6. Развитие горного дела в средние века 5-15 в.В.
Феодализм оказался более прогрессивным чем рабовладельческий строй. Однако его становление сопровождалось падением уровня культуры и техники. В Европе на триста лет прекратилась разработка недр и выплавка металлов. Из обращения исчезли золотые монеты. Пришла вупадок торговля. Произошел возврат к натуральному хозяйству.
В 8 веке начинается возрождение горного промысла с Европейских государств. В средневековой Европе остались от Рима часть горных выработок, техника, правовая регламентация горного дела.
Появляются свободные производители, ремесленники-горняки.
Германия. Еще до Римской империи германцы и славяне разрабатывали некоторые рудные месторождении. В период позднего средневековья Германия занимает первое место по добыче металлов.
Объёмы горного производства расширяются, возобновляются римские разработки в Альпах, в Трансильвании, Северных Балканах, северных районах Европы. С 4-5 вв. разрабатываются угольные месторождения в районе Льежа (Бельгия).
С 11 века в странах Европы стали формироваться крупные города - центры ремесленной деятельности горняков (в Чехии, Саксонии, Франции и др.). Жители этих городов добывали руду для выплавки железа, золото и серебро для чеканки монет, каменную соль и др.
Города добиваются от феодалов так называемых горных свобод, а правила ведения горных работ закрепляются специальным законодательством - горным правом (впервые в 1249 для чешского горного города Йиглавы).
Резкое повышение производительности труда в горном деле было связано с переходом к особой - цеховой организации рудокопов, которые создают в этот период товарищества по эксплуатации месторождений. Опыт профессиональных объединений в Чехии, Саксонии, Австрии широко распространился в Европе. Деятельность этих товариществ начинает регламентироваться горным правом. Формируются традиции горняков, получающие своё выражение в профессиональных праздниках, парадной одежде, знаках отличия.
«Серебряная горячка» - период интенсивной разработки серебра в Европе. Многие лица, не причастные к горному делу, бросали свои хозяйства и уходили в новооткрытые районы добычи серебра.
12-13 в.в. Менее чем за столетие было сделано больше изобретений, чем за предыдущую тысячу лет. Были изобретены пушки, очки, артезианские скважины. С Востока пришли: порох, шёлк, компас и астролябия. Были также большие успехи в судостроении и в часах.
7. Средние века. Эпоха машин
К 15 веку повысилась потребность в металлах, истощились близкие и доступные залежи полезных ископаемых. Прежние методы разработки с помощью примитивных орудий становятся недостаточными.
Углубление шахт потребовало вентиляции, откачивания воды, подъема добываемой руды. Осложнение оборудования требовало нового вложения капитала, недоступного для мелкого производителя. На помощь пришли купцы, чаще всего торговцы металлом. Произошло завоевание горного дела торговым капиталом.
Первые горные технологии:
- первый прототип подъемной машины – ворот, на вал которого наматывается канат с укрепленными бадьями, движение вороту сообщали двое рабочих (использовался для шахт небольшой глубины);
- ворот с маховым колесом использовали в глубоких шахтах, облегчает подъем груза;
- санки и тачки для транспортирования руды на полозьях либо на колесах: грузоподъемность до 200 кг, саночниками были молодые рабочие, упираясь руками и ногами в почву выработки, тянули санки, лямку одевали на пояс, работали почти полулежа, потому что высота выработок была 0,7 м;
- тачки использовали в выработках высотой в полный рост;
- на поверхности использовали лошадей.
Эпоха горных машин связана с возникновением мануфактурного производства, которое в 16-18 вв. стало истоком для научно-технического прогресса в Европе. В этот период создается теория махового колеса и маховых движений, теория жёлоба, учения о напоре воды, о сопротивлении, трении, изучаются свойства водяного пара.
С конца 14 века в горном деле вводится ряд усовершенствований:
Подъемные машины слали более сложными, имели систему торможения, пеньковый канат был заменен цепями.
Зубчатая передача, ее использование в подъемных машинах позволило увеличить вес поднимаемых грузов и поднимать их с глубины до 60 м.
