающее ветер и поворачивающее бочку отверстием против потока воздуха так, что последний попадал внутрь и нагнетался в шахту [Агрикола 1986: 98].

Второй род устройств для проветривания характерен наличием вееров (крыльев). Данные веера помещаются в барабане из двух колес, соединенных досками, либо в прямоугольном коробе. Последний вариант менее эффективен ввиду того, что веера там не занимают весь объем из-за углов. В обоих случаях вмещающая полость имеет два прямоугольных отверстия: одно сверху конструкции, другое внизу, через которое барабан или короб соединяется с деревянной трубой, идущей в шахту. Веера приводятся в движение при помощи вала, находящегося сбоку от барабана или короба. Агрикола также отмечает интересный вариант данного устройства, когда барабан помещается на высоких столбах, а к его валу прикрепляются крылья от ветряной мельницы, в результате чего вращение устройства происходит за счет силы ветра. Еще один способ автоматизации вращения — соединение вала с крыльчаткой посредством зубчатого колеса с водобойным колесом, если позволяет водный режим в конкретной местности. Исследователь отмечает, что это наиболее эффективный способ. Сами веера делаются из дощечек, либо из дощечек с тонкими планками тополевого дерева, либо же из дощечек с прикрепленными к ним гусиными крыльями. Все эти модернизации призваны повысить коэффициент полезного действия и, следовательно, объем поступающего в шахту воздуха [Агрикола 1986: 98−99].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.8. Ветроулавливающее устройство второго рода, описанное Агриколой

Третий род устройств связан с использованием мехов для нагнетания воздуха. Также меха применяли и для выдувания тяжелых испарений. Можно заключить, что меха являлись удобным и универсальным изобретением для проветривания, ибо меха могут приводиться в движение как руками, посредством рычага, так и ногами, подобно мехам органа, а также при помощи конного привода [Агрикола 1986: 99−101].

Обратим внимание, что как и вся наука в целом, до середины XIX в. горняки не знали, что такое воздух и из чего он состоит, но зато умели различать его состояния, особенно опасные и вредные. По туману и кипячению воды они знали о паре, неоднократно видели, как болото, озеро или река «парит», особенно на рассвете или закате Солнца. Также привычно и хорошо различимо было движение воздуха от его неподвижности.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.9. Ветроулавливающее устройство третьего рода, описанное Агриколой

Еще одна «машина» для проветривания представляет собой бочку, обращающуюся вокруг шеста. Из бочки внутрь шахты опущена труба. В отверстие в боку этой бочки дует ветер, попадая таким образом внутрь шахты. Для того чтобы бочка всегда стояла по ветру, обратив отверстие против него, к ней крепится крыло, при помощи которого бочка и вращается [Ломоносов 1763: 104−105]. Данная конструкция также была описана ранее Георгом Агриколой. Кроме того, приводится описание мехов, при помощи которых воздух нагнетается в шахту. М. В. Ломоносов указывает, что этот способ удобен, в первую очередь, тем, что не зависит от естественного движения воздуха, благодаря которому действуют конструкции из досок и бочки [Ломоносов 1763: 105].

Описывая машину для проветривания, изобретенную французским физиком и математиком XVII в. Эдмом Мариоттом и переходя к повествованию о ней, М. В. Ломоносов отмечает, что сам никогда с такой машиной не встречался в горных выработках, но она может быть весьма полезной, поскольку не требует для своей работы постоянного привлечения человеческих ресурсов.

Конструкция этого изобретение такова. Для работы машины Мариотта необходимо водяное колесо, которое приводит в действие какие-либо механизмы. Под ним, в месте падения с него воды, в углублении сооружается деревянный куб без дна, все стороны которого длиной в сажень (около 2,14 м). Он заглубляется не полностью, а так, чтобы внутри него оставалось воздушное пространство. Для этого добивались постоянного уровня воды в «ящике"-кубе посредством отверстий в его боковых стенках, куда выливалась лишняя вода.

В верхней крышке делали отверстие с воронкой в том месте, куда падала с колеса вода. На боковой стенке куба делали еще одно отверстие, на этот раз выше уровня воды, куда подводили трубу, уходящую в шахту. Вся конструкция должна была быть хорошо проконопачена, чтобы движение воздуха из «ящика» могло идти только в отверстие, а затем в трубу, спускаясь в шахту. Это движение обуславливалось тем, что поступающая с колеса через воронку вода «захватывает» с собой воздух снаружи, а уже из «ящика» этот воздух выходит только в шахту. М. В. Ломоносов указывает, что необходимо добиться не прямого потока воды в воронку, заполняющего ее полностью, а поступления воды брызгообразно, чтобы вместе с ней попадал и воздух [Ломоносов 1763: 105−107].

Эти и другие высказывания М. В. Ломоносова легли в основу рудничного проветривания и рудничной аэрологии России конца XVIII — начала XIX в.

Современная наука, а рудничная аэрология является ее частью, стала формироваться в том виде, в каком мы ее сегодня знаем, в XIV—XVI вв. До того времени господствовало мнение, отдавая должное которому, даже великий врач древности Парацельс писал:

При этом сам он своеобразно дополнял эту мысль, черпая свои аргументы в реальной практике обсуждений и анализа всего того, что есть в мире, созданном Богом, но не описанном в Писании.

Идеологом науки Нового времени, опередившим свое время, был средневековый английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон (Roger Bacon; ок. 1214−1292), ставший пророком современной науки, основанной на эксперименте и доказательствах. Недаром ему за его оригинальные взгляды дали почетное прозвище — удивительный доктор (лат. Doctor Mirabilis). Интересуясь алхимией и практической магией, Бэкон понимал их как науку о материалах и их превращениях.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.15. Роджер Бэкон (англ. Roger Bacon; ок. 1214−1292)

Всю жизнь он боролся с основными недостатками социальной организации познания, остающимися актуальными и поныне: насаждаемым жалким авторитетом, инерцией мышления, устоявшейся традицией научного сообщества, мнением толпы и сокрытием невежества. Его подход к изучению мира заложил принципиальные основы для становления и расцвета подлинных научных методов познания реальности [Батищева, Ковыршина 2015].

Заметим, что наука является специфической технологией познания мира и выполняет одновременно много функций. Основные функции — описательная, объяснительная и предсказательная.

Но и до развития научных технологий человечество и отдельный человек нуждались в описании, объяснении и предсказании поведения внешнего мира, ибо мы в нем живем и должны учитывать для своей успешной жизни закономерности ее изменения. Даже чисто физиологически организм человека функционирует не автономно от окружающей его внешней среды, а во взаимодействии с ней. Он потребляет из внешней среды энергию, химические вещества с дыханием, едой, питьем, сбрасывает обратно с дыханием, потом, испражнениями продукты метаболизма. Органы чувства, генетически закрепленные и приобретенные при жизни навыки и умения, знания определяют его «разумность», способность здраво мыслить. Однако одного опыта и здравого смысла оказывается недостаточно, особенно при новых ситуациях, не встречаемых ранее.

Недостаточность представлений, возникших в рамках повседневного мышления и обыденного знания, для использования во все расширяющейся практике предопределила развитие специальных технологий познания сущности внешнего мира, его видимых проявлений, всего того, что мы называем «объективной реальностью». Такие специально организованные технологии познания и мышления получили название науки.

Первая, называемая описательной, функция науки и исторически, и логически состоит в собирании, систематизации, анализе, обобщении и описании фактов. При этом даже детальное и конкретное описание не обязательно давало объяснение фактов, вместо которого использовали ничего не объясняющие положения: «Так устроена Природа», «Так устроен наш мир», «Так создал Бог», «Таков Божий промысел». Но и на этом этапе научного поиска удается в ряде случаев выявить определенные закономерности, а то и законы в природных процессах и в деятельности человека. Систематизация фактов позволяет редуцировать знания о них в краткие «истины», удобные для применения на практике. Например, правило таблицы умножения «Дважды Два равно Четыре» означает, что всегда и везде два объекта, взятые дважды, образуют четыре объекта. Значение такой редукции сложно переоценить.

Гораздо более важная объяснительная функция науки требует выяснения сущности явлений и процессов, познания детальных механизмов их «функционирования», реализации. Это важнейшая функция науки, ибо она позволяет предсказать ход явлений, для понимания которых нет предшествующего опыта, дает возможность прогнозировать будущие события, явления и процессы, причины и средства их реализации. Так, на основе, казалось бы, чисто теоретических представлений появляется прикладное научное знание, имеющее исключительное значение для практики.

Описательная и объяснительная функции науки позволяют ей выполнять главную ее функцию — предсказательную, превращая науку в непосредственную производительную силу. В свою очередь, высокая эвристическая ценность науки, ее способность генерировать новые технологии, осваивать мир привели к тому, что сегодня наука проникла во все отрасли жизни и во все сферы деятельности, сплелась с производством, стала неотъемлемой составной частью культуры общества, производства, жизни.

Но так было не всегда. Свой путь прошло и рудничное проветривание, прежде чем в основу принимаемых решений легли научные положения рудничной аэрологии.

Труды Плиния Старшего, Георга Агриколы, И. А. Шлаттера и М. В. Ломоносова выполнили роль обобщенного систематического описания способов и методов рудничного проветривания, состояния рудничной атмосферы. Все они опирались на опыт. А опыт этот был основан на проветривании рудных и соляных шахт, и лишь «краешком» задевал отличающиеся от рудников угольные шахты. Но именно они и стали главенствовать (по своему числу и масштабам) в ходе первой промышленной революции, проходившей в Англии в 1760—1840 гг.

Производство железа и работа появившихся в конце XVIII в. паровых двигателей требовали постоянного сжигания больших количеств каменного угля. Его нужно было добыть. Но сочетание открытого огня светильников, вентиляционных печей для стимулирования естественной тяги с постоянно выделяющимся в больших количествах горючим и взрывоопасным рудничным газом из угольных пластов приводило лишь к разрушительным авариям.

Необходимо было выработать новую парадигму организации рудничного проветривания. Она должна была развить или сменить существовавшую с незапамятных времен организацию проветривания, когда длинные штольни, сбитые с поверхностью шурфами, проветривали естественной тягой, а работы вели в коротких тупиковых забоях, примыкающих к этой штольне. На современном языке — реализовывали схему последовательного проветривания рабочих зон. Их было мало, темпы отбойки руды были низкими, и в этих условиях опасных и вредных газов и пыли выделялось относительно немного, а потому найденная на практике система проветривания достаточно успешно работала.

Обильное выделение горючего газа из относительно некрепкого угля, которого можно было отбить достаточно много в единицу времени, «опрокинуло» всю эту систему. Нужно было создавать новую.

В это же время бурно развивается основанная на эксперименте наука, что не могло не отразиться на совершенствовании рудничного проветривания. Сначала надо было разобраться с воздухом, в то время понимаемым как однородное незримое вещество, ощущаемое по его запаху и по его «дуновению».

Воздух всегда был каким-то невидимым «неосязаемым проявлением» сущности мира. Но он был рядом, был вокруг нас, был везде, был очень значим. Мы живем в нем и с ним, и не только мы, но и почти все животные и растения, кроме тех, для которых средой обитания была вода или земля. Поэтому воздушная стихия являлась фундаментальным первичным элементом всего мира, одной из четырех мировых стихий: Огня, Земли, Воздуха и Воды, образующих структуру Вселенной в античной и средневековой натурфилософии. Удивительно, но древние люди смогли интуитивно уловить, что твердое, жидкое и газообразное состояние вещества зависит от их температуры, от великого преобразователя фаз — огня.

Органы наших чувств позволяли нам различать теплый и холодный, сухой и влажный воздух, чистый и чем-то загрязненный. Мы видели пыль, дым, туман, облака в воздухе, ощущали запахи и ветер, т. е. движение воздуха. Мы различали свежую чистую воду и затхлую воду либо чемто загрязненную мутную воду; прозрачную воду родников или ручьев и черную воду болот; буро-коричневую воду рек, пресную и горько-соленую воду. Копаясь в земле, мы различали разные камни, почвы, глины, пески.

Все «земли» имели замечательное свойство: они оставались такими же, как были, когда их перемещали, и могли на новом месте «лежать» сколь угодно долго. А еще мы могли выбирать из них то, что нужно, и напротив — могли смешивать их.

С водой было сложнее. Ее надо было удерживать — плотинами, краями ямы, сосудами. Мы легко могли загрязнить любую воду, смешать разные воды, но разделить их была проблема из проблем.

С воздухом было еще сложнее. Он казался единым и монолитным, однородным. О его разделении никто и не думал, но он мог быть разным…

Сегодня мы знаем, что основными процессами рудничного проветривания являются процессы адвективного/конвективного переноса и смешения/перемешивания. Применительно к «чистым» и «грязным» объемам воздуха эти процессы выступают как «вытеснение» загрязненных объемов воздуха и замена их более чистыми, а также как «разжижение/разбавление» объемов загрязненного воздуха более чистыми. Процессы эти идут одновременно, но один из них может сильно доминировать. Первый — вытеснение, «сдувание», «выдувание» — был понятен с древности, второй наблюдался, но в терминах — сгущение или разрежение. Чего, — было не совсем ясно. Для того чтобы осознать, что загрязненный воздух есть не разновидность самого воздуха, а смесь чистого наружного, свежего воздуха с тем или иным загрязнителем, нужно было понимание воздуха как смеси (композиции) разных воздухообразных веществ (в современной терминологии — газов, паров, аэрозолей). В описательных терминах И. А. Шлат тера — тяжелый воздух, худой воздух, громовой воздух — такого понимания нет, есть просто описание и наименование разных родов и видов воздуха, отражающие последствия их действия на людей.

Вот воздухом и занялась в XVII—XVIII вв. так называемая пневматическая химия, или пневматология, названия которых произошли от греч. πνεῦμα - дыхание, дуновение, дух. Эти названия в настоящее время используются исключительно как исторические термины, характеризующие ранний период химического исследования газов, в том числе и воздуха, но в XVII—XVIII вв. пневматология считалась особой отраслью химии.

Изучать воздухообразные вещества было очень сложно из-за отсутствия понимания их сущности и соответствующего понятийно-терминологического аппарата. Рассмотрим, опираясь на исследования ряда современных ученых, например [Соколов 2017; Кутина 1966; Crosland 2002], понятия и термины того времени, касающиеся воздухообразных, воздухоподобных веществ, т. е., говоря современным языком, — веществ в газообразном или парообразном состоянии. Без знания этой терминологии понять ход развития научной аэрологии и практического проветривания будет невозможно.

Наука того времени рассматривает только два агрегатных состояния материи — сохраняющее свою форму нетекущее (твердое) и изменяющее свою форму в зависимости от условий текущее и растекающееся (жидкое), причем к последнему причисляется и воздух. При этом «в ученой» латыни понятие «жидкое тело» (жидкие тела) выражалось сочетанием corpus fluidum или corpus liquidum, materia fluida (fluidum — обычно применительно к воздуху, liquidum — к жидкостям).

Общим русскоязычным наименованием той среды, в которой мы живем и которой дышим, является слово воздух, происходящее от старославянского въздъхъ (от «дух»). В дискурсе того времени, мистическом и религиозном, слово «дух» играло огромную роль в отличие от современного языка. В своем основном значении оно именовало нечто незримое, нематериальное, бесплотное, но «властвующее», т. е. определяющее поведение в данной обстановке, например дух леса, дух гор. Такое понимание годилось и для обозначения незримых, но ощущаемых, а главное, точно существующих «флюидов», определяющих качество воздуха. Такими были иногда видимые в виде белесого пара «испарения «. С ними и стали связывать термин «дух», как некое «летучее» вещество при различных операциях. Аналогичные слова существовали и в других языках помимо русского: лат. spiritus, фр. esprit, нем. Spiritus, Geist, англ. Spirit и т. д.

В современном дискурсе вместо «дух» мы говорим «вещество в газообразном/парообразном состоянии», и наряду с испарением применяем более общий термин «выделение». Именно этим словом мы именуем «переход» природных газов из содержащих их горных пород в рудничную атмосферу. Аналогичное по смыслу слово применяется и в английском языке — exhalations (выделения).

« Воздух есть тѣло тонкое, жидкое, прозрачное, невидимое, тяжелое, упругое», — писалось в те годы , а вот пар и дым были более ощутимы, имели общий важный внешний признак — непрозрачность, а значит, были видны. Хорошо было заметно, что дым рождался при горении и нагреве. К нему примыкали близкие по смыслу слова «возгонка», «курение" и «воскурение», описывающие получение летучих веществ при смолокурении, дегтекурении, углекурении и т. п. — т. е. при сухой перегонке (выкуривании) тех или иных веществ из древесины. По аналогии с этими процессами было названо и винокурение.

Было понятно, что наряду с видимыми выделениями — паром и дымом — могут существовать и невидимые выделения. Укреплению этой мысли о невидимом способствовало то, что легкий дымок спустя какое-то время как бы исчезал, становился невидимым, был ли он вначале при этом белесым паром или черным дымом с копотью удушливым чадом, не суть. Поэтому при переводе понятие, обозначаемое лат. fumus, фр. fumée, англ. fume, нем. Rauch, писалось по-русски то как пар, то как дым, то как чад, т. е. было неустойчивым в применении. По этому даже сейчас часто просто говорят — фьюм, т. е. используют кальку английского fume.

В английском языке, как и в русском, описывались единые для всех стран и народов сущности: smokes (дымы), steams (испарения), damps (испарения в шахтах), vapors (пары), spirits (духи) и др..

В истории горного дела в то время и в современном дискурсе англоязычное слово damp используется для обозначения вредных, удушливых или взрывоопасных газов в шахтах. Английские шахтеры, а они были пионерами подземной добычи каменного угля, делили рудничный воздух на несколько видов, и все они назывались damp. Например, Choke-damp (удушливый газ) — смесь азота и окислов углерода и др., Black-damp (черный газ) — углекислый газ, White-damp (белый газ) — окись углерода, Stink-damp (вонючий газ) — опасная смесь газов, основным компонентом которой является сероводород, Fire-damp (огненный газ) — рудничный газ или метан, который взрывается при контакте с огнем. After-damp (послевзрывной газ) — смесь газов (в основном угарный газ и другие окислы азота), остающаяся после взрыва метана — ядовитая и смертоносная.

Заметим, что другое общее название «дух» — Spirit обозначало «тонкие» субстанции, эманации веществ или летучие соединения. Вообще говоря, в ту эпоху, когда магия, волшебство, наличие различных «духов» казались реальностью, а не фантастикой, разнообразные сущности внешнего природного мира несложно было разделить на телесные и бестелесные. Телесные были видимы, а бестелесные, естественно, нет. Такое мировоззрение легко терпело невидимые бестелесные сущности воздуха — духи (или дуно вения).

Помимо шахт, выделение газов, дымов, паров было хорошо видно на примере болот и вулканов. Богиней вулканических паров и ядовитых газов, исходящих из земли и болот, была в римской мифологии Мефитис. Поэтому, например, в английский язык из латинского перекочевало прилагательное mephitic, производное от Mephitis, которое означает «агрессивный запах; вредный, ядовитый» и толкуется как «зловонные пары, исходящие от поверхности земли, серные пары». Поэтому более широкий термин «мефитический воздух» применяли для наименования как вредного, ядовитого испарения, так и ядовитого, зловонного или удушливого воздуха, который не поддерживает ни горение, ни дыхание.

В то время работать с газообразными веществами было очень сложно, ибо методов их получения, собирания и исследования, особенно с учетом того, что такое газообразное вещество сразу после получения тут же могло перемешаться с воздухом, просто не было. Сбор этих «духов» в бычьи или рыбные пузыри был очень сложным. Как работать с этим «духом» после его сбора, также было во многом неясно. Работать с твердыми и жидкими средами было намного проще, а потому именно этими средами все химики и старались заниматься. Кроме того, идея о том, чтобы выделить разные части воздуха из самого воздуха, в то время никому принципиально не могла прийти в голову, ибо воздух был для всех однородной сущностью. Но вот идея исследовать выделяющиеся в воздух при разных химических процессах воздухообразные вещества, меняющие его свойства, была приемлемой и часто наблюдаемой.

Впервые реализовав эту идею на практике, голландский врач и естествоиспытатель Ян Гельмонт стал, сам того не зная, основоположником пневматической химии, т. е. химии воздуха. Он считал себя ятрохимиком (от др.-греч. ἰατρός - врач), т. е. по сути врачом, но врачом-исследователем, развивающим ятрохимию — одно из рациональных направлений алхимии, которое стремилось поставить химические методы на службу медицине, главным образом с целью приготовления лекарств. Сейчас этим занимается фармацевтика.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.16. Ян Баптист ван Гельмонт (нидерл. Jean Baptistа van Helmont; 1577−1644)

Ван Гельмонт стремился проводить эксперименты тщательно и рационально, подкрепляя свои действия количественным анализом. В этом смысле он опирался на разумную идею о том, что ничего из ничего не рождается и в ничего не обращается. Эта идея была стихийным материализмом, но на таком уровне философской абстракции он ее, видимо, не воспринимал, а потому легко укладывал ее рациональные положения в свое достаточно наполненное мистикой мировоззрение. Например, пытаясь понять, как растет и из чего растет дерево, он измерил количество грунта, вес саженца и поливал его водой много лет. Потом замерил снова вес грунта и дерева. Получалось, что дерево выросло из воды. Про фотосинтез он не знал, но его тщательное применение количественного анализа в эпоху мистицизма поражает. А явление фотосинтеза (строительство растений из углекислого газа атмосферы под действием солнечного света) откроет Джозеф Пристли почти через полтора столетия после смерти ван Гельмонта [Мустафин 1969].

