Горное дело
Го́рное де́ло, область деятельности человека по освоению недр Земли. Горное дело включает все виды техногенного воздействия на земную кору, а также горные науки, изучающие закономерности преобразования и сохранения недр.
На протяжении тысячелетий горное дело включало добычу только твёрдых полезных ископаемых (нерудные строительные материалы, руда и другие, а также некоторые породы камня, использовавшиеся для изготовления орудий труда, оружия и украшений). Во 2-й половине 19 в. начинает развиваться добыча нефти, в начале 20 в. – природного газа. Добыче полезных ископаемых предшествует их разведка. Данные разведочных работ и пространственно-геометрических измерений изображаются на картах, планах, разрезах и графиках методами маркшейдерии и горной геометрии. На основе полученной информации о величине запасов и качестве руд принимается решение о экономической целесообразности эксплуатации данного месторождения и способах его разработки. Специальные службы следят за правильностью выполнения и безопасностью горных работ, принимают меры для предотвращения и ликвидации пожаров, аварий, катастроф и их последствий.
Горное дело с древнейших времён до 19 в.
Истоки горного дела уходят в глубокую древность. Одним из главных факторов развития горного дела, определяющим его уровень в различные исторические периоды, являются орудия горного производства. В Европе первые разработки кремния в горных выработках (иногда с деревянным креплением) датируются периодом мезолита и неолита. Позднее, с 6–5-го тыс. до н. э., начинается систематическая разработка медных руд, а также добыча золота и серебра; с 3-го тыс. до н. э. активно разрабатываются месторождения оловянных руд. От этих периодов остались выработки со следами горнопроходческих инструментов на стенах штолен, остатки деревянного крепления, лестниц и т. п. Постепенно выплавка изделий из меди приобретает относительно широкий характер. Например, древние племена, обитавшие на территории современной Армении, выплавляли бронзу 14 типов. С начала эпохи раннего металла выделяются группы горняков-профессионалов, передававших свой опыт из поколения в поколение. Расширение объёмов добычи медных руд приводит к совершенствованию горных технологий. Так, на территории Южной Болгарии, Урала и Казахстана по окончании работ горные выработки заполнялись пустой породой (см. Айбунар). Древние способы разработки россыпных месторождений (в основном золота) принципиально не отличались от современных способов многократного промывания. Задолго до н. э. горное дело существовало и в Китае, Японии, странах американского континента (см. таблицу 1).
Таблица 1. Эволюция освоения недр Земли
Фаза технологической цивилизации | Период | Определяющий признак горно-эксплуатационной технологии | Горные орудия производства |
---|---|---|---|
Первичная (каменный век) | От происхождения человека – 6–5-е тыс. до н. э. | Собирательство каменного материала с поверхности. Неглубокие выемки для добычи высококачественного камня (кремния, обсидиана и др.). Древние карьеры | Каменные молоты, кайлы, кирки; роговые кайлы |
Горно-металлургическая (эпоха раннего металла) | 6–5-е тыс. – нач. 1-го тыс. до н. э. | Поверхностные и подземные выработки в теле полезного ископаемого для добычи руд. Огневые работы. Механический вруб | Медные и бронзовые кайлы, кирки, клинья, молоты; костяные, деревянные клинья; колёсные механизмы |
Горно-металлургическая (ранний железный век) | Нач. 1-го тыс. до н. э. – 1-я пол. | Разветвлённые сети подземных выработок для добычи руд. Искусственное проветривание. Колодезная добыча нефти, скважинная добыча соляных растворов | Железные кайлы, клинья, молоты; механические приспособления для шахтного подъёма и водоотлива |
Энергетическая | 2-я пол. 1-го тыс. – 18 в. | Упорядоченные в пространстве и во времени шахтные выработки для добычи руд и соли. Прообраз шахтных систем разработки руд. Порохострельные работы | Примитивные горные механизмы для обогащения, шахтного подъёма, водоотлива; горные машины с приводом от водяного колеса, конной тяги. Рельсовые вагонетки. Устройства для систем вентиляции |
Энергетическая | 18 – кон. 19 вв. | Системы шахтной разработки угля, механизированное бурение скважин, аналитически рассчитанные системы подземной разработки, многоуступная открытая разработка. Взрывные работы. Гидромеханизация | Выемочные горные машины, одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, буровые станки, врубовые машины, транспортные машины с паровым и электрическим приводами. Конвейеры. Взрывобезопасные светильники |
Энергетическая (этап электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания) | Нач. – сер. 20 в. | Системы комплексно-механизированных открытой и подземной разработок и обогащения полезных ископаемых, системы скважинной добычи. Управление горным давлением. Шахтная гидродобыча угля | Высокопроизводительные экскаваторы, горные комбайны, установки глубокого бурения. Турбобур, электробур. Подземные самоходные машины. Комплексы обогатительного оборудования |
Информационно-технологическая | С 1950-х гг. | Морская горная технология, микробиологическая горная технология, переход от комплексной механизации к автоматизации технологических процессов добычи и комплексному освоению недр | Автоматизированные комплексы горных и обогатительных машин, установки сверхглубокого бурения, морское горнодобывающее оборудование. Циклично-поточное и поточное производство |
Главным фактором развития производительных сил в античном обществе стало освоение производства железа. Добыча руд и производство металлов относились к наиболее развитым и прибыльным отраслям хозяйства греко-римской цивилизации. С развитием феодальных отношений начинается широкое развитие горного дела в Центральной Европе, применяется ручное бурение горных пород. Важные усовершенствования в горном деле были сделаны в Европе в 15–16 вв. Применение конного привода и водяного колеса для рудничного подъёма, а также для водоотливных устройств позволило вести горные работы на глубине до 150 м. Начали применяться взрывные технологии добычи. Вводится мокрое обогащение, что позволяет вести разработку сравнительно бедных руд. В 1512 г. в Саксонии была выдана привилегия на мокрую толчею. В это время в рудниках начинают устраивать деревянные настилы для перемещения по ним тележек с полезным ископаемым. Появляются первые горные училища и руководства по горному делу («12 книг о металлах» Г. Агриколы, 1556). В горном деле раньше, чем в других отраслях промышленности, нашли применение паровые машины, первоначально для откачивания воды (Т. Ньюкомен в 1712), затем и для рудничного подъёма.
