1.10 Проветривание шахт и рудников Урала
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…»:
«Мы спускались не обыкновенной шахтой, коей привычно спускались рудокопы, а сошли вниз по хорошо сработанной лестнице. Хотя сходить глубже становилось все труднее, однако тому не сравниться с тягостью, кою испытывают в немецких рудниках. Горная порода не особливо твердая, но без удара ее вряд ли можно добыть. Руда ломается не в жилах, а только в гнездах…
Она добывается из черноватой с примесью квасцов земли… Так как руды залегают не столь глубоко, то и редко приходится строить рудники глубиной свыше 100 саженей. Поэтому не бывает никаких особенных бедствий от рудничного воздуха, а воды откачиваются насосами»
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.
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.
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.
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» .
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:
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.:
«…хотя в Пермском округе для освежения воздуха в больших рудниках пробивают шахты и шурфы, в малых же делают буровые скважины, но эти средства не всегда вполне достигают своей цели, потому что летом, когда температура атмосферного воздуха делается одинаковою с рудничною, течение воздуха в рудники ослабевает, свечи горят хуже и тяжело дышать. В это время обыкновенно употребляют мастеровых для рубки дров и выжега угля, и разрабатываются только те рудники, на которых устроены паровые или конные водоотливные машины. Недостаток хорошего воздуха особенно обнаруживается в передовых штольнях, которые отходят от шахт и шурфов иногда на 60 и более сажен, потому что ими ведут разведочные работы по благонадежным породам или рудным знакам, и как неизвестно какая будет благонадежность сих последних, то и не решаются пробивать на них шахты, стоящие, смотря по глубине рудника, от 200 до 300 рублей; также затрудняются делать шурфы, которые обходятся до 30 и 37 руб. серебром. При определении стоимости шахт и шурфов не приняты расходы на отлив воды потому, что прежде пробивки их, как для более верного назначения месте, так и для стока воды, лучше проходить буровые отверстия с поверхности земли к нижним работам, в том самом месте, где предполагают пробить шахту или шурф, и это буровое отверстие почти всегда обойдется дешевле отлива воды»
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. 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. 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. 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.
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. 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.
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. 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. 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:
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:
Далее отмечались следующие подробности:
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.
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:
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.
С. 28 (цитата).
С. 87.
С. 71 (цитата).
С. 303.
С. 59.
С. 134 (цитата).
С. 10 (цитата).
С. 43 (цитата).
С. 3 (цитата).
Примечание: В те годы ведро водки стоило 40 копеек; зарплата рабочего была 2 рубля в день; залоговая стоимость крепостного — 200 рублей.
С. 3 (цитата).
С. 5 (цитата).
С. 9 (цитата).
Л. 2.
Л. 4.
С. 101−115.
С. 117.
Л. 15.
С. 73.
Л. 9.
С. 399 (цитата).
С. 166 (цитата).
С. 47 (цитата).
С. 48 (цитата).
С. 84 (цитата).
С. 38 (цитата).