Краткие исторические сведения о развитии маркшейдерского дела
|
Маркшейдерское дело зародилось практически вместе с умением человека вести подземные горные работы. Сохранившиеся исторические рукописи, археологические раскопки и другие материалы показывают, что люди уже с древнейших времен умели сооружать довольно сложные подземные рудники и другие объекты. К примеру сошлемся на найденный в Италии египетский пергамент, на котором изображен рудник, существовавший около 3500 лет назад. Известно также, что древними римлянами для спуска воды из озера была пройдена встречными забоями штольня длиной около 6 км. Для ее проведения было заложено более 100 вертикальных и наклонных стволов. Некоторые из них были глубиной более 100 м. Этот факт говорит о существовании в те времена довольно солидного опыта выполнения маркшейдерских работ. Первое описание способов съемки подземных горных выработок, дошедших до нас (I в. до н. э.), принадлежит Герону Александрийскому. Применявшиеся в то время способы съемок горных выработок заключались в различных промерах, провешиваниях, построении цепи геометрически правильных фигур, например тождественных треугольников, на поверхности и под землей, при помощи которых осуществлялась ориентировка подземных выработок. В XVI в., когда в горном деле стали использовать приборы с магнитной стрелкой, вращающейся на острие иголки, произошло улучшение маркшейдерских работ и повышение их точности. В этот период известным немецким ученым Агриколой (1494—1555 гг.) был издан капитальный по тем временам труд «О горном деле и металлургии», в котором пятая глава посвящена описанию съемок горных выработок как с помощью компаса с кругом, разделенным на 12 частей, так и другими методами. В частности, им описан способ определения необходимых глубины шахты и длины штольни при помощи наклонного шнура и отвесов. В XVI—XVII вв. в Германии создаются вначале компас с визирным приспособлением, затем подвесная буссоль, которая совместно с подвесным полукругом в течение многих веков были одними из наиболее распространенных маркшейдерских инструментов. Ими иногда пользуются и современные маркшейдеры для съемки второстепенных выработок. Применение подвесных буссоли и полукруга упростили методику построения маркшейдерских подземных сетей, при которой вместо ряда треугольников в горных выработках строится при помощи шнура ломаная линия. В XIX в. в Германии для съемки горных выработок стали применяться теодолиты и нивелиры, появились ориентир-буссоль, зеркальная буссоль, проектировочные тарелочки, были изготовлены длинные ленты для измерения глубины стволов шахт. Внедрение в маркшейдерское дело новой техники вызвало появление специальной маркшейдерской литературы. В 1851 г. выходят книги Вейсбаха «Новое маркшейдерское искусство», Борхерса «Практическое маркшейдерское искусство» (1869 г.), в которых описаны методика и приборы, применявшиеся в маркшейдерском деле. В частности, в книге Вейсбаха приведены сведения о приборах для автоматической центрировки теодолитов и сигналов, приспособлениях для примыкания к отвесам и пр. Во второй половине XIX и начале XX в. были введены в действие хорошо оснащенные по тем временам заводы маркшейдерского приборостроения (Гильдебрана, Феннеля, Цейсса), разработаны методики выполнения маркшейдерских работ и оценки точности и уравнивания результатов маркшейдерских съемок. В это время были предложены способы соединительных съемок при помощи соединительных треугольников Ганзена, Снеллиуса — Потенота, симметричного примыкания, створа с использованием салазок Вейсса; были выполнены исследования по влиянию потоков воздуха на положение шахтных отвесов для ориентировки глубоких стволов (гипотеза Вильского). В первой половине XX в. началось применение гироскопических инструментов для ориентирования подземных маркшейдерских сетей. Первые попытки ориентирования шахты при помощи гироскопов были выполнены в 1913—1914 гг. в Польше и Германии. В начале 20-х годов в Германии был спроектирован и выпущен маркшейдерский гирокомпас, однако его конструкция оказалась неудачной. Широкое внедрение гироскопического способа ориентирования было начато в ФРГ с 1947 г. благодаря исследованиям, выполненным профессором