Первым и основным «производством» в истории человечества является «горное дело». Оно положило начало нашей технологической цивилизации и сделало нас Homo Sapiens (человеком разумным) много тысяч лет назад, когда наши предки перешли от собирательства к изготовлению орудий из камня – рубил, ножей, скребков, наконечников и другого инструмента для охоты и разделки добычи; использованию глины – для выделки посуды и строительства, каменной соли – для еды, металлических руд – для производства металлов: меди, золота, серебра, железа и их сплавов…
Вот уже более нескольких тысяч лет человек добывает полезные ископаемые в недрах Земли, в первую очередь в горах, отчего и пошли слова «горная выработка», «горное дело», «горное искусство», «горная наука», «горняк», «горнорабочий», «горные работы».
Подземные богатства были связаны с драгоценными камнями (природными минералами разной окраски) и горной породой, содержащей окислы металлов, в первую очередь золота и серебра, необходимых для чеканки монет и поддержания финансовой стабильности, а также изготовления украшений. При этом с глубокой древности шла добыча медных и оловянных руд, используемых для производства бронзы (сплава меди и олова). Добыча металлов привела к тому, что долгий каменный век сначала сменился бронзовым веком, а затем на смену бронзовому веку пришел длящийся и в наше время железный век.
Источником производства железа, помимо редких находок метеоритного железа, служили «озерное железо» и «болотное железо» – небольшие кусочки породы красно-бурого цвета, содержащие оксид железа – продукт взаимодействия кислых вод и микроорганизмов. Эти небольшие кусочки породы называли рудой по их цвету, поскольку слово «руда» в индоевропейских языках изначально означало «красный». Затем рудой стали называть любую иную горную породу, содержащую полезное ископаемое. От слова «руда» возникли слова «рудознатец» – т. е. человек, понимающий толк в рудах, и «рудник» – т. е. место добычи руды.
Основным местом для рудника была гора. Но в ряде случаев не углублялись в гору горизонтальной выработкой (штольней), а копали вертикальную выработку типа колодца (шурф) в глубь земли. От копания в глубь земли пошли термины «яма» (которая в чем-то противопоставлялась по смыслу «горе»), «копи» – еще один древний вариант названия рудника, «закопушка» – простейшая, обычно ямообразная горная выработка, которая служила для вскрытия коренных пород, залегающих непосредственно под растительным слоем, почвой и рыхлыми наносами, «рудокопы» – люди, которые все это копали, «рудари» – люди, занимающиеся рудным промыслом, «ископаемое» и «добыча» – результаты труда горняков-рудокопов.
В эпоху Петра I началось широкое заимствование технологий горного дела из соседней для России Германии, тогда мирового лидера в этой сфере деятельности. Именно здесь, в гористой Центральной Европе, еще в XIII–XV вв. на фоне развития добычи полезных ископаемых, а также совершенствования книгопечатания и издания первых книг по горному делу произошло осмысление и обобщение практического опыта, закрепленное системой терминов и понятий горного дела. Русские мастера, обучаясь новым технологиям горного дела, пришедшим из Германии, переносили в свою речь немецкие слова – термины горного дела. Вот почему одновременное наличие русского наименования с немецким заимствованием является характерной чертой терминологии горного дела, пришедшей к нам из петровских времен.
Например, немецкое слово Berg (гора) послужило для определения принадлежности к процессу горной добычи и определило названия ведомств и законодательных актов той эпохи – Берг-коллегия, Берг-привилегия, Берг-регламент и пр. Немецкое Schacht породило базовое для современного русскоязычного дискурса горняков понятие «шахта». Этим словом именовали и отдельный вертикальный ствол (например, шахта лифта), и весь рудник. Для вертикальной горной выработки, имеющей выход на поверхность, помимо слова «шахта» применяли слово «шурф» (Schurf). Разница в использовании этих слов состояла в том, что шурф били для поиска месторождений руды (ср. нем. schurfen – «вести разведочные работы»), а шахты строились для разработки этих месторождений. Поэтому шурф был, если так можно сказать, маленькой шахтой типа отдельного ствола (русский термин, аналогичный стволу дерева, от которого шли сучья – отдельные горные выработки).