Крепление стволов. К концу 15 в. вертикальные и наклонные стволы крепились сплошной деревянной крепью, сечение стволов прямоугольное, оборудовались лестничные отделение и армирование ствола.
Спуск рабочих в шахту. Еще не изобрели клети и крупногабаритные бадьи. Поэтому людей спускали: по лестнице, в седле на канате, на сырой коже как на горке, по ступенькам, выдолбленным в породе. Рабочий в одной руке держал канат, в другой свечу, чтобы освещать себе путь.
|
|
а) |
б) |
Рисунок 12 – Подъемные машины: а) – для неглубоких шахт; б) для глубоких шахт
Устройство состоит из ряда площадок на стене, вместе с вертикальной, движущейся вверх и вниз штангой с такими же площадками, или пары таких штанг, движущихся вверх-вниз попеременно. Человек может подняться (или опуститься) с помощью данного устройства, переходя с площадки на площадку, сообразуясь с движениями штанги (штанг). Размеры устройства могут быть разными, площадки могут вмещать по нескольку человек, или быть просто ступеньками. Штанга приводится в движение от кривошипного механизма, в свою очередь приводимого от двигателя, например, от водяного колеса или паровой машины. Для безопасного перехода между площадками при движении фаркунста устройство может делать паузы в движении штанги, для чего служит особое устройство, называемое катарактом. Фаркунст из-за своих ограничений и недостатков (в том числе, сложности и дороговизны), почти повсеместно вытеснен из шахт клетью.
Использование конной тяги. Подъемные машины приводилась в движение лошадьми, которые ходили по кругу и вращали вертикальный вал, сообщавший движение горизонтальному валу через зубчатую передачу. Глубина разработки и вес грузов увеличивались, мускульной силы рабочих стало недостаточно. Поэтому лошадей стали использовать для движения подъемных машин. Существовали подземные конюшни.
Рисунок 13 – Система механизмов шахтного подъема с конной тягой
Энергия падающей воды использовалась для приведения в движение вала подъемной машины - на вал насаживалось колесо большого диаметра, по ободу которого располагались лопасти, сверху по желобу подводилась вода, которая падая на лопасти, приводила в движение вал.
Поршневые насосы для откачки воды их шахт. Изобретение насоса приписывают Крезибию во 2 веке до н.э. В начале 16 века был изобретен сложный насос для перекачки воды с большой глубины: нижние насосы выкачивали воду в промежуточный чан, из него другие насосы выдавали воду на поверхность. Насосы приводились в действие двумя рабочими, позже стали применять вододействующее колесо.
Маркшейдерское дело (от немецкого слова, означающего марк – линия, шейден – отмечать). Необходимость развития маркшейдерского дела была вызвана следующим:
- установление границ участков;
- определение направления горных выработок;
- с развитием подземных разработок участились случаи повреждения зданий на земной поверхности из-за обвалов выработок.
Магнитный компас применяется в маркшейдерской практике. Первый компас был примитивен – на плавающей в воде пробке была установлена магнитная стрелка, которая поворачивалась вместе со стрелкой. Итальянец Флафио Джойя поместил стрелку на вертикальную шпильку и снабдил ее круговой шкалой с нанесенными 16 румбами.
Проветривание шахт. Ни один горнодобычной вопрос не решался так долго. С увеличением глубины горняки столкнулись с выделением вредных газов. Рабочие отравлялись и умирали.
Вначале существовали примитивные устройства для проветривания:
- рабочие размахивали полотнищем над устьем шахты;
- устройства для направления струи воздуха в сооружаемый вертикальный ствол - над устьем шахты устраивают лопасти, которые крутятся и направляют ветер в ствол шахты (на большой глубине не эффективно);
- машина для проветривания, приводимая в действие струей падающей воды.
|
|
а |
б |
Рисунок 14 - а) устройство для направления струи воздуха в сооружаемый вертикальный ствол; б) машина для проветривания, приводимая в действие струей падающей воды
Теория естественного проветривания (Ломоносов М.В.). Его внимание привлек факт, что летом и зимой воздух в руднике движется в разных направлениях. Смена направления происходит весной, осенью. Он пришел к выводу, что движение воздуха можно приравнять к движению жидкости (теория сообщающихся сосудов). Если наполнить два узких сообщающихся сосуда жидкостью, то жидкость будет стремиться придти в равновесие. То же происходит и в руднике, если он состоит из двух горизонтальных штолен, расположенных одна над другой и соединенных слепой шахтой. Причем рудничный воздух холоднее летом, а зимой теплее наружного. Из-за этого происходит движение воздуха. Летом воздух должен поступать в более глубокую шахту, а выходить из менее глубокой. И наоборот.