Реленсманом. Первые образцы маркшейдерских гироскопов обладали некоторыми недостатками (большие масса и габариты, неустойчивость показаний и т. п.). В последние годы в ряде стран (Венгрия, ФРГ, Великобритания, США и др.) ведутся успешные работы по конструированию гирокомпасов, гиротеодолитов и гиронасадок. Имеются успехи в области применения гиротеодолитов при ориентировании подземных маркшейдерских сетей в Чехии, Польше, Венгрии, Канаде, ФРГ. В послевоенные годы значительное усовершенствование получили и другие инструменты для маркшейдерских съемок, были созданы инструменты, использующие совершенно новые принципы для измерений. Так, ряд фирм Венгрии, ФРГ, Чехословакии создали теодолиты повышенной точности, нивелиры обычной конструкции и с самоустанавливаюш,ейся в горизонтальное положение визирной осью. Усиленно разрабатываются (в США, ФРГ) кодовые теодолиты, совершенствуются и создаются новые свето-и радиодальномеры. Большие работы в США и особенно в ГДР проведены по созданию инструментов для фотограмметрических съемок на разрезах. В ряде стран фотограмметрия начинает широко внедряться для съемки подземных выработок. Перспективный прибор создан фирмой «Керн» — лазерный теодолит, являющийся комбинацией секундного теодолита DKM2—AL и газового лазера, который крепится к ножке штатива. Луч лазера совмещается с оптической осью зрительной трубы. В Лотарингском угольном бассейне Франции уже продолжительное время для маркшейдерских съемок используются лазерные приборы, большая часть которых изготовлена во взрывобезопасном исполнении. Особое преимущество лазеры приобретают при проходке наклонных выработок. В Канаде разработана лазерная установка, названная «лазерным оптическим ствольным отвесом», которая при промышленном использовании показала, что максимальное отклонение луча от вертикали при проверке вертикальности шахтных стволов глубиной 2 км составляет 2 мм. В последние годы произошло улучшение в области механизации камеральных работ. Проведено широкое внедрение рядовых настольных электрических вычислительных машин, увеличивается применение специальных программирующих настольных ЭВМ, созданы программы для решения маркшейдерских задач на мощных ЭВМ. Маркшейдерское дело по существу является информационной наукой, поэтому в нем начинают находить широкое применение автоматические системы сбора, хранения, переработки и передачи информации с использованием различного рода ЭВМ и автоматических устройств. В горнодобывающей промышленности западных стран в последние годы большое внимание стали уделять организации маркшейдерской службы и улучшению ее структуры. В Рурском угольном бассейне, где ежегодная добыча более 80 млн. т угля, в акционерном обществе «Рурколе» существует трехступенчатая структура: непосредственно на предприятии функционирует инженерный отдел, занимающийся составлением и регулярным пополнением горной графической документации, изучением геологических условий, планированием очистных и подготовительных работ, изучением сдвижения горных пород. Для 5—7 предприятий с годовой добычей 10—15 млн. т создается промежуточное звено маркшейдерской службы, выполняющее капитальные и специальные маркшейдерско-геодезические работы с привлечением для этого современных высокопроизводительных приборов, устройств и ЭВМ (гиротеодолитов, квантовых генераторов, установок для аэро- и фотограмметрических съемок и др.). Основные штаты маркшейдерской службы сосредоточены в первых двух подразделениях. При дирекции комбината находится сравнительно небольшая группа, осуществляющая методическое руководство и контроль ведения маркшейдерских работ и занимающаяся общими вопросами планирования горных работ, вопросами поддержания поверхностных сооружений при их подземной подработке и рекультивацией подрабатываемых территорий. В ряде стран в маркшейдерских работах наблюдается тенденция увеличения удельного веса наблюдений за сдвижением горных пород как при подземной, так и при открытой разработке полезных ископаемых. Сдвижение земной поверхности под влиянием подземных разработок замечено еще в XV—XVI вв., но пристальное внимание этим вопросам стали уделять в XVIII и особенно в XIX вв. в Бельгии, где производство подземных работ отражалось