Другими базовыми наименованиями горных выработок и сегодня нам служат адаптированные немецкие слова: гезенк (Gesenk) – восстающая горная выработка в пределах шахты; штольня (Stollen) – горная выработка, имеющая выход на поверхность; штрек (Strecke) – горизонтальная подземная горная выработка; бремсберг (Bremsberg) – наклонная горная выработка, не имеющая выхода на поверхность, предназначенная для транспортирования полезного ископаемого с верхних горизонтов на нижние; орт (Ort) – горизонтальная горная выработка, проводимая вкрест простирания пласта; квершлаг (Querschlag) – горизонтальная подземная горная выработка, пройденная по вмещающим породам вкрест простирания пласта; шпур (Spur) – искусственное углубление в твердой среде для размещения зарядов при взрывных работах, установки крепи и др. Как в свое время «гора» породила «горняков», как «копи» и копание «ям» породили «рудокопов», так и «шахта» породила «шахтеров»!
Соленым потом, здоровьем, а зачастую кровью и даже жизнью расплачивались рудокопы – горняки – шахтеры за поднятую из «ям» на-гора, т. е. на дневную поверхность, добытую руду. Затем из нее металлурги выплавляли необходимые для существования человеческого общества металлы.
Три проблемы всегда сопровождали горняков, рискнувших углубиться в «гору» или спуститься в «яму» за полезными ископаемыми: устойчивость горных выработок от обрушения; необходимость освещения горных работ; наличие воздуха, пригодного для дыхания горнорабочих и горения факелов, масляных ламп и технологических костров.
Основа основ ведения подземных горных работ – устойчивость выработок от обрушения – всегда опиралась на знание крепости пород, выбор формы свода выработки, оставление целиков и разнообразные виды крепи.
Проблема света решалась с помощью факелов и масляных ламп, но открытый огонь вызывал воспламенение и взрывы горючих газов. Изобретение безопасной лампы типа лампы Дэви, а затем и электрических светильников обеспечило безопасное и достаточное для зрения освещение.
Сложнее всего было с обеспечением безопасного ведения горных работ свежим воздухом, ибо изменчивость рудничной атмосферы в зависимости от природных и техногенных факторов огромна, а ее состав и движение обусловлены в первую очередь законами природы, а не пожеланиями человека.
Поскольку в древности не было понятия газообразного состояния и никто не знал, что такое воздух, хотя движение воздуха, его запах и рассеянную в нем пыль ощущали, то в практике проветривания опирались на опыт и традиции, на «естественное» движение воздуха.
Сегодня мы знаем, что человек при дыхании поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Горение также требует наличия кислорода, а при горении углеродных материалов (например, древесины) также выделяется углекислый газ. При содержании кислорода или углекислоты соответственно около 17% и 3% начинают гаснуть источники открытого огня. При большем недостаточном содержании кислорода (около 12%) или большом содержании углекислого газа (около 5%) наблюдается затрудненность дыхания. Древние рудокопы не знали этого, но сумели найти практический способ определения пригодности воздуха для дыхания, вошедший спустя века в первые правила безопасности: «В выработки, в которых не поддерживается свободное горение свечей и ламп, не должно опускать людей» (цит. по § 34 Правил безопасности 1888 г. [Правила… 1888]. См. также [Об Инструкции... 1888]).
Сегодня мы знаем газовый состав атмосферы, многие газовые и аэрозольные «добавки» к природной атмосфере, тепло и влажность, которые делают атмосферу в шахтах и рудниках рудничной атмосферой. Эти добавки были, есть и будут существовать, и наша задача – изучать рудничную атмосферу как непрерывно меняющуюся среду, создавать научные основы рудничного проветривания и управления его режимами.
Основным процессом проветривания подземных горных выработок является замена одного объема воздуха другим, желательно более свежим, более пригодным для использования. Рудничное проветривание не было и не является основным технологическим процессом добычи полезного ископаемого, оно по своей сути вспомогательный процесс для основных процессов добычи полезного ископаемого – отбойки руды и ее транспортировки на-гора, – но без проветривания были бы невозможны живой труд горняков, приводящий в движение все основные процессы горного производства, устойчивая и взрывобезопасная работа горных машин и оборудования.
В истории развития рудничного проветривания можно выделить несколько этапов. Первый этап, назовем его донаучным, простирается с глубокой древности до второй половины XVIII в. Достижения этого этапа обобщены и подытожены, достаточно хорошо описаны, но зачастую не объяснены в классических трудах Г. Агриколы, И. А. Шлаттера, М. В. Ломоносова.
