Эволюция горного дела

На протяжении многих тысячелетий своей начальной истории люди не знали употребления металлов. Выбор материалов для орудий труда у первобытного человека был ограничен: дерево, кость, шкуры животных, глина и, конечно, камень. Существуют различные теории о том, какой материал использовался первым.

Первыми орудиями труда горняков были, деревянные колья с обожжённым на огне остриём. Вполне естественно, человек мог применить копьё-кол для выламывания кремня из породы, а затем и для проходки ям и шурфов, действуя им как ломом. Но в узких и низких горизонтальных выработках было очень трудно развернуться с таким длинным орудием, и человек вынужден был переходить к коротким инструментам, непосредственно удерживаемым в руке. Поскольку этими орудиями нельзя было размахнуться, как колом, их приходилось делать более острыми и подбирать для них соответствующий материал.

В ранних шахтах Граймс-Грейвса при разработке мягких пород применяли заостренные длинные кости животных. Из лопаточных костей крупных животных (лошадей, оленей, быков, свиней) делали лопаты. Однако ни один из этих материалов не мог соперничать с камнем, так как с его помощью можно было изготовить орудие из любого другого материала.

За многие тысячелетия человек испробовал все попадавшиеся ему горные породы. В палеолите человек использовал от 13 до 30 минералов и горных пород, 6 ­­– 7 тыс. лет назад он различал уже около 40 минералов, 2 ­­– 3 тыс. лет назад, судя по индийским, греческим и римским источникам, было известно 59 минералов, в т. ч. самородные: жемчуг, янтарь и кораллы. В списке-каталоге камней ­­– лапидарии ­­– знаменитого монаха Альберта Магнуса насчитывается 96 минеральных веществ. В лапидарии Камилла Леонарда «Зеркало камней» упоминается уже 279 минеральных веществ. Сейчас известно около 3 000 минералов и их разновидностей и ежегодно учёные открывают 15 ­­– 20 новых минералов.

Со временем человек выработал требования к хорошему камню: он должен быть твёрдым, легко обрабатываться, давать острую кромку при скалывании и быть широко распространённым на поверхности земли. В наибольшей степени этим требованиям отвечал кремень, хотя, при его отсутствии, да и параллельно с ним, использовались также нефрит и кварцит, окаменелое дерево и кремнистый туф, риолит, порфир, долерит, фельзит, алевролит, базальт, амфиболит, обсидиан (вулканическое стекло), яшма, кварцитовый песчаник, андезит и т.д.

Мезолит (средний каменный век или переходный этап от палеолита к неолиту) выделяется, прежде всего, высочайшим развитием техники отделения ножевидных пластин, включая получение микропластинок. В это же время получает наибольшее в каменном веке распространение изготовление орудий из ножевидных пластинок. Широко употребляется производство различных микролитов, в том числе орудий геометрических форм: сегментов, трапеций, треугольников, прямоугольников, параллелограммов.

Развивается микрорезцовая техника, применявшаяся для изготовления микролитов. Широко распространяется изготовление рубящих орудий ­­– топоров, тесел, долот; макролитических специализированных орудий ­­– мотыг и кайл. В ряде мезолитических культур появляется техника шлифовки каменных орудий, а также техника сверления и пиления.

Но для того, чтобы в совершенстве освоить обработку камня, необходимо располагать им в большом количестве. С другой стороны, постоянно совершенствовались орудия из дерева, рога и кости. Они вытесняли камень, что позволяло людям обживать районы, где он отсутствовал. Дерево и кость, тем не менее, обрабатывалось каменными орудиями. В своих миграциях всякое племя периодически должно было посещать районы, где выходы камня встречались, причём, в таких местах постепенно возникали настоящие карьеры, где веками, сменяясь, вело добычу камня множество племён.

Карьеры возникали потому, что камень пригодный для орудий найти было совсем непросто. Распространённые известняк и гранит не подходили. Для изготовления микролитов, ножевидных пластин, наконечников и топоров требовались жёлтый кремень, обсидиан, кварц или яшма.

Собирательство каменного сыръяь как технология освоения недр древним человеком, предшествовало целенаправленной разработке недр восходит к раннему палеолиту (2.5 млн лет ­­– 35 тыс. лет назад). Период характеризуется отбором с поверхности Земли каменного материала (обломки камней и гальки), которые могли быть применены без какой-либо обработки или после скалывания для резания или рубящих действий.

