Раздел 7. Техника индустриальной цивилизации
Горное дело
Добыча твердых полезных ископаемых
Развитие тяжелой промышленности предъявляло к горному делу новые требования. Резко увеличилась добыча твердых полезных ископаемых — каменного угля и руд. Д.И. Менделеев, посвятивший горно-металлургическому производству ряд исследований, писал в конце 80-х годов XIX в.: «Топливо, а особенно каменный уголь, в наше время составляют первейшее — после людей — условие всего промышленного развития всякой страны и всякой ее части...» Ученый считал, что громадные запасы каменного угля в нашей стране, которые «не развиты и еще мало кому в должной мере ясны», являются важной предпосылкой грядущего промышленного развитии России. 1
1 Менделеев Д. И. Проблемы экономического развития России. — М., 1960. С. 359.
В 70-х годах XIX в. выемка полезных ископаемых производилась по-прежнему вручную. Начиная с 1863 г., когда бурильная машина (перфоратор) была впервые применена на рудниках, было изобретено множество перфораторов самой разнообразной конструкции (например, ударные и вращательные). Дальнейшее совершенствование бурильных машин шло в направлении снабжения их гидравлическими и пневматическими приводами. В последнем случае сжатый воздух от компрессора подводился по трубам к забою и по шлангу подавался в отбойный инструмент.
Параллельно с созданием и совершенствованием бурильных машин с гидро- и пневмоприводами в конце 70-х годов XIX в. начали появляться бурильные машины с электроприводом. В 70-80-е годы создаются первые проходческие машины, представляющие собой врубовые машины, снабженные механической пилой.
В 1897 г. Георг Лейнер разработал портативный молотковый перфоратор — отбойный молоток, который стал широко применяться в рудниках и шахтах многих стран мира.
К концу XIX — началу XX в. относятся и первые проекты горнопроходческих комбайнов. В 1893 г. изобретатель А.К. Калери в России разработал проект машины под названием «Землерой». Она была предназначена для проходки тоннелей диаметром 25 м и добычи каменного угля и руды.
В 1907-1908 гг. мещанин из г. Усть-Ижора Ф.А. Поляков-Ковтунов получил шесть патентов, в том числе на проходческую машину для земляных работ («землестрогальную» машину) и элеватор-транспортер. Однако ни горнопромышленники, ни Горный департамент не оказали необходимой материальной помощи изобретателям. Разработки А.К. Калери и Ф.А. Полякова-Ковтунова не были реализованы.
В 1913 г. по проекту американского инженера И.О. Моргана стали выпускаться горнопроходческие комбайны «Морган-Джефри», однако на практике они оказались малопригодными и были сняты с производства.
На протяжении почти двух столетий черный порох оставался единственным взрывчатым веществом, находившим себе применение в рудничной технике. В 1863 г. А. Нобель на основе работ русских ученых Н.Н. Зинина и В.Ф. Петрушевского создал динамит, представляющий собой порошок пористой инфузорной земли, пропитанный нитроглицерином. В 1867 г. он был запатентован Нобелем в Англии. В том же году им был изобретен гремучертутный капсюль-детонатор, позволивший в значительной степени повысить эффективность взрывных работ.
В 1890 г. на основе исследований Д.И. Менделеева была открыта взрывчатая желатина, ставшая основным компонентом при производстве желатиновых динамитов.
Использование в горном деле новых видов оборудования и применение взрывчатых веществ, резко повышавших производительность выемки полезных ископаемых, со всей остротой поставило вопрос о создании специальных высокоэффективных приспособлений для механической транспортировки полезных ископаемых и породы. Помимо ленточных конвейеров (транспортеров) в начале XX в. в горном деле стали использоваться пневматические скребковые транспортеры, а позже скребковые транспортеры с электродвигателем. На рудниках Германии и Англии получили распространение качающиеся конвейеры.
Наряду с вопросами механической транспортировки встала проблема механизации рудничного подъема. В предшествующий период основным средством подъема в неглубоких шахтах были ручные, а в глубоких — конные вороты. На смену им пришли паровые подъемные машины. С 60-70-х годов XIX в. эти машины стали применяться повсеместно. Они позволили увеличить производительность шахтного подъема (доставки) до 300 т в сутки.
С 90-х годов в горной промышленности стали применять электрические подъемные машины, в значительной степени увеличившие грузоподъемность и повысившие скорость подъема руды. Первая такая машина была запущена в 1891 г. в Германии.
В России электрические подъемные машины стали эксплуатироваться с конца XIX в. К 1915 г. в Криворожском бассейне работал уже 61 электрический подъемник.
Эксплуатация горных выработок, особенно глубокого залегания, всегда связана с опасностью выделения рудничного газа (метана) и угольной пыли, подверженных возгоранию и взрывам 2. Нескончаемый ряд катастроф на шахтах заставил предпринимателей обратить внимание на необходимость обеспечения безопасности рабочих, в частности на более эффективное проветривание шахт. Первый механический центробежный вентилятор был изобретен в 1832 г. инженером А. А. Саблуковым. Однако массовое производство этих вентиляторов в России налажено не было.
2 Яркую картину опасностей, связанных с выделением в шахтах рудничного газа, обрисовал Ж. Верн в романе «Черная Индия» (1877).