В ходе своих разнообразных химических опытов ван Гельмонт наблюдал, как при горении древесного угля выделяется какое-то воздухообразное вещество. Доступные измерения твердых веществ показали, что от 62 фунтов дубового угля остался 1 фунт золы, а остальные вещества — 61 фунт — улетучились. Такой подход давал основание полагать, что улетучился какой-то «дух», до этого содержащийся в древесном угле. Это улетучившееся вещество ван Гельмонт назвал газом: «Сей дух, доселе неизвестный, я называю новым именем газ» (Hunc spiritum, incognitum hactenus, novo nomine gas voco). Хорошо знакомое нам слово «газ» было тогда абсолютно новым, но ван Гельмонт, видимо, не боялся использовать новые слова, придуманные им же, для новых открытых им явлений. В частности, наблюдая за брожением, он ввел термины «фермент» и «ферментация».

Неуловимость полученного им газа (ни метода, ни прибора сбора этого газа еще не было изобретено) ван Гельмонт связал с «хаосом» — беспорядочным правеществом:

Возможно, в выборе слова на ван Гельмонта дополнительно подействовало звучание слова blas (ср. немецкое blasen), которое он употреблял для обозначения холодного воздуха, исходящего из звезд. Есть мнение (оспариваемое другими исследователями), что новый термин gas в звуковом плане мог ассоциироваться ван Гельмонтом не только с его произношением (др.-греч. Χάος), но и с голл. Geest, Ghost «дух, призрак», с немецкими словами Gäscht, Gäst, Geist.

Заметим, что ван Гельмонт был одним из последователей Парацельса, а у Парацельса было понятие spiritus sylvestre — лесной дух, или дикий дух. Поэтому ван Гельмонт окончательно назвал полученный им газ gas sylvestre — «лесной газ» (или «дикий газ»).

Мы думаем, что этот новый термин понадобился ван Гельмонту потому, что выделенный из продуктов горения, а потом полученный и другими способами воздухообразный «лесной газ» (gas silvestre) был однозначно продуктом химической реакции, который смешался с воздухом (и тем самым словно исчез), но сказать, что он был частью воздуха или даже особым видом воздуха, было в то время никак нельзя.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.17. Стивен Гейлс (англ. Stephen Hales; 1677−1761)

Сегодня мы знаем, что этот газ является постоянным компонентом природного воздуха, а значит, и рудничной атмосферы. Это был углекислый газ (углекислота — в старых текстах; двуокись углерода, диоксид углерода — в современной номенклатуре названий химических соединений) — продукт неполного окисления углерода древесины или метаболических процессов в нашем организме.

Шли годы, и вот в начале XVIII в. английский химик и физиолог Стивен Гейлс (Гейлз) изобрел «пневматическую ванну» — прибор для улавливания газа, который сыграл важную роль в становлении пневматической химии. Это была емкость, заполненная водой, которую вверх дном ставили в другую емкость с водой. Газ, как более легкое вещество, чем вода, пробулькивал пузырьками кверху и там оставался. Теперь его можно было собирать в необходимом для дальнейших экспериментов объеме. С воздухом он не смешивался и никуда не исчезал (кроме поглощения ряда газов водой). Впоследствии воду заменили ртутью, и прибор для сбора газа стал еще более совершенным [Hales 1727].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.18. Георг Шталь (нем. Georg Ernst Stahl; 1660−1734)

Теперь можно было воздухообразные вещества собирать для дальнейшего изучения. Сначала это были газы, полученные из твердых веществ, которые в обычных опытах без использования пневматической ванны сразу смешивались с наружным воздухом, что делало их дальнейший анализ практически невозможным. Поэтому представления о свойствах выделяющихся «субстанций» получали зачастую косвенно, дополняя химические опыты теоретическим рассуждением. При этом сам воздух считался однородным химическим веществом. Важным процессом, характеризующим воздух, было горение, но теория горения была в то время неразрывно связана со свойствами флогистона.

Теория флогистона (от греч. phlogistos — воспламеняемый, горючий) была предложена немецким химиком Георгом Шталем в 1700 г. Она состояла в том, что все горючие вещества якобы содержат флогистон — особую «огненную материю», или «начало горючести». Само горение в рамках этой теории представляет собой реакцию разложения горючего вещества на остаточную «золу» и улетучивающийся в воздух флогистон. При этом воздух нужен для горения только затем, чтобы поглощать выделяющийся флогистон. Сегодня мы знаем, что, на самом деле, горение — это химическая реакция соединения кислорода воздуха и молекул горящего вещества в газовой фазе, его «окисление». Никакого флогистона нет, а горение — это не процесс разложения, а наоборот — процесс соединения. Понадобится почти 100 лет, чтобы это стало понятно науке.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.19. Джозеф Блэк (англ. Joseph Black; 1728−1799)

Теория флогистона была очень популярна, поскольку довольно просто и логично объясняла многие явления, связанные с теплотой и горением. Например, в закрытом сосуде горение прекращается, поскольку воздух в этом сосуде насыщается флогистоном и больше не может его поглощать. В этой теории нет и не может быть места многокомпонентной смеси газов, образующих воздух. В ней воздух — лишь однородная единая свое образная «губка» для флогистона, и только. Такая методология мешала исследованию воздуха как комплекса газов, не позволяла даже ставить перед собой такую задачу.

В 1754 г. молодой шотландский ученый — медик и химик, будущий профессор университетов Глазго и Эдинбурга Джозеф Блэк — открыл «связанный воздух» (fixed air) и описал свое открытие в докторской диссертации, защита которой венчала обучение в университете. Сегодня мы знаем этот газ как углекислый газ (CO₂). Результаты этой выдающейся работы были опубликованы только в 1756 г.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.20. Даниель Резерфорд (англ. Daniel Rutherford; 1749−1819)

Джозеф Блэк назвал открытый им «воздух» «связанным», поскольку тот содержался в составе твердого вещества — белой магнезии, был ею «связан». Под воздействием прокаливания она «освобождала» его, превращаясь в жженую магнезию. Одновременно, и это оказалось более важным, Дж. Блэк открыл реакцию поглощения выделившегося газа «известковой водой», что позволяло теперь выделять поглощением этот газ из воздуха, если он в нем содержался. Эти опыты явились важнейшей предпосылкой для возникновения газового анализа. Открытие Дж. Блэком того факта, что «воздух» может быть химически связан в твердых телах (в его опытах — в карбонатах), произвело революцию в химии [Штрубе 1984].

Спустя 17 лет, в 1772 г., продолжая свою успешную и насыщенную исследовательскую и преподавательскую деятельность, профессор Дж. Блэк предложил одному из своих учеников (тогда студенту, затем медику и химику) шотландцу Даниелю Резерфорду продолжить его опыты со «связанным воздухом» и разобраться до конца в проблеме: почему после удаления «связанного воздуха» из воздуха оставшийся воздух не поддерживал горение.

И вот Даниель Резерфорд проделал такой опыт. В закрытый сосуд с обычным воздухом он поместил мышь, которая сначала дышала, но потом погибла. В этот воздух Резерфорд поместил горящую свечу, которая вскоре погасла, наконец, в сосуд был внесен горящий фосфор, но и он перестал гореть.

Исходя из опытов Дж. Блэка со «связанным воздухом» (fixed air) и с «лесным газом» (gas sylvestre) ван Гельмонта, под стеклянным колпаком должен был остаться «связанный воздух» (он же «лесной газ») и, по идее, дополнительно еще воздух, насыщенный флогистоном до такого предела, что ни дыхание (его считали эквивалентным горению), ни горение было невозможным. Этот оставшийся под колпаком воздух Резерфорд пропустил через раствор щелочи, и связанный воздух поглотился. Но и в оставшемся воздухе мышь сразу погибала, а свеча не горела.

Это знал еще Джозеф Блэк. Но почему так происходило? Блэку было это неясно. Резерфорд объяснил это так. При дыхании мыши и при горении свечи и фосфора выделяется флогистон и вместе с образующимся связанным воздухом поступает в воздух. После удаления связанного воздуха оставшийся содержит так много флогистона, что больше принять его не может, а потому в таком воздухе уже не могли гореть свеча и даже фосфор. Это был «флогистированный» воздух.

Этот остаточный «флогистированный» воздух Резерфорд назвал mephitic air — «удушливый воздух» в смысле noxious air (ядовитый воздух, испорченный воздух), потому что он не мог поддерживать ни дыхание, ни горение и не реагировал со щелочами, в отличие от связанного воздуха. Все это было описано Д. Резерфордом в его докторской диссертации, венчавшей обучение: «De aere fixo dicto aut Mephitico «(«О так называемом связанном и мефитическом воздухе»).

Сегодня мы знаем этот «мефитический воздух» как азот, а его первооткрывателем считаем Д. Резерфорда. Однако он обозначил открытый им «воздух» как «испорченный», «отравленный», «зловредный» и не поддерживающий ни дыхание, ни горение воздух. Такое название пришло Резерфорду на ум после его дополнительного опыта с мышью, которая в этом воздухе сразу погибла. Из этого факта он сделал вывод о существовании «отравленного» воздуха, в котором гибли живые организмы. О том, что это вещество представляет собой новый химический элемент, Резерфорд даже не подумал. Тем самым он совершил открытие, но истинную сущность своего открытия так и не понял.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.21. Генри Кавендиш (англ. Henry Cavendish; 1731−1810)

В этом же, 1772 г. выдающийся английский ученый Генри Кавендиш, проявлявший особую скрупулезность в исследованиях и получавший очень точные результаты, многократно пропуская воздух над раскаленным углем, а затем обрабатывая его щелочью для поглощения связанного газа, получил остаток, в котором ни горение, ни дыхание было невозможно, и который потому был им назван, совершенно как Д. Резерфордом, «удушливым воздухом», «испорченным воздухом», т. е. в буквальных терминах того времени — «мефитическим (испорченным) воздухом». Фактически Г. Кавендиш выделил азот, но при всей своей гениальности тогда не сумел понять, что это новое простое вещество. К сожалению, не опубликованные им своевременно записи об этом открытии были найдены в архивах ученого уже после его смерти [Трофимов, Трофимов 1980: 40].

Думается, что о новом «мефитическом воздухе» знал и выдающийся ученый, первооткрыватель многих химических веществ — Джозеф Пристли — британский священник, химик, естествоиспытатель, философ. Его основные исследования в области химии были посвящены изучению газов, но он, как и Кавендиш, не всегда торопился публиковать свои наблюдения [Трофимов, Трофимов 1980: 40].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.22. Джозеф Пристли (англ. Joseph Priestley; 1733−1804)

В 1771 г. Пристли поместил в герметический сосуд с воздухом, «испорченным» горением до такой степени, что он уже не поддерживал горение, растение мяты. Спустя несколько недель Пристли смог снова зажечь свечу в этом воздухе. Пристли сделал вывод, что растения «исправляют» испорченный воздух. Так был открыт фотосинтез, без которого нет жизни на земле [Полевой 1989; Ничипорович, Рубин 1973].

Продолжая свои эксперименты, три года спустя, в 1774 г., Пристли, нагревая окись ртути, выделил новый «вид» воздуха, назвав его «дефлогистированным воздухом» (dephlogisticated air), т. е. воздухом без флогистона. Это был кислород — простое вещество, еще один из важнейших компонентов природного воздуха. Однако из-за приверженности теории флогистона Пристли не смог признать в нем новое простое химическое вещество, для него это был просто воздух, не содержащий флогистона.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.23. Карл Вильгельм Шееле (швед. Carl Wilhelm Scheele; 1742−1786)

При этом «дефлогистированный воздух» (это был кислород), открытый Пристли, казался антиподом «флогистированного воздуха» — «мефитического воздуха» (т. е. азота), выделенного в 1772 г. Даниелем Резерфордом.

Но еще в 1771 г. выдающийся шведский аптекарь и химик Карл Вильгельм Шееле абсолютно независимо от других ученых получил несколькими способами неизвестный ранее «воздух», в котором свеча горела особенно ярко, а горение твердого горючего вещества активно поддерживалось. Он назвал открытый им вид «воздуха» eldluft (вариант — elds luft), что означает «огненный воздух», или «воздух огня". Поскольку Шееле писал свои труды для публикации на немецком языке, то для «воздуха огня» он использовал термин Feuer-Luft. Это был кислород.

Сегодня, понимая роль кислорода в горении, нам может показаться точным как название смысл словосочетания «огненный воздух», но для понимания самого Шееле, скорее всего, более точным будет русскоязычный термин «воздух огня» — воздух, в котором возможен огонь. Это название отражает наблюдение того, что в этом виде воздуха пламя горит особенно ярко и горение активно поддерживается.

В ходе своих экспериментов Шееле понял, что воздух состоит из двух компонентов: «огненного воздуха» (кислорода), поддерживающего горение, и «испорченного воздуха» (азота), не поддерживающего горение и остающегося после того, как возможности «огненного воздуха» исчерпаны. Для азота Шееле использовал термин skämd luft, förorenad luft, что означает «испорченный воздух", или använd luft — «использованный воздух».

Таким образом, Карл Шееле открыл кислород и азот практически одновременно, в рамках одного и того же цикла исследований, примерно в 1771—1773 гг. Пожалуй, он первым описал составной характер воздуха, как смеси разных газов. Сложно сказать, какой именно газ был получен в пробирке первым, поскольку Шееле изучал состав воздуха комплексно и практически одновременно. Свои опыты Шееле описал в рукописи книги «Химический трактат о воздухе и огне» («Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer «), которую закончил в 1773 г., но ожидая предисловия от своего коллеги, отправил издателю только в 1775 г. Однако по разным причинам (задержки издателя, нерасторопность типографии) книга вышла только в 1777 г. К этому времени Пристли (1774) уже опубликовал свои открытия, поэтому приоритет в открытии кислорода остался за Пристли. А приоритет в открытии азота прочно приписывают Д. Резерфорду [Фигуровский 1969].

Важно отметить, что Карл Шееле, как и другие ведущие химики его времени, работал в рамках теории флогистона и не рассматривал найденные им виды воздуха (газы) как химические элементы в современном понимании. Для него «огненный воздух» был видом воздуха, особенно активно поглощающим флогистон, выделяющийся при горении из горящего вещества, а «испорченный воздух» — видом воздуха, уже насыщенным флогистоном и неспособным поддерживать дальнейшее горение.

Все вышеупомянутые ученые верили в теорию флогистона и не понимали до конца, что полученные газы — это отдельные химические вещества, части обычного воздуха, а не «дефлогистированный воздух» (кислород) или «флогистированный воздух» (азот).

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.24. Антуан Лоран Лавуазье (франц. Antoine Laurent de Lavoisier; 1743−1794)

Первым человеком, который научно доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество, был великий французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Он сделал это в 1774—1777 гг., и его работа стала фундаментом современной химии [Дорфман 1962].

Прибегая в своих исследованиях постоянно к точному взвешиванию, Лавуазье показал, что в процессе горения вещество не выделяется из горящего тела, а присоединяется к нему. Это противоречило теории флогистона, и она была им отвергнута. Экспериментально установив новый взгляд на процессы горения и окисления и отвергнув теорию флогистона, Лавуазье неизбежно должен был отвергнуть наличие однородного воздуха, который то был флогистирован, то дефлогистирован, и прийти к существованию двух разных химических воздухообразных веществ, ибо они вели себя в химических реакциях по-разному. В итоге он показал, что воздух есть смесь двух газов: один из них — газ, преимущественно поддерживающий горение, «здоровый (salubre) воздух, жизненный воздух», другой газ — «нездоровый (moffette) воздух, безжизненный воздух».

Полученный им «дефлогистированный» «здоровый воздух» (Лавуазье хорошо знал работы Пристли), в котором ярко горела свеча, он назвал кислородом (от лат. Oxygenium — рождающий кислоты), а «флогистированный воздух», в котором свеча тухла и подопытные мыши задыхались, — азотом. Этот термин Лавуазье образовал с помощью греческой буквы α (альфа), прибавление которой перед словом придавало ему противоположное значение, и древне-греческого слова ζωά (зоэ) — жизнь, что стало означать «безжизненный», «непригодный для дыхания». В русском языке этот термин стал звучать как «азот». Заметим, что термин «азот», кроме русского языка, укоренился только во французском. По-немецки азот называется Stockton (удушающее вещество), по-английски — Nitrogen (от лат. Nitrogenium — рождающий селитру).

Доказав, что кислород и азот являются химическими веществами, Антуан Лавуазье первым установил сложный состав атмосферного воздуха. Окончательно свои выводы Лавуазье опубликовал в труде «О горении вообще» (1777) и в знаменитом учебнике «Начальный курс химии» (1789). В них даны основы современных представлений о свойствах воздуха, а в целом эти книги определили становление современной химии.

Однако природный воздух состоит не только из кислорода, азота и углекислого газа. Производя свои опыты с воздухом, Генри Кавендиш в 1766 г. опубликовал работу «Искусственный воздух», где сообщалось об открытии «горючего воздуха» (водорода). Кавендишу удалось получить в чистом виде водород и углекислый газ, установить их относительную плотность и другие свойства.

Вывод о том, что «горючий воздух» Кавендиша представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 г. французским химиком Антуаном Лавуазье. Он же впервые получил его из воды и дал этому веществу название Hydrogenium (рождающий воду) (по-русски — водород).

Продолжая свои эксперименты с воздухом, в 1785 г. Кавендиш обратил внимание на пузырьки «остаточного воздуха», занимавшего 1/120 первоначального объема и не изменявшегося даже под действием электрической искры. Он сделал заметки, но бросил заниматься этим делом и не стал ничего публиковать. Его записки были найдены и опубликованы почти полвека спустя. И лишь в 1894 г. английские ученые — физик Рэлей и химик Рамзай — установили, что «остаточный воздух» Кавендиша — это неизвестный ранее химически инертный газ аргон, всегда присутствующий в воздухе. Заметим, что почти весь этот газ в атмосфере Земли образовался при распаде калия-40.

Сегодня мы знаем, что осушенный от влаги природный воздух состоит из смеси азота и кислорода, а также аргона, углекислого газа и других газов, включая водород, в ничтожных относительно земной атмосферы количествах. Более того, природный воздух всегда содержит водяной пар, наличие которого вариативно, но оказывает влияние на измеренные значения концентраций газов в воздухе.

Поскольку рудничная атмосфера формируется при поступлении наружного природного воздуха в шахту или рудник, то основной состав рудничной атмосферы аналогичен газовому составу наружного воздуха. При этом выделяющиеся в ходе горных работ газы составляют хоть и небольшое, но очень существенное для живых организмов и взрываемости газовоздушной смеси количество.

Самыми значимыми газовыми примесями, делающими рудничную атмосферу чрезвычайно опасной, являются горючие газы: водород, метан и его гомологи, пары нефтепроявлений (редко).

В большом количестве в рудничную атмосферу могут поступать азот и углекислый газ, делающие ее опасной для человека, ибо содержание кислорода в такой смеси падает и дышать становится невозможным. Такая рудничная атмосфера получила название «мертвый воздух».

Углекислый газ выделяется в рудничную атмосферу с дыханием людей, при горении или гниении древесины. При полном сгорании образуется ядовитый «угарный газ» — монооксид углерода.

Еще один класс выделяющихся природных газов или образующихся при окислении сульфидных руд — сероводород, сернистый газ — «глазоедка» и др.

Из природных газов следует также всегда иметь в виду радиоактивный газ радон, опасность которого состоит в быстром распаде и образовании «дочерних продуктов распада» — металлических радиоактивных аэрозолей, которые легко задерживаются в легких и, альфа-распадаясь, наносят внутреннее радиационное поражение.

Использование взрывных работ породило образование во время взрыва из-за высокой температуры сильно ядовитых окислов азота и других продуктов сгорания, в целом называемых «отпалочными газами». Использование самоходной техники с двигателями внутреннего сгорания привело к появлению в рудничной атмосфере «выхлопных газов» сложного состава.

Сегодня мы знаем, что основное влияние на организм человека оказывает полученная им доза тех или иных опасных или вредных газов и пыли. Эта доза зависит от длительности вдыхания и концентрации газа в воздухе. Исходя из того, что шахтер дышит воздухом в шахте целую смену и постоянно ходит на работу, в конце ХIX — начале ХХ в. стала складываться концепция предельнодопустимых концентраций вредных газов в рудничной атмосфере. Эта концепция складывалась из представлений о нижних и верхних концентрационных пределах взрываемости и безвредной дозе вредного вещества, полученного в течение всей рабочей жизни. Сегодня эта концепция «порога воздействия», реализованная в нормативно устанавливаемых предельно-допустимых концентрациях, определяет требования к состоянию рудничной атмосферы и, соответственно, проветривания горных выработок.

Если в рудных шахтах газовыделений природных газов было относительно немного и они зачастую были эпизодичны, то в угольных шахтах выделяющегося «горючего воздуха», который мог взрываться от открытого пламени, а оно постоянно требовалось для освещения, было очень много, а потому вопросы проветривания угольных шахт все время были в центре внимания представителей горного надзора того времени, следивших за безопасностью добычи угля.