Примитивное собирательство высококачественного каменного материала с поверхности к концу периода постепенно сменяется целенаправленной добычей с некоторой глубины. Разыскивая качественный камень, человек неизбежно должен был обратить внимание на то, что свежеобнажённый кремень в осыпях оврагов гораздо удобнее в обработке н более стоек в работе. Уяснение этого открытия и недостаток поверхностного материала со временем заставляют человека перейти от собирательства камня на поверхности земли к его добыче из земли, рыть ямы или траншеи, а если кремень залегал в откосах оврагов, или на склонах холмов, то и горизонтальные ходы, пещеры. Они обнаружены на территории многих стран Европы: Спьен, Обур, Стрепи (Бельгия), Грамс-Грейвс, Сисберн (Великобритания), Мюр-де-Баррес, Шампиньоль (Франция), Ольборг, Хов (Дания), Мауэр (Австрия), Красное Село (СССР). По мере роста потребностей общества, усложнялась технология. Однако в древности глубина ведения горных работ ещё не могла быть ниже уровня грунтовых вод.

Для переноски руды использовались кожаные сумки, ивовые корзины, корыта. В качестве лестниц для спуска в шахты использовали зарубленные брёвна и высеченные ступеньки. Считают, что первоначально выработки освещались, как и жилища-пещеры, с помощью лучин, горящих пучков хвороста, смоляных и берестовых факелов, стружек очень смолистого дерева, костров. Позднее перешли к жировым лампам, вырезанным из кусков мела. В пос. Красноселье, в копях № 3 и 14, найдены лучины, в Шампаньоле ­­– каменные плошки-лампы округлой формы с плоским дном диаметром 5 ­­– 6 см и глубиной более 2.5 см, в Граймс-Грейвсе также найдены светильники ­­– чаши из мела. Известны находки светильников гигантских размеров ­– до 16 ­­– 18 см.

Однако приповерхностные разработки не могли длиться вечно - спустя какое-то время легкодоступный кремень извлекался, траншеи и ямы так углублялись, что человек не столько добывал нужный ему кремень, сколько «перелопачивал» ненужную ему породу. Вместе с тем горняки профессионалы накапливали опыт разработки и знание условий залегания кремня в данном регионе. Этот опыт подсказывал им, где можно ожидать лучшие по размерам или по качеству кремневые залежи, на какой глубине можно их встретить, а значит, и посчитать (хотя бы на пальцах), что дешевле: рыть ли до этой точки траншею или начать рыть в этой точке колодец, по современной терминологии ­­– ствол шахты.

На первых порах вскрывающие выработки могли быть самыми разнообразными, иногда даже, если полезное ископаемое залегало сплошным массивом близко к поверхности земли, напоминающими звериные лазы. Со временем эти выработки становятся более правильными, более регулярными, и большее распространение получают вертикальные стволы, поскольку они обеспечивали, во-первых, кратчайший доступ к залежи с наименьшим объёмом работ, во-вторых, были более безопасными при падении кусков породы, отслоившихся от стенок стволов.

Недостаток таких стволов очевиден: трудность передвижения по ним и подъёма горной массы. Поэтому предполагают, что наклонные стволы должны были появиться одновременно с вертикальными, поскольку они позволяли выходить из шахты и выносить груз без каких-либо приспособлений. Удобства, конечно, несомненные и в бельгийской Спьенне, где рядом с копью, в выемке, разместилась мастерская по обработке кремня, когда подземные работы подошли близко к этой мастерской, человек догадался короткой сбойкой соединить их, чтобы носить кремень в мастерскую по кратчайшему пути.

Пока не было очистных работ (в современной терминологии), не было и стволов: были ямы, шурфы и т. п. выработки. Ствол обеспечивает доступ к ПИ, очистными же работами вынимают сами полезные ископаемые.

Ствол вместе с очистными работами и составляют копь или шахту. Очистные работы появились с увеличением затрат труда на вскрытие, когда принцип экономии стал диктовать шахтёру: поменьше проводить стволов по пустой породе и побольше ­­– очистных выработок по ПИ. Человек начинает робко выходить за пределы ствола, делать подбои, ниши ­­– небольших размеров выработки, длина которых определялась длиной руки с зажатым в ней инструментом.