на зданиях и стало угрожать правильному режиму снабжения водой г. Льежа. Во второй половине XIX в. начали изучать закономерности оседания и обрушения горных пород, в результате чего вначале появилась теория нормалей, выдвинутая Туалье в 1838 г., а затем теория Гоно в 1858 г., по которой сдвижение подработанной толщи развивается по нормалям к пласту. Затем в 1885 г. появилась теория купола, предложенная Файолем, основная идея которой заключалась в том, что зона сдвижения пород ограничивается куполообразным пространством. В конце прошлого столетия появились работы Джигинского, в которых отмечалось, что на процесс сдвижения влияют мощность залежи, угол падения залежи, глубина разработок, свойства налегающих пород. Большое значение в правильное представление о характере развития процесса сдвижения имела теория Гаусса (конец XIX в.), в которой рассматривались две различные зоны сдвижения горных пород; зона обрушения, или зона, комбинированная из обрушений пород и прогибов пластов, а также зона прогибов. В первой четверти XX в. исследования в области сдвижения горных пород проводили О’Донагю, установивший ряд значений углов оседания, Гольдрейх, отметивший различие в протекании процесса сдвижения в коренных породах и наносах и высказавшийся впервые по вопросу распределения горизонтальных сдвижений в пределах мульды. Бриггс, связавший углы разломов в горных породах с величинами сопротивления пород сжатию и разрыву и установивший, что в твердых и хрупких породах углы сдвижения круче, чем в породах, обладаюш,их меньшей крепостью. Первые правила охраны были разработаны в конце XIX в. Дортмундским горным управлением (Германия) по данным широких инструментальных наблюдений, после этого инструментальные наблюдения за сдвижением горных пород начали проводиться на горных предприятиях Чехии, Великобритании, США, Франции и других стран. В предвоенные, а особенно в послевоенные годы в области исследований сдвижений горных пород много внимания уделялось разработке методов предрасчета деформаций горных пород. Одни из первых схем предрасчета сдвижений поверхности были предложены Кейнгорстом и Балсом, в основу которых были положены идеи о том, что на каждую точку земной поверхности по определенному закону действует часть выработанного пространства, ограниченная углами сдвижения. Значительных результатов в создании методов предрасчета сдвижений пород достигли польские ученые Литвинишин, Будрык, Кнотте, Салустович. На территории нашей страны первые сведения о подземных довольно сложных разработках относятся к I в. до н. э., что подтверждается раскопками на Южном Урале и в Северном Казахстане. Первое русское горное законодательство, в котором отражены вопросы маркшейдерского дела, было составлено в 1734 г. В.Н. Татищевым и носило название «Заводской устав». Один из основоположников отечественной маркшейдерской науки В.И. Бауман отмечал, что значение маркшейдерского дела было по достоинству оценено первыми русскими деятелями горной администрации. В уставе В.Н. Татищева маркшейдерскому делу были посвящены материалы, которые обязывали маркшейдера; 1) иметь правильные плоские чертежи каждой рудокопи с отражением на них условий залегания, всех особенностей разработки рудника и пополнением их своевременно новыми работами; 2) пополнять и исправлять общие планы данного округа по правилам, изложенным в особой инструкции Академии наук, куда должны представляться копии готовых планов уезда или провинции. М.В. Ломоносовым в 1763 г. был издан труд «Об измерении рудников» — первая в нашей стране работа, в которой обстоятельно излагались все вопросы маркшейдерского дела того времени и которая явилась частью капитального сочинения «Первые основания металлургии или рудных дел». Здесь М.