Когда и где произошел первый в истории человечества взрыв «рудничного газа», знаменитого fire-damp, мы в точности не знаем. Но хорошо знаем по английским хроникам, что огромная череда страшных аварий, связанных с взрывами в шахтах, последовала с началом добычи каменного угля, ибо она высвобождала горючий и тем самым взрывоопасный метан из угольных пластов и отбитого угля.

Метан (лат. methanum; болотный газ, CH4) — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха, почти в два раза легче воздуха. Газ нетоксичен, но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием. Метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 до 17%, что и представляет собой его особую опасность. Это мы знаем сегодня, но так было не всегда. Вернемся в прошлое.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.25. Алессандро Вольта (итал. Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta; 1745—1827)

В ноябре 1776 г. итальянский физик Алессандро Вольта, изобретатель «вольтовой батареи», обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и из него в 1778 г. выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание метана от электрической искры, которую давала его «вольтова батарея» / «вольтов столб» [Скундин, Воронков 2010].

Спустя почти 40 лет, в 1813 г., англичанин сэр Гемфри Дэви специально изучил рудничный газ, собранный в шахте, и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота (N2) и углекислого газа (CO2) — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу. Современное название «метан» в 1866 г. этому газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман.

Как мы сегодня знаем, горение (в шахте или руднике) — это процесс химического окисления горючего вещества кислородом воздуха, для инициации и поддержания которого нужна энергия, берущаяся из источника зажигания. Открытый огонь является одним из таких источников.

Горняки быстро заметили, что взрыв рудничного газа происходит при одновременном наличии газа и открытого огня, который его зажигает. Это зажигание может привести к вспышке (огонь), хлопку (ударный звук), разрушительному взрыву.

После «ликвидации» горючего газа какое-то время можно работать, не опасаясь его взрыва, ибо новый взрыв происходит, когда накапливается новая «порция» горючего газа.

Древние углекопы, многое не зная, умели правильно действовать и применяли выжигание для уничтожения потенциально опасных скоплений метана, а также вымахивание для усиления проветривания. Вопрос о купировании источника зажигания не стоял в силу неразвитости теоретических представлений. Все знали, что открытый огонь вызывает воспламенение рудничного газа. Именно открытым огнем опробовали присутствие рудничного газа, открытым огнем его выжигали газожоги. Однако знать и суметь сделать что-то новое могли не все.

Так появляется практичная и очень опасная профессия «газожог», направленная на «сжигание» выделившегося рудничного газа. Газожог на шесте вносил в газо-воздушную смесь открытый огонь (свечу) и тем самым инициировал взрыв. А отсутствие открытого огня должно было бы предотвратить неконтролируемый взрыв.

НО!!! Открытый огонь был нужен для освещения. Однако пламя, непонятно чем и как удерживаемое, но локализующееся вблизи фитиля, при внесении его в рудничный газ вызывало быстрое движение фронта пламени, сопровождавшееся хлопком. Мог наступить взрыв, распространявшийся далеко. Нужно было, чтобы фитиль светил, а вот огонь фитиля не должен был зажигать рудничный газ так, чтобы фронт пламени двигался. Как эту проблему понимали тогда, мы в точности не знаем, но знаем, как мы ее понимаем сегодня. Два газа — горючее и окислитель — вступают в ре акцию окисления, инициируемую теплом от источника зажигания. Пламя горения зажигает другие объемы реагирующих веществ. Если фронт пламени, достаточного по мощности для зажигания, соприкасается с очень высокими концентрациями горючего, то он не движется из-за нехватки окислителя, затем при каких-то средних значениях фронт пламени может двигаться, и происходит вспышка. Наконец, если пламя соприкасается с недостатком горючего, то фронт пламени не движется и пламя остается в источнике, в котором горит горючее.

Вопрос о безопасном освещении нужно было решить, и в начале XIX в. это стали делать в Англии, где активно шла добыча каменного угля, сопровождавшаяся взрывами, и гибелью людей, и разрушением шахт. Нужна была лампа, не взрывающая рудничный газ! И ее создали.

Исторически самым первым изобретением для безопасного освещения в газовых угольных шахтах стал «искромет» Карлайля Спеддинга, т. е. кремниво-стальная мельница или вертушечное огниво. Карлайл Спеддинг был выдающимся горным инженером и занимал должность visor’а целого ряда шахт в Уайтхейвене (Камберленд) с 1730 года до своей смерти в 1755 году.

Его устройство генерировало при вращении стального диска, трущегося о кремень, искры, достаточные для слабого освещения, но недостаточно «энергичные» для поджигания метано-воздушной смеси. Но оно требовало использования мускульной силы специального человека, что было неэкономично и непрактично. В практику оно не пошло. В то время широко использовали масляные лампы. Вот их и стали усовершенствовать.

История создания безопасной лампы для освещения многократно описана разными исследователями. Мы будем следовать работе [Минина 2016]. Первым ученым, обратившим внимание на проблему безопасного освещения в угольных шахтах, был английский врач, ирландец Вильям Рейд Кленни (англ. William Reid Clanny; 1776−1850). В 1813 г. он стал одним из основателей Общества предупреждения аварий на угольных шахтах, организованного в Сандерленде, и с этого времени много внимания уделял проблеме безопасного освещения под землей.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.27. «Искромет» Карлайла Спеддинга

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.26. Карлайл Спеддинг (англ. Carlisle Spedding; 1695−1755)

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.28. Первая безопасная шахтная лампа Вильяма Рейд Кленни

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.29. Гемфри Дэви (англ. Humphry Davy; 1778—1829)

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.30. Безопасная лампа Гемфри Дэви

20 мая 1813 г. на заседании Королевского общества поддержки искусств, ремесел и коммерции (The Royal Society for the Encouragement of Arts, Manufactures and Commerce) доктор медицины В. Кленни объявил об изобретении им безопасной рудничной лампы.

Основная техническая идея В. Кленни заключалась в том, чтобы продукты горения выходили из лампы, проходя через «водяной затвор». Для обеспечения достаточной тяги воздух закачивался в лампу принудительно с помощью небольших мехов. Лампа получилась громоздкой, и чтобы приводить ее в действие, нужен был еще один человек, так как шахтер, ведущий отбойку угля, делать этого не мог. Тем не менее испытания лампы Кленни под землей прошли 20 ноября 1815 г. После испытаний Кленни усовершенствовал конструкцию. Теперь воздух проходил не через водяной затвор, а через слой масла, которое одновременно служило горючим для лампы. Уменьшены были и ее габариты. Именно за эту безопасную лампу Королевское общество поддержки искусств, ремесел и коммерции 14 апреля 1816 г. наградило Вильяма Кленни серебряной медалью.

Однако ученый не остановился на достигнутом, и следующий вариант безопасной лампы Кленни представлял собой так называемую паровую лампу. Шахтный воздух поступал в нее через узкую трубку, которая начиналась под днищем резервуара с маслом и заканчивалась в верхней части лампы. Примерно на середине высоты лампы был размещен резервуар с водой. Вода в резервуаре нагревалась от пламени лампы и закипала, образуя пар. Шахтный воздух, прежде чем попасть в зону горения, смешивался с паром и становился невзрывоопасным. Эта усовершенствованная конструкция была удостоена золотой медали Королевского общества поддержки искусств, ремесел и коммерции в 1817 г. и использовалась в Англии на шахтах Харрингтона.

На Севере Англии также было организовано Общество по предотвращению взрывов рудничного газа, первое заседание которого состоялось 1 октября 1813 г. Здесь к решению задачи без опасного освещения в угольных шахтах был привлечен известный химик Гемфри Дэви. Для этого уважаемый человек — священник из Бишопвермута (графство Сандерленд) Роберт Грей (Dr. Robert Gray) — написал письмо сэру Гемфри Дэви, предложив использовать его обширные знания в области химии для решения проблемы взрывов в угольных шахтах, вызванных метаном (так называемым рудничным газом). Тот откликнулся.

В своих исследованиях Г. Дэви опирался на результаты предшественников, среди которых он упоминал Теодора Гротгуса (англ. Theodor von Grotthuss; 1785−1822). Именно Гротгус в 1808-

1811 гг. установил, что горючая смесь газов, заключенная в узкую трубку, не воспламеняется. Основываясь на этом факте, Дэви начал эксперименты с того, что помещал горящую свечу в металлический футляр с застекленными окошками, воздух в который поступал по узким трубкам снизу, а выходил через маленькие отверстия в верхней части. В ходе экспериментов Дэви установил, что пламя также не может пройти через большое число отверстий, если их глубина примерно равна их диаметру, т. е. через сетку. Поэтому в следующей экспериментальной модели Дэви воздух в лампу поступал через отверстия, защищенные металлической сеткой. Для защиты от потоков воздуха в шахте пламя было закрыто стеклянным вытянутым колпаком с крышкой, также изготовленной из металлической сетки. Такой вариант конструкции безопасной лампы Дэви описал в своем отчете Королевскому научному обществу в ноябре 1815 г. [Davy 1816].

В этом же документе на полях Дэви поместил схематический рисунок лампы, в которой пламя было защищено проволочным цилиндром с крышкой, заменившим стеклянный колпак, однако не дал никакого пояснения к рисунку. О причинах этого можно только догадываться. Исходя из расположения рисунка, можно предположить, что Дэви добавил его уже после завершения работы над рукописью доклада, поэтому не стал вставлять в текст описание. Тем не менее именно 9 ноября 1815 г. считается днем рождения безопасной пламенной рудничной лампы, получившей название в честь своего изобретателя — лампа Дэви.

Предохранительный эффект металлической сетки Дэви объяснял тем, что она, поглощая значительное количество тепла, охлаждала газ, и горение не распространялось по другую сторону сетки. Первые две безопасные лампы Дэви, в которых пламя было защищено сетчатым цилиндром, были испытаны на шахте в Хельбурне в январе 1816 г. Свеча, которую Дэви использовал в ходе экспериментов, была затем заменена цилиндрическим резервуаром для масла и фитилем; к резервуару для защиты проволочного цилиндра от механических повреждений были прикреплены три вертикальные металлические стойки, сходящиеся вверху в петлю, служащую для переноски или подвешивания лампы. Так родился «стандарт» безопасной лампы. Однако Гемфри Дэви не стал оформлять патент на свою безопасную лампу, что дало возможность ее быстрого и повсеместного внедрения.

В благодарность за спасение многих жизней (а главное — снижение убытков от взрывов) владельцами угольных шахт в Ньюкасле по подписке было собрано 2000 фунтов и приобретен баснословно дорогой сервиз, который вручили Дэви на посвященном ему торжественном банкете 11 октября 1816 г.

В России о лампе Дэви узнали благодаря сообщению академика И. Х. Гамеля, напечатанному в «Технологическом журнале» уже в апреле 1816 г. Публикация содержала объяснение принципа действия лампы, описание ее конструкции и испытания, проведенного лично автором на угольной шахте в Флинтшире (Великобритания). Однако из-за того, что в России добыча угля в промышленных масштабах началась только в 1880-х гг. и глубина шахт была небольшой, безопасные лампы разных конструкций в нашей стране до этого времени практически не использовались.

Над созданием безопасной шахтерской лампы работал и будущий изобретатель практичного паровоза «Ракета» Джордж Стефенсон (англ. George Stephenson; 1781−1848). В отличие от Дэви и Кленни, Стефенсон не был ученым, но был выдающимся механиком и изобретателем.

В результате проведенных опытов Стефенсон пришел к таким же выводам, что и Дэви: если поместить пламя свечи или лампы в достаточно длинную трубку, то газ, проникающий в нее вместе с воздухом, успеет сгореть, не доходя до ее конца, и взрыва не произойдет. Этот принцип был реализован в конструкции первой лампы Стефенсона. Результаты испытаний показали, что лампа не провоцировала взрыва, но быстро гасла, поэтому в следующем варианте Стефенсон использовал три трубки для поступления воздуха вместо одной.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.31. Джордж Стефенсон (англ. George Stephenson; 1781—1848)

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.32. Конструкция безопасной лампы Джорджа Стефенсона

Не получив значительных улучшений, он в следующей модели отказался от трубок, и воздух поступал в лампу через отверстия в верхней части резервуара для масла (нижняя подача воздуха), а стеклянный цилиндр сверху закрывался перфорированной металлической крышкой. За счет этого достигалась интенсивная тяга и увеличивалась сила света. Для защиты стекла сверху надевался металлический футляр с рядом отверстий, пропускающих свет. Именно такую лампу представил Джордж Стефенсон 5 декабря 1815 г. на заседании Литературного и философского общества в Ньюкасле.

Зная это, пионер в деле создания безопасной рудничной лампы Вильям Кленни, опираясь на исследования Дэви и Стефенсона, в 1835 г. разработал четвертый вариант своей безопасной лампы, в которой соединил элементы конструкции Дэви и Стефенсона. Он использовал проволочный цилиндр, но сделал его на два дюйма короче, чем в лампе Дэви. Также он взял стеклянный цилиндр, чтобы защитить пламя, но сделал его на три дюйма короче, чем в лампе Стефенсона. Таким образом, в этой безопасной лампе Кленни часть сетки вокруг пламени была заменена стеклянным цилиндром. Этот важнейший элемент использовался практически во всех последующих конструкциях лампы. Воздух поступал через сетку над стеклом (верхняя подача воздуха), а продукты горения уходили в верхнюю часть сетки.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.33. Четвертый вариант безопасной лампы Вильяма Рейд Кленни

В дальнейшем технические решения Вильяма Кленни, Гемфри Дэви и Джорджа Стефенсона были усовершенствованы другими изобретателями. Все последующие конструкции безопасных ламп, использующих огнепреградительную сетку, изобретенные другими инженерами, в той или иной степени являлись модификацией лампы Дэви. Повторим, сэр Гемфри Дэви правильно оценил ценность своей лампы для предотвращения взрывов в угольных шахтах, но отказался запатентовать свое изобретение, заявив: «Моей единственной целью было служить делу человечества».

Заметим, что все ранние конструкции лампы безопасности были довольно хрупкими: Сетки ржавели, стекло легко разбивалась, порывы воздуха гасили фитиль, его сложно было вновь зажечь, не рискуя взорваться. Позже священник Роберт Грей (Англия), доктор Матье-Луи Музелер (Mathieu-Louis Mueseler; Бельгия, 1840) и Жан Батист Марсо (Jean Baptiste Marsaut; Франция, 1871) решили эти проблемы.

Хорошей модификацией оказалась лампа Марсо (Marsaut), разработанная в 1871 г. во Франции, в которой несколько сеток были окружены снаружи металлическим колпаком, защищающим пламя от действия наружных струй воздуха, а сетку — от механических повреждений. В ней впервые был применен металлический колпак.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.34. Безопасная лампа Карла Вольфа

Главное преимущество лампы Марсо — надежная многоуровневая защита. Если внутренняя сетка перегревалась или повреждалась, внешние сетки оставались достаточно холодными, чтобы не пропустить пламя наружу. Кроме того, металлический колпак надежно защищал сетку от механических повреждений и сильных потоков воздуха. Конструкция быстро получила признание, и многие производители стали выпускать свои версии на ее основе. По сути дела, лампа Марсо, вобрав в себя все достоинства предшественниц, стала прототипом современных шахтерских ламп.

Новый этап в развитии шахтерских ламп, позволивший значительно увеличить силу их света, начался с переходом на использование нового, более высокотемпературного топлива (керосина, бензина), что потребовало особого внимания к обеспечению безопасности.

Эту задачу успешно решил Карл Вольф (Carl Wolf; 1838−1915) немецкий инженер и изобретатель из Цвикау (Саксония, Германия), который сумел соединить в конструкции своей бензиновой лампы многие наработки, сделанные предшественниками: предохранительную сетку (Дэви); нижнюю подачу воздуха (Стефенсон); стеклянный цилиндр вокруг пламени (Кленни); металлический шлем (Марсо).

Безопасная лампа конструкции Вольфа, появление которой было бы невозможно без работ его предшественников: Кленни, Дэви, Стефенсона,

Музелера, Марсо и других, была одной из самых распространенных в мире. Так, в конце XIX в. в Германии использовалось 67 000 безопасных ламп конструкции Вольфа, а в Австрии — 12 000. Лампа Вольфа получила золотую медаль на Всемирной выставке в Париже в 1900 г. и, несмотря на появление в шахтах электрического освещения, использовалась в качестве индикаторной вплоть до середины XX в.

Обращаясь сегодня к событиям, произошедшим почти 200 лет назад, можно констатировать, что изобретение безопасных ламп для угольных шахт оказало огромное влияние на весь ход промышленного развития Англии и других стран. В 1820-х гг. разработка угля велась уже в Англии, Франции, Германии, США, и использование безопасного освещения обеспечило значительный рост его добычи.

Так, если в 1810 г. в мире добывалось около 3,3 млн т каменного угля, то в 1820 г. — 21,6 млн т, в 1840 г. — 42,4 млн т, в 1860 г. — 91,3 млн т, в 1900 г. — 792,3 млн т. За короткое время уголь стал не только важнейшим сырьем для развития металлургии, но и основным источником энергии в промышленности, на транспорте и в быту. И это во многом благодаря безопасной лампе для освещения.

Организация проветривания на первых угольных шахтах была аналогична рудным шахтам, где, казалось, все было отлажено веками. Как правило, при добыче руды разрабатывалась та или иная «жила». Вдоль нее и шли горняки, выбирая руду в коротких тупиковых забоях справа и слева от основного транспортного и воздухоподающего штрека. Последний старались периодически сбить с земной поверхностью шурфом, что вызывало возникновение естественной тяги, за счет которой осуществлялось движение воздуха, а следовательно, и проветривание горных выработок.

Но в угольных шахтах каменный уголь был пористым и содержал большое количество метана и других горючих газов, газа выделялось много, он постоянно шел из угольного пласта, и горняки стремились не оставлять тупиковые забои, которые быстро заполнялись газом, а сбивать их с другими выработками. В результате образовывалось своеобразное «сито-решето», где возникали пути наименьшего сопротивления движению воздуха, по которым он начинал преимущественно двигаться. Часто получалось, что такой путь становился нежелательным байпасом (англ. bypass — обход) для обеспечения проветривания рабочих зон. Преимущественное движение воздуха по байпасу одновременно оставляло другие выработки без проветривания, образуя там застойные зоны. А они были еще опаснее и страшнее из-за накопления в них рудничного газа. Это стимулировало поиск новых технических решений по добыче угля и проветриванию горных выработок угольных шахт.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.35. Джеймс Спеддинг (англ. James Spedding; 1720−1788)

Горный инженер и смотритель (visor — смотритель, руководитель) за несколькими угольными шахтами Северо-Запада Англии Джеймс Спеддинг (James Spedding; 1720−1788) решил исправить эту ситуацию и ориентировочно в 1760 г. изобрел и внедрил способ организации проветривания, названный им air coursing, что означало движение воздуха одним потоком по некоему маршруту. Этот способ заключался в том, что весь воздух, поступавший через воздухоподающий ствол (англ. Downcast Shaft), организованно направлялся по специальному маршруту через все основные выработки и забои до вентиляционного ствола (англ. Upcast Shaft), где выходил на дневную поверхность.

Таким образом, система организации проветривания Джеймса Спеддинга заключалась в создании единого, длинного и принудительного пути для всего потока свежего наружного воздуха, поступающего в угольную шахту. Это была первая в мире попытка управлять организацией проветривания всей шахты.

Джеймс Спеддинг, как и его отец Карлайл Спеддинг, считались одними из самых опытных и изобретательных «смотрителей шахт» своего времени. Их главной заботой была вентиляция шахт и борьба с рудничным газом, проблемы с которыми с ростом глубины разработок становились все более серьезными. Поэтому система проветривания air coursing была основана на большом практическом опыте ее создателя и возможностях смотрителя, как управляющего шахтой.

Напомним, что в доиндустриальную эпоху шахты проветривались за счет естественной тяги, основанной на разности температур и, соответственно, плотности воздуха в стволах. В период индустриализации в Великобритании начали внедрять для проветривания шахт специальные вентиляционные печи, которые интенсифицировали проветривание за счет нагрева выходящего воздуха в вентиляционном стволе. Это позволило увеличить объемы подаваемого воздуха в шахты на два порядка.

Первые вентиляционные печи той эпохи строили на поверхности, стремясь улучшить их действие, но горняки вскоре поняли, что сжигание угля в подвешенной проволочной корзине внутри воздуховыдающего ствола улучшает проветривание. Более того, чем ниже помещали корзину с горящим углем, тем лучше был эффект. Это быстро привело к строительству вентиляционных печей (furnace) под землей у основания вентиляционного ствола. Поэтому побудителем тяги в одномаршрутной системе Спеддинга стандартно выступала естественная тяга, создаваемая вентиляционной печью. Жар от печи нагревал воздух, он поднимался вверх по стволу, создавая разрежение и «засасывая» свежий воздух через весь проложенный маршрут вплоть до воздухоподающего ствола.

Управление движением воздушного потока, т. е. его «маршрутирование», осуществлялось с помощью двух типов пассивных регуляторов.

Первый тип регулятора — воздушные двери (Air doors), которые устанавливали для того, чтобы воздух не проходил напрямую от воздухоподающего ствола к вентиляционному. Двери можно было открыть для прохода людей и транспортировки добытого угля, но обычно они были закрыты и перекрывали короткие пути для воздуха.