Ранние очистные работы представляли собой камеры, размеры которых определялись условиями залегания кремня: узкие и низкие, они с трудом пропускают человека там, где кремень редок, и достигают значительных размеров в местах его скоплений. Камеры продвигались от ствола во всех направлениях, где только встречался кремень, и тянулись до тех пор, пока хватало воздуха для дыхания и позволяла устойчивость кровли.

Энеолит (4 ­­– 3 тыс. до н.э.) ­­– эпоха начального освоения металлов. Он знаменует начало перехода от техники каменного века к металлургии. В энеолите начинается использование меди, золота, свинца, а кое-где мастера ковали метеоритное железо. Бронзовый век ­­– исторический период, сменивший энеолит и характеризующийся распространением металлургии бронзы, кочевого скотоводства и поливного земледелия.

Самым важным из всех достижений в металлургии доисторического периода была разработка управляемого процесса выплавки бронзы. Первые опыты с расплавлением медных руд давали медь с разнообразными примесями, т. е. различные бронзы. Наилучшим оказался сплав меди с оловом, прежде случайно получавшегося иногда из руд, содержавших оба эти металла. Разгадка тайны этого сплава привела к коренному улучшению качества изделий из металла. Появилась возможность делать более твёрдые, сложные по форме и более долговечные изделия.

Руду отбивали каменными, а позднее ­­– металлическими молотами и зубилами. Крепление выработок осуществлялось в основном с помощью каменных «целиков», подъём руды на поверхность ­­– по лестницамвыступам, высекавшимся в стенках шахт, либо с помощью деревянных воротов-подъёмников в деревянных бадьях или кожаных мешках. Найдены также каменные платформы и куранты для «сухого» обогащения руд. Известны медеплавильни с металлургическими горнами и шлаковыми отвалами.

 Технология добычи включала: огневую и клино-молотковую отбойку, поддержание кровли целиками, деревянными стойками и рамами; уборку-доставку деревянными черпаками, корытами, волокушами; сортировку-обогащение дроблением и измельчением; вентиляцию специальными выработками, освещение - лучинами и др.

В конце 2-го тыс. до н. э. максимальная длина подземных выработок медных рудников достигла 150 ­­– 200 м, а сечение камер ­­– 280 ­­– 300 м².

С 5 ­­– 4-го тыс. до н. э. из среды общинников выделяются группы горняков-профессионалов, передававших свой опыт из поколения в поколение. Целые кланы и даже племена могли специализироваться в горном деле. Начинается эпоха металлических горных орудий.

Исследование хорошо сохранившихся подземных выработок («Айбунар» и «Рудна-Глава» на Балканском п-ове, «Вади-эль-Араба» на Синае, Гумешевский рудник на Урале, Зодский рудник в Армении, Калбинские рудники на Алтае и др.) позволяет составить представление о технологии работ в них. Для отбойки пород от массива использовались металлические долота и кайла. Форма подземных выработок, их трасса при протяжённости в сотни метров, повторяли конфигурацию рудного тела. Это вызывало необходимость предохранять выработки от обрушения, что достигалось различными путями. Первое, что отмечают при осмотре развитых горных работ, это повсеместное применение камерной системы разработки, когда между соседними камерами оставались не вынутые целики породы в виде стенок, которые и служили опорой нависающих пород. Одновременно с оставлением сплошных целиков в виде стен между камерами, или несколько позже, родился ещё один метод поддержания - оставление целиков в виде столбов в местах появления плохой кровли, грозившей обвалом (Мюр-де-Барре, Франция; Кшемёнки, Польша) и, вероятно, ещё позднее ­­– выкладывание искусственных стенок из обломков породы (Португалия).

При оставлении целиков верхняя часть камеры или кровля выработки, как говорят горняки, приобретала сводчатую форму из-за трудности обработки углов. Позднее, наблюдая обвалы в выработках и образующийся при этом свод, человек приходит к сознательному приданию выработкам такой сводчатой формы.

Для выемки руд из близповерхностных залежей начинают выкапывать ямы и котлованы значительных размеров, оставляя между ними участки массива пород. Выработки типа карьеров достигали длины 100 м и более, глубины 20-30 м. Древний медный карьер в урочище Кенгазган (Центр. Казахстан) имел длину до 500 м, ширину до 100 м, глубину до 18 м; на Синайском полуострове древний медный карьер (долина Кариг) представлял собой котлован длиной до 100 м, шириной 10 м, глубиной 9 м.

