Маркшейдерия и недропользование

Зачатки знаний об окружающем мире уходят своими корнями в глубокую древность, к истокам самой жизни. Но только с возникновением и развитием рабовладельческого общества создались условия для целенаправленного обобщения знаний. Астрономия и геометрия, как области знаний, наиболее приспособленные к решению повседневных вопросов жизни общества, оказались на переднем рубеже развития общественного сознания. В частности, в истории геометрии этапным стал александрийский (эллинический) период развития древней науки (III- I вв. до н.э.), когда она сформировалась как самостоятельная научная дисциплина. Этот период связывается с именами великих греков: Эвклид, Архимед, Птоломей Ктезибий, Герон Александрийский, Витрувий.

Эвклид подвел итог и обобщил в своих «Началах» все знания в области математики, накопленные предшествующими поколениями. Он создал совершенную и законченную систему элементарной геометрии, придав ей логическую строгость, лаконичность определений, безупречность в построении доказательств. Эти «Начала» и сегодня служат образцом построения теорий от обозначения объекта и предмета исследований к оконтуриванию целей и задач, формулированию основных понятий и определений, до обоснования исходных положений, аксиом (принимаю) и постулатов (утверждаю). Вплоть до XVIII в. эти основания геометрии оставались незыблемыми.

Маркшейдерское дело (маркшейдерское искусство) возникло как естественный ответ умельцев-межевиков на запросы развивающегося горного промысла в части фиксирования, учета и контроля проходческих и добычных работ. Однако, только к началу XVI в. созрели объективные предпосылки для организации специальной службы по обеспечению подземных горных работ системой геометрических измерений с целью ориентирования проходческих выработок в шахте и увязки их с ситуацией на поверхности. Уже девятнадцать столетий геометрия была на пьедестале знаний и на службе цивилизации; строительная индустрия не могла обойтись без высокоточных геометрических измерений, проходка подземных горных выработок требовала «штурмана», обеспечивающего проходку горных выработок, — ремесленник-межевик стал именоваться маркшейдером. Навсегда судьба маркшейдера стала связана с горным производством. Естественно поэтому считать, что этапы становления маркшейдерского дела в определенной степени отражают исторический путь горного производства и горной науки.

Археологические сведения датируют исторические памятники горного зодчества XVI-XIV веками до н.э. — в музее г. Турина хранится пергамент с изображением горных выработок золотого рудника. Раскопки в Африке и Европе обнаружили следы древнейших горных выработок в виде ям, копий (Львиная пещера в Свазиленде на юге Африки, в Египте близ Кены, в Бельгии близ Лимбурга, в Венгрии), датируемые 10-12 тыс. лет до н.э. В древнем Риме была пройдена штольня длиной около 6 км встречными забоями из 40 вертикальных и 70 наклонных шахтных стволов, проведенных по оси штольни. При строительстве Древнего Суэцкого канала (около 500 лет до н.э.) нивелирные профильные съемки выполнялись с помощью водяного нивелира «хоробата», представлявшего из себя шестиметровый желоб, наполненный водой. Многочисленны свидетельства о достаточно распространенном горном промысле на территории России (Урал, Зауралье, Сибирь, Алтай, Кавказ).

Сам термин «маркшейдер» приоткрывает завесу тайны своего происхождения и «родословной». Термин этот заимствован от старонемецкого «Marksheide», что буквально переводится как знак раздела, a «Marksheider» обозначает тот круг специалистов-землемеров (межевиков), которые связаны исключительно с обеспечением горных работ и которые именовались как рудничные землемеры. Становление профессии «маркшейдер» предположительно следует отнести к периоду достаточно развитого горного промысла, когда наряду с чисто измерительными работами в процессе проходки горных выработок возникла потребность в создании законодательно-нормативных актов и юридической базы для контроля за распределением участков земли, предназначенных для ведения горных работ.