Второй регулятор — постоянные перемычки (Stoppings), которыми полностью перегораживали старые, отработанные участки, чтобы воздух туда не «утекал» и двигался только по нужному маршруту.

Система «маршрутирования потока» Джеймса Спеддинга была огромным шагом вперед по сравнению с хаотичной вентиляцией. Однако к началу XIX в., когда шахты стали глубже, а образующие их горные выработки — протяженнее, она явно продемонстрировала и свои недо статки.

К их числу относилось то, что маршрут движения воздуха через лабиринт выработок всех забоев был очень длинным, и поток воздуха должен был пройти огромные расстояния. Например, в угольной шахте Уокер, при расстоянии между стволами всего в полмили, воздух под землей проходил путь более 30 миль. Это создавало чудовищное аэродинамическое сопротивление, расход воздуха падал, и вентиляция становилась крайне неэффективной.

Кроме того, проходя такой длинный путь, воздух постепенно насыщался рудничным газом (метаном). К тому моменту, как он доходил до вентиляционного ствола, он был уже настолько взрывоопасен, что часто вспыхивал, проходя через вентиляционную печь. Поэтому постоянно существовала угроза взрыва всей шахты.

Был в этой системе и еще один очень важный недостаток — высокая ненадежность системы проветривания, поскольку весь поток зависел от исправности каждой двери и перемычки. Если хоть одна из них выходила из строя, то воздух шел по более короткому пути, и целые участки шахтного поля оставались без проветривания, что вело к катастрофическому скоплению взрывоопасного газа.

К началу XIX в. метод Спеддинга стал неэффективным, но являл положительный пример превосходства регулируемой организации проветривания над стихийной вентиляцией.

Именно эти недостатки системы Джеймса Спеддинга, несмотря на ее достоинства, заставили английского горного инженера Джона Баддла искать новые решения. Джон Баддл (John Buddle, 1773−1843) с детства учился горному делу, поскольку должен был заменить своего отца на важной должности смотрителя (управляющего) большого числа угольных шахт Северо-Востока Англии, что и произошло после смерти его отца [Galloway 1882].

Баддл быстро понял ограничения системы Спеддинга, преодолел их и нашел в себе силы и упорство совершить революционное преобразование.

Он не просто улучшил старую систему — air coursing (или, что полностью эквивалентно в английском языке — coursing the air), а создал новую систему — splitting the air, основанную на принципиально ином подходе, а именно на разделении воздушных потоков, и внедрил ее в практику в 1810 г. в новой, построенной им с «нуля» угольной шахте G pit в Уоллсенде [Galloway 1882].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.36. Джон Баддл (англ. John Buddle; 1773−1843)

Его идея раздельного (мы сейчас говорим — автономного, независимого) проветривания разных рабочих зон в разных частях шахтного поля была тесно связана другими новациями, а именно с внедрением панельной системы (panel system) раскройки шахтного поля. Это позволило решить много проблем, одной из которых была проблема так называемых ползунов (creeps).

Проблема «ползунов» была связана с тем, что когда под землей вырубали из пласта уголь, оставались целики угля, поддерживающие кровлю. Если давление сверху было слишком велико, эти целики начинали «ползти» — разрушаться и вдавливаться в почву. Это вызывало проседание поверхности, разрушение вентиляционных перегородок и аварии. Для предотвращения разрушения целиков Баддл предложил делить шахтное поле, которое до него рассматривали как единый массив, на отдельные, изолированные друг от друга массивными целиками «панели» (сейчас бы мы сказали — столбы). Теперь устойчивость кровли, пожар, взрыв, проветривание можно было локализовать внутри одной панели и не позволить этим явлениям распространиться на всю шахту.

Таким образом, панельная система и новая система автономной вентиляции работали в тандеме: первая создавала безопасную структуру, а вторая обеспечивала каждый элемент этой структуры свежим воздухом. Эта новая система была названа комбинированной вентиляцией (compound ventilation). Разделение единого воздушного потока на несколько независимых ветвей (splits) резко уменьшило аэродинамическое сопротивление, улучшило подачу свежего воздуха в забои и снизило риски взрывов, локализуя опасные зоны. Однако новая система, предложенная Баддлом, была внедрена далеко не сразу — она противоречила представлениям многих опытных шахтеров, которые опасались, что каждое разделение потока ослабляет общую естественную тягу. Их сопротивление пришлось преодолевать. Но у Баддла были и власть, и средства управляемых им шахт. Однажды внедренная, его система настолько показала свою безусловную эффективность, что быстро распространилась по всей Англии, а затем и по другим странам.

В обеих системах вентиляции, разработанных Спеддингом и Баддлом, всегда было два основных типа стволов, каждый со своим четким названием и функцией — воздухоподающий ствол и вентиляционный (выдающий воздух) ствол. Поскольку шахта проветривалась естественной тягой, то чем она была глубже и обширнее, тем более мощной должна быть вентиляционная печь, создающая тягу. В крупных шахтах это были массивные кирпичные сооружения, потреблявшие тонны угля в сутки.

Таким образом, вентиляционная печь была не просто большим костром, а сердцем всей вентиляционной системы, создающим «естественную тягу», которая заставляла воздух двигаться по сложным системам подземных выработок. Создав свою систему автономного проветривания разных частей шахтного поля, Баддл легко решил и проблему опасности этих печей (из-за насыщенности воздуха взрывоопасным газом на выходе из шахты).

Для этого Джон Баддл решил проветривать шахту так, чтобы одновременно и параллельно напрямую подавать свежий воздух к печам. Он ввел новый вид выработок — «глухие штреки» (dumb drifts), которые шли от воздухоподающего ствола прямо к печам и тем самым отводили для них достаточное количество свежего воздуха. Исходящий из шахты и содержащий горючие газы отработанный воздух обходил печь, попадая сразу в ствол. Продукты сгорания, поступавшие в вентиляционный ствол из печи, в которые шел наружный воздух, были слишком холодными, чтобы воспламенить метан, но все же создавали хорошую естественную тягу в стволе, тем самым вызывая движение воздуха по шахте. Это резко обезопасило работу в шахтах, печи перестали взрываться, причиняя огромный ущерб.

С той поры утвердились два подхода к тому,

Это либо последовательное проветривание всех забоев одной струей, либо параллельное (независимое, автономное) проветривание забоев.

Повторим, что первый подход древнее и чаще применялся на негазовых рудных шахтах, где опасность скопления горючих газов незначительна, но где даже в отдаленных камерах необходимо было добиться возможно более ощутимого движения воздуха.

В условиях высокого выделения метана такая струя накапливала в себе слишком много метана, и подход, предложенный Баддлом, оказался для этих условий лучше. Это подход, требующий параллельного, автономного, обособленного проветривания всех объектов. Он стал доминирующим.

Сегодня принцип обособленного проветривания закреплен как основной в нормативной документации, а последовательно проветривать разрешается не более двух забоев, и то при определенных условиях. Так парадигма последовательного проветривания сменилась парадигмой автономного независимого параллельного проветривания рабочих зон.

Проветривать разветвленную «многоструйную» систему было сложно, ибо надо было поддерживать баланс между расходами раздельных потоков в разных участках шахты. Поэтому новаторская идея Баддла — разделение воздушных потоков в шахтных выработках — объективно требовала понимания того, как потоки распределяются в зависимости от аэродинамических сопротивлений различных участков вентиляционной сети, и умения рассчитать такое распределение потоков. Но это было решено уже после смерти Дж. Баддла.

Его заслуги перед горной промышленностью были столь велики, что при переносе его тела из дома, где он умер, в церковь для отпевания образовалась колонна людей, пришедших на похороны, длиной в три мили!

Тысячи лет при последовательном проветривании забоев рудных шахт вопрос о распределении воздуха по различным потокам не возникал — практически весь поступающий в рудник воздух омывал все забои.

Внедрение автономного, а значит, параллельного, проветривания, разработанного Дж. Баддлом, потребовало расчета распределения поступающего в рудник воздуха по отдельным рабочим зонам. Эта задача не была тривиальной, хотя в те годы аналогичные задачи уже решались в гидравлических сетях при конструировании инженерных систем водоводов для устройства фонтанов в королевских парках и парках знати.

Одновременно в 1825—1840-х гг. на угольных шахтах начали внедряться механические вентиляторы, осевые и центробежные. Они тоже требовали расчета. Согласно [Galloway 1882], сначала применение механических вентиляторов произошло в Бельгии, а затем — в Англии. По данным [Unwin, Phil 2007], первый вентилятор в Великобритании был установлен в 1827 г. и приводился в действие паровой машиной. Возможно, это были осевые вентиляторы.

Считается, что впервые центробежный механический вентилятор изобрел в 1832 г. генерал-лейтенант горного корпуса А. А. Саблуков. В 1835 г. такой вентилятор начал работать на Алтае.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.37. Вентилятор конструкции Саблукова (макет)

Если естественная тяга практически не регулировалась — сколько тянет, столько тянет, лишь бы этого было достаточно, — то искусственный вентилятор позволял регулирование, а потому расчет работы вентилятора на вентиляционную сеть стал актуальным. Появилась и новая задача — выбор вентилятора главного проветривания.

В целом необходимость расчета разветвленных потоков воздуха, а главное — выбор параметров работы вентиляторов главного проветривания, стали важной предпосылкой для разработки теоретических основ, связывающих потери давления в вентиляционной сети с расходом воздуха, подаваемого в шахту.

Именно в этот период, в условиях остро возникшей практической потребности, впервые был предложен и внедрен в практику расчета проветривания эмпирический закон, известный сегодня как формула Дарси — Вейсбаха. Этот закон устанавливает квадратичную зависимость потери давления на трение в горной выработке от расхода (или средней скорости) воздуха. Он стал фундаментом для расчета вентиляционных сетей шахт и рудников и остается актуальным до настоящего времени.

Несмотря на наличие множества научных статей об истории данного закона [Brown 2002], вопрос о том, кто именно впервые адаптировал и применил данный закон в контексте рудничной вентиляции, остается открытым. В работе [McPherson 1993] указывается, что первым, кто применил закон Дарси — Вейсбаха при расчете шахтной вентиляции, был английский инспектор шахт Джон Аткинсон (John Job Atkinson; 1821−1870). Джон Аткинсон имел хорошую подготовку в области математики и иностранных языков, что позволяет предположить его знакомство с более ранними трудами французских гидравлических инженеров, среди которых уже была известна аналогичная формула. Речь идет об Антуане Шези и Анри Дарси.

Обзор результатов Шези, одного из первых, кто эмпирически вывел выражение, аналогичное формуле (1.1), к расчету открытых каналов, можно найти как в его работе [Chezy 1776], так и в историческом обзоре нашего времени [Лепихин, Богомолов 2015].

Дарси опубликовал свои труды значительно позднее — в 1856 г. [Darcy 1856]. Тем не менее именно в работе Дарси была более корректно интерпретирована и проанализирована основная причина потерь давления — шероховатость стенок трубопроводов. Впрочем, об истинной физической причине падения давления в трубопроводах ранее упоминал и немецкий математик Юлиус Вейсбах, однако в его труде 1845 г. отсутствовала подтверждающая эту мысль экспериментальная база.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.38. Джон Джоб Аткинсон (англ. John Job Atkinson; ок. 1821−1870)

В своем классическом труде по вентиляции шахт «On the Theory of the Ventilation of Mines», объемом около 454 страниц Дж. Аткинсон сформулировал зависимость, связывающую потери давления p на трение движущегося воздуха с поверхностью выработки со средней скоростью воздушного потока u в горной выработке:

pA = kPρu²,(1.1)

где k — коэффициент трения Аткинсона;

P — площадь поверхности выработки;

ρ - плотность воздушного потока;

А — площадь поперечного сечения;

u — средняя скорость воздушного потока.

В других работах Джона Джоба Аткинсона, опубликованных позже, также приведена квадратичная зависимость для перепада давления в форме (1.1).

Тем не менее аналитический аппарат и математические выкладки, предложенные Аткинсоном, оказались избыточно сложными для практикующих инженеров того времени. Его работа была фактически забыта, и лишь спустя более 60 лет после смерти автора она была «переоткрыта» и получила практическое применение.

Примечательно, что в своем фундаментальном труде [Скочинский 1904] А. А. Скочинский при выводе своего знаменитого квадратичного закона, связывающего падение давления и среднюю скорость воздушного потока применительно к шахтной вентиляции, ссылается на труды французов д’Обюиссона и Жирара 1825−1826 гг.

Закон падения давления воздушного потока на сопротивлениях трения, представленный А. А. Скочинским, имеет уже современный вид:

h = αPLSV²,(1.2)

где h — перепад давлений в горной выработке;

α - коэффициент сопротивления трения;

S — площадь поперечного сечения;

L — длина выработки;

V — средняя скорость потока в выработке.

В научной среде широко известен принцип Арнольда: «Никакая теорема не носит имя своего первооткрывателя». Однако формула Дарси — Вейсбаха, на наш взгляд, не подтверждает этот принцип. Хотя квадратичная зависимость давления от скорости потока была впервые установлена Шези (для открытых каналов) и Жираром (для трубопроводов), именно Вейсбах дал строгое теоретическое обоснование причин потерь давления [Weisbach 1845], а Дарси подтвердил его выводы экспериментально.

Жирар, по-видимому, был первым, кто применил квадратичную зависимость перепада давления от средней скорости потока к расчету трубопроводов. Результаты его исследований [Girard 1826] были доложены в Королевской академии наук еще в 1819 г., но опубликованы только в 1826 г. Вместе с этим, если работа Жирара посвящена расчету гидравлических сетей, то труд д’Обюиссона [D'Aubuisson 1825] фокусируется на горном деле. Анализируя его работу, можно установить, что квадратичный закон (1.2) использовался им для оценки эффективности вентиляции шахт, а именно — для оптимизации подачи воздуха по металлическим трубопроводам, идущим от вентилятора к подземным участкам.

Таким образом, хотя д’Обюиссон и применил закон (1.2) (формулу Дарси — Вейсбаха) к задачам рудничной вентиляции, но объектом исследования в его работе были не воздушные потоки в горных выработках, а металлические трубопроводы, подающие воздух на подземные участки горных работ.

Впоследствии Джон Аткинсон адаптировал эту формулу к условиям реальных горных выработок, отличающихся выраженной шероховатостью стенок, тем самым заложив основы математического описания закономерностей движения воздуха в шахтах.

В то же время можно предположить, что интуитивное использование квадратичной зависимости между потерями давления и средней скоростью воздушного потока имело место еще раньше — в частности, в работах Баддла. Однако письменных свидетельств, подтверждающих такое использование закона на практике в тот период, нам обнаружить не удалось. Поэтому данный вывод остается гипотезой.

В России формула (1.2) была впервые введена в широкий научный оборот А. А. Скочинским, который опубликовал свою работу после продолжительной командировки по европейским странам в 1900—1904 гг. Формула (1.2) в исходном виде до сих пор используется аэрологами как в России, так и за ру бежом.

Единственным элементом, подвергающимся уточнению, остается коэффициент сопротивления трения α, который корректируется с течением времени с учетом появления новых видов крепей и особенностей сопротивления в условиях увеличивающихся размеров горных выработок.

Если закон (1.2) позволял установить связь между падением давления и средней по сечению выработки скоростью потока в одной выработке, то для выполнения расчетов сети выработок этого не хватало.

Последовательность выработок описывали сложением их сопротивления, приростом давления, необходимого для прокачки одинакового для всех выработок расхода. Для системы параллельных выработок суммировали расход при неизменном давлении на концах всей системы. Думается, что это было известно и французским гидравликам, и английским горным инженерам. Но как рассчитать сложные сети, зачастую закольцованные, что типично для подземных рудников, — это было неясно.

Научно аргументированные правила подхода к сложным сетевым системам для электротехники были разработаны Кирхгоффом еще в 1840-х гг., затем их активно переносили на гидравлические сети, а потом и на системы вентиляции (как промышленной, так и рудничной).

Однако горные инженеры чаще говорили о «законах вентиляционной сети» как о собственных формулировках, хотя математически это были те же самые правила. Первое правило гласит о законе сохранения массы воздуха в узлах сети — сколько приходит, столько уходит. Второе правило говорит о том, что если обойти контур и вернуться в первоначальную точку, то алгебраическая сумма падений давления и напоров вентиляторов будет равна нулю.

В фундаментальном учебнике «Рудничная вентиляция» (А. Скочинский, В. Комаров) 1949 г.

система уравнений стационарного течения воздуха излагается через уравнения расхода и уравнения потерь по контурам, с отсылкой к «закону сопротивления» и балансу воздуха, но без явного упоминания имени Кирхгоффа, последнее пришло в литературу по рудничной вентиляции, видимо, много позднее — во второй половине ХХ в., при начале компьютеризации расчетов на ЭВМ.

Подчеркнем, что правила Кирхгоффа позволяли получить систему линейных алгебраических уравнений для токов и напряжений, что давало возможность решать сколь угодно сложные системы электротехники классическими методами линейной алгебры. Однако уравнения трубопроводных и вентиляционных сетей основаны на квадратичном законе (1.2), что требовало развития новых методов расчета. Аналитические методы расчета вентиляции для простых сетей методами разбиения их на участки последовательного или параллельного соединения были хорошо разработаны уже к концу XIX в. трудами европейских исследователей; речь шла о ручном решении систем уравнений.

Дальнейший прорыв произошел в 1930-е гг. для трубопроводных систем: города быстро разрастались, нужны были инженерные сети подачи воды и удаления жидких отходов (канализация).

Вначале в русскоязычной технической литературе СССР для водопроводных сетей появляются работы инженера М. М. Андрияшева [Андрияшев 1932] и профессора В. Г. Лобачева (1936) по близким методам поконтурной увязки расходов и напоров сложных сетей.

Пионерской работой в англоязычной литературе стала публикация в 1936 г. Харди Кроссом (Hardy Cross) работы «Analysis of Flow in Networks of Conduits or Conductors «, в которой был предложен инженерно пригодный итерационный метод расчета распределения потоков воды в замкнутых сетях — метод последовательных поправок увязки контурных балансов сопротивления потоку и напора.

Сегодня этот (по сути, единый по методологии) расчетный метод известен аэрологам как метод Андрияшева, метод Кросса, метод Лобачева — Кросса, метод Андрияшева — Кросса.

В целом (несмотря на нюансы) этот единый по идеологии метод был очень прогрессивным, но оставался инструментом ручного расчета, а его широкое практическое распространение началось лишь с появлением ЭВМ с 1960—1970-х гг., когда стало возможным реализовать выполнение многократных итераций и переносить данные алгоритмы расчета на сети произвольной сложности и размерности.

Давно было замечено, что для предотвращения взрывов метана в шахтах, да и для дыхания нужно было в шахту подавать свежий воздух, фактически разжижая метан. И действительно, при большом количестве свежего воздуха метан не взрывался. Говоря современным языком, нужно было понять, сколько свежего воздуха в шахту следует подать при той или иной производительности шахты по углю, чтобы метан, выделяющийся в шахту при добыче угля, был разбавлен до безопасных концентраций.

Этим и занимались в середине XIX в. разные ученые и горные инженеры. Уже была изобретена безопасная лампа, ее широко применяли, но одной ее было мало. Все прекрасно осознавали, что нужна какая-то система мер, которая бы снижала вероятность взрывов рудничного газа.

Для этого надо было понять, что такое горение, что такое взрыв вообще, как они связаны с горением рудничного газа, какие практические мероприятия нужно было бы производить непосредственно в шахтах при ведении подземных горных работ. Вообще говоря, взрыв — это очень быстрое сгорание вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением значительного количества энергии и раскаленных газов в ограниченном объеме. В результате расширения этих газов образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к разрушению шахты и смертельному травмированию горнорабочих.

Из практики проветривания было ясно, что взрывы происходят в какой-то смеси воздуха с метаном, причем этой смесью еще могли дышать шахтеры. Предел содержания кислорода в воздухе, при котором еще можно было дышать, — это порядка 16%. Открытое пламя, внесенное в воздух с рудничным газом, или гасло, когда кислорода не хватало, или вызывало горение и взрыв рудничного газа. Поскольку наличие метана снижало содержание кислорода в смеси газов с воздухом, то наличие 16−17% кислорода можно было увязать с 5% содержания метана. Все эти расчеты делались из наблюдений за пламенем в лампе Дэви, которая начинала ярко светиться голубым при наличии метана. В итоге все стали понимать, что присутствие 5% метана в воздухе почти неминуемо приведет к взрыву от открытого пламени.

Эти вопросы в 1875—1890 гг. начали серьезно изучать французские ученые Анри Луи Ле Шателье (фр. Henri Louis Le Chatelier; 1850−1936) и Франсуа Эрнест Маллар (фр. François Ernest

Mallard; 1833−1894). См., например, работу [Ле Шателье 1896]. Примерно зная из практики пределы взрываемости (5% и 14%) метано-воздушной смеси, они сумели эти числа теоретически и экспериментально обосновать. Более того, эмпирическое правило безопасности — в два раза снижать или увеличивать для надежности те или иные реальные показатели — заставляло применять 2% (примерно половину от 5%) как критерий безопасности содержания метана в воздухе [Клячин 2020].