К периоду Нового царства в Египте (около 1580 ­­– 1070 до н. э.) появляются первые горные чертежи: самая древняя в мире карта ­­– Туринский папирус ­­– план золотого рудника времён 19-й династии.

Складываются навыки и приёмы подготовки руд к плавке, в частности разделение их в водной среде с использованием разности в плотности минералов. Возникает новая область горного дела ­– обогащение полезных ископаемых.

В качестве дробильных орудий начинают использовать каменные молотки, а также цилиндрические песты и тёрочники.

Приобретённые навыки сооружения горных выработок позволили строить подземные системы водоснабжения. Так, колодец Иосифа в Каире включает 2 ствола - верхний (глубиной 50 м) и нижний (глубиной 40 м), между которыми была создана куполообразная камера с бассейном для накопления воды, вычерпываемой из нижнего ствола. Вода из бассейна на поверхность подавалась в глиняных сосудах, подвешенных к верёвке (т.н. нориях).

Следующим этапом развития горного дела и человеческой цивилизации в целом было открытие железа. Железный век, характеризующийся распространением металлургии железа и изготовлением железных орудий, сменил бронзовый век в основном в начале 1-го тысячелетия до н. э. Представление о трёх веках ­­– каменном, бронзовом и железном ­­– возникло ещё в античном мире (Тит Лукреций Кар).

Железный век сравнительно с предыдущими археологическими эпохами (каменным и бронзовым веками) очень короток. Его хронологические границы: от 9 ­­– 7 вв. до н. э., когда у многих первобытных племён Европы и Азии получила развитие собственная металлургия железа. Поскольку и поныне железо остаётся важнейшим металлом, из сплавов которого изготовляются орудия труда, для археологической периодизации первобытной истории применяется также термин «ранний железный век».

Но получить железо из руд гораздо труднее, чем медь. Плавление железа было для древних металлургов недоступным. Ведь вся история металлургии - это, по сути, история получения всё более высокой температуры.

Скажем прямо, в первых примитивных печах вообще нельзя было достичь такого нагрева, чтобы расплавить металл. Золото, серебро, медь удавалось расплавить уже в первых гончарных горнах, а железо - нет: температура его плавления 1539°С, а горн с мехами давал не более 1100°С. Возможность же расплавить металл означала замену тяжёлой и трудоёмкой ковки гораздо более производительным литьём, позволяла легко и быстро изготовлять инструменты и оружие любой формы. При температурах 1075°С и выше уже далее без добавки костной смеси (CaO, Р₂O₅) образовывались такие железные крицы, которые можно ковать. Как известно, медь плавится при 1083°С, и получается, что металлургия чистой меди и лселеза могли возникнуть одновременно. Железо получали в тестообразном состоянии с помощью сыродутного процесса, который состоял в восстановлении железной руды при температуре около 900 ­­– 1350°С в специальных печах ­­– горнах ­­– с вдуванием воздуха кузнечными мехами через сопло. На дне печи образовывалась крица - мельчайшие затвердевшие комочки, затерянные в массе шлака. Эту смесь приходилось повторно нагревать и многократно проковывать, чтобы удалить шлак и получить из разрозненных капелек сплошной кусок железа. И для того времени это была сложная технология. Овладев ею, человек получил большую выгоду. Железные орудия в древности все были кованые, а медные и бронзовые орудия ­­– обычно литые. Этим объясняются многие археологические различия в формах вещей.

Кирка стала первым специальным орудием горняцкого труда. Слово «кирка» греческого происхождения и обозначает как собственно кирку, так и мотыгу. В русском языке оно употребляется с XVII века. Но сам инструмент, разумеется, гораздо старше. Как и у большинства подобных инструментов, у кирки нет автора-изобретателя. Кирками пользовались уже в Древнем Египте. Да и позже, на протяжении веков, она оставалась главным орудием горняка.

Замена бронзовых и каменных горных орудий на железные позволила усовершенствовать технологию горных работ: возрастают темпы проведения горных выработок, их глубина и протяжённость, растут масштабы добычи ПИ ­­– руд железа, меди, золота, серебра, свинца, мышьяка, мрамора, каменной соли и др.

Простейшие железные орудия труда горняков - кирка, кайла - просуществовали очень долго, вплоть до 20 века.