Комбинация вертикальной и наклонной шахты улучшало проветривание и облегчало выход на дневную поверхность.
Вентиляционная установка Ломоносова. Конструкция – рядом с устьем шахты монтировался ящик без дна с отверстиями вверху и с боку. В верхнее отверстие вставлялась воронка, из бокового – отводилась труба в шахту. К ящику подводилась вода, через воронку устремлялась в трубу. При этом захватывала из окружающего пространства воздух. По трубе воздух попадал в рудник. Эта установка применялась до середины 19 века.
По мере углубления разработок увеличилось количеством метана в атмосфере шахты. Появились взрывы угольной пыли и метановоздушной смеси. Но решения этой проблемы не было до 19 века.
Горная крепь и системы отработки месторождений
Первые выработки не крепились. Для поддержания кровли оставляли целики. Отрабатывать их не разрешалось. Если разрабатывали особо ценные руды, то на определенном расстоянии друг от друга выкладывали подпорные столбы. В некоторых древних золотых рудниках (Нубия, Испания) найдены остатки деревянной крепи.
На протяжении античного периода в подземных выработках применяли следующие способы крепления:
а) оставление охранных целиков;
б) выкладывание подпорных столбов из пустой породы;
в) использование дерева, прутьев и тростника в выработках кратковременного назначения (в основном при осадных и оборонительных работах);
г) крепление с помощью деревянных столбов, а возможно и дверных окладов.
Методы отработки залежей – вслед за распространением жилы. Назывались камерные и ходковые.
Другие нововведения:
- бур для разведки недр;
- обогатительные механизмы (толчеи, мельницы, мешалок);
- печатные руководства по горному делу (Г. Агриколы «О горном деле и металлургии..» (1556);
- обжиг руд, рудоразработка по цвету и блеску;
- амальгамация (амальгама сплав ртути с металлами (золото, серебро, медь), с железом ртуть не сплавляется, поэтому ее можно перевозить в стальных цистернах;
- используется энергия водяного потока для обогащения золотых руд в забое шахты;
- разрабатываются методы распознавания местоположения рудных тел по почвам, растительности, вмещающим породам.
- в Саксонии, Чехии появляются первые горные школы и училища, создаются обобщающие руководства.
Широкие масштабы на Апшеронском полуострове (Азербайджан) приобрела добыча нефти при помощи колодцев глубиной 10-15 м, из которых она вычерпывалась кожаными вёдрами с использованием конной тяги.
В крупную отрасль горного дела вырастает добыча каменной соли.
Всё это позволило сооружать шахты в виде упорядоченной системы горных выработок, придавая им облик крупного производства.
Рисунок 15 – Средневековая рудная шахта
Рудник «Банска-Штявница», Словакия, 17 век. На руднике использовались передовые по тем временам технологи: впервые применен порох для проходки выработок, водоподъемная машина для откачки воды, энергия падающей воды для подъемных и дробильных механизмов. Месторождение разрабатывалось на глубине 450 м, добывали золота – 600 кг, серебра – 22700 кг в год.
Согласно легенде, город обязан своим рождением старику-пастуху, который увидел двух сверкающих на солнце ящериц. Одна была золотая, другая - серебряная. Когда пастух отодвинул камень, под которым скрылись ящерицы, он обнаружил самородки чистого золота и серебра. Изображение ящериц сохранилось в городском гербе по сей день. А каждую осень в городе можно увидеть карнавал, рудокопы шествуют по улицам в сопровождении золоченых ящериц. В 1993 году залежи золота и серебра исчерпали себя, и шахты теперь работают только как музей.