Для практики важно было установить критерии применения различных средств и мер предосторожности, при помощи которых можно было бы совершенно устранить возможность взрывов рудничного газа или, по крайней мере, ослабить их вероятность и разрушительное действие.

Эту работу произвели две комиссии — Австрийских горных инженеров, представлявшая огромную империю — Австро-Венгрию, и Прусских горных инженеров, представлявшая Германскую империю. Результаты работы первой были опубликованы на русском языке в Горном журнале и доступны нам [Заключение… 1892].

Комиссия Австрийских горных инженеров была составлена по предписанию от 11 июня 1885 г. и состояла из Центрального Комитета, заседавшего в Вене, и двух местных комитетов для двух разных каменноугольных бассейнов. Итоги тщательной работы — Заключение Центрального Комитета было разделено на семь глав, которые, в свою очередь, разделяются на статьи и параграфы. Будем следовать содержащимся в них главным идеям.

Изучение, которому были подвергнуты все каменноугольные копи Австро-Венгрии, показало, что условия, в которых находятся эти копи, весьма различны, как по выделению рудничного газа, так и по содержанию очень опасной каменноугольной пыли. Уже было известно, что взрыв газа захватывал горючую угольную пыль и она взрывалась. Таким образом, оказалось весьма трудным составить одну общую группу из всех тех копей, в которых было обнаружено присутствие рудничного газа, назвать их копями, содержащими рудничный газ, и дать для них общие правила, равно как указать общие меры предосторожности. Нужно было их все как-то дифференци ровать.

Это был очень важный результат — ибо разные условия, не сводимые к одному, требовали разных мер по предотвращению взрывов. Это достаточно тривиальная истина, но она должна была быть когда-то установлена. Но насколько различны эти условия? Каковы критерии такого различения?

Самая простая идея состояла в том, чтобы разделить шахты на газовые, где есть выделения газа, и негазовые, где их нет. «На нет и суда нет» — гласит русская народная пословица, но что такое «есть выделения газа»? Ведь они могут быть различными по интенсивности и по продолжительности.

Комиссия Австрийских горных инженеров решила, что «Под именем копей, содержащих рудничный газ, разумеют вообще такие копи, в которых этот газ выделяется беспрерывно и в течение долгого времени, хотя бы выделение его имело место лишь в некоторых частях рудника»¹⁹.

Прусская же комиссия, занимавшаяся тем же вопросом, причислила к копям, содержащим рудничный газ, такие копи, в которых газ этот постоянно выделялся в течение двух лет до начала работы комиссии.

Итак, обе комиссии сделали важный вывод о том, что газовой надо считать только такую шахту, в которой длительное время наблюдаются постоянные или эпизодические выделения рудничного газа.

Для учета различий в газовыделениях было предложено разделить каменноугольные копи, содержащие рудничный газ, на три класса: 1) с малым, 2) со средним и 3) с большим содержанием этого газа на исходящей струе. На таком разделении был основан и проект правил, касающийся эксплуатации подобных копей. Так, в практику были введены действующие и ныне «категории» газовых шахт, и специальные правила борьбы с газом, которые получили название «газового режима».

Установившая эти правила Комиссия четко понимала, что при классификации копей, содержащих рудничный газ, по степени представляемой ими опасности предложенные критерии всегда могут иметь некоторые недостатки. Так, например, в данном случае нельзя принимать в расчет только наличие выделения метана, но необходимо обратить внимание на самый способ выделения этого газа (в форме периодических истечений, постоянного выделения и прочего), также надо принять в расчет выделения угольной кислоты (СО2) и образование каменноугольной пыли. Однако, когда рассматриваются вместе все упомянутые разнообразные факторы, то представляется весьма затруднительным определить точно значение каждого из них.

Поэтому был предложен такой способ их разделения, согласно которому, оставляя в стороне местные условия для каждого отдельного рудника, было принято во внимание преимущественно содержание СН4 и СО2 в струе выходящего из рудника воздуха при одинаковом в среднем проветривании (2 куб. метра воздуха на человека в одну минуту или 1,5 куб. метра воздуха в одну минуту на одну тонну угля, извлекаемого в 24 часа). При таких условиях была предложена следующая классификация.

• а I. — Класс Каменноугольных копей, содержащих мало рудничного газа. Сюда относятся такие копи, в которых содержание (СН4 + СО2) в струе выходящего воздуха менее 1%.

• б II. — Класс Каменноугольных копей со средним содержанием рудничного газа. Сюда относятся такие копи, в которых содержание упомянутых газов изменяется от 1 до 2%.

• с III. — Класс Каменноугольных копей с большим содержанием рудничного газа. Сюда относятся такие копи, в которых содержание упомянутого газа превышает 2%.

Проветривание должно быть искусственное, ибо естественное проветривание обыкновенно оказывается недостаточным. Количество воздуха, поступающего во всякий рудник, в котором выделяется рудничный газ, должно быть достаточно для того, чтобы газы (СН4 и СО2), скопляющиеся в выработках, при разрежении образовали безвредную смесь, которая потом и удаляется из рудника.

Наибольшая допускаемая примесь газов в струе вытекающего из рудника воздуха определена была Австрийским Главным Горным Управлением (предписание от 26 июня 1886 г. за № 711) в 1½% для рудничного газа и в ½% для угольной кислоты, т. е. в 2% для обоих газов вместе. По этим данным нетрудно уже определить объем воздуха для каждого разрабатывающегося рудника; опыт же показал, что можно считать достаточным 1,5 куб. метра воздуха в минуту на тонну угля, извлекаемого в 24 часа; но при этом надо принять во внимание, что некоторое количество воздуха теряется.

В итоге для каждого рудника требуется следующее количество воздуха:

1. Для копей первого класса с малым содержанием рудничного газа: по меньшей мере 2 куб. метра на человека в одну минуту; при этом предполагается, что в руднике занимается максимальная смена рабочих и что каждая лошадь заменяет четырех человек.

2. Для копей второго класса со средним содержанием рудничного газа: по меньшей мере 3 куб. метра в минуту на одного человека.

3. Для копей третьего класса с большим содержанием рудничного газа: по крайней мере 4 куб. метра на одного человека в минуту.

Эти количества относятся к токам вытекающего из рудника воздуха, который имеет более важное значение, сравнительно с притекающим воздухом, и объем которого на 15% или на 20% более объема последнего.

Для копей с малым или средним содержанием рудничного газа, особенно же для таких копей, в которых производится добыча угля в весьма больших размерах, возможно, принимая во внимание состав и свойства выходящего из рудника воздушного тока, довольствоваться 1 куб. метром воздуха в минуту на тонну угля, извлекаемого в 24 часа. Однако тут необходимо всегда иметь возможность увеличить этот нормальный объем воздуха на 25% для каких-либо исключительных случаев (прорыва газов, после взрыва гремучего воздуха и проч.).

Все необходимое количество воздуха (частью по техническим соображениям безопасности работы) не следует направлять в виде одного потока по всем штрекам и ко всем забоям. Несравненно лучше в копях, содержащих рудничный газ, главный поток воздуха разделить на большое число второстепенных потоков, тщательно изолированных друг от друга. При этом условии, если какой-либо из второстепенных потоков будет представлять некоторую опасность, другие остаются неповрежденными и дают рабочим надежное убежище.

Наибольшее число рабочих, принужденных пользоваться одним второстепенным потоком, не должно превосходить 100 человек. Качество воздуха в каждом из таких второстепенных потоков должно быть сходно с качеством воздуха общего потока, выходящего из рудника. По этой причине отнюдь не следует допускать во второстепенных потоках порчи воздуха, которая превышала бы дозволенные пределы.

Для достижения упомянутой цели необходимы постоянные наблюдения и испытания как общего выходящего из рудника воздушного потока, так и каждого второстепенного потока.

По этой причине для каждого рудника обязательно производить анализ вытекающего воздуха через известные промежутки времени, которые определяются Горным Управлением. Другое непременное условие состоит в том, чтобы для каждого рудника постоянно находилось в распоряжении необходимое количество воздуха, которым было бы возможно распоряжаться по усмотрению. Этому условию вполне удовлетворяют механические приспособления для проветривания, т. е. вентиляторы.

Менее пригодны для выполнения упомянутого условия вентиляционные печи, так как весьма трудно изменять действие их по производительности. Сверх того, открытый огонь в руднике всегда вызывает некоторые опасения. По этой причине вентиляционные печи можно устраивать только в копях с малым или средним содержанием рудничного газа; сверх того, надо строго наблюдать, чтобы воздух, необходимый для горения, доставлялся прямо с поверхности земли и чтобы пламя печей никогда не приходило в соприкосновение со струей выходящего из рудника воздуха. Независимо от этого, в случае внезапного изменения условий проветривания (например, вследствие взрыва и проч.), необходимо, чтобы рабочие, управляющие печью, могли беспрепятственно приостановить ее действие.

Еще менее вентиляционных печей можно рекомендовать для проветривания рудника пользование дымовыми трубами от топок паровых котлов, нагревание струи выходящего воздуха паром и тому подобные средства, ибо при применении таких способов проветривания не представляется никакой возможности регулировать поток воздуха. По этой причине подобные средства могут быть применены только в исключительных случаях, и то с особого разрешения Горного Управления.

На каждой шахте, проветриваемой вентиляторами, должны находиться запасные вентиляторы, которые могли бы быть приведены в действие немедленно в случае остановки главного вентилятора (например, при его ремонте). Если запасного вентилятора не имеется, то необходимо, в случае остановки действующего вентилятора, сделать немедленное распоряжение о прекращении в руднике всех работ и о выводе рабочих на дневную поверхность. Чтобы все эти меры могли быть приведены в исполнение во всякое время, необходимо иметь постоянное наблюдение и контролировать работу каждого вентилятора. Лучшим средством для этого служит применение контрольных аппаратов, каковы: прибор для измерения давлений воздуха и числа оборотов вентилятора, аппарат для отсечки пара, дающий возможность сообщить двигателю надлежащее число оборотов, и прочее. По этой причине не следует устанавливать ни одного вентилятора, не снабженного подобными аппаратами.

Объем воздуха, который должен доставлять избранный для данного рудника вентилятор, определяется длиной пути воздушного тока и поперечным сечением выработок. Различаются рудники узкие, средней ширины и широкие. В общем, можно рекомендовать для широких рудников большие вентиляторы, делающие небольшое число оборотов, а для рудников узких — вентиляторы малого диаметра и с большой скоростью вращения.

В узких рудниках вообще бывает трудно установить сильный ток воздуха. Если последний оказывается к тому же недостаточным, и если нельзя сократить производительность рудника, то необходимо увеличить поперечное сечение штреков или уменьшить длину пути воздушного тока.

По этой причине при устройстве нового рудника следует всегда давать шахтам, квершлагам и всем необходимым для проветривания штрекам с самого начала такое поперечное сечение, которое могло бы быть достаточным и при иных требованиях. Поток входящего в рудник воздуха должен быть тщательно изолирован от выходящего потока, а потому все устройства для управления проветриванием, как то: воздушные перегородки, двери, затворы и проч., должны всегда отворяться в сторону движения воздуха; сверх того, особые лица, наблюдающие за проветриванием, должны ежедневно, особенно после праздников, удостоверяться в их исправности и хорошем действии всех подобных устройств. Вообще, поток входящего в рудник воздуха должен прямо проходить на самый нижний горизонт; здесь он разделяется на второстепенные токи, каждый из которых, постепенно поднимаясь кверху, входит во все попутные выработки, пока не достигнет самого верхнего штрека, предназначенного для отвода воздуха, откуда последний поступает уже в вентиляционный ствол.

Непосредственное проветривание некоторых частей рудника опускающимся потоком воздуха может быть допускаемо только в исключительных случаях и при условии, если поток воздуха обладает достаточной силой. Наоборот, такой путь можно предоставить струе воздуха, дальнейшее пользование которой не имеет места, если только приняты все необходимые меры для изолирования штрека, предназначенного для отвода воздуха, от прочих частей рудника.

Воздушные двери, предназначенные для управления главными воздушными потоками и их направления, должны быть двойными, причем одна дверь должна находиться в таком расстоянии от другой, чтобы при проходе через них та или другая всегда была закрыта.

Если при известном распределении воздушного потока некоторые части рудника не будут хорошо проветриваться, то в них следует немедленно приостановить работы.

Все выработки, не находящиеся в пределах воздушного потока, равно как все выработанные пространства и т. п., не должны посещаться рабочими. Их следует тщательно оградить, а еще лучше сделать доступ в них, при помощи закладки, невозможным.

Если ограждаются разрабатываемые части рудника, то необходимо оставлять в кровле самого верхнего штрека (предназначенного для отвода воздуха) отверстие, которое могло бы служить для выхода газов. Поперечное сечение этого отверстия должно быть таково, чтобы его можно было закрывать из действующих выработок.

Из всех выработок, которые приближаются к огражденным описанным способом старым работам, необходимо проводить предварительно буровые скважины. Сверх того, необходимо иметь при разработке каждого рудника точный его план, а также особые карты, на которых был бы обозначен путь главного воздушного потока и всех его подразделений, начиная с того момента, когда воздух входит в рудник, вплоть до выхода его из рудника.

Объем и скорость каждого воздушного потока в руднике, равно как показания барометра на поверхности земли, должны быть наблюдаемы постоянно, причем необходимо вести правильные записи относительно результатов всех подобных наблюдений.

В случае внезапного выделения газов или быстрого падения барометра необходимо немедленно увеличить объем поступающего в рудник воздуха, особенно если опасаются образования смеси газов, превышающей определенную пропорцию, и если замечают, что проветривание действующих выработок становится неудовлетворительным.

Если опасные смеси рудничного газа и воздуха обнаружатся в какой-нибудь выработке, то последняя должна быть немедленно оставлена рабочими, которым следует направиться в ближайший главный штрек, где они будут находиться уже вне опасности. Эти рабочие должны сообщить о случившемся встречным рабочим и находящимся в соседних выработках, а затем немедленно донести обо всем штейгеру или другому начальствующему лицу. Если штейгера поблизости не окажется, а выделение газов станет обнаруживаться и в соседних выработках, тогда все рабочие, находящиеся в опасной части рудника, должны немедленно бросить работу, направиться к подъемной шахте и выйти через последнюю на дневную поверхность.

Вообще, при разработке каменноугольных копей необходимо наблюдать самым строгим образом за проветриванием и употребить все необходимые меры, чтобы оно всегда производилось правильно.

Отнюдь не следует делать каких-либо изменений в системе проветривания без разрешения на то со стороны заведующего рудником; если же кто-либо заметит некоторое изменение в условиях проветривания, то должен немедленно донести об этом, чтобы сейчас же можно было сделать надлежащие исправления.

Лица, стоящие во главе управления рудником, обязаны доносить Горному Управлению о всяком взрыве рудничного газа, если бы таковой даже и не повлек за собой несчастья с людьми; они должны указать также на предполагаемые причины взрыва, равно как сообщить о других обстоятельствах, могущих служить к разъяснению истинных причин несчастия, присовокупив к этому исчисление расходов, вызванных взрывом, по ремонту рудника.

Способ освещения рудника имеет самое важное значение в борьбе с теми опасностями, которые представляет рудничный газ.

Статистика несчастных случаев в рудниках Австро-Венгрии показывает, что при 178 взрывах, имевших место в течение 33 лет, с 1857 по 1889 г., 49% из них были обязаны употреблению открытых ламп. Это обстоятельство заставляет ограничить употребление открытых ламп и полностью перейти на безопасные закрытые лампы.

Таковы первые идеи газового режима, легшие в основу всех последующих мероприятий во всех странах. Интересно отметить, что установленные в XIX в. правила газового режима оказались верными и действуют (с небольшими изменениями, касающимися применения современной техники) до сих пор. При этом главным в проветривании стало разжижение взрывоопасных газов и пыли до безопасных концентраций. Естественно, что при такой парадигме любое последовательное, повторное или рециркуляционное проветривание забоев категорически запрещалось.

В дальнейшем из-за того, что угольных шахт было намного больше, чем рудников, идеи и концепции проветривания сети горных выработок и тупиковых забоев угольных шахт стали казаться «абсолютной истиной» и начали доминировать и на негазовых шахтах и рудниках.

Эта парадигма, сформированная практикой непрерывного и автономного проветривания, а также разбавления (разжижения, рассеивания) вредных и опасных примесей, сменила парадигму древности, основанную на «вытеснении» вредностей, и господствует по настоящий момент.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.39. В забое выемочного штрека копи «Жонес № 2» Луньевских каменноугольных копей. Пермская губерния, начало XX в.

Необходимость в поисках и добыче руды была всегда, а потому в Древней Руси, где не было гор, ее рудознатцы фокусировались на изыскании железных руд на болотах Европейской равнины. С приходом Московского княжества на горный Урал русские начинают вести и традиционные горные промыслы. Время их начала связывают с царствием Михаила Федоровича Романова.

Особенно быстро Урал развивается как важнейший горнозаводской регион с XVIII в., когда добыча руд стала основой промышленного потенциала и определила специфику местной экономики. В становлении российского горного дела заметную роль сыграло Горное ведомство в лице Приказа Рудокопных дел (с 1700 г.), неоднократно менявшее название (например, на Рудный приказ), а затем, с 1719 г., его наследница — Берг-коллегия.

Поиски руд и их добыча вели к созданию ям и копей, которые нужно было проветривать. В XVIII в. особых трудностей в организации проветривания рудников на Урале не было, т. к. рудники фактически были небольшими «закопушками» и естественной вентиляции хватало.

Из дневников И. Гмелина «Путешествие в Сибирь…»:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.40. В забое шахты «Элим» Луньевских каменноугольных копей, Пермская губерния, конец XIX — начало XX в.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.41. Николаевский наклонный ход на Ламашерском руднике Кувинского завода, конец XIX — начало XX в.

Об отсутствии особых проблем с вентиляцией в шахтах того времени можно также судить по работе соратника Петра Великого Георга-Вильгельма де Геннина «Описание Уральских и Сибирских заводов». Из нее следует, что основными и очень серьезными проблемами, с которыми сталкивались во время добычи руды рудокопы того времени, были крепление горных выработок и водоотлив. Известно, что вентиляция тогда обеспечивалась за счет естественной тяги, так как

Освещение же производилось с помощью светильного сала и фитиля [Геннин 1937: 303].

Постепенно рудники стали углубляться, но технические возможности вентиляции были весьма ограничены. Движение воздушных масс в шахтах происходило в основном под действием естественной тяги — разности плотностей холодного и теплого воздуха, или за счет энергии ветра, а средствами интенсификации вентиляции были меха, костры и печи, подогревавшие воздух, в результате чего усиливалось его естественное движение. Недостаточные возможности вентиляции ограничивали и развитие горных работ.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.42. Вид на штольни «Елизавета», «Елена», «Николай» Княжеской каменноугольной копи пермского имения княгини Е. Х. Абамелек-Лазаревой, 1880-е гг. Свердловский областной краеведческий музей им. О. Е. Клера

Сознательное использование естественной тяги, давно уже освоенное для общественных зданий России, для рудника в целом состояло в строительстве на выходе воздуха из рудника относительно высокой (в два-три этажа жилого дома) печи, естественная тяга в которой при сгорании дров вызывала неизбежное «эжектирование» движения рудничного воздуха через шахту. Заметим, что такой способ явился прообразом классического «всасывающего» способа проветривания шахт и рудников с помощью вентиляторов главной вентиляционной установки на вентиляционных стволах (на поверхности либо под землей).

У вышеописанного способа побуждения проветривания естественной тягой была масса достоинств и один крупный недостаток — воздух для горения в печи зачастую брали из исходящей струи. Для металлических и каменно-соляных рудников, а они доминировали на заре горного дела в России, это не приводило ни к каким негативным последствиям, но при добыче каменного угля, сопровождавшейся выделением значительного количества взрывоопасного метана, применять их нужно было с осторожностью.

Примером использования печей такого типа служат Княгинянские копи князя Абамелек-Лазарева. На начало XX в. из ведомостей копей нам известно, что на одной из шахт есть подземная печь, при ней «дымовая труба кирпичная круглая высотой 40 метров, диаметр отверстия вверху 1 метр, на круглом кирпичном цоколе высотой 6 метров» . А в другой шахте печь имела такие характеристики:

« …дымовая труба кирпичная высотой 17 саженей. Диаметр отверстия вверху 0,72 сажени. На четырехгранном цоколе высотой 4 сажени. Ширина стороны 2,8 сажени».

Однако вскоре выявились новые проблемы: высокая концентрация взрывоопасных газов в воздушном потоке, проходящем через печь, нередко приводила к взрыву и разрушению печи. Глухие же забои Джона Баддла были, видимо, неизвестны в России.

Ликвидировать этот недостаток могли только механические вентиляторы. Установка на шахтах механических вентиляторов позволила на значительный период снять ограничения на расширение масштабов горных работ по фактору вентиляции. Однако появление в шахтах выделений горючих и ядовитых газов потребовало дальнейшей интенсификации вентиляции.

Случаи вспышек и взрывов метана в шахтах известны горнякам с XVI в., в России впервые такой случай имел место в 1878 г. на угольной шахте в Донбассе, а на уральских, на копи «София», — в 1886—1887 гг. в Кизеловском бассейне [Левин, Зайцев 2018: 59].