С эпохи промышленного переворота (конец 18 – начало 19 вв.) осуществляется переход к широкому применению в горном деле машин. В 1815 г. англичанин Г. Дэви изобретает безопасную рудничную лампу. Совершенствуется техника бурения, всё шире применяются взрывчатые вещества, вводится рельсовая откатка с конной тягой. В 1930-х гг. начинают применять стальные канаты для рудничного подъёма и откатки.
Развитие горного дела в России в 18–19 вв.
Россия обладает огромными запасами природных ресурсов, поэтому горному делу отводилась ведущая роль. Потребностями экономического и стратегического характера было вызвано строительство уральских, сибирских и олонецких заводов в 1-й четверти 18 в. Создание в России горно-металлургической промышленности потребовало коренной реформы горного дела. Начало реформ было положено созданием 24 августа (4 сентября) 1700 г. Петром I Приказа рудокопных дел. К концу 1-й четверти 18 в. было централизовано управление горнозаводским производством и создана Берг-коллегия вместо упразднённого Рудного приказа. В 1719 г. принят законодательный акт, определявший политику русского правительства в горнорудной промышленности – Берг-привилегию (1719), в дополнение к Берг-привилегии был издан Берг-регламент (1739), просуществовавший до 1807 г., как и сама Берг-коллегия, функции которой затем передали Горному департаменту.
В условиях крепостнической России частные предприятия нередко переходили в казённые и наоборот. Особенно много казённых заводов было на Урале. Экономическую отсталость и слабое развитие капитализма вынуждали государство строить и содержать заводы на свои средства. В начале 18 в. казённые заводы стали раздаваться частным лицам. Например, в 1702 г. первый выстроенный казной на Урале Невьянский завод был передан Н. Демидову, а А. Демидов к концу жизни имел 25 заводов на Урале, Алтае и в центре страны; общее число работавших на него крестьян составляло 38 тыс. душ мужского пола. В 1730–1750-х гг. раздача казённых заводов приняла массовый характер, но уже в конце 18 в. казна выкупила большинство заводов, разорённых их владельцами. В связи с общим кризисом феодально-крепостнического хозяйства казённые заводы постепенно пришли в упадок и оказались не в состоянии обеспечивать нужды страны. Сказалась не только экономическая неэффективность крепостнических отношений; развитие заводов тормозилось хищнической политикой казённых ведомств, а новые изобретения и открытия медленно внедрялись в производство.
Накопившийся опыт разведывания руд в разных районах страны обусловил возможность целенаправленного ведения поисковых работ и объективной оценки сведений о залежах полезных ископаемых. Улучшились и приёмы разведывания месторождений: наряду с закладкой шурфов вводилась разведка посредством ручных буров (щупов). Изменились организационные формы рудоискательства. Экспедиционная деятельность в России началась в 1702 г., когда Приказ рудных дел направил в Олонецкий край экспедицию подьячего И. Голованова, разведавшую медные руды и основавшую медеплавильный завод близ Онежского озера.
В начале 1730-х гг. в Сибирь «для географического описания и осмотра о плодах земных и минералах» отправилась экспедиция Адмиралтейств-коллегии и Петербургской академии наук. Ею были открыты и описаны месторождения железных и медных руд на землях Кузнецкого и Красноярского краёв, залежи каменного угля на Верхней Тунгуске и др. В 1768–1774 гг. Петербургская академия наук организовала ещё 5 экспедиций, работавших на огромной территории – от Кольского полуострова и Белоруссии до Кавказа и Каспийского моря. Программа работ предусматривала в том числе и обследование предприятий горнорудной промышленности. В итоге были открыты многочисленные месторождения, на месте которых возводились заводы по переработке медных, серебряных, золото- и железосодержащих руд. Во 2-й половине 18 в. появились горные карты месторождений Олонца, Урала, Алтая, Забайкалья с пометками встречавшихся там горных пород, минералов и мест выходов их на поверхность.