В. Ломоносов дал описание висячей буссоли и висячего квадрата, мерного жезла, принадлежностей для вычерчивания маркшейдерских чертежей, в том числе поперечного масштаба, а также привел случаи решения различных маркшейдерских задач, например способ определения на земной поверхности места заложения вертикального ствола шахты, которая должна соединяться с системой горизонтальных горных выработок, являющихся продолжением штольни. Однако начиная со второй половины XVIII и до начала XIX в. в горной промышленности России сложилась обстановка, не способствовавшая развитию маркшейдерского дела, усугубившаяся после издания в 1782 г. манифеста Екатерины И, в котором устанавливалось право собственности землевладельца на недра и запрещался всякий контроль деятельности горнозаводчиков. В 1773 г. в Санкт-Петербурге было основано горное училище (ныне Ленинградский горный институт), в котором с первых дней его существования был учрежден маркшейдерский класс, где выпускники получали солидную по тому времени подготовку. Первый учебник по маркшейдерскому делу «Практическая подземная геометрия» был опубликован в 1805 г. преподавателем Петербургского горного училища А.И. Максимовичем. В нем автор изложил подробную методику съемки горных выработок подвесными инструментами. Крупным событием в истории маркшейдерского дела явилось опубликование в 1847 г. профессором Петербургского горного училища П.А. Олышевым (1817—1896 гг.) учебника «Маркшейдерское искусство». В нем автор описал разработанный им независимо от немецких маркшейдеров теодолит с внецентренной трубой, нивелир и методику вычисления координат пунктов теодолитных ходов и дал аналитическое решение задачи о проведении выработки встречными забоями. Внедрение в маркшейдерскую практику теодолитной съемки и составление планов по координатам имели исключительно большое значение для дальнейшего развития техники и методики подземных съемок. Существенный вклад в развитие маркшейдерского дела в России был сделан проф. Г.А. Тиме (1831—1910 гг.) работами «О производстве и вычислении маркшейдерских триангуляций», «Геометрические способы ориентирования подземной съемки», «Определение астрономического меридиана для маркшейдерской съемки». Г.А. Тиме, обративший серьезное внимание на крупные недостатки в развитии маркшейдерского дела в России, заключавшиеся главным образом в разобщенности съемок отдельных рудников и шахт, отдал много сил созданию в горнопромышленных районах единых местных сетей опорных пунктов триангуляционным путем. Им также была проделана большая работа по разработке геометрических способов ориентирования подземных выработок. Следующий крупный этап в развитии отечественного маркшейдерского дела связан с деятельностью проф. В.И. Баумана (1867— 1923 гг.), научная и производственная деятельность которого была исключительно плодотворной и разносторонней. Им опубликован ряд фундаментальных трудов; «О выборе системы координат для маркшейдерских карт и планов» (1887 г.), «Курс маркшейдерского искусства» в трех томах (1905 г.), «К вопросу о сбросах, сдвигах и других смещениях жил и пластов» (1907 г.), «К вопросу об определении запасов месторождений» (1908 г.). Профессором В.И. Бауманом проведены крупные организационно-технические мероприятия, под его руководством и при непосредственном участии в Донбассе была создана триангуляция бассейна, в результате чего были получены условия съемки шахт в единой системе координат. Совместно с проф. П.М. Леонтовским им была организована работа первого съезда маркшейдеров Юга России, на котором были обсуждены предложения о реформе маркшейдерской службы России. В дореволюционные годы началась производственная и научная деятельность проф. И.М. Бахурина (1880—1940 гг.), которым был разработан ряд вопросов по теории погрешностей, способу наименьших квадратов и их использованию при оценке точности и уравнивании маркшейдерских съемок. В конце XIX и начале XX в. проходила плодотворная деятельность проф. П.М. Леонтовского (1870—1921 гг.). Им выполнен ряд важных исследований по методике маркшейдерских работ и маркшейдерскому приборостроению, но, самое главное, им было положено начало серьезным исследованиям в нашей стране сдвижения горных пород путем натурных наблюдений. Послеоктябрьский этап развития маркшейдерского дела охарактизовался бурным развитием маркшейдерского дела в нашей стране. Сразу же после гражданской войны по инициативе В.