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. 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.

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.

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».

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.