Переход к паровой энергетике, связанный с ростом промышленного производства, и быстрое истребление лесов вызвали настойчивые поиски новых топливных ресурсов – торфа и каменного угля. С 1720-х гг. развернулись поиски каменноугольных месторождений на территории Европейской части страны и на юго-западе Сибири. В 1721 г. обнаружены залежи каменного угля на Дону и других территориях. Применение минерального топлива привлекло также частных предпринимателей, например Н. П. Рюмина, А. Демидова, получивших привилегии на добычу угля.
Горное дело в 19–20 вв.
Огромный спрос на продукцию горной промышленности со стороны всё более расширяющегося производства в 19 в. способствовал превращению горного дела в крупнейшую отрасль капиталистического хозяйства (см. таблицу 2).
Таблица 2. Динамика роста мировой горной промышленности в 19 в. (среднегодовая добыча, млн т)
Годы | Каменный | Железная | Золотая руда | Серебряная | Руды цветных металлов | Всего |
---|---|---|---|---|---|---|
1801–1820 | 13,9 | 1,8 | 1,1 | 0,3 | 0,2 | 17,3 |
1821–1840 | 28,2 | 4,1 | 1,4 | 0,2 | 0,4 | 34,3 |
1841–1850 | 63,7 | 9,6 | 4,4 | 0,4 | 0,8 | 78,9 |
1851–1860 | 109,3 | 15 | 16,2 | 0,5 | 1,7 | 142,7 |
1861–1870 | 187,3 | 20,5 | 14,2 | 0,7 | 2,6 | 225,3 |
К середине 19 в. Россия заняла 1-е место в мире по добыче золота и платины. В 1814 г. на Урале, на Берёзовском прииске, началась добыча россыпного золота, а с 1830 г. его стали разрабатывать и в Сибири. Если за 1814–1820 гг. добыли 184 пуда золота, то в 1831–1840 гг. его добыча превысила 4328 пудов.
Интенсивно развивалась техника проходки стволов шахт. Усовершенствованные методы проходки, вентиляции и водоотлива позволили увеличить глубину разработок. Были созданы высокопроизводительные системы разработки угольных и рудных месторождений; введён электрический привод для подъёмных машин, насосов, вентиляторов, рудничного транспорта; осуществлена механизация зарубки с помощью врубовых машин и др. Возникли самостоятоятельные научно-технические дисциплины, занимающиеся вопросами добычи отдельных видов полезных ископаемых: угля, руд, нефти, торфа и т. п.
В начале 20 в. в России продолжился рост горного производства. С 1901–1913 гг. добыча угля увеличилась с 16 до 21 млн т, железной руды – с 6,2 до 9,2 млн т, золота – с 34,4 до 60,9 тыс. кг. Добыча меди возросла в 4 раза, цинка – в 1,5 раза, свинца – в 5 раз. По добыче марганцевой руды, уровень которой в 1913 г. достиг 265 тыс. т, Россия занимала ведущее положение в мире (53% мировой добычи).
Новый этап в развитии горного дела связан с научно-технической революцией (2-я половина 20 в.) и характеризуется автоматизацией процессов горного производства и созданием системы горных наук. Научно-техническая революция превратила науку в непосредственную производительную силу, что привело к внедрению комплексной автоматизации горного производства, контроля и управления основными технологическими процессами, охраны окружающей среды от влияния горных работ.
Основные направления развития горного дела
В 1990-х гг., в связи с большими объёмами добычи основных видов минерального сырья, перед человечеством встали качественно новые глобальные проблемы, обусловленные динамическими и газодинамическими явлениями: техногенными землетрясениями, горными ударами, тектоническими нарушениями и др. Всё это потребовало новых подходов и технологий для преодоления ухудшающихся геологических, горнотехнических и экологических условий. Примеры таких геотехнологий: направленное изменение свойств массивов горных пород и минерального вещества на макро- и микроуровне; выщелачивание (в основном подземное) полезных ископаемых и продуктов их обогащения; дегазация и разработка метаноносных угольных пластов; промышленное извлечение метана из не тронутых горными работами высокогазоносных угольных месторождений; подземная газификация углей; биотехнология добычи и глубокой переработки полезных ископаемых, в том числе получение нового угольного топлива; создание подземных и наземных сооружений различного назначения (в том числе для захоронения и утилизации отходов крупных городов); искусственное продолжение формирования и воспроизводства минеральных ресурсов в литосфере; добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов.