Работа маркшейдера остается востребованной и актуальной на всем протяжении жизни человечества, начиная с первобытных времен. А сегодня маркшейдерия стала значительно сложнее и многообразнее, чем первичное определение этой отрасли.
От пещер до городов: горное дело стало необходимостью для развития человеческого общества
Когда закончился кремний на земле, человеку пришлось его искать под землей. Этот переход и стали считать началом развития горного дела. Кремний использовался в эпоху палеолита как орудие труда и был необходим в больших объемах. Поэтому люди искали и раскапывали его залежи сначала открытым способом, а потом и подземным. Параллельно изучали другие горные породы, пробовали применять их для строительства жилищ, расширяли площади выработок.
На смену первобытнообщинному строю пришло рабовладение, задачи горного дела расширились и усложнились, но уровень его технического оснащения оставался доисторическим. Практически все работы выполняли рабы ручным способом.
При разделении труда появились ремесленники, чей труд стал более творческим, интеллектуальным. В Древнем Египте, например, развивалась геометрия – по ее законам проводили границы земельных участков, которые не попадали бы под разливы Нила. Египтяне научились по звездам вычислять периоды паводков, знали алгебру и начала высшей математики, разбирались в тонкостях человеческого организма и различных технических устройств.
Когда Египет завоевал Александр Македонский, мировым центром философской мысли, науки, а также богатства и роскоши стала Александрия.
Масштабы строительства богатых жилищ, дворцов, городов потребовали таких же масштабных поставок строительных материалов, отделочных и драгоценных камней. От строителей требовались сложные проекты, грамотное расположение объектов на местности и др.
Проекты строились на прямоугольной системе координат, в которой линии параллелей и меридианов пересекались перпендикулярно. Фараон Сизострис даже распорядился всю землю Египта разделить на квадраты. Ученый Гиппарх составил таблицы местоположений некоторых населенных пунктов по методу прямоугольных координат. По прямоугольной строительной сетке, где улицы пересекаются перпендикулярно, составляли планы городов архитекторы Древней Греции, Рима, Вавилона.
Появились следующие инструменты:
- земельный крест («звезда», «грома»);
- гномоны солнечных часов;
- диоптры Гиппарха и Герона Александрийского;
- отвесы и ватерпасы;
- мерные жезлы, одометры Герона и Ветрувия и др.
До сих пор обнаруживают следы прямоугольного Римского кадастра. Это была самая масштабная в мире координатная сетка. Полную карту империи создали по указу Цезаря в течение 30 лет. На ее основе быстро строились дороги и города.
Еще со времен Аристотеля люди знали, что Земля круглая. В 235 г до н.э. Эратосфен сумел по солнцу произвести измерения больших расстояний, учитывая шарообразность планеты. Погрешность его расчетов составляла всего 5%.
Самая детальная схема построения была найдена в государстве Мероэ (территория нынешнего Судана) – это был план пирамиды.
Рим богател и прирастал рудниками Европы, Азии и Африки. Но труд горнорабочих оставался тяжелым и опасным. Они добывали руду вручную, молотками, топорами, лопатами, кирками. Освещали своды глиняные светильники с фитилями, пропитанными маслом и жиром. Вентиляция обеспечивалась обычным маханием большими полотнищами. Воду черпали ведрами, в некоторых шахтах – водяными насосами. Поднимали породу наверх ручным конвейером, передавая груз из рук в руки. Для обогащения руды ее дробление и промывка велись вручную, в лотках и на столах.
В качестве крепи стен и сводов оставляли целики шириной 4-6 метров.
В обязанность маркшейдеров входили следующие работы:
- ориентирование и съемка горных выработок;
- нивелирование;
- контроль за направлениями выработок, особенно за встречными забоями;
- расчет размеров целиков и контроль за ними.
Они использовали следующие инструменты:
- земельный крест («звезда», «грома»);
- гномоны солнечных часов;
- диоптры Гиппарха и Герона Александрийского;
- отвесы и ватерпасы;
- мерные жезлы, одометры Герона и Ветрувия и др.
Даже сегодня ученые удивляются точности расчетов античных строителей на примере следующих исторических объектов:
- шестикилометровая штольня в Древнем Риме из 40 вертикальных и 70 наклонных стволов;
- пирамида около Гизы с минимальной погрешностью;
- километровый тоннель на острове Самос;
- водопроводный тоннель для Иерусалима длиной 535 метров и др.
В X-XI веках в Европе появился компас, изобретенный китайцами. Тогда он представлял собой сосуд с водой и плавающим поплавком с магнитом. Этот инструмент маркшейдеры стали активно использоваться для съемок.
С развитием феодализма пошли в рост города, производство и горное дело. К XIII веку развитие горной промышленности замедлилось из-за конкуренции с металлами, поступающими из открытого тогда Нового Света.
Первые горные законы и революционные изменения в развитии маркшейдерского дела
Первым горным законом считают норму законодательства округа Бела-Шемниц (современная Словакия). Она была принята в середине XIII века и регулировала действия собственников при сбойке двух соседних рудников. В этом случае для решения споров о границах вызывался бергмейстер. Он намечал границу под землей и обозначал ее маркшейдерским клеймом.
В течение столетий эту задачу выполняли горные мастера. Но с развитием технологий, инструментов горного дела начали выделяться отдельные специализации и в этой отрасли. Обязанности бергмейстера усложнились.
Становление маркшейдерства, как отдельной специальности, происходит с начала XV века. Горные законы некоторых европейских стран устанавливают должность маркшейдера, как федерального чиновника-установителя межевого знака.
В горном деле совершенствуются технологии водоотлива, обогащения руды, шире применяется порох. А маркшейдеры переходят на более сложные, усовершенствованные инструменты. Горный компас с магнитной стрелкой на вращающейся игле уступает место компасу с визирным приспособлением. Приспособление к компасу вертикального круга создает универсальный прибор для измерения вертикальных и горизонтальных кругов.
С XVI века закладываются основы теории перспективы. С этого же времени для маркшейдеров выходят специальные книги. В книгах немецкого ученого Георгия Агриколы подробно описываются инструменты для работы и правила их применения. Автор печатает своего рода профессиональные задачники с разбором методов их решения. Он же обозначает спектр наук и знаний, которые должен освоить маркшейдер, чтобы стать хорошим специалистом. Маркшейдерское искусство становится научной дисциплиной по производству съемок, анализа их результатов, созданию изображений залежей полезных ископаемых. Маркшейдер контролирует подземное размежевание, подготовительные и очистные работы, рассчитывает и наблюдает за осуществлением сбоек.
Бурное развитие горного дела
Европа спалила всю древесину для отопления и стала требовать угля. Для паровых машин, появившихся на производствах, также требовался уголь. Эти потребности дали мощный импульс развитию горного дела и угольной промышленности в XVIII веке.
Пришедший на смену феодализму новый строй капиталистов изменил прежний функционал маркшейдерства. Новый собственник-капиталист думал в первую очередь о собственных интересах, а не о государственных, которые к тому же часто ограничивали капиталистические аппетиты. Поэтому в маркшейдере собственник видел в первую очередь технического специалиста, грамотного распорядителя горного производства.
К этому времени сложилось некоторое размежевание в профессии: государственные интересы отстаивал присяжный чиновник-маркшейдер, а на производстве командовал технический специалист – инженер-маркшейдер. И для производственников задачи значительно усложнились.
Причина в том, что разработка каменноугольных залежей существенно отличается от работы на рудных участках. Уголь залегает на большой протяженности и многослойно. Перед освоением участков требуется составить более детальные и точные карты, охватывающие как большие расстояния на поверхности, так и многослойность залегания породы под землей. Поэтому стали нужны опорные пункты в единой системе координат, и возникла потребность в рудничной триангуляции.
После обрушения подземных выработок требовались повторные съемки в привязке к опорным пунктам на поверхности, и начали развиваться ориентирно-соединительные съемки. Работа усложнялась, а маркшейдерские инструменты стояли на месте. Прежние угломеры пришлось поменять на новые геодезические теодолиты и нивелиры, инженеры стали осваивать аналитические методы обработки данных.
Все могло бы идти еще быстрее, если бы маркшейдерское профессиональное сообщество не было так замкнуто, а смелее изучало и применяло в работе новые открытия геодезии и топографии.
К тесному взаимодействию эти науки пришли лишь в середине XIX века. Без современных приборов и методик геодезии было невозможно изучать движение горных пород и правильно рассчитывать размеры и места расположения целиков.
Крутой разворот к сотрудничеству с геодезистами подготовила книга профессора Фрайбергской горной академии Ю. Вейсбаха «Новое маркшейдерское искусство». Главный посыл книги – равноправность надземной и поземной части маркшейдерии. После выхода книг Вейсбаха вводились прогрессивные изменения в горном деле:
- разрабатывались единые системы координат для горно-рудных районов;
- устанавливались надежные связи подземных горизонтов с поверхностью;
- старые инструменты менялись на более совершенные, точные, легкие и негромоздкие;
- началось обучение инженеров-маркшейдеров, которым преподавали астрономию, математику, геодезию и др.
Инструментальная революция началась с создания теодолита – точного угломерного прибора, с помощью которого измеряют горизонтальные и вертикальные углы. Создали новый инструмент русские маркшейдеры, в Германии разработали методику теодолитной съемки.
Специалисты стали использовать и такие новшества, как деклинатор для магнитной ориентировки, высокочувствительный компас, переносной магнитометр, тарелочку Шмидта, фоторегистрирующую аппаратуру Фурмана и др.
Современные маркшейдерские инструменты (теодолиты, нивелиры, деклинаторы, зеркальные и подвесные буссоли, шахтные ленты и др.) выпускали заводы Германии.
На практике применялось несколько видов фотограмметрических методов, но многие из них постепенно отсеялись из-за неудобства применения, низкого качества снимков. В конце XIX века основным способом стало фотографирование на пластинки с сухим бром-желатиновым слоем. Используя этот метод, стало возможным снимать с короткими выдержками, а обработку снимков проводить по более простому алгоритму.
Фотографы подарили миру много своих открытий. Снимки стали применять архитекторы для своих чертежей, топографы – для съемок поверхности. Для землемеров фотографировали местность с привязанных аэростатов. В 1901 году К. Нульфрихом был создан стереокомпаратор, а позднее – стереоавтограф. Эти приборы позволили проводить автоматические измерения сфотографированной поверхности.
Шахты становились все глубже, и потребовалось изучать проблемы отклонения шахтных отвесов под напором струй воздуха. Исследования продолжались до середины XX века.
Современный уровень развития маркшейдерского дела
В XX веке продолжилось бурное развитие городов. Современные мегаполисы не только растут вверх, но все больше и больше углубляются в землю. Чем больше становится людей на поверхности, тем активнее идет освоение подземных площадей. Метро, парковки, тоннели, торговые центры, производственные мощности, водо, -газо, -нефтепроводы уже не умещаются наверху и строятся под землей.
Если наземное строительство сегодня считается сложной работой, то подземные стройки – сверхсложным видом работ.
Маркшейдер должен предоставлять точные расчеты, соблюдать все требования экологического законодательства, заботиться о сохранности природных ландшафтов, ресурсов.
Активная разведка и освоение месторождений, строительство горных предприятий также требует активного участия высококвалифицированных специалистов маркшейдерского дела.
С усложнением задач становятся сложнее и точнее инструменты. В современных гироскопических и оптических приборах используются лазерные технологии. Разработчики из Германии пытаются создать малогабаритные маркшейдерские гирокомпасы на основе лазерной техники. Выпускают усовершенствованные оптические теодолиты, теодолиты с менисковой оптикой, дальномеры, портативные нивелиры-тахсометры и др.
На основе методов моделирования научное сообщество изучает вопросы движения и деформации горных пород и охраны сооружений от их вредного влияния, создает правила расчетов для создания целиков, изучает горные удары.
Современные маркшейдеры выполняют следующий функционал:
- Ведут обработку данных по месторождению
- Создают маркшейдерское определение горных отводов.
- Проводят измерения в горном деле.
- Занимаются составлением картографии в горном деле и геометризацией месторождения.
- Изучают и определяют степень влияния проводимых горных работ на массив породы и поверхность и др.
С древних времен маркшейдерия обогащалась знаниями пытливых умов, умениями трудолюбивых строителей, разработками инженеров и производственников. Отрасль стала сплавом достижений различных направлений человеческой деятельности. Этот пласт теории и практики массивен и крепок и является надежным фундаментом для дальнейшего развития маркшейдерства. Какие бы задачи ни ставила новая жизнь.