Так как в XIX в. для освещения в шахтах использовались обычные свечи, случались частые взрывы метана или возгорания. Такие случаи встречались на рудниках Кувинского завода, например «был случай, когда передовая горизонтальная скважина, для определения толщины целика и для выпуска воды, была закончена, воды не оказалось, но от зажженной спички газ воспламенился и потек по штреку в виде огненной волны. Был и второй случай в разносе, затопленном водой. Штейгер, пробив лед, и не обнаружив под ним воды, посмотрел в прорубь при зажженной спичке, как неожиданно воспламенившимся газом ему опалило бороду» .

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.43. Работы в забое на Княжеских копях Кизеловского угольного бассейна, начало XX в.

Поскольку вспышки и взрывы рудничного газа происходили от открытого огня средств освещения, то горящая свеча или масляная лампа использовалась для «опробывания воздуха». Если она гасла, то, как мы сейчас знаем, кислорода было мало, а если происходила вспышка — метана было слишком много! Для уменьшения количества взрывов и смертельных случаев была введена обязательная «Проба воздуха горением ламп или свечей, при возобновлении работ после праздников и других простоев» .

Изобретение английским ученым Гемфри Дэви в 1815 г. знаменитой взрывобезопасной «лампы Дэви» решило проблему безопасного освещения, но не решило проблему защиты от взрыва печей для естественной тяги!

В целом на Урале типичные рудничные работы вели с помощью множества небольших и неглубоких шурфов и подкопов, коими производились выработки тех скоплений руды, что лежали близко к поверхности. Это позволяло задействовать сразу много крестьян на разработках, не тратить средства на правильную разработку шахт — строительство горных выработок, их креплений, геологические исследования. По сообщению в Горном журнале за 1860 г. инженера Антипова, такие малые разработки производились в основном в зимнее время, когда обвалы пород сдерживались обледенением, и забрасывались сразу по наступлению серьезного притока воды или при усложнении дыхания в шурфе:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.44. Кувинский чугуноплавильный завод, конец XIX в.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.45. Вид производственного участка Кувинского завода, 1900-е гг.

Хорошее представление о характере проветривания более крупных рудников Урала в середине ХIХ в. дает отчет горного инженера Я. Нестеровского, помещенный в Горном журнале в 1863 г.:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.46. Водоотливная машина на Шаринском руднике Кувинского завода, конец XIX в.

Здесь интересно отметить, что именно в 1863 г. мы встречаем первое упоминание применения в уральских рудниках механизма для циркуляции воздуха. Я. Нестеровский сообщает об успешно проведенном эксперименте по внедрению вентилятора для освежения воздуха:

Также для поддержания чистоты воздуха в шахтах специальные заведующие должны были обращать внимание

Помимо относительно редких угольных шахт, на Урале имелось много рудников — велась добыча медных, марганцевых, хромистых и железных руд [ГАПК. Ф. 611. Оп. 1. Д. 127. Л. 2]. Для естественного проветривания на них также использовались вентиляционные печи. Например, в 1916 г. на Кисовском медном руднике Соймановской долины отмечается печь, при ней «труба при шахте Ольга, дымовая, железная на 1/3 футерованная», на кирпичном основании с железными укосинами [ГАПК. Ф. 611. Оп. 1. Д. 483. Л. 4]. Упоминались еще две трубы на руднике высотой от 27 до 40 метров.

К концу XIX в. все более массово внедрялись более сложные механизмы для улучшения вентиляционных систем. Проветривание шахт эволюционировало от естественного и печного — к внедрению первых механизмов. В этот период специально производились устойчивые к воспламенению вентиляторы для предотвращения взрывов метана и пожаров и печи [Khalilov 2023: 101−115]. Такие вентиляторы имели механический привод и варьировались от огромных паровых устройств с поршнем и цилиндром до элементарных центробежных вентиляторов.

Например, и те и другие применялись на рудниках при Кувинском заводе. Помимо естественной вентиляции выработок, с помощью труб в скважинах, использовалась также искусственная через центробежные ручные вентиляторы, вентиляционные печи и вентиляторы с конным приводом [Кувинский завод 2025: 117].

Можно привести пример использования вентиляторов и на других рудных шахтах Урала. Из ведомости оценки электрических установок Тагильского медного рудника за 1910 г. узнаем, что на шахтах имелось электричество для освещения выработок, откачки воды в высокогорском руднике, движения рудоподъемных механизмов, а также от него работал электрический «вытяжной вентилятор, приводимый в действие мотором». Он вытягивал до 150 кубометров воздуха [ГАПК. Ф. 611. Оп. 1. Д. 69. Л. 15]. Кроме того, из сообщения в Горном журнале за 1910 г. узнаем, что на Березовских золотых рудниках Васильевская шахта Трехсвятительского рудника тоже оказалась оборудована вентилятором, установленным на отдушнике рудника и приводимым в движение электромотором [Федоров 1910: 73].

Помимо вентиляторов использовали компрессоры. Например, в ведомостях оценки Ежовского колчеданного рудника на 1910 г. среди оборудования упоминаются компрессор на пять баллонов с резервуаром для воздуха и четырьмя воздухоприводами. Для их работы использовалась электроэнергия — в ведомости отмечены динамо-машина, локомобиль, два паровых котла с насосами, распределительный щит [ГАПК. Ф. 611. Оп. 1. Д. 436. Л. 9]. Также в архивных документах зафиксировано применение подобных механизмов на Кисовских медных рудниках в 1910 г., где использовался «компрессор приводный на 120 сил», находящийся в здании силовой станции и рудоподъемной машины [ГАПК. Ф. 611. Оп. 1. Д. 483]. К 1917 г. были введены компрессоры и в медных шахтах Кыштымских рудников [ГАПК. Ф. 611. Оп. 2. Д. 36. Л. 103].

Интересен рассказ Д. И. Менделеева, приведенный в работе «Уральская железная промышленность в 1899 году», о пожарах в кизеловских копях:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.47. Коногон в шахте Луньевских каменноугольных копей, конец XIX — начало XX в.

Кизеловские угольные копи представляют один из интереснейших примеров постепенной эволюции шахтной вентиляции на Урале. О них оставлено наибольшее количество сообщений, так как угольные шахты вообще отличались взрывоопасностью, вследствие чего за состоянием воздуха там велось более пристальное наблюдение.

Как мы знаем из материалов Горного журнала, борьба с пожарами производилась при помощи выстраивания каменных перегородок и консервации задымленной части выработок. Интересно, как описываются причины пожара в 1882 г.: «…копи эти, до перехода их в ведение Уральского Горнозаводского Товарищества, разрабатывались по весьма нерациональному методу, с оставлением столбов. Последние, разрушаясь под давлением вышележащих пород, превращались в пыль, которая представляла собой материал, вполне удобный для самовозгорания под влиянием сырого воздуха. Ниже названных копей, в одинаковых с ними пластах, Товариществом заложен новый рудник, носящий название Григорьевскаго, с годовой производительностью в 300 тысяч пудов. Между ним и старыми копями существовало соединение через одну из галерей, вследствие чего удушливые газы, развившиеся в прежних выработках, проникли и в новые, так что явилась необходимость приостановить на десять дней работы и в Григорьевском руднике. В настоящее время добыча угля из новых копей достигла уже своей нормы; устроены временные и возводятся постоянные каменныя преграды с целью изолирования Григорьевского рудника от работ, занятых пожаром» .

В другом номере Горного журнала находим описание устройства вентиляции на угольных шахтах в принципе:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.48. Откатчик в основном штреке копи «Жонес № 2» на Луньевских каменноугольных копях, начало XX в.

Далее отмечались следующие подробности:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.49. Бремсберг на Луньевских каменноугольных копях, 1879 г. Фото П. И. Сюзёва Бремсберг — устройство для подъема грузов по наклонной плоскости

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.50. Штольня «Варвара» на Луньевских каменноугольных копях, 1879 г. Фото П. И. Сюзёва

Пожары в Кизеловских шахтах приводили к большим жертвам. В Горном журнале встречаем подробный разбор попыток борьбы за вентиляцию шахт, эксперименты с индивидуальными респираторами, применяемыми для спасения задыхающихся людей. В 1906 г. сообщалось о гибели от удушливых газов во время испытания респираторных аппаратов в задымленных шахтах горного инженера Доткевича, управителя копей, и его помощника, смотрителя Коршуновской копи штейгера Власовских. Причина опытов — недавняя на тот момент гибель 12 рабочих от удушья. Этот случай особенно интересен тем, что являлся одним из первых фактов использования респираторов и портативных индивидуальных дыхательных аппаратов на уральских рудниках.

Сообщалось: «…в начале апреля 1904 г. сделан был запрос в Киль фирме „Бремен и К“» о шланговых аппаратах, а в августе того же года сделан заказ на два таких аппарата с принадлежностями и на 4 электрических фонаря. К сожалению, вследствие войны, аппараты были в пути около 3 месяцев и прибыли в Кизел после пожара, возникшего в ночь с 28 на 29 октября 1904 г. в Княжеской копи. Это ужасное несчастие, при котором погибло 12 человек рабочих и два штейгера, вызвало у администрации копей желание по возможности скорее запастись спасательными аппаратами для входа в работы, заполненныя удушливыми газами… Обширные каменноугольные разработки в районе Кизеловского округа, почти ежегодно увеличивающияся открытием новых копей, вызвали необходимость организовать в этом округе спасательные артели, могущея подать помощь погибающим в испорченном и непригодном для дыхания воздухе. Уже шесть лет тому назад, когда на Христофоровском железном руднике Кизеловскаго округа задохся в шурфе рабочий и с ним другой, спустившийся его спасать, обсуждался вопрос о приобретении приборов для дыхания; но, к сожалению, не только тогда, но даже до прошлого года аппараты эти только изобретались. Существовали, правда, тогда: респираторы, пригодные, может быть, при пожарах на поверхности, шланговые аппараты, подобные водолазным, ограничивавшие шлангой расстояние, на которое могла быть подана помощь, и, наконец, так называемые, пнейматофоры. Последние аппараты, к которым относятся аппараты Вальхер-Гертнера, преемников Нейперта и Гирсберга, в сущности различаются только в деталях; главные же недостатки их одни и те же: все эти аппараты тяжелы, крайне стесняют движения, а главное имеют резервуар, в котором находится кислород под давлением от 100 до 150 атмосфер и который должен каждый раз проверяться и дополняться кислородом перед применением аппарата для спасения погибающих, причем заполнение это весьма опасно и может, при незначительном недосмотре за прокладками, повлечь за собой загорание их и разрывы бутылей» .

Помимо респираторов, в Княгинянских копях близ Кизела стали все больше применять технические средства вентиляции. Из ведомости оценки электрических установок Княгинянской копи за 1910 г. известно, что в шахтах использовался «электрический вентилятор „Шилле“ с электромотором „Вольта“ на 500 вольт, 3 ампера, 2,5 силы, 2800 оборотов, 50 периодов, 1 штука… и вентилятор (эксгаустер) с диаметром крыльев 15, диаметром приемной и вытяжной трубы 6. Число оборотов 2800» .

В Горном журнале за 1915 г. также сообщалось об этих угольных копях:

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.51. Штольня «Григорий» на Луньевских каменноугольных копях, 1875 г. Фото П. И. Сюзёва

Отмечалось, что для вентиляции был заказан еще один вентилятор в 125 сил с переменной депрессией 25, 40 и 90 мм при помощи перемены шкивов .

Развитие вентиляции на Урале было обусловлено углублением горизонтов угледобычи, увеличением объема угледобычи с сопутствующим риском взрывов метана, а также ростом внимания к условиям труда. Таким образом, вентиляция трансформировалась из второстепенной технической задачи в одну из самых важных для последующего расширения подземных горных работ.

Уральский опыт послужил важным стимулом в фор мировании норм безопасного ведения горных работ. Установка вентиляционных печей, применение вентиляторов конструкции Саблукова, а позднее электрических эксгаустеров сопровождалось разработкой детальных правил проветривания, что свидетельствует о становлении научного подхода к проветриванию шахт.

Этот накопленный практический опыт и анализ аварий заложили основы для последующего развития рудничной аэрологии как науки о рудничной атмосфере и рудничном проветривании.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.52. Казанский ход Сергиевского рудника Ужбурского рудничного района Кувинского завода. Конец XIX — начало XX в. Слева готовится пожог руд, справа виден отвал пустой породы; перед входом рассматривают план заведующий районом (справа), штейгер (слева), маркшейдер (в центре); в центре фото — жена и дочь заведующего районом

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.53. Шаринский рудник Кувинского чугуноплавильного завода. Конец XIX — начало XX в. В правой половине фото — шахта с рудничным барабанным конным подъемом. Влево — готовящиеся пожоги. В левом нижнем углу фото — продольная распиловка крепи (толстые бревна)

Исключительная важность горного дела в жизни общества неизбежно с развитием горной промышленности потребовала единообразия регулирования деятельности государственных органов и частных лиц в этой сфере экономики и жизни общества. И, конечно, в центре внимания находились не вопросы вентиляции, а упорядочение разведки недр, прав собственности на месторождения, эффективное их освоение. Для этого нужен был государственный горный надзор. И он был создан.

Первоначально предметом этого надзора на протяжении почти двух веков было соблюдение права собственности на недра и связанных с этим правом мероприятий, а также порядок уплаты горной подати и обязательной поставки добываемых золота и серебра в государеву казну. Позднее были разработаны технические правила безопасной разработки месторождений полезных ископаемых. В этих нормативных документах появились и правила безопасности, касающиеся проветривания подземных рудников и шахт.

Началом государственного регулирования горного дела признано считать Приказ Рудных дел. Чуть позже на его смену Петр I своим Указом от 10 декабря 1719 г. учредил Берг-коллегию с целью обеспечить развитие горного дела в России, а также руководство и надзор за горнозаводской промышленностью. С этого времени началось формирование Российской горной администрации с ее собственными местными органами, которые управляли казенными заводами. До этого «рудосыскные», как и все другие «дела по горной части», находились в ведении местных властей, которые осуществляли надзор за частновладельческими предприятиями [Матвейчук 2014].

С самого начала своей деятельности Российская горная администрация, представлявшая государство как инициатора развития горного дела и одновременно крупнейшего горнозаводчика, столкнулась не только с проблемами недропользования, налогообложения, безопасности ведения горных работ, но и с организацией жизни горнорабочих, приписанных к тому или иному заводу, включая медицинское и социальное обеспечение лиц, потерявших трудоспособность и/или получивших увечья на производстве.

Согласно проекту преобразования местного горного управления и в связи с увеличением объемов горных работ в 1804 г. территория Российской империи была поделена на пять горных округов — административных районов, в пределах которых концентрировались горные предприятия и во главе которых стояли берг-инспекторы [Инструкция… 1882]. В соответствии с Горным положением, утвержденным в 1806 г., первый горный округ с правлением в Перми включал в себя горные районы «хребта Уральского», второй с правлением в Москве — «замосковные» [История горного и промышленного надзора в России…].

На горных начальников Уральского хребта (так назывался горный округ) был возложен надзор за работами на частных рудниках и заводах.

Подчеркнем, что выдающийся вклад в организацию горного надзора внес знаменитый русский историк, горный инженер, администратор и продолжатель петровских реформ В. Н. Татищев. Еще в 1734 г. он подготовил Горный устав и Наказ шахт мейстеру (руководство по надзору за частновладельческими предприятиями), которые хотя и не были утверждены в столице, действовали практически на Урале вплоть до XIX в. и были узаконены лишь 7 января 1818 г.

Развитие горной, особенно угольной, промышленности во второй половине XIX в. в России привело к развитию горного законодательства, которое стало включать специальные разделы о порядке производства горных работ. Совершенствование этих разделов законодательства императорской России завершилось в 1915 г. изданием

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.54. Василий Никитич Татищев (1686—1750)

Правил ведения горных работ в видах их безопасности. Во введении к этим правилам была изложена история развития горного законодательства России, которой мы и будем следовать.

Законом 13 мая 1880 г. в России были установлены основные правила о порядке производства горнопромышленных работ. Правила эти были обязательны для горных промыслов на всех землях, за исключением казачьих. О предполагаемом начале, возобновлении или прекращении горных работ, о предвидимой при разработке опасности или о происшедшем уже несчастном случае горнопромышленники обязаны были уведомлять членов местного горного управления, а также представлять планы предположенных работ и указывать лицо, ответственное за ведение разработки. Работы должны производиться так, чтобы они не представляли опасности для жизни и здоровья рабочих и соседних жителей, равно для строений и другого имущества их, для путей сообщения, для источников минеральных вод, равно как и тех, которые необходимы для снабжения водою населенных мест.

Затем была принята обширная инструкция от 2 июля 1888 г. по надзору за производством горных работ вместе с инструкцией от 24 июня 1888 г. по производству маркшейдерских работ (т. е. по надзору за ведением плана разработки). Инструкция от 2 июля 1888 г. была пополнена правилами от 16 января 1892 г. для производства работ на золотых промыслах, которые впервые были подвергнуты правильному техническому надзору в видах их безопасности [О правилах для производства горных работ… 1892].

Эти Инструкции содержали в себе наставления о креплении выработок, о закладке выработанных пространств пустою породой, о сигналах, о выходах из рудников, о спуске и подъеме рабочих и материалов, об употреблении взрывчатых веществ, паровых котлов и машин, об ограждении людей и животных от падения, о предотвращении пожаров и вредного воздействия скопляющихся в рудниках газов и воды, о вентиляции и т. п. Горнопромышленник, не исполнивший в определенный ему срок указаний должностных лиц о мероприятиях к исправлению недостатков горных работ, привлекался к судебной ответственности. Если двукратное, по приговору судебного места, наложение наказания не побудило горнопромышленника к исполнению предписанных мер, то последние приводятся в исполнение на его счет местным горным управлением, которое, под свою ответственность, может это сделать и до привлечения виновного к суду. Если для обеспечения безопасности необходима была окончательная или временная остановка горных работ, то об этом составлялся на месте письменный акт в присутствии горнопромышленника и двух свидетелей.

Законом от 9 марта 1892 г. была учреждена особая горнозаводская инспекция, состоящая из окружных инспекторов и их помощников и вновь учрежденных при местных горных управлениях «присутствий по горнозаводским делам». Так безопасность ведения горных работ стала предметом специального, организованно оформившегося горного надзора. Именно эти присутствия по горнозаводским делам были объединены в 1899 г. с присутствиями по фабричным делам в единый орган.

В соответствии с законом от 7 июня 1899 г. издание обязательных постановлений по охране жизни и здоровья работающих стало исключительным правом Главного по фабричным и горнозаводским делам присутствия. И хотя это не открывало возможностей для организации эффективного надзора за безопасностью труда, тем не менее закон от 7 июня 1899 г. явился важной вехой в развитии надзора. В нем была впервые определена и отнесена к компетенции надзорных органов одна из основных составных задач надзора — создание подзаконных нормативных документов. Обязанностью Главного присутствия стало издание «инструкций и правил по всем предметам надзора, издание общих правил по охране жизни, здоровья и нравственности рабочих». Отсюда естественно вытекала и вторая задача: контроль за выполнением требований указанных документов.

Что касается правил проветривания, то еще в 1893 г. был принят Горный устав и впервые в Российской империи на государственном уровне были зафиксированы требования к проветриванию подземных работ.

Статья 401 прямо дозволяла горнопромышленнику выходить за пределы своего отвода для создания вспомогательных устройств, «необходимых для проведения воздуха в рудник» [Устав горный 1893: 70].

Статья 718 того же раздела предписывала Министерству государственных имуществ разработать обязательную для всех инструкцию, которая давала бы «точные наставления о предотвращении вредного действия скопляющихся в рудниках газов» . Таким образом, к 1890-м гг. организация проветривания шахт и рудников становится обязательной деятельностью, регулируемой государством. Теперь правила организации проветривания включаются в обязательном порядке во все правила безопасности ведения подземных горных работ.

С течением времени правила эти, в зависимости от несовершенства их и развития горной техники, изменялись и дополнялись, отчего объем их постепенно увеличивался. Однако частично изменяемые и дополняемые основные правила не могли всецело, а главное систематично, охватить все меры предупреждения несчастных случаев при горных работах, в особенности в подземных каменноугольных копях с гремучим газом или угольной пылью.

Вследствие этого в 1902 г. по инициативе Горного Ученого Комитета была образована при сем Комитете особая Комиссия, которой и был поручен пересмотр действовавших тогда правил. Руководствуясь отзывами чинов горного надзора и существовавшими в Западной Европе аналогичными правилами, Комиссия выработала проект новых правил. После обсуждения этого проекта горнопромышленниками и переработки в 1907 г. министром торговли и промышленности были утверждены новые правила безопасности, состоявшие из 477 параграфов, причем объем этих правил по сравнению с правилами первого издания увеличился вчетверо.

Вслед за этим, отчасти ввиду появления новых способов борьбы с рудничными взрывами, отчасти по другим причинам, произошел полный пересмотр рудничных правил безопасности в Бельгии, Франции и Германии, давший новый и весьма интересный материал. Это обстоятельство, в связи с существенным развитием работ в южнорусских рудниках, привело Горный Департамент к необходимости пересмотра правил 1907 г., результатом какового пересмотра, произведенного прежним вышеуказанным порядком, было издание в 1911 г. новых утвержденных в сентябре 1911 г. правил [Правила для ведения горных работ… 1911].