Первое горное право было издано в 1249 г. в Иглаве (Чехия), затем - в 1256 г. в г. Быстрица (Словакия). В 1356 г. германский император Карл IV изданием «Золотой буллы» закрепляет за князьями право на использование земельных участков для производства добычи полезных ископаемых; предписание о необходимости производства маркшейдерских измерений содержит «Горный устав рудокопов» Шладминта (1408 г.); штатные маркшейдеры устанавливались «Горным уставом рудокопа» Шварца (1449 г.); в 1574 г. выходит «Руководство по землемерию и маркшейдерии» Э. Райнхольда, а в 1556 г. Г. Агрикола выпускает энциклопедический труд «О горном деле и металлургии». Однако выработка специальных приемов (методик) различного рода специальных измерений уходит своими корнями в эпоху расцвета Египта, Вавилона, Римской империи, в эпоху становления геометрии как науки.

Прямым прародителем «межевых дел мастера» все же следует считать «строителя». Великие зодчие древнейших культур Старого мира уже владели приемами геометрических измерений длин, площадей, объемов, установления горизонта, ориентирования по сторонам света. Имеются достаточные основания считать, что в этот исторический период уже широко использовался способ отображения подземных горных выработок, описанный Героном Александрийским (I в. до н.э.) в своем труде «О диоптре». В шахте от двух отвесов путем линейных измерений создавалась сеть треугольников, вершины которых закреплялись специальными марками в стенках выработок. По этим же замерам с привязкой к отвесам воспроизводилась сеть треугольников на поверхности с закреплением колышков. Используя принцип подобия, строились достаточно примитивные эскизы, совмещавшие горизонтальную проекцию горных выработок с изображением на поверхности. Вплоть до начала XVII в. «графическая» документация маркшейдеров представляла собой, хотя и тщательно исполненные, все же эскизные варианты.

От эпизодического привлечения межевиков для обозначения границ-участков на поверхности к постоянному определению этих границ в шахтах и штольнях — таковы первые шаги, определившие путь специализации ремесленников — межевиков к обслуживанию горного промысла. Это были искусные мастера своего дела, знающие основы геометрии и применяющие их в сложных реальных условиях при строительстве рудников. Уже во второй половине XV в. круг задач маркшейдера включал в себя: разбивку участков на поверхности и подсчет площади их; контроль за проходкой стволов, штолен и вынос в натуру подземных границ участков, отведенных для ведения горных работ; создание единой опорной сети «поверхность — шахта» и проведение на этой основе сбоек горных выработок. Естественно, что для этого нужны были особые инструменты, особые приемы выполнения работ для обеспечения точности измерений и люди с особой подготовкой. Формировалась специальная служба государственного статуса с особыми правами. Эту службу государство наделяло полномочиями производить оформление заявок и ходатайств на приобретение в собственность участков. Интересы правительственных структур отстаивал наместник и назначенный им бергмейстер: «первому открывателю рудной жилы отводился головной прииск, а именно 7 простых ленов (погонный лен содержит 7 лахтеров или 7x2,0925 = 14, 65 м), а король или князь и его супруга, а также сановитые царедворцы и сам бергмейстер получали каждый по два лена». В таком соотношении делался обмер приобретаемого участка. В дальнейшем горная подать стала приниматься в размере десятины.

Примитивными были приспособления и инструменты. Лыковые канаты или толстые пеньковые веревки чаще всего применялись для измерения глубины шахт, используя два главных их свойства: прочность и отсутствие заметного растяжения (вытягивания), что очень важно для передачи «отметки» с поверхности в шахту. Малые треугольники (приспособления) делались из деревянных реек, а для измерения на поверхности создавался «бесконечный канат» (замкнутый), размеченный узлами или особыми метками на отрезки равной длины так, что при его растягивании на площадке мог образоваться прямоугольный треугольник с равными катетами (угол 45°), треугольник с соотношением сторон 3:4:5, надежно определяющий прямой угол (90°), подбиралось соотношение сторон для треугольника 30°:60°:90° (гипотенуза в два раза больше катета); специальный набор канатов позволял строить равнобедренные, равносторонние треугольники, тупо- и остроугольные треугольники, квадраты, прямоугольники, трапеции; для измерения угла наклона и провеса натянутого каната использовались полукруг с восковыми кольцами, уровень с отвесом, складные рейки с делениями разного размера; уже был известен компас. Ориентирование шахты (объединение в одну систему измерений подземных выработок и устья стволов) производилось построением треугольника в плоскости «устье ствола — устье штольни». Использование свойства подобных треугольников позволяло с определенной точностью получать «координаты» устья штольни и направление подземных выработок.

