Горное дело – от древних времен до современности

Горное дело – это промышленность, которая обеспечивает человечество металлами, минералами, драгоценностями, и другим сырьем. Ее развитие началось еще с древних времен. Пройдя огромный путь – от собирательства до электронно-вычислительных машин, горное производство имеет очень много особенностей. История его прогресса может не только показать, как человек добывал полезные ископаемые в том или ином веке, но и дать характеристику его техническому преображению.

Краткая характеристика горного дела

Современное горное дело – это важнейшая отрасль, играющая огромную роль в экономике стран, технологическом развитии и благополучии человека. Она достигла колоссального прогресса, но это был очень сложный процесс, который занял очень много времени. Шахты, карьеры, разрезы, скважины, бассейны – на всех местах добычи полезных ископаемых задействовано огромное количество техники. Но 1000 лет назад вся эта работа велась голыми руками, у человечества не было врубовых комбайнов, экскаваторов, конвейеров, самосвалов и прочих машин.

Хронологическое развитие горного дела:

Невозможно предположить, какой вклад горная промышленность вложила в развитие человечества. Ее продукты являются сырьем для большинства предметов, которые мы используем каждый день. Можно ли представить свою жизнь без техники, автомобилей, электричества? Каждый век технического прогресса отображает, насколько человечество продвинулось в освоении орудий для получения полезных ископаемых.

Современные направления горного дела:

1. Минерально-энергетическая:
   1. Нефть;
   2. Газ;
   3. Уголь;
   4. Торф;
   5. Сланцы;
   6. Уран;
   7. Термальные воды.
2. Черная металлургия:
   1. Железо;
   2. Марганец;
   3. Хром;
   4. Вольфрам;
   5. Молибден;
   6. Ванадий.
3. Цветная металлургия:
   1. Медь;
   2. Алюминий;
   3. Свинец;
   4. Цинк;
   5. Никель;
4. Горно-химическое сырье
5. Строительные материалы;
6. Драгоценные и поделочные камни;
7. Гидроминеральная промышленность.

Для нее характерно использование огромного количества техники, человеческого труда, а также ЭВМ. Горное дело включает все способы воздействия на кору земли, для извлечения полезны ископаемых любого вида, от их обнаружения, до первичной переработки.

Существует отрасль, которая не относится к промышленности – это изучение геологических особенностей коры земли. Хоть она и не входит в перечень главных ответвлений этого направления, ее вклад в развитие горной промышленности огромный.

Каменный век

Во время собирательства горная промышленность практически не существовала. Первобытные люди пользовались деревянными копьями, жили в пещерах. Но это не могло продолжаться долго, человек взял в руки камень, чтобы разбить орех или разделать тушу животного. С помощью этого незаурядного приспособления он облегчил себе работу. Удивительно, но именно этот камень и положил начало горной промышленности.

Обретение орудий труда дало человечеству огромный толчок вперед, позволило улучшить качество жизни. Примитивные предметы, которыми пользовались первобытные люди, уже тогда давали возможность добыть еду, обрабатывать шкуры, сражаться с животными. С развитием труда, эволюцией человека, началось добыча горной руды, неметаллических полезных ископаемых, минеральных и топливных ресурсов. Люди замечали, что некоторые камни намного крепче других, выбирая их по характерному внешнему виду, они отдавали предпочтение именно этому сырью.

Эпоха раннего металла

С появлением металла жизнь человека начала стремительно развиваться. Этот пластичный и многофункциональный материал является одним из продуктов горнодобывающей промышленности. Конечно, тогда она значительно отличалась от современной, но тогда его появление в быту человека, стало значимым событием для развития многих сфер деятельности. С развитием горного дела, росла и степень востребованности в полезных ископаемых. Поэтому первобытные люди шли на поиски мест, где можно получить больше качественного сырья. Как ни как, а это геологическая разведка.

Человек уже мог добывать и обрабатывать добытую горную руду: медную, железную, бронзовую, свинцовую, золото, серебро, мышьяк, мрамор, каменную соль и нефть. Для добычи черного золота использовался колодезь-журавль. Значительное влияние на ее производство в эпоху раннего металла оказали открытия Архимеда (архимедов винт). Он применялся и для откачки воды на рудниках. Многие горняки погибали из-за внезапного затопления шахт подземными водами, поэтому этот механизм стал неотъемлемой частью их системы безопасности.

На территории России в Челябинской области было найдено округлое сооружение, которое напоминало металлургический завод – Аркаим. В нем была очень хорошо развита инфраструктура – разделение на цеха, отдельное водоснабжение. В цехах были наковальни, заготовки под металлические изделия. Здесь была даже хорошо обустроена ливневая канализация, отводящая использованную воду за пределы города.

Практически в каждом цеху была металлургическая печь, колодец для поддува и охлаждения металла. Это было настоящее литейное производство, которое очень сильно влияло на экономику поселения. Через коммуникации рек и морей было налажено торговое сотрудничество с другими странами. Аркаим – это пример того, что даже в древние времена горная промышленность уже стала очень важной частью в жизни человека.

Добыча золотой руды была также отлично налажена. На месторождениях отделялись большие куски породы, в которой были россыпи самородков. Далее она выкладывалась на шкуры животным и промывалась водой, которая подавалась с помощью желобов. После промывания их сжигали, а золу промывали уже в больших емкостях, чтобы самородки осели на дно.

Работа с золотом была немного проще, чем с железом, ведь этот металл более  пластичный и плавился при менее высокой температуре. Уже тогда зарождалось ювелирное дело. Украшения из золота были дорогими, их носили только знатные личности и шаманы, а простые люди довольствовались железными, медными и бронзовыми изделиями.

В конце каменного века был найден и уголь, камень, который долго горел, и производил много тепла. Многие историки утверждают, что первые воспоминания об этом полезном ископаемом свидетельствуют об его использовании в Древней Греции и Китае. Есть предположение, что первой страной, где появилось это топливо можно считать Индию, из-за большого количества наземных месторождений.

Количество поверхностных залежей раннего металла было очень мало, человеку пришлось опускаться под землю, рыть копальни, чтобы увеличить производительность. В это время развитие горного дела уже было на высоте, а его продуктами пользовался практически каждый житель Земли. Первый рудник, на котором люди добывали железные минералы – гематиты, был найден в южной Африке. Его возраст свыше 20 000 лет.

Добыча камня была очень хорошо развита в Египте. Ученые до сих пор ломают голову, каким образом им удавалось передвигать огромные блоки и обрабатывать их с такой идеальной точностью. До возникновения доменных печей, металлы выплавляли в ущельях, где была естественная вентиляция. Так они добивались хорошего эффекта, без значительного вреда для здоровья. Металлургия уже приняла облик ремесла, очень сильно ценилась в древнем мире.

Эпоха каменных орудий была самой продолжительной за всю историю человека. Она длилась приблизительно 1,5 – 2 миллионов лет.

Железный век

В первом периоде нашей эры произошел социальный переворот, рабовладельческий строй начал распадаться, сменяясь феодализмом. Это привело и к экономическому кризису. Горное дело стало одной из отраслей, которая очень сильно влияла на состояние государства, поэтому на него выделялось очень много ресурсов. Появление феодального строя перевернуло и социальную структуру промышленности. Теперь появилось очень много ремесленников, так сказать, частных предпринимателей по добыче горной руды и ее переработке.

Они объединялись в большие группы, а города, где функционировали подобные сообщества, превращались в экономические центры. В это время нужно было разделять владения месторождениями, управлять торговцами и ремесленниками, устанавливать цены на их услуги. Поэтому появилось специальное «Горное право» регулирующее их деятельность на территории города.

Основные направления работ ремесленников этой эпохи:

3. Чеканка монет;
4. Выплавка железа, золота, серебра;
5. Добыча каменной соли;
6. Литье и обработка заготовок для бытовых и оружейных нужд;
7. Создание примитивных металлических украшений;
8. Изготовление инструментов.

Работа горняков уже приобрела цеховую организацию, это не были отдельные производства горного дела, а большой конгломерат, в котором задействовано большое количество рабочих.

Металл стал основным сырьем для инструментов еще в каменном веке. Тогда использовалась бронза и медь. Они были очень хрупкими, быстро ломались, ввиду высокой пластичности металла. Рост объемов производства раннего периода горной промышленности начался только с открытием железа. Оно было более крепким, но поддавалось обработке. Человек мог создать удобные и эффективные инструменты путем переплавки и ковки руды.

Бурение скважин больше всего было развито в Китае. Они добрались на глубину в 900 метров, чтобы добывать соляные растворы и нефть. Для получения рассолов использовали бур, который был закреплен на шесте. По мере продвижения его могли заменить на более длинный, чтобы продвигаться далеко под землю. Чтобы бур легко проходил в землю, сверху в скважину заливалась вода, которая откачивалась с помощью примитивной насосной системы. Таким образом, горняки не только облегчали работу, но и изымали излишки земли, препятствующую бурению.

С появлением колеса, горные работы стали более продуктивными. Изначально оно использовалось для перевозки сырья, а в дальнейшем и для создания механических приводов. В качестве движущей силы использовалась вода и животные (лошади, волы, мулы). В качестве топлива чаще всего использовали дрова, но с развитием торгового дела, уголь стал более распространен во всех регионах.

Полезные ископаемые, которые находились на поверхности, очень быстро иссякали. Горнякам приходилось опускаться все глубже под землю. Качество подземного сырья было намного лучше, ведь оно не поддавалось негативному воздействию воздуха и солнечных лучей. Но вместе с открытием новых месторождений полезных ископаемых, появилось и очень много опасностей, которые подстерегали работников горного дела в шахтах.

Во-первых, они попадали в карманы с метаном, а из-за огненного освещения, газ взрывался, унося жизни многих работников. Во-вторых, горное дело – очень пыльная работа, из-за чего люди могли задыхаться, без доступа свежего воздуха. Это приводило к многочисленным болезням и смертям. Сделать естественное проветривание было очень сложно, особенно если глубина превышала 200 метров.

Чтобы решить этот вопрос, была создана специальная искусственная вентиляция. Она состояла их труб и вентилятора, который приводился в движение механическим приводом. Полностью очистить воздух и обезопасить работу горных мастеров эта установка не могла, но тогда это была отличная альтернатива естественному проветриванию.

Первые обогатительные механизмы были изобретены в Гарце, Саксонии (современная Германия). Это были конструкции для промывания и отделения пустой породы от руды. Они представляли собой систему углубленных емкостей – корыт, разделенных на несколько частей перегородкой. Она не доходила до дна, поэтому все полости были сочленены между собой. Они находились в вертикальном положении, а вверху пульсировала пульпа. Пустая порода дробилась, а металлическая руда оседала на дно.

Несмотря на современность, в древнем мире добыча драгоценных камней была не сильно развита. Это можно объяснить тем, что их обработка была невозможна из-за твердости материала. В качестве украшений использовались металлы или кварциты, которые было легко сколоть. Драгоценные камни, которые не подвергались обработке, не имеют такой красоты. Использовались осколки, отломы.

Драгоценные камни были не только предметом ювелирного искусства, но и мистических обрядов. В природе нет больше продуктов горного дела, которые были бы так воспеты в легендах. В древние времена ими обладали только шаманы, а их обработка считалась грехом – можно повредить первозданную структуру, и камень потеряет свои свойства.

Энергетический период горного дела

XVI век характеризуется развитием мануфактурного производства. В это время многие изобретения перевернули представления человека о труде. Появились первые двигатели, которые приводились в движение без приложения человеческой силы. Это были гидравлические приводы, в виде колес с лопастями. Они опускались в воду, которая постоянно текла в одном направлении. Чем больше была лопасть и чем глубже она опускалась, тем больше груза она могла сдвинуть. КПД этого устройства было не большое, но оно дало толчок следующему этапу развития технологий.

Первый письменный документ, описывающий процесс добычи и обработки полезных ископаемых, датируется 1556 годом. Это был трактат «О горном деле и металлургии» написанный Г. Агриколой. Это было огромное руководство, в котором были не только описаны самые распространенные приемы горной промышленности, но и содержались наглядные иллюстрации. Благодаря энциклопедии горного дела, можно сделать вывод, что уже в средневековье горная промышленность была одной из ведущих отраслей в экономике, и влияла на развитие.

Главные изобретения XVI века, которые оказали влияние на развитие горного дела:

• Порох;
• Магнитный компас;
• Маховое колесо;
• Учения о напоре воды;
• Бур;
• Водоотливные машины;
• Арастра;
• Эрлифт – струйный насос.

Уже в это время появилось представление механизмов, которые могут автономно работать, без приложения силы человеком. Люди освоили глубинные шахты, даже строили вентиляции, для подачи воздуха. Появились диффузоры, флюгеры, вентиляторы.. Шахты горного дела уже приобретали сходство с современными, они были упорядоченными, с одним стволом и большим количеством ответвлений.

На территории Южной Америки было очень развито производство и добыча золота. Именно здесь получила широкое применение арастра – прототип современной мельницы. Она использовалась для дробления породы, что значительно увеличивало выработку драгоценного металла. Отсюда механизм этого приспособления перекочевал по всему миру.

Она состояла из двух горизонтальных каменных колес, прикрепленных к горизонтальной балке. Вращения люди добивались с помощью тягловой силы животных, но в дальнейшем начали использовать водный привод.

В XVI веке уже было хорошо развита шахтная добыча полезных ископаемых, но она значительно модернезировалась. Для укрепления стен использовали деревянные балки и настилы. Для поднятия груза использовались примитивные лебедочные механизмы, системы рычагов. Появление пороха значительно продвинуло горное дело вперед, облегчило добычу сырья. Благодаря взрывному воздействию, людям удавалось  получать более плотные минералы. Для горного обогащения руд использовалась вода. Дробление происходило благодаря примитивным механизмам. Использовались даже жернова, если необходимо добиться мельчайших фракций.

В этот период начала развиваться добыча нефти. Благодаря созданию блока и лебедки колодезный способ получения полезного ископаемого стал значительно изменен. К разработке нефтяных месторождений также подключили и тягловых животных, чтобы увечить уровень выработки.

Век паровых машин

Паровой двигатель в горной промышленности начал использоваться уже в XVII веке. Были изобретены машины для откалывания и дробления породы, примитивные экскаваторы, конвейеры для перемещения груза. Начала развиваться скважинная добыча нефти и соляных растворов, с использованием насосных систем.

Благодаря техническому прогрессу, работу по добыче, обработке и транспортировке полезных ископаемых, исполняли машины. Человеку осталось только управлять его механизмами, чтобы обеспечить точность выполнения работы. Паровой двигатель имел много недостатков, система была громоздкой, требовала сооружения в месте использования, ведь перевести ее, например, в шахту, было очень сложно.

Большинство техники было поршневой, с возвратно-поступательным принципом движения. На основе такого механизма создавались компрессоры, вентилирующие системы, перфораторы, буры. Для подогревания воды и образования пара чаще всего использовал уголь. В этот период его потребление значительно возросло.

Большое количество сил и финансов было брошено именно на развитие этой сферы, поэтому именно в этот период его значимость была доминирующей. Среднегодовая добыча этого полезного ископаемого в средине XIX века возросла в 14 раз.

Техника с двигателем внутреннего сгорания

Появление двигателя внутреннего сгорания, стало отправной точкой для скачка в развитии мировой горной промышленности. Хоть паровые машины были производительны, но и были громоздкими, а их перемещение в шахтах было очень затруднительно.

Разделение горного промысла на отрасли началось в 19 веке. Было отделено несколько основных направлений, которые занимались отдельными разработками месторождений:

4. Железорудная;
5. Цветная металлургия;
6. Выкачка нефти;
7. Каменноугольная.

С возникновением капиталистического строя в горном деле произошли существенные изменения. Началось масштабное развитие машиностроения горного оборудования. Очень изменилась буровая техника, использующаяся для добычи нефти и газа. Появились станки вращения бура, которые работали от двигателя внутреннего сгорания, что сильно повысило уровень выработки черного золота. Преобразовались и насосные системы, которые могли переместить большее количество жидкости.