И. Баумана и П. М. Леонтовского созывается II Всероссийский съезд маркшейдеров (1921 г.), на котором были рассмотрены вопросы восстановления горнорудной и угольной промышленности и поставлены задачи перед маркшейдерами. Следуюш,ее десятилетие отмечено рядом других важных организационно-технических мероприятий: в 1925 г. в г. Харькове проводится съезд маркшейдеров юга России, в г. Свердловске — маркшейдеров Урала, в г. Томске — маркшейдеров Сибири. В 1929 г. проводится Первая всесоюзная маркшейдерская конференция, по инициативе которой была создана постоянная маркшейдерская комиссия при HTC горной промышленности ВСНХ. В 1932 г. в Ленинграде состоялся I Всесоюзный маркшейдерский съезд, одним из наиболее важных последствий которого было создание в Ленинграде в 1932 г. под руководством И.М. Бахурина Центрального научно-исследовательского маркшейдерского бюро (ЦНИМБ), выросшего в ведущий научный институт горной промышленности. И.М. Бахурин внес исключительно большой вклад в развитие советской маркшейдерской науки. В 1929—1931 гг. по его инициативе была организована маркшейдерская комиссия, оказавшая большое влияние на улучшение постановки и организации маркшейдерского дела. Круг вопросов, которыми занимался и.м. Бахурин, практически включал все направления маркшейдерского дела; проведение выработок встречными забоями, теорию накопления погрешностей в рудничных полигонах, теорию случайных погрешностей и способ наименьших квадратов, теории физического (особенно магнитного) и геометрического ориентирования шахт, погрешности ориентирования через один и два вертикальных ствола, маркшейдерское приборостроение, сдвижение горных пород. Итогом его исследований вопросов методики маркшейдерских работ явилось издание в 1932 г. «Курса маркшейдерского искусства» (специального курса), ставшего настольной книгой многих поколений маркшейдеров. По инициативе И.М. Бахурина были организованы начиная с 1919 г. широкие инструментальные наблюдения за сдвижением горных пород. Результаты исследований сдвижений горных пород были им обобщены в монографии «Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок» (1940 г.). Большая заслуга в развитии маркшейдерского дела принадлежит проф. П.К. Соболевскому (1868—1949 гг.), который впервые в 1904 г. организовал в Томском технологическом институте выпуск специалистов-маркшейдеров. С именем П.К. Соболевского связано появление нового направления маркшейдерского дела, сформировавшегося в дальнейшем в самостоятельную науку — геометрию недр, в основу которой была положена теория геометрии потока. При этом любое месторождение полезного ископаемого в общем случае рассматривалось как геохимическое поле, которое можно представить в виде поля промышленной концентрации различных компонентов или в виде поля структурных особенностей месторождения. Основные положения геометрии недр были опубликованы П.К. Соболевским в 1932 г. в журнале «Социалистическая реконструкция и наука». Впервые геометризация была применена П.К. Соболевским в Донбассе в 1901 г. при составлении пластовой карты по Харцызско-Донецкому месторождению. В 30—40-е годы, когда в нашей стране остро стояла задача разведки и освоения большого числа новых месторождений и была большая необходимость в изображении на различных горногеометрических графиках их особенностей, под руководством П.К. Соболевского были проведены обширные работы по геометризации многих уральских, алтайских и других месторождений, ускорившие развитие этих месторождений. На базе созданного им в 1908 г. метода изолиний П.К. Соболевский предложил новый метод подсчета запасов, получивший название «Метод изолиний проф. Соболевского». Много и плодотворно работал в области маркшейдерского дела, особенно геометрии недр, ученик П.К. Соболевского — проф. П.А. Рыжов (1903—1974 гг.), вся научная и педагогическая деятельность которого была тесно связана с производством. П.А. Рыжов был ученым-новатором, создавшим по существу три В последующие годы на основании инструментальных наблюдений за сдвижением, организованных практически во всех угольных бассейнах и на рудных месторождениях, были составлены «Правила охраны сооружений» для Донецкого, Криворожского, Кузнецкого, Карагандинского, Кизеловского, Львовско-Волынского бассейнов, «Правила охраны для месторождений руд цветных металлов с неизученным характером процесса сдвижения», инструкции по наблюдению за сдвижением на угольных и рудных месторождениях. В связи с необходимостью оценки ожидаемых деформаций зданий и других объектов и выбора мероприятий по их охране усиленно проводились и проводятся исследования по прогнозу ожидаемых деформаций земной поверхности и толщи горных пород. Начатые проф. С.