Наибольшие трудности в системе линейных изменений подобной схемы связывались с определением сторон, так как на местности всегда имеют место препятствия, не позволяющие произвести точных наблюдений и измерений. Каждый маркшейдер имел свое «ноу-хау», которое хранил в тайне, передавая свои знания только наследникам или ученикам. То, что сегодня именуется системой полярных координат, естественно и непринужденно нашло широкое применение в маркшейдерской практике съемочных работ. Этому способствовали астрономические наблюдения, совершенствование инструментария, приспособлений, методик, приемов, подробно описанных Г. Агриколой. Значительным шагом в развитии маркшейдерских съемок стало применение компаса, изобретенного еще в Китае в III в. до н.э. и завезенного в Европу только в X-XI вв. Заимствованный у мореплавателей, компас в виде вассер-буссоли, стал применяться в практике маркшейдерских измерений в XII в. Вассер-буссоль представляла собой сосуд с водой, в котором плавал поплавок с магнитом и который устанавливался в направлении магнитного меридиана.

Горное производство всегда нуждалось в графическом материале, который позволял бы свободно ориентироваться в пространстве при строительстве и функционировании предприятия. Но характер горного строительства был настолько прост, что с этими задачами справлялись рядовые землемеры. Пользуясь висячим компасом и транспортиром, а для измерения длин пятилахтерной цепочкой, они составляли рудничные (маркшейдерские) планы, на которых изображались горные выработки, границы владений, характерные особенности дневной поверхности. Учитывая, что триангуляционной опорной сети не существовало, точность всех этих построений не могла быть высокой.

Первое описание горного компаса с магнитной стрелкой на оси относится к 1505 г. (Даниель). В 1560 г. Ямнитцер изобрел подвесной компас и полукруг; компас с визирным приспособлением появляется в 1574 г., а в 1663 г. Рассел (Германия) сконструировал подвесную буссоль, специально предназначенную для производства маркшейдерских съемок. Компас и буссоль являлись единственными достаточно точными инструментами в практике маркшейдерских измерений вплоть до изобретения теодолита (1847 г. - П.А. Олышев, Россия; 1850 г. - Ю. Вейсбах, Германия. Ю. Вейсбах применил свой теодолит для проведения сбойки встречными забоями водоотливной штольни длиной около 15 км).

Постоянно развивающееся вглубь и вширь горное производство требовало существенного повышения точности измерений, поскольку примитивные методы, способы и приспособления с увеличением объемов съемочных работ приводили к значительным погрешностям в ориентировании и положении горных выработок. Необходимость прин ципиального улучшения методики и техники маркшейдерского обеспечения горного производства «стучалась в дверь». Но искусственно созданная замкнутость «маркшейдерской касты», которая не только не пропускала в свой цех сторонних геодезистов, но и сама недостаточно следила за достижениями и развитием геодезии и астрологии, мешала этому естественному процессу обновления. Вместе с тем, геодезисты и астрономы занимались аналогичной системой измерений, но для других целей и другими, значительно более совершенными инструментами.

Значительный вклад в горнозаводское дело внес М.В. Ломоносов. В 1763 г. Академия наук (по прошествии двадцати лет после написания) издала его фундаментальную работу «Первые основания металлургии или рудных дел», в которой он, подобно Г. Агриколе, обобщил весь комплекс знаний о горном деле, выдвинул новые идеи в рудничной геологии, развил методы и технику маркшейдерских измерений. Он изобрел масштабную линейку, используемую в настоящее время, сконструировал висячую буссоль и квадрант.