Буровые системы начали оснащать шарошечными долотами для вращательного бурения. Они были очень крепкими, а КПД их работы была значительно выше, в отличие от устаревшей техники. Для крепких пород, например, кварцевых, использовали огневое бурение – скалывание пород с помощью газовых струй, выбрасываемых из реактивной горелки. Разрушенная порода, которая может мешать продвижению бура в скважине, выбрасывается на поверхность под действием давления пара.

В России, в 1897 году был создан первый проходческий комбайн, который работал от двигателя внутреннего сгорания. Также был изобретен метод замораживания горных пород. Он применялся для укрепления неустойчивых пластов, чтобы предотвратить их обрушение. Изобретение врубовой машины было очень важно для горнодобывающей промышленности. Изначально они были штанговыми и дисковыми, но в 1864 им на смену пришла более удобная – цепная.

Первые машины работали за счет вращающего диска или штанги, на которые были нанесены зубцы для резки. Но они очень быстро изнашивались, в результате чего производство замедлялось. Появление цепного механизма помогло решить эту проблему. Зубцы были нанесены уже на цепь, которая закреплялась на вращающемся круге. Заменить эту часть механизма было намного легче, да и стоимость такого производства была дешевле. В 1900-х года в горной промышленности начали активно использоваться автоматизированные конвейеры: ленточные, скребковые и качающиеся.

Способы обработки сырья также претерпели изменений. Появились первые осадочные машины, вибрационные грохоты, для дробления и разделения сырья на фракции. Для выделения продукта начали использовать электромагнитные и флотационные методы. Уже в 20-х года ХХ века механизация горной промышленности достигла больших высот.

Грузы больше не перевозились животными, для этого были предназначены тягачи, электровозы. Знания о горной промышленности уже были четко структурированы. В институтах появляются факультеты, направление именно на эту область производства.

Техническое развитие оказало влияние не только способы добычи и производства полезных ископаемых, но и на их поиск. Начали применяться электромагнитные методы, системы эхолокации, металлоискатели. В анализе горной породы был фигурирующим не только физический, но и химический анализ. Благодаря специальным растворам, удавалось определить состав и качество продукта, что визуально оценить невозможно.

Прорыв в угледобывающей промышленности случился с открытием гидравлической установки для дробления породы. Это сравнительно менее трудоемкий метод, в отличие от стандартного шахтерского дела. К тому же он позволяет разрабатывать труднодоступные месторождения и свести к минимуму опасность рабочих.

Век ЭМВ

Во второй половине 20 века началась эра вычислительных машин. Информационное сопровождение вычислительных процессов в горной промышленности помогло систематизировать процесс выработки и облегчать теоретическую часть работы над проектами. Благодаря программному обеспечению удалось сократить или автоматизировать расчеты. Программы могли очень быстро генерировать необходимую информацию, проводить вычисления, на которые человеку потребовалось бы несколько дней, в считанные минуты.

Производство сырья также претерпело много изменений. Теперь управление машинами стало автоматизированным, человеку осталось только следить за правильностью выполнения задач. По сравнению с ХІХ веком, трудовое вмешательство стало минимальным. В производстве были использованы весьма разнородные модели и алгоритмы обработки полезных ископаемых.

Главные задачи, которые выполняет компьютерная техника в горной промышленности:

2. Планирование открытых и закрытых работ;
3. Моделирование взрывов;
4. Геостатистический анализ месторождений;
5. Решение различных маркшейдерских и геодезических задач
6. Визуализация объектов в двух- и трехмерном пространстве.

Горные предприятия требовали постоянного контроля над функционированием техники, правильности выполнения работы. С появлением программного обеспечения этот процесс стал намного проще. Эту задачу взяли на себя автоматизированные системы управления. С их помощью огромное количество оборудования было связано между собой, а слежение за их работой велось от одного пульта управления.

Отслеживание технического состояния техники, качество выполнения алгоритма функционирования – все это мог делать один человек, в режиме реального времени. Электронно-вычислительные системы нашли применение во всех областях горнодобывающей промышленности. Сейчас это самый прогрессивный метод разработки месторождений и получения полезных ископаемых, который существует в мире.

Недра горного дела находятся у самых истоков человеческой цивилизации. Оно играло одну из важнейших ролей в развитии человека не только в трудовом и экономическом, но и социальном плане.