Г. Авершиным в послевоенные годы, они продолжены рядом авторов (С.П. Колбенковым, И.А. Петуховым, В.Н. Земисевым и др.) и послужили основой для составления руководств по расчету сдвижений земной поверхности. ВНИМИ совместно с другими институтами были проведены наблюдения условий подработки сооружений. Исследования количественных зависимостей взаимосвязи деформаций земной поверхности и фундаментов зданий позволили выбрать принципиальные методы проектирования и расчетов мероприятий по предохранению зданий от деформаций при их возможной подработке горными работами. Получены положительные результаты в определении возможностей безопасной подработки водных объектов, отработки сближенных (надработанных и подработанных) пластов. Большая заслуга в развитии исследований сдвижения горных пород при открытых разработках месторождений принадлежит проф. Г.Л. Фисенко, издавшему по данному вопросу книги «Устойчивость бортов угольных карьеров» (1956 г.) и «Устойчивость бортов карьеров и отвалов» (1965 г.), в которых изложены основные результаты исследований условий возникновения деформаций бортов карьеров, методики расчета углов наклона бортов карьеров в реальных геологических условиях с учетом слоистого и трещиноватого строения горных пород, мероприятия по искусственному укреплению откосов, сложенных трещиноватыми скальными и рыхлыми породами. Серьезные задачи перед маркшейдерской наукой страны были поставлены в период восстановления шахт и рудников, выведенных из строя в результате оккупации горнопромышленных районов немецко-фашистскими войсками. Большая заслуга в этот период в выполнении огромного объема маркшейдерских работ принадлежала Союзмаркштресту и Главному управлению геодезии и картографии. В горнопромышленных районах в короткие сроки были созданы триангуляционные, полигонометрические и нивелирные сети в единой системе координат 1942 г. В послевоенный период ВНИМИ совместно с Харьковским заводом маркшейдерских инструментов (ХЗМИ) были разработаны и изготовлены современные по тем годам маркшейдерские инструменты: металлические и оптические теодолиты; нивелиры обычной конструкции и с самоустанавливающейся визирной осью; дальномеры, в том числе светодальномеры; дальномерные насадки; световой указатель направлений (УНС); автоматические профилографы для работ на разрезах и в шахтных стволах; глубиномер ДА и многие другие инструменты. На базе созданных В. Н. Лавровым и Б. Н. Никифоровым во ВНИМИ маркшейдерских гирокомпасов MB-1 и позже МВ-2 был разработан гироскопический метод ориентирования шахт. В связи с тем, что первые конструкции гирокомпасов имели большие массу и габариты, работы по конструированию этих инструментов были продолжены, и в настоящее время созданы конструкции, отвечающие современным требованиям (небольшая масса 3,5—4,5 кг, взрывобезопасное исполнение, достаточная точность). Это гирокомпасы типа MT, MBЛ-3, МВТ-2 (последний с торсионным подвесом чувствительного элемента ЧЭ). Проведены значительные работы по упорядочению и совершенствованию методики выполнения маркшейдерских работ, ВНИМИ были разработаны сначала первая, затем вторая (в 1971 г.) технические инструкции по проведению маркшейдерских работ, в которых дана новая классификация маркшейдерских подземных сетей. Произошло усовершенствование маркшейдерских работ, связанное с изменением технологии строительства шахт (возведением башенных копров, сооружением глубоких стволов). Разработаны высокоточные гироскопические инклинометры для съемки замораживающих скважин, широко применяющихся при специальных способах проходки стволов. В связи с необходимостью обработки больших объемов маркшейдерской информации проведено программирование маркшейдерских задач, разработаны программы решения основных маркшейдерских, геодезических и фотограмметрических задач на электронных вычислительных машинах. Заканчивая обзор состояния маркшейдерских работ, следует отметить высокий уровень отечественной науки, которая занимает передовые позиции в мировой маркшейдерской науке. |