Вся история развития маркшейдерского искусства лишь подтверждает общую направленность развития естествознания и цивилизации, заключающуюся в прогрессивном характере возникновения идей, их реализации, в расширении сферы производственной деятельности общества по освоению среды обитания, в создании все более совершенных способов и средств, направленных на интенсификацию производства продуктов и условий жизнеобеспечения.

Потребность в горнорабочих и горных специалистах привела к идее их целенаправленной подготовки. В первой половине XVIII в. создаются школы и училища в Германии (1702 г., Фрайберг), России (1709 г., Невьянск), в Чехии (1716 г., Иохимсталь). Появляются первые учебники по маркшейдерии (И.Г. Югель — 1744; Ф.В. фон Оппель — 1749; А. Бейер — 1749), а в 1780 г. в Руре выходит первая маркшейдерская инструкция. Однако к середине XVI11 века уже стало вполне очевидным, что очень зауженная специализация при подготовке маркшейдеров не соответствует требованиям времени. Горный промысел перерастал в самостоятельную отрасль общественного производства, став во главе его и стимулируя развитие всех его направлений. Горные работы уходили вглубь, протяженность выработок измерялась километрами, постоянные «нестыковки» возникали от несовершенства измерений как линейных, так и в большей степени угловых величин — элементарные сведения геометрии перестали удовлетворять новым требованиям к качеству выполнения маркшейдерских работ.

Во второй половине XVIII в. в Европе стали создаваться высшие учебные заведения по подготовке специалистов широкого профиля для горного производства (Прага — 1762 г.; С.-Петербург — 1773 г., Клаусталь — 1775 г., Мадрид — 1777 г., Париж — 1783 г.). Преподавание маркшейдерского дела испытывало влияние немецкой школы, обучение велось по переводным учебникам И.Ф. Вайдлера (1764 г.) и Ф.Л. Канкрина (1791 г.); первый учебник по маркшейдерскому искусству в России издан в 1805 г. преподавателем Горного института А.И. Максимовичем «Практическая подземная геометрия», а в 1825 г. основан «Горный журнал» — первый печатный орган по горному делу. К середине XIX в. расширился арсенал маркшейдерских инструментов, в основном за счет развития маркшейдерского приборостроения в Германии (заводы Цейсса, Феннеля, Брейтгаупта, Гильдебрандта). Продукция этих заводов (теодолиты, нивелиры, деклинаторы, зеркальные и подвесные буссоли, шахтные ленты, отвесы и т.д.) по номенклатуре и качеству превосходила продукцию других стран.

Наглядность отображения действительности составляет снову научных знаний. Во второй половине XVII в. Рассел (Германия) усовершенствовал способ изображения горных выработок на планах для выполнения соединительной съемки Хауссе предложил воспользоваться методом Ганзена (1874 г.), а профессор Шмидт — методом Снеллиуса-Потенота; Вейс разработал способ створов с применением специальных салазок, а Фокс (1926 г.) — способ симметричного примыкания.

Необходимость расширения и совершенствования маркшейдерского обеспечения горных работ наглядным и масштабным отображением действительности диктовалась самой жизнью. Во всех ответственных работах, требовавших более точных наблюдений, следовало заменить примитивные инструменты и приспособления более совершенными геодезическими теодолитами и нивелирами, а методы обработки наблюдений пополнить более совершенными. Но только к середине XIX в. идея необходимости привлечения геодезии и геодезических методов в практику маркшейдерских работ стала проникать в умы маркшейдеров и получила свое оформление благодаря деятельности и инициативе геодезиста-маркшейдера Ю. Вейсбаха, профессора Фрейбергской горной академии, а в России — профессорами Г.А. Тиме и В.И. Бауманом.