Второй этап, по нашему мнению, начался с открытий газового состава воздуха, применения раздельного автономного проветривания рабочих зон и длился до второй половины XX в., когда появились первые компьютеры и сенсоры, что сделало решение задач детального управления качественным состоянием и движением рудничной атмосферы реальным.
В настоящее время рудничное проветривание и его научная основа – рудничная аэрология – переживают третий этап своего исторического развития, который состоит в автоматизации процессов контроля, а также цифровизации процессов прогноза и управления динамическим состоянием рудничной атмосферы.
Для этого нужно знать природу и механизмы тех процессов, которыми мы хотим управлять, развить адекватные этим природным процессам методы управления, совместимые с численными методами обработки цифровой информации в современных компьютерах. Так необходимость достижения наилучших практик рудничного проветривания переплелась с методами науки, изучающей процессы проветривания и свойства рудничной атмосферы.
Горная наука, как и всякая наука – социальное явление, часть жизни современного цивилизованного общества. Ею заняты люди, отдающие все свои помыслы и силы решению важнейших задач обеспечения средствами вентиляции безопасной и эффективной добычи полезных ископаемых.
Однако инерцию традиций и повседневной рутины реального управления проветриванием подземных горных выработок одним блестящим и единичным прорывом не преодолеть. Нужна целостная инновационная система научных исследований и разработок, технических инноваций и организационных мероприятий, построенная на основе современных науки, технологий и техники в духе строгой функциональности, рациональности и оптимальности.
Еще совсем недавно, в конце XIX в., горняки, которых все чаще стали называть шахтерами, радовались тому, что могли хоть как-то дышать в тесных штольнях и забоях. Техника и технологии ХХ века (особенно электричество) смогли обеспечить подачу в рудники такого количества воздуха, какого требовали нормы безопасности, причем намного больше, чем нужно для дыхания.
Но вот пришел XXI век с его компьютерами и средствами связи, с его сенсорами и датчиками, с его управляемыми «терминалами», с «интернетом вещей». Теперь стало возможным организовать не только подачу свежего воздуха в рудник, но и оперативное оптимальное управление распределением воздушных потоков по сети горных выработок, глобальное и локальное управление качеством и безопасностью рудничной атмосферы.
Реализация этих возможностей потребовала длительного и последовательного развития научных представлений, методов исследования, моделирования и управления рудничным проветриванием. Именно такую эволюцию научной мысли и ее практического воплощения можно проследить на примере Пермской научной школы рудничной аэрологии. Ее история раскрывается в этой книге через жизнь и творчество ученых – представителей этой научной школы, через описания их основных идей и достижений, исследований и разработок. Зародившееся около 70 лет назад конкретное направление научной мысли, неразрывно связанное с новыми исследованиями и с внедрением полученных новых решений в практику проветривания Верхнекамских калийных рудников, со временем сформировалось в то, что сегодня с полным основанием называется Пермской научной школой рудничной аэрологии.
Настоящая работа не преследует собой цели описать Пермскую научную школу рудничной аэрологии во всех ее возможностях и деталях. История ее становления и развития настолько разнообразна и всеобъемлюща, что такая задача не под силу даже большому коллективу авторов. Поэтому мы будем рассматривать только важнейшие аспекты и проблемы обеспечения нормальной для дыхания горнорабочих и взрывобезопасной для любых источников зажигания воздушной среды при ведении подземных горных работ.
Эта книга не энциклопедия, не справочник, а часть нашей истории, которая может стать примером для подражания для всех тех исследователей, кто занят процессами рудничного проветривания, и не только ими. Основное изложение идет на примерах жизни и творчества ученых, трудами которых сформировалась Пермская научная школа рудничной аэрологии.
Авторы благодарны всем, кто способствовал написанию этой книги, но особенно докторам технических наук А. Н. Земскову, А. В. Шалимову, А. Г. Исаевичу, К. А. Черному, А. В. Николаеву, озвучившим свои воспоминания, а также Н. Г. Третьяковой, М. А. Лисковой, М. Г. Шарову, Л. М. Веденеевой, Н. М. Белкину, оказавшим неоценимую помощь в установлении дат, имен и событий.
Авторы благодарны всем, кто на протяжении длительного времени оказывал им техническую поддержку в работе над этой книгой.