После нескольких массовых несчастных случаев в 1912 г. была организована специальная Комиссия для осмотра газовых рудников Донецкого бассейна, в свою очередь давшая обильный материал для дополнения и изменения некоторых параграфов правил 1911 г., в особенности в отношении мер безопасности для борьбы со взрывами гремучего газа и угольной пылью. Рассмотрев, совместно с представителями горнопромышленников, указанный материал, названная выше Комиссия при Горном Ученом Комитете выработала проект изменений и дополнений этих параграфов правил, каковой проект, по заключению Комитета, и был утвержден в 1914 г.

Еще до утверждения первого варианта этих правил в 1888 г., были составлены и изданы в 1887 г. временные правила об употреблении взрывчатых материалов при горных работах, которые также подвергались постепенному изменению и дополнению.

Наконец, со значительным распространением новых в то время электротехнических сооружений в горном и горнозаводском деле, возник вопрос о выработке соответствующих правил безопасности, каковые были разработаны и изданы. Таким образом, Горным ведомством был создан целый ряд разнообразных правил безопасности и инструкций для ведения горных и заводских работ.

Для удобного пользования этими правилами они были разбиты на три части: в первой — правила для ведения горных работ на рудниках, копях, каменоломнях, золотых, платиновых и нефтяных промыслах, во второй — правила для электротехнических сооружений на предприятиях, подчиненных горному надзору, в третьей — правила для ведения заводских работ и устройства паровых котлов.

Правила безопасности 1915 года императорской России были составлены достаточно хорошо и явились (с небольшими изменениями) основой для создания Правил безопасности Советской России [Правила безопасности… 1925].

Рудознатцы всегда существовали на Руси. Но бурное строительство медеплавильных, железоделательных, оружейных заводов при Петре I потребовало специалистов горного дела. Первыми такими специалистами стали иностранные мастера. Во время зарубежного «Великого посольства» (1697−1698) Петр I активно подыскивал специалистов по горному делу. В итоге в Россию прибыли несколько саксонских горных мастеров и металлургов, из которых наибольшую известность получил впоследствии бергмейстер И. Ф. Блиер.

Иоганн Фридрих Блиер прибыл в Россию в 1699 г., где возглавил группу горных и плавильных мастеров в структуре формирующегося Рудного приказа [Курлаев 2006: 145−149]. Конечно, несколько мастеров не могли полностью удовлетворить все возрастающие потребности России в специалистах. Поэтому Петр I требовал от каждого выезжающего из страны дипломата или купца искать специалистов, готовых поехать в Россию. Однако такие специалисты ценились и в своих странах, а правительства многих стран были не заинтересованы в развитии России. Так, например, король Швеции Фредерик I в 1720-е гг. издал специальный указ, запрещающий выезд шведских специалистов в Россию [Прудинская 2004]. Единственным решением возникшей проблемы было создание собственных учебных заведений, готовящих квалифицированных мастеров и служащих горного дела.

Первые горнозаводские школы возникают на Олонецких (Петрозаводских) и Уральских заводах. Отсчет горнозаводского образования на Урале ведется с 6 декабря 1709 г., когда в Невьянске по указанию Никиты Демидова была открыта Невьяновская «цифирная школа». Основание школы имело прямую государственную волю: еще в 1702 г. Петр I в «Памяти», адресованной Демидову, предписывал

Важной особенностью этой школы стало то, что она была одним из первых учебных заведений в России, где разрешалось учиться детям крепостных рабочих.

В 1740 г. Акинфий Демидов открыл филиал невьянской школы в Нижнем Тагиле, а в 1758 г. Никита Акинфиевич Демидов полностью перевел цифирную школу из Невьянска в Нижний Тагил, где она объединилась с местной арифметической школой. Здесь 30−40 крепостных мальчиков изучали грамоту, арифметику, геометрию, черчение, копирование планов и «практические основы горнозаводского искусства».

5 июня 1806 г. по приказу Николая Никитича Демидова школа была преобразована в Выйское заводское четырехклассное училище — самое престижное горнозаводское учебное заведение на Урале и в Зауралье. Целью ставилось «образовать для должностей по заводам хороших служащих».

Учебный процесс был организован по закрытому типу: ученики неотлучно проживали в училище шесть дней в неделю, их отпускали домой только на воскресенье и праздники. Шел жесткий отсев — Демидов не желал тратить деньги на «двоечников и лентяев».

В 1860—1862 гг. это училище было преобразовано в Нижнетагильское реальное училище с правами уездного, в 1896 г. — в горнозаводское училище с четырехлетним обучением и годичной практикой.

Оно стала образцом для создания других училищ в демидовском округе: Висимо-Уткинского (1834), Нижне-Салдинского и Черноисточинского (1836), Верхне-Салдинского (1837).

Большая роль в организации горнозаводских школ на Урале принадлежит соратнику Петра I, капитану артиллерии В. Н. Татищеву. В 1720 г. Берг-коллегия послала на Урал целую команду специалистов под руководством капитана артиллерии Василия Никитича Татищева. Главная задача для этой команды была сформулирована так: «В Сибирской губернии на Кунгуре и в прочих местех, где обыщутся удобные разные места, построить заводы и из руд серебро и медь плавить, и для того туда ехать с берг-мейстером Блиэром, да с ними берг-шрейберу Ивану Потрушеву, да с Олонца штейгеру Гавриле Шейнфельду и с нем двум человекам русским ученикам» . Почти сразу по прибытии на Урал В. Н. Татищев в наказе заводскому комиссару Т. Бурцеву от 27 февраля 1721 г. излагает план организации словесных школ при Уктусском, Алапаевском заводах и приписных к ним слободах. Этот план Василий Никитич обосновывал острой потребностью в грамотных людях для налаживания заводского делопроизводства:

Наказом предусматривалось активное использование школьников для помощи подьячим в Горном начальстве, которое тогда находилось в Уктусе:

Летом 1721 г. были открыты арифметические школы на Уктусском заводе и в г. Кунгуре, в них собраны обученные на дому грамоте дети церковнослужителей, подьячих и мастеровых . Эти школы давали лишь начальное образование, что в условиях бурного развития промышленности было недостаточно. Настоятельно требовались специалисты более высокого уровня для руководства и развития горного дела.

В это же время в Европе также начитает развиваться специальное горное образование. В 1716 г. в Чехии открывается первое горное училище в Западной Европе, в 1735 г. — горная школа в Словакии, преобразованная в 1770 г. в академию, в 1765 г. во Фрайберге (Саксония) создается горная академия [Копылов 2013: 474]. Фрайбергская горная академия долгие годы была единственным высшим учебным заведением в Саксонии, сыграла огромную роль в подготовке горных инженеров разных стран, включая Россию, приобрела всемирную славу и известность.

Большие потребности России в высококвалифицированных кадрах также рождают идеи о создании высшего горного училища. Этим идеям способствовала культурно-образовательная политика Елизаветы Петровны, начавшаяся указом от 1744 г. «О необходимости дальнейшего развития начального образования» и продолжившаяся созданием Морского кадетского корпуса в 1752 г., Московского государственного университета в 1755 г., Пажеского кадетского корпуса в 1759 г. и т. д..

В 1766 г., уже в царствование Екатерины II, Иоганн Готлиб Леман подготовил записку, которую назвал «Патриотические мысли о том, какую пользу развитию горного дела может оказать учреждение Горного кадетского корпуса».

И. Г. Леман, известный немецкий минералог, опытный горняк-специалист, член Берлинской академии наук, в 1761 г. прибыл в Россию по приглашению Российской академии наук. На основании контракта, заключенного с Академией наук, И. Г. Леман должен был принять участие в подготовке минералогов, геологов и горняков в России, а также составить популярную минералогию, которая тогда включала основы геологии и горного дела [Геологи Ленинградского… 1974: 14]. И. Г. Леман в своей записке предлагал создать учебное заведение для подготовки специалистов Горного ведомства. По примеру существовавших тогда в России учебных заведений для подготовки дворянской молодежи к государственной и военной службе он рекомендовал назвать учебное заведение Горным кадетским корпусом. Обосновывая необходимость такого учебного заведения, И. Г. Леман писал, что недостаток опытных горных специалистов в России может быть преодолен двумя путями. Первый — приглашать специалистов из-за рубежа. Но их мало и за границей, и там они

Да к тому же при отъезде или смерти иностранного специалиста проблемы с кадрами тут же появятся вновь. Самый лучший способ решения кадровых проблем Леман видел в создании собственных учебных заведений. Причем, по мысли Лемана, это должны быть не горные школы, которые уже были, а кадетский корпус, куда бы принимали уже подготовленных учеников, то есть имевших определенное образование. Это образование должно было дать возможность преподавать кадетам «высшие науки, которые читаются в университетах» [Геологи Ленинградского… 1974: 16].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.55. Иоганн Готлиб Леман

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.56. Исмагил Тасимов

К сожалению, записка Лемана, написанная на восьми листах готическим шрифтом, далее фондов Академии наук никуда не пошла.

В это же время, в 1771 г., пермские рудопромышленники во главе с жителем с. Кояново Исмагилом Тасимовым подали «челобитную» в Берг-коллегию о поставке руды на Юговские медеплавильные заводы и передаче им казенных рудников в содержание. В этой же «челобитной» Тасимов с компаньонами просили открыть школу для горных специалистов:

При этом Тасимов и его компаньоны предлагали отчислять «из получаемой ими цены с каждого пуда руды по полушке на содержание этого учебного заведения». Берг-коллегия, признав предложения пермяков своевременными и важными, направила «челобитную» в Сенат. Сенат же, в свою очередь, подготовил доклад императрице Екатерине II, которая признала предложение

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.57. Бюст Исмагила Тасимова во дворе Горного института УрО РАН

Поэтому Михаил Федорович Соймонов, в 1771 г. назначенный на пост президента Берг-коллегии, подготовил проект «Плана по учреждению при Берг-коллегии Горного училища». В этом плане М. Ф. Соймонов предложил назвать новое учреждение Горным кадетским корпусом, но Сенат отклонил это предложение, так как в этом учебном заведении должны были учиться не только дворяне, а и разночинцы, и решил назвать его Горным училищем, а учащихся — горными студентами. По мнению Соймонова, в училище должны поступать ученики возрастом не менее 16 лет и уже должны знать несколько языков (латинский, немецкий, французский), основы арифметики и геометрии, а также «начальные основания химии». По окончании училища студентам должно присваиваться звание шихтмейстера, а «непонятливым» — звание унтер-шихтмейстера. В училище должны были преподаваться следующие дисциплины: арифметика, алгебра, геометрия, маркшейдерское искусство, минералогия (которая тогда включала и горное дело), химия, архитектура и гидравлика, механика, физика, французский, немецкий и латинский языки. Соймонов предлагал учить 50 человек за счет государства и 100 «своекоштных», т. е. обучающихся за плату.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.58. Михаил Федорович Соймонов

Указом от 21 октября 1773 г. императрица Екатерина II объявила об учреждении в Санкт-Петербурге Горного училища. Первые ученики были набраны из студентов недавно созданного Московского университета (19 человек) и учеников пробирной школы (4 человека) [Геологи Ленинградского… 1974: 18]. Также для первого набора Соймонов отобрал пятерых учащихся Екатеринбургской горной школы.

В итоге, когда 28 июня 1774 г. училище было открыто, учиться в нем начали 24 студента на казенном содержании, 8 человек на своем содержании и 7 человек «приватно учащихся» [Рудник, Афанасьева, Самыловская 2023: 811−812].

Директором училища был назначен М. Ф. Соймонов, который начал методично воплощать свои идеи в жизнь. Первыми преподавателями стали Иван Михайлович (Ганс Михаэль) Ренованц, выпускник Фрайбергской горной академии, читавший минералогию, горное и маркшейдерское искусство; химию и металлургию читал член-корреспондент Академии наук А. М. Карамышев, физику — академик Л. Ю. Крафт [Геологи Ленинградского… 1974: 24].

Разместилось Горное училище на Васильевском острове, первоначально в двух каменных домах на углу 22-й линии и набережной Невы.

К открытию училища М. Ф. Соймоновым был подготовлен Устав, в котором подробно описывались все преподаваемые предметы и их значение для будущих специалистов. Все обучение было разделено на семь классов: математический, маркшейдерский, химический, механический, минералогический, физический и класс рисования. В механическом классе ученики изучали гидравлику, пневматику, аэрометрию или аэростатику. Под аэрометрией понималось «объяснение воздушных и водяных машин в рудниках употребляемых», а изучение пневматики должно было способствовать тому, чтобы «учащиеся по вступлении в действительную службу, потребные машины для перемены в шахтах воздуха, и при плавильных заводах разного рода меха, а в рудниках насосы, с пользой употреблять могли» .

Для практических работ во дворе училища под руководством И. М. Ренованца был оборудован учебный рудник, представлявший из себя насыпную гору с шахтой. В насыпной горе были пройдены горные выработки, в кровлю которых вмонтированы рудные жилы — «штуфы тех пород, какие где нужны, дабы студенты, слушая лекции по минералогии, вошед в сии горы, могли яснее видеть свойства тех жил со штуфами и их бергорты» . В этом учебном руднике учащиеся знакомились с типами различных выработок, способом крепления, механизации, подъема и вентиляции [Геологи Ленинградского… 1974: 26].

В дальнейшем учебный рудник был улучшен и расширен. По описанию Д. Соколова [Соколов Д. 1830], рудник занимал около 1000 квадратных саженей (более 2000 кв. метров), высоту имел до трех саженей (6,4 м). Общая длина всех подземных ходов составляла 110 саженей (236,83 м). Рудник имел две штольни и четыре шахты длиной до семи саженей (14,94 м). Пласты и жилы в шахтах были сделаны из алебастра и камней и покрашены разными цветами в соответствии с цветом руды. В руднике была пробита вертикальная шахта

На поверхности учебного рудника был разбит «сад в английском вкусе» [Соколов Д. 1830: 155−161]. Учебный рудник стал не только важным средством обучения, но и городской достопримечательностью.

В это же время был создан минеральный кабинет, переросший в дальнейшем в минералогический музей. Для минерального кабинета покупались коллекции минералов у частных лиц. В 1778 г. училищу была подарена коллекция минералов шведским королем Густавом III, который годом ранее был в Санкт-Петербурге и посещал училище [Соколов Д. 1830: 110]. Затем в 1798 г. у гиттенфервалтера Е. И. Мечникова, занимавшегося поиском месторождений полезных ископаемых, была куплена уникальная коллекция, содержащая редкие и ценные штуфы (более 500). В составе коллекции Мечникова были образцы из разных регионов России — золото из Березовского месторождения, олонецких и колыванских рудников, аквамарин, слюда, витерит из Нерчинска, «окаменелые дерева из Перми» и т. д. [Геологи Ленинградского… 1974: 27].

В 1775 г. в училище открылась собственная типография. Это было важным событием, потому что библиотека училища стала пополняться учебными пособиями, научной литературой. Типография со временем стала популярной в Петербурге, в ней печатались также книги светского и духовного содержания. В качестве внеклассных занятий студентам рекомендовалось заниматься переводами трудов, относящихся к горной специальности. Хорошие переводы печатались за счет училища, а полученная при продаже издания прибыль поступала автору перевода [Прудинская 2004]. Так, например, студент М. Курдыман перевел книгу «Опыт рудословной системы Кронштадта», а студент Волков — «Введение в горное познание земного шара» авторства Цеплихаля.

Первый выпуск горных инженеров состоялся в 1776 г. Хотя курс в училище был рассчитан на четыре года, некоторые студенты показали такие успехи, что решено было выпустить их через два года. Большинство из досрочно выпущенных студентов отправились за границу — в Германию и Венгрию — продолжать образование [Лоранский 1873: 26].

В 1776 г. для расширения круга студентов разрешено было принимать в Горное училище молодых людей, не получивших подготовительного образования. Для их подготовки при училище открываются гимназические классы, а через несколько лет прием студентов был прекращен, принимали только малолетних учеников, которые, пройдя курс гимназии, переходили в студенчество [Лоранский 1873: 28].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.59. Горное училище, институт, университет в Санкт-Петербурге

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.60. Андрей Федорович Дерябин (1770−1820)

XIX век начался для училища с больших преобразований. В 1802 г. были образованы министерства; Берг-коллегия стала подчиняться Министерству финансов. Вице-президент Берг-коллегии граф А. А. Мусин-Пушкин подготовил проект преобразований Горного училища. Затем проект был доработан специальным комитетом и представлен императору Александру I. 19 января 1804 г. был утвержден новый Устав, который переименовывал Горное училище в Горный кадетский корпус. Согласно новому уставу младшие воспитанники корпуса назывались кадетами, а старшие — унтер-офицерами. Старшие воспитанники приносили присягу и считались на государственной службе. Существенно расширялся круг преподаваемых дисциплин. Вводились новые дисциплины — ботаника, зоология, архитектура, высший анализ, начала астрономии и употребление секстанта. Кроме того, воспитанников обязательно учили музыке, танцам и фехтованию. Это было сделано для того, чтобы горные инженеры, работавшие и жившие вдалеке от столиц, могли нести культуру в места своего жительства, да и сами были культурными людьми.

Для окончивших курс вводилось правило оставаться на год в Санкт-Петербурге для знакомства с лабораториями и заводами. Затем выпускники на два года шли практикантами на рудники и заводы по всей стране, и только после этого получали офицерское звание. Новый устав возобновлял отправку наиболее отличившихся учеников за границу для продолжения образования. Также вводилась обязательная отработка на заводах и рудниках: для учившихся за счет государства — 10 лет, за свой счет — 5 лет [Лоранский 1873: 37−40]. По уставу, в корпусе числилось 60 воспитанников, но уже к 1810 г. количество обучающихся выросло до 218 человек, и среди них 131 обучающийся получали образование за свой счет, были так называемыми своекоштными пансионерами [Рудник, Афанасьев, Самыловская 2023: 812].

В 1806 г. Горный кадетский корпус, располагавшийся в нескольких зданиях, решено было перестроить. Проект нового здания составил профессор А. Н. Воронихин (строитель Казанского собора). В итоге в 1810 г. был выстроен новый корпус, ставший, по определению А. Лоранского, «одним из лучших в Петербурге» [Лоранский 1873: 44].

При руководстве Горным кадетским корпусом Андрея Федоровича Дерябина в 1811—1817 гг. в образовательную программу были добавлены поэзия, мифология, латинский язык, астрономия, горное право и бухгалтерия [Соколов Д. 1830: 36].

Высокий уровень преподавания общеобразовательных предметов в Горном корпусе сказывался на развитии отечественной культуры. В его общеобразовательных классах учились видные деятели русской литературы (поэт Н. М. Языков, писатель А. А. Бестужев-Марлинский) и искусства (актеры В. А. Каратыгин, И. В. Орлов, В. В. Самойлов и др.) [Прудинская 2004]. Несомненно, этому способствовала широта образования. «Для развития вкуса к изящному» в корпусе преподавали музыку, пение, устраивали театральные представления. Причем кадеты так хорошо играли, что театральные постановки в Горном кадетском корпусе ценились среди жителей Санкт-Петербурга [Лоранский 1873: 66].

При Дерябине был организован объединенный музей («музеум»), куда влились кабинеты минеральный, физический и моделей. Заведующим музеем был назначен Д. И. Соколов. Профиль музея теперь расширился. Музей должен был давать иллюстративный материал по самым различным предметам: физике, горному делу, геогнозии, машиноведению. В музее были представлены модели рудников, пильных и промывальных мельниц и другого горнозаводского оборудования [Геологи Ленинградского… 1974: 31].

В январе 1817 г. А. Ф. Дерябина в должности директора Департамента горных и соляных дел и одновременно — директора Горного кадетского корпуса сменил обер-берггауптман 4 класса Евграф Ильич Мечников (1770—1836). Он в 1791 г. окончил Горное училище вторым по выпуску. Как один из лучших выпускников, был оставлен при училище. В 1792—1797 гг. преподавал в Горном училище геогнозию, ориктогнозию, минералогию, маркшейдерское искусство. Затем по распоряжению Берг-коллегии в составе Оренбургской рудопоисковой партии производил геологические разведки на Южном Урале, где открыл месторождение рудного золота, носящее его имя.

В годы директорства Е. И. Мечникова в жизни горного корпуса произошли многие позитивные изменения. По распоряжению императора учебное заведение получило те же права, которые уже имели Московский и Петербургский университеты, а число воспитанников составило более 400 человек.

В 1832 г. в число предметов, преподаваемых в Горном кадетском корпусе, была введена горнозаводская архитектура. Преподавать этот предмет пригласили пермяка Ивана Ивановича Свиязева. Иван Иванович преподавал в этом учебном заведении до 1838 г. [Архитекторы и архитектурные памятники… 2003: 113]. В 1833 г. Свиязев издал «Руководство к архитектуре, составленное для студентов Горного Института».

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.61. Евграф Ильич Мечников (1770—1836)

В 1833 г. на короткое время Горный кадетский корпус был переименован в Горный институт. Учащиеся стали называться студентами, военный уклад был отменен. Но уже в начале 1834 г. императором Николаем I Горный институт был преобразован в военно-учебное заведение и стал называться Институтом корпуса горных инженеров. Воспитанники четырех классов (позднее — пяти) были названы кадетами, двух следующих — кондукторами, а двух высших — офицерами (прапорщиками и подпоручиками). Всего, кроме занятий искусством, воспитанники изучали 25 предметов. Добавились военные дисциплины. Значительная часть времени отводилась маршировке, подготовке к разводам и парадам, большое внимание уделялось военной выправке [Прудинская 2004]. В старших классах предполагалась специализация учащихся.