Под влиянием этих работ в 90-х годах XIX в. целый ряд рудников Урала и Донбасса заменили старые маркшейдерские инструменты и приспособления на принципиально новые и, как выразился П.К. Соболевский, «заменены соответствующими изящными, портативными и высокой точности инструментами, художественными произведениями новейших прецизионных инструментальных мастерских». В связи с промышленным развитием каменноугольного Донецкого бассейна потребовалось и более глубокое изучение продуктивных толщ отложений в крупном масштабе (1:42000) с получением геологических карт. Осуществление этой грандиозной задачи требовало тесного сотрудничества геологии, геодезии, картографии и маркшейдерии. Возглавили такую работу в России профессора Петербургского горного института Л.И. Лутугин и В.И. Бауман, посвятившие этому грандиозному проекту всю свою жизнь.

Вейсбаховская маркшейдерия, как отмечал П.К. Соболевский, — это определенный этап, поворотный пункт в истории развития производственной маркшейдерской службы. В 1851 г. вышла первая, а в 1859 г. — вторая часть классического труда Ю. Вейсбаха «Новое маркшейдерское искусство», в котором опыт геодезических работ был применен к маркшейдерским практическим задачам. Это потребовало не только качественной ревизии всего маркшейдерского инструментария, инвентаря и методик, но и обоснования идеи закладки целой системы опорных пунктов специального (маркшейдерского) назначения с привязкой их к государственной триангуляционной сети и к государственному нивелированию. Все это в совокупности с горными задачами, поиском и разведкой месторождений, строительством коммуникаций и промсооружений на промплощадке горного предприятия, застройкой территорий горного отвода и многих других задач, означало широкомасштабное переустройство всего промышленного и строительного комплекса государства. Такая идея действительно требовала коренного и глубокого пересмотра всего предшествующего периода развития маркшейдерского искусства. Эта идея подводила черту кустарному ремесленничеству в маркшейдерии и подготавливала переход ее на промышленные рельсы бурно развивающегося капиталистического способа производства. Новое маркшейдерское искусство требовало подготовки высококвалифицированных кадров, в должной мере владеющих астрономо-геодезическими и математическими знаниями. В высших учебных заведениях создаются кафедры маркшейдерского, искусства: в Леобене (1861 г.), Клаустале (1864 г.), Фрайберге (1871 г.), Бохуме (1872 г.), Ахене (1881 г.), Петербурге (1899 г.).

В России новые идеи в маркшейдерии были восприняты сразу и с промышленным размахом. Развитие Донецкого угольного бассейна, Уральского горнопромышленного региона, Алтая, формирование золотодобывающего комплекса Сибири со всей необходимостью требовали нововведений в систему маркшейдерского обеспечения горных работ. Первый шаг в этом направлении был сделан профессором Петербургского горного института Г.А. Тиме. Изучив основы нового маркшейдерского искусства у самого Ю. Вейсбаха во Фрайнбергской горной академии, он в 1884 г. и в 1890 г. издал «Руководство к рудничному нивелированию и съемке рудников градусником и компасом». Издается первая в России маркшейдерская инструкция (1888 г.).

Новое маркшейдерское искусство базировалось на широком применении теодолита и принципов аналитической геометрии в создании опорного маркшейдерского обоснования и соединительных съемок, позволявших с большей степенью точности иметь на одном плане изображение подземных выработок, контуров дорог и рудничных построек на дневной поверхности. Ю. Вейсбах дал подробное описание и анализ способа ориентирования подземной съемки через одну вертикальную шахту с примыканием соединительным треугольником к двум отвесам. Этот способ стал классическим.

XIX век завершился тремя значительными явлениями: в маркшейдерском деле четко обозначились признаки и предпосылки к дифференциации, что свидетельствует о перерастании искусства в науку; в самостоятельные направления формируется инструментоведение и соединительные съемки; возникла необходимость наблюдений за процессом сдвижения горных пород под влиянием подземных горных работ и в связи с этим, обеспечение охраны зданий и сооружений. XX век начнется формированием новых научных направлений в горной науке, и в маркшейдерии в частности.

Ниже в таблице приведены основные вехи становления и развития маркшейдерского дела.

Этапы становления межевого ремесла и маркшейдерского искусства