Совершенствование шахтной вентиляции было связано с использованием привода от паровой машины. Самыми распространенными в конце XIX — начале XX в. были вентиляторы системы Гибаля, основным недостатком которых были большие габариты — от 5 до 12 м в диаметре. В 90-х годах XIX в. наряду с паровыми стали использоваться более дешевые и менее прихотливые в эксплуатации электрические вентиляторы конструкций Сера, Рато, Женет- Гершера и др.
До начала XX в. для откачки воды из шахт применялись поршневые насосы, двигателями для которых вначале служили паровые машины. Использовались также пневматические и гидравлические поршневые насосы. В последнем десятилетии XIX в. поршневые насосы стали приводиться в движение электромоторами.
В 1898 г. французский академик О. Рато изобрел первый многоколесный центробежный насос, который начал вытеснять поршневые насосы. Работавшие от электрического двигателя центробежные насосы были более мощными и производительными. Центробежный насос Рато обеспечивал подачу 250 м3 воды на высоту свыше 500 м.
В 70-х годах XIX в. для освещения шахт повсеместно применялись свечи и лампы, заправленные керосином, маслом или салом. С 80-х годов для постоянного освещения стали применять электричество. В 1880 г. французский изобретатель Г. Труве продемонстрировал переносную электрическую лампу, действовавшую с помощью гальванических батарей или аккумуляторов. Однако эти лампы не получили широкого распространения из-за своей дороговизны и массивных источников питания.
В 1896 г. в США была разработана электрическая шахтерская лампочка (головная), действовавшая от портативной электробатареи Т. Эдисона. Эти лампы стали широко применяться во всем мире.
В 1888 г. Д.И. Менделеев выдвинул идею подземной газификации «Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на дальние расстояния» 3.
3 Менделеев Д.И. Соч. — М.; Л., 1934-1954. — Т. 11. С. 66.
В 1912 г. английский химик и физик Уильям Рамзай (Рэмзи) выдвинул аналогичную идею и готовился ее осуществить, но Первая мировая война помешала этому.
Добыча нефти
Широкое применение паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, строительство тепловых электростанций многократно повысили потребление нефти и нефтепродуктов.
Увеличение спроса на нефть и нефтепродукты вызвало к жизни новую технику нефтедобычи. На смену старому колодезному способу добычи пришло бурение скважин, идея которого была разработана ранее. Важнейшую задачу механизации буровых работ успешно решил в России горный инженер Г.Д. Романовский. В 1854 г. он впервые применил в бурении паровую машину, получившую к концу 70-х годов широкое распространение. С наибольшим эффектом паровая машина стала применяться для роторного бурения. В 1889 г. в США Чепмен создал первую такую установку, принципиально не изменившуюся до сегодняшнего дня.
Наряду с роторными установками, в которых вращалась вся колонка труб, начались разработки забойных двигателей, помещавшихся непосредственно у долота. В 1878 г. А. Бранли в Бельгии, а в 1883 г. Дж. Вестингауз в США пытались создать такой двигатель, однако их изобретения не имели успеха. Эту проблему удалось решить в России инженерам К.Г. Симченко и П.В. Балицкому. В 1890 и 1898 гг. ими были созданы забойные двигатели — турбобуры.
С конца 70-х годов XIX в. предпринимаются и первые попытки создания электробуров: в 1879 г. — В. Сименсом, в 1885 г. —Дж. Вестингаузом. В 1891 г. голландец Ван-Депель и американец Марвин сконструировали электрические перфораторы. Патент на изобретение первого электрического бура принадлежит русскому инженеру В.Н. Делову (1899 г.). В 1912 г. румынский инженер Кантили применил электробур собственной конструкции для бурения скважин.
К концу XIX в. относятся первые попытки добычи нефти со дна моря. В 1897 г. было начато бурение неглубоких подводных скважин в США (Калифорния). В 1896 г. горный инженер Згленицкий, а в 1898 г. С.В. Лебедев предложили способ бурения на море с буровых вышек на сваях.
Наряду с совершенствованием бурения скважин развивались и способы подъема нефти. В предшествующий период использовали желонку — узкий металлический сосуд длиной до 6 м. Желонка спускалась в скважину, наполнялась нефтью и вручную или с помощью конной тяги поднималась на поверхность. Это был малопроизводительный, тяжелый и пожароопасный способ. В 1865 г. инженер Иваницкий разработал для подъема глубинный поршневой насос, который приводился в движение как вручную, так и конной тягой или паровой машиной.
В 70-х годах XIX в. русский изобретатель В.Г. Шухов предложил использовать сжатый воздух для подъема нефти — эрлифт. Однако нежелание предпринимателей вводить усовершенствования в нефтяную промышленность тормозило внедрение этого изобретения. В 1886 г. предложение В.Г. Шухова поддержал Д.И. Менделеев, и только в 1897 г. его изобретение наконец было испытано в Баку.
В 1914 г. М.М. Тихвинский изобрел газлифт— способ извлечения нефти из скважин при помощи сжатого газа.
К началу XX в. нефтяная и нефтеперерабатывающая промышленность приобрела большое хозяйственное и военное значение и стала объектом борьбы крупнейших национальных и транснациональных монополистических объединений.
Вопросы и задания:
1. Опишите средства механизации, применяемые на шахтах.
2. Каковы причины аварий в шахтах? Назовите приспособления и орудия, позволяющие сократить аварии.
3. Существует мнение, что жечь уголь и нефть в топках равносильно тому, чтобы топить печь ассигнациями. Согласитесь или опровергните это мнение.
4. Опишите способы бурения при разработках нефти и газа.
5. Что изменилось в добыче полезных ископаемых в XX в.?