В 1836 г. старший класс был поделен на горный и заводской. В горном классе преподавали горную механику, горное искусство, архитектуру, геогнозию, практическую геогнозию, черчение, немецкий и французский языки. А в заводском — химию, металлургию, черчение, французский и немецкий языки. Подобное разделение оказалось неудобным, и в 1837 г., по приказанию графа Канкрина, деление было прекращено. По уставу 1834 г. лица, окончившие Институт корпуса горных инженеров (1834−1866), выпускались уже горными инженерами и, в зависимости от успехов в учебе, в чине поручика и подпоручика. Учащимся, показавшим слабые знания, полагался только гражданский чин XIII класса [Рудник, Афанасьев, Самыловская 2023: 812]. В 1848 г. был принят новый устав, согласно которому окончившие полный курс наук в Институте корпуса горных инженеров по тем же критериям выпускались инженер-поручиками, подпоручиками, прапорщиками и, в худшем случае, губернскими секретарями или коллежскими регистраторами. Всего за 33 года из стен Института корпуса горных инженеров вышло 447 специалистов, большинство из них в офицерском чине и только 14 — в гражданских [Лоранский 1873: 103−104]. Эти цифры, несомненно, говорят о высоком качестве образования в институте.

Тем не менее во время увлечения военным направлением в образовании наблюдался серьезный отток учащихся. Так, по уставу 1834 г. в Институте корпуса горных инженеров должно было обучаться 320 человек, в действительности же, например, в 1849 г. обучалось всего 226 воспитанников [Рудник, Афанасьев, Самыловская 2023: 812]. Военная организация института, при которой значительная часть времени тратилась на военное обучение, парады и т. п., не могла отразиться благоприятно на институте: уровень познаний понизился, уменьшилось и число учащихся. Назначенный в 1844 г. на должность Заведующего институтом герцог Лейхтенбергский пытался улучшить ситуацию; он правильно понял, что главная причина такого положения института заключается в его военизации. Но все реформы, предложенные герцогом Лейхтенбергским, были отвергнуты и организация института была оставлена военной. Однако все недостатки военной организации сказались так скоро, что уже через три года была образована комиссия под председательством герцога Лейхтенбергского для выяснения необходимых реформ.

Выработка нового положения была закончена лишь в 1862 г., и основные принципы его были одобрены Александром II. Однако положение это было проведено в жизнь только в 1866 г., одновременно с новым университетским уставом [Ленинградский горный институт… 1926: 8]. По новому уставу, учебное заведение получало название «Горный институт» и становилось открытым для всех гражданским высшим образовательным учреждением, «имеющим целью образование сведущих горных инженеров» [Лоранский 1873: 136]. Срок обучения определялся в пять лет, первые три года преподавались общие для горного дела дисциплины, а на четвертом и пятом курсах вводилось разделение на разряды — горный и заводской. В учебном плане имелись следующие дисциплины: высшая математика, аналитическая механика, прикладная механика, горная механика, строительное искусство, начертательная геометрия, черчение, ботаника, зоология, физика, минералогия, кристаллография, геология, геогнозия, палеонтология, общая химия, аналитическая химия, горное искусство, геодезия, пробирное искусство, металлургия, галлургия, политическая экономия, статистика, законоведение, богословие, французский, немецкий и английский языки; из последних был обязателен лишь один [Ленинградский горный институт… 1926: 89].

В свободное от теоретической учебы время студенты отправлялись на практику — осматривать горные заводы, рудники, проводить минералогические, палеонтологические, геогностические наблюдения и маркшейдерские и гео дезические съемки и нивелировки [Лоранский 1873: 140].

Учились студенты по разным учебникам. Мы бы выделили два важных для изучения горного дела и проветривания учебника, первых по своей тематике в России после труда И. А. Шлаттера.

Первый — Курс горного искусства, написанный горным инженером, капитаном Алексеем Ивановичем Узатисом (1814−1875).

Второй — Курс проветривания рудников, написанный выпускником Горного института, ординарным профессором Екатеринославского высшего горного училища Михаилом Михайловичем Протодьяконовым (1874−1930). Этот широко используемый учебник был лучшим до появления учебника Комарова и Борисова «Рудничная вентиляция».

Февральская и последовавшая вскоре за ней Октябрьская революции 1917 года вызвали полную перестройку всего Горного института. «Временный устав», принятый в 1918 г., предусматривал участие студенческих представителей в органах управления, сначала в количестве 1/3, а вскоре и 1/2 от количества преподавателей. В 1921 г. был открыт Рабочий факультет. Декретом 1918 г. уничтожены всякие ученые степени (магистра, адъюнкта, доктора), а все преподающие в высшей школе разделены на профессоров и преподавателей, исключительно в зависимости от возложенных на них обязанностей. Институт был разделен на три факультета — геолого-разведочный, горный и горно-заводской. В начале 1919 г. был создан еще один факультет — горно-механический [Ленинградский горный институт… 1926: 43−44].

С 1920 г. начинается постепенное оживление и возрождение учебной жизни Горного института. Выпуск 1920/21 г. составил уже 27 человек, выпуск 1921/22 — 38, 1922/23 — 36 человек [Рудник, Афанасьев, Самыловская 2023: 813].

В 1924 г. Петроградский горный институт был переименован в Ленинградский горный институт. В период индустриализации (конец 1920-х — 1930-е гг.) стране потребовались десятки тысяч инженеров. Постановления Пленумов ЦК ВКП (б), ЦИК и СНК СССР конца 1920-х — первой половины 1930-х гг. были нацелены на коренную перестройку высшей школы. Далеко не все реформы были удачными. Для Ленинградского горного института «смутное время» наступило 31 мая 1930 г., когда он был реорганизован в Ленинградское высшее геолого-разведочное училище, в состав которого входил также Ленинградский геологоразведочный техникум.

Череда реорганизаций закончилась 27 декабря 1931 г., когда оба учебных заведения были объединены с восстановлением прежнего названия — Ленинградский горный институт (ЛГИ).

За годы первых пятилеток в Ленинградском горном институте стремительно выросло число студентов. Если на 1 января 1925 г. в ЛГИ числилось 897 студентов, то в 1939 г. на трех факультетах (геолого-разведочном, горном и горно-металлургическом), готовивших инженеров по 10 специальностям, обучалось 1880 студентов [Рудник, Афанасьев, Самыловская 2023: 813−814].

В первые же дни Великой Отечественной вой ны большая часть студентов и преподавателей вступили в ряды Красной Армии. Из их числа были организованы истребительный отряд и два партизанских, действовавших в тылу врага на Ленинградском фронте. В институте были созданы оборонные курсы и школы медсестер, радистов, связистов. В здании института была организована специальная пошивочная мастерская, в которой производился пошив телогреек, брюк, курток и других теплых вещей для советских воинов. Профессор Горного института А. Н. Кузнецов изобрел новое взрывчатое вещество «Синал» на основе алюминиево-кремниевой смеси, которое широко использовалось во время Великой Отечественной войны (особенно на Ленинградском фронте). Была разработана технология его получения из сырья, имевшегося в блокадном городе.

В августе 1941 г. Горный институт был частично эвакуирован. На Балхаш была перевезена группа металлургов во главе с профессорами Н. П. Асеевым, Н. С. Грейвером и И. Н. Масленицким. Горный музей и библиотека были эвакуированы на Урал, в Свердловск, где хранились в Свердловском горном институте. В декабре 1941 г. группа ученых Горного института была эвакуирована на самолетах для участия в развитии угольных районов Урала, Казахстана и Сибири.

В марте 1942 г. был эвакуирован весь институт в г. Пятигорск. Начавшиеся в Пятигорске учебные занятия и участие в работе промышленных предприятий района были прерваны. 9 августа 1942 г. Пятигорск был занят немецкими войсками. Большая часть коллектива Горного института успела уйти из Пятигорска и через Махачкалу, Красноводск и Ташкент прибыла в Новосибирск. Из Новосибирска институт отправили в г. Черемхово Иркутской области.

Летом 1943 г. Горный институт организовал свой филиал в Ленинграде на базе Ленинградского политехнического института. Под руководством профессора П. Я. Сальдау был произведен прием студентов на геологоразведочный, горный и горно-электромеханический факультеты. Студенты занимались без отрыва от производства. Специальные дисциплины читали оставшиеся в Ленинграде профессора Горного института Н. И. Трушков, С. Е. Андреев и М. И. Акимов.

Летом 1944 г. Горный институт был реэвакуирован в Ленинград.

За выдающиеся заслуги в области подготовки кадров для горной промышленности по Указу Президиума Верховного Совета СССР от 24 июня 1944 г. Ленинградский горный институт был награжден орденом Ленина. Одновременно 40 человек из числа профессоров, преподавателей, рабочих и служащих были награждены орденами и медалями [Мокеев 2016: 19−28].

После войны главной задачей института было увеличение выпуска необходимых для народного хозяйства кадров и улучшение их подготовки.

Одним из учащихся, а затем и преподавателем в Горном институте был А. А. Скочинский, сыгравший огромную роль в становлении в России и в Советском Союзе научной школы рудничного проветривания.

Александр Александрович Скочинский родился 13 июля 1874 г. в с. Солянка Олекминского округа Якутской области Российской империи, где в ссылке жили его родители. С 1886 г. А. А. Скочинский учился в Красноярской мужской гимназии, особый интерес проявлял к точным наукам.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.62. Александр Александрович Скочинский (1874−1960)

В 1893 г. он окончил гимназию с золотой медалью, решил посвятить себя горному делу и переехал в Санкт-Петербург. Первоначально он поступил на физико-математический факультет университета, но уже через два года, в 1895 г., перевелся в Горный институт, где ему была назначена стипендия.

Уже в студенческие годы Скочинский проявил себя как талантливый исследователь. Учителями А. А. Скочинского стали крупнейшие специалисты того времени: профессор Николай Дмитриевич Коцовский, занимавшийся вопросами безопасности ведения горных работ, и сторонник организации горноспасательных станций Иван Августович Тиме.

Помимо теории студенты обязательно проходили практику. Практика часто носила исследовательский характер и была направлена на решение определенных проблем горного дела. Поэтому студент выпускного курса А. А. Скочинский в 1900 г. проходил преддипломную практику на Донбассе на Корсунских копях, где добывали уголь. Накануне практики А. А. Скочинского на одной из шахт Донбасса произошел взрыв газа, унесший жизнь 31 шахтера [Лидин 1969: 24]. Практикант Александр Скочинский замерял концентрацию газа в шахтах, составил таблицу содержания метана в рудничном воздухе, анализировал состояние проветривания шахт и пришел к выводу, что

В 1900 г. А. А. Скочинский с отличием оканчивает Горный институт и остается в нем для подготовки диссертации. Для изучения зарубежного опыта устройства шахтной вентиляции он командируется в Германию, Бельгию, Францию и Австро-Венгрию. По итогу командировки Александр Александрович пишет статьи и делает доклады о самых передовых на то время системах шахтой вентиляции.

В итоге в 1904 г. была написана и защищена диссертация по теме «Рудничный воздух и основной закон движения его по выработкам», где им были заложены основы рудничной аэродинамики. Этот труд стал отправной точкой, с которой в России берет начало новая наука — рудничная аэрология. А. А. Скочинский первым внедрил в России математику в рудничное проветривание. Центральное место в его расчетах занял «коэффициент альфа» — коэффициент сопротивления движению воздуха в выработках, который используется до сих пор в горном деле.

С 1905 г. А. А. Скочинский — профессор Горного института, читает лекции по рудничной вентиляции, горноспасательному делу и др. [Лидин 1969: 48]. После революции, с 1917 по 1920 г., А. А. Скочинский преподавал в Донском политехническом институте в Новочеркасске. Там от тифа скончались его первая супруга и дочь, потерю которых он тяжело переживал.

В 1920 г. А. А. Скочинский вернулся к преподаванию в Горном институте, продолжил исследования по рудничной аэродинамике и безопасности труда шахтеров [Лидин 1969: 77−78].

В 1930 г. А. А. Скочинский был переведен в Московский горный институт, где создал кафедру рудничной вентиляции и заложил основы преподавания вопросов вентиляции и безопасности шахт и рудников будущим горным инженерам. Здесь же был издан первый курс по рудничной атмосфере, который дважды переиздавался, в 1932 и 1934 гг., а позднее вошел составной частью в учебник «Рудничная вентиляция», написанный в соавторстве с профессором В. Б. Комаровым. За этот учебник авторам была присуждена Сталинская премия 1-й степени.

В 1935 г. А. А. Скочинский был избран действительным членом Академии наук СССР, а в 1939 г. возглавил созданный по его инициативе Институт горного дела АН СССР, которым руководил более 20 лет. Дважды, в 1950 и 1951 гг., удостаивался Сталинской премии, в 1954 г. ему присвоено звания Героя Социалистического Труда.

А. А. Скочинский стал основателем собственной научной школы, подготовил плеяду учеников, которые продолжили его дело по всей стране.

Если попытаться определить стержень научного наследия Александра Александровича Скочинского, то им, без сомнения, станет рудничная аэрология — созданная им научная дисциплина, изучающая физические и химические процессы в атмосфере шахт, законы движения воздуха, распространения газов, тепла и пыли в подземных выработках. До Скочинского проветривание рудников считалось скорее искусством, основанным на эмпирике и интуиции практиков. Он же превратил его в строгую науку, опирающуюся на фундаментальные законы физики и математический расчет.

Центральным элементом его расчетов проветривания стал «коэффициент альфа» (α) — коэффициент аэродинамического сопротивления горной выработки. До Скочинского этот коэффициент определялся весьма приблизительно, что приводило к ошибкам в проектировании вентиляции, а следовательно, к недостаточной подаче свежего воздуха в забои и накоплению вредных газов. Скочинский разработал методику и провел тысячи лабораторных и натурных экспериментов, чтобы определить точные значения «альфы» для выработок разного типа, с различной крепью, конфигурацией и состоянием поверхности. Составленные им и его учениками таблицы коэффициентов сопротивления стали настольной книгой для проектировщиков шахт и используются в своей основе до сих пор.

«Дайте нам хотя бы альфочку!» — эта любимая фраза Скочинского стала девизом его научной школы, символизируя стремление к точности и обоснованности в решении практических задач.

Александр Александрович был инициатором создания и научным руководителем Макеевского научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (ныне Государственный научный центр МакНИИ), который стал главной испытательной лабораторией для разработки мер борьбы с внезапными выбросами угля и газа, взрывами и пожарами. Совместно с С. З. Макаровым он провел пионерские «Исследования в области применения антипирогенов при борьбе с рудничными пожарами эндогенного происхождения» (1947), заложив основы современных методов тушения подземных пожаров с помощью инертных газов и ингибиторов.

Но главным достижением для А. А. Скочинского стала созданная им научная школа. Его ученики разнесли идеи и методы Скочинского по всем горнопромышленным регионам страны, создав единое научное пространство в области безопасности горных работ.

Владимир Борисович Комаров, один из первых учеников А. А. Скочинского, впоследствии известный ученый и педагог, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой рудничной вентиляции и техники безопасности Ленинградского горного института имени Г. В. Плеханова, родился 10 мая 1890 г. в г. Ревеле (ныне — Таллин).

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.63. Владимир Борисович Комаров (1890−1971)

Выбрав профессию, поступил на учебу в Горный институт в Петербурге, однако учебу прервала Первая мировая война. Мобилизованный в армию, он участвовал в боевых действиях. После демобилизации в 1918 г. в течение года работал в управлении Северной железной дороги и на строительстве Волховской ГЭС (Волховстрое), а затем служил в Красной Армии.

В 1920 г. Владимир Борисович восстановился в Ленинградском горном институте и в 1921 г. успешно его окончил, решив посвятить себя научно-педагогической деятельности. После окончания вуза он был оставлен научным сотрудником кафедры горного искусства, затем работал в должности младшего и старшего ассистента. Его становление как ученого проходило под руководством профессора ЛГИ А. А. Скочинского.

С 1925 по 1930 г. В. Б. Комаров работал ученым секретарем Научно-технического совета по горному делу ВСНХ СССР, что позволило ему глубоко вникнуть в практические проблемы отрасли. В 1930 г. был избран, а в 1933 г. утвержден в звании доцента (без защиты диссертации, по совокупности научных трудов) для чтения лекций по проходке выработок, вентиляции и освещению.

В 1937 г. Владимир Борисович организовал и возглавил новую кафедру рудничной вентиляции и техники безопасности (впоследствии кафедра рудничной вентиляции и охраны труда). В 1938 г. ему без защиты была присуждена ученая степень кандидата технических наук. В 1943 г., в тяжелейшие годы войны, находясь в эвакуации, он защитил докторскую диссертацию по специальности 05.00.00 (горное дело) на тему «Рудничная вентиляция», представленную в виде его одноименной монографии (1938), и был утвержден в звании профессора.

В. Б. Комаров разработал фундаментальные методы обследования шахтных вентиляционных сетей и вентиляторов главного проветривания. Под его руководством и при его личном участии были проведены комплексные исследования условий проветривания на десятках горных предприятий страны. Эти работы, выполненные в предвоенные, военные и послевоенные годы на шахтах Донбасса, Караганды, Урала, Воркуты, рудниках Кольского полуострова, Норильска и Северного Кавказа, вскрыли основные недостатки вентиляции и определили меры по их устранению. В частности, под его началом были созданы приборы высокой точности (например, депрессиометр КГ), разработаны инструкции по расчету проветривания, изучены особенности работы шахт в условиях многолетней мерзлоты [Медведев, Вепров 1960: 3−7].

Памятной страницей в истории горной науки является творческий и человеческий союз В. Б. Комарова с его учителем А. А. Скочинским. Сохранилась фотография, сделанная в сентябре 1935 г., на которой Владимир Борисович (третий справа) запечатлен вместе с А. А. Скочинским и сотрудниками Московского горного института перед устьем штольни, где они проводили исследования коэффициента аэродинамического сопротивления.

Результатом их многолетнего сотрудничества стал фундаментальный учебник «Рудничная вентиляция», изданный в 1949 г. (и переиздававшийся в 1951 и 1959 гг.). Этот труд, вобравший в себя передовые знания и практический опыт, был удостоен Сталинской премии 1-й степени (1951) и переведен на иностранные языки.

Владимир Борисович Комаров опубликовал около 100 научных работ. Помимо учебника, среди его ключевых трудов можно выделить «Вентиляцию рудников» (1933 г., под ред. А. А. Скочинского), «Методы обследования шахтных вентиляционных сетей и вентиляторов главного проветривания» (1956), а также ряд статей в «Записках Горного института», посвященных исследованию аэродинамического сопротивления, газовыделения и методам проветривания.

За огромные заслуги Владимир Борисович Комаров был удостоен звания Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, награжден двумя орденами Ленина, орденом Трудового Красного Знамени, медалями [Комаров (некролог): 47].

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.64. В. Б. Комаров, А. А. Скочинский и сотрудники Московского горного института, 1935 г.

Бессменно возглавляя кафедру с 1937 г., он и после оставления должности заведующего до конца жизни продолжал работать профессором кафедры. Скончался Владимир Борисович 8 октября 1971 г.

Научную школу В. Б. Комарова составляли его ученики, определившие развитие рудничной аэрологии и безопасности во второй половине XX в.

Одним из них, во многом определивших развитие рудничной аэрологии, был Павел Иванович Мустель (1910−1975), который окончил ЛГИ в 1937 г. Под руководством В. Б. Комарова П. И. Мустель начал заниматься определением коэффициентов аэродинамического сопротивления и исследованиями проветривания тупиковых выработок. В 1943 г. он стал кандидатом наук, в 1956-м — доктором наук.

П. И. Мустель был блестящим педагогом, заведовал кафедрой рудничной вентиляции и охраны труда с 1964 по 1975 г., а также занимал посты декана горного факультета (1957−1958) и ректора института (1958−1962).

Созданная П. И. Мустелем методика гидромоделирования широко применялась сотрудниками Пермского политехнического института в 60- 70-х гг. ХХ в. для исследования процессов проветривания в камерах. «Привез» в Пермь эту методику ученик В. Б. Комарова — Иннокентий Иннокентьевич Медведев (1929−1995), окончивший ЛГИ в 1951 г. и аспирантуру в 1955 г. у В. Б. Комарова.

Молодой кандидат технических наук, специалист по вентиляции, И. И. Медведев был направлен в Молотовский (Пермский) горный институт читать курсы «рудничная вентиляция» и «техника безопасности». В 1961 г. он возглавил вновь созданную кафедру промышленной вентиляции и техники безопасности (в дальнейшем — охраны труда и рудничной вентиляции) и стал основателем Пермской научной школы рудничной аэрологии.

Иллюстрация будет добавлена

Рис. 1.65. Павел Иванович Мустель (1910−1975)

В 1971 г. И. И. Медведев вернулся в ЛГИ и с 1972 по 1981 г. был проректором по научной работе, одновременно с 1976 г. заведуя кафедрой рудничной вентиляции и охраны труда, унаследовав ее от П. И. Мустеля [Подольский 2019].