В Российской Империи всегда был актуален вопрос становления горнодобывающей промышленности, формирование собственной экономики и внедрения наукоемких технологий, приспособленных под местные условия. Данные геодезической и рудничной съемок служили основой для учета энергоносителей — как лесов, так и недр (угля, нефти, оценки запасов руд и химического сырья), составления проектов добычи, рекультивации нарушенных земель и организации кадастра полезных ископаемых. Проводимая научно-исследовательская деятельность позволяла анализировать структуру природопользования, оценивать степень ее рациональности в разных природно-ландшафтных условиях, а также использования подземных ископаемых и сохранения разнообразия природных минеральных объектов. Следовательно, роль рудничной (горной) геодезии для развития государства была крайне велика. Одной из ключевых проблем России, как страны с суровыми природными условиями, являлась ее огромная зависимость от энергоносителей, методов и средств их добычи, и цен на них.
Маркшейдерские измерения с древности считались особо сложным делом. Первоначально маркшейдерия обозначалась термином «markscheidenkunst», в переводе с немецкого — «искусство устанавливать границы». Ответственность за производство измерений, расчеты мер охраны горных выработок и наземных сооружений, осмысление всего комплекса разработки месторождений при геометризации недр, делали из маркшейдера настоящего стратега. Поиски полезных ископаемых, разработка месторождений и составление документов особенно активно стали проводиться в XVII в. (документы составлялись «горными целовальниками» — служащими горного надзора Московской Руси). В царствование Федора Алексеевича (1661–1682) в государстве уже проводился учет районов горных промыслов. Но только в 1763 г. М.В. Ломоносов (1711–1765) издал свое сочинение «Первые основания металлургии или рудных дел», где в главе «О измерении рудников» была представлена первая техническая инструкция по производству маркшейдерских работ, и фактически разработан общий метод маркшейдерских съемок, обеспечивающий успешное решение многих практических задач. Им были описаны подвесная буссоль и висячий полукруг, которые вплоть до середины XIX в. стали основными маркшейдерскими приборами и продолжали выпускаться и во второй половине XX в.
Подвесную буссоль сконструировал в 1663 г. Рассел (Германия). Компасы и буссоли с магнитной стрелкой приобрели особое значение в подземной съемке. Штативная буссоль с диоптрами обычно применялась для разбивки местности, межевых работ. Для маркшейдеров такая легкая и компактная буссоль была предпочтительнее, а увеличение диаметра буссоли и дополнительное разнесение на плечах диоптров позволяли повысить точность измерений.
Угломеры применялись в маркшейдерском деле для измерения углов наклона кровли и подошвы подземных выработок и элементов залегания горных пластов. Наиболее известен маркшейдерский накладной угломер конструкции Вейсбаха, устанавливаемый обычно на специальный брус длиной 1-2 сажени (2-4 м). Такие накладные угломеры характерны для рубежа ХIХ–ХХ вв., к середине ХХ в. уже были вытеснены более точными оптическими приборами.
В основе развития маркшейдерского дела и смежных с ним видов деятельности, таких как геодезия и картография, лежала деятельность различных школ. Важнейшими из них были Школа математических и навигацких наук в Москве (1701), Горный институт в Санкт-Петербурге (1773), Константиновский межевой институт в Москве (1779) и др. Одним из воспитанников навигацкой школы был В.Н. Татищев (1686–1750), получивший базовое математическо-геодезическое образование. Этим объясняется его интерес к землеустройству, картографии и деятельности маркшейдеров. В составленном В.Н. Татищевым Горнозаводском уставе обязанности главного горного межевщика или обер-маркшейдера определялись так: «Сей должен быть человек в горных и других тому науках довольно искусный, а к тому верный и прилежный. Ему подчинены в особливое смотрение горные межевщики, лесные надзиратели, геодезисты…».
Таким образом, наряду с горными функциями по определению границ горных отводов и мер охраны горных выработок, на маркшейдера были возложены обязанности по учету и охране лесов, производству картографических и геодезических работ, контроль за строительством и поддержанием в исправности дорог, речных переправ и др. Официально маркшейдер мог именоваться главным межевщиком, а его помощники — горными межевщиками. В первую инструкцию по производству маркшейдерских работ вошли указания по точности и масштабам при составлении горной документации, что превратило маркшейдерское дело в одну из точных наук. Параллельно с развитием технических правил и норм развивалось горное законодательство.
Если функции маркшейдерской службы изначально, в основном, носили контрольный характер, устанавливали правовые отношения, то с XVIII в. в условиях активного развития горнозаводского дела все большее внимание уделялось технической стороне. В рудной промышленности маркшейдеру в основном приходилось иметь дело с относительно небольшими (первые сотни метров) по площади и глубине участками. Если учесть, что каменно-угольные месторождения, как правило, многослойны и обладают большой протяженностью, то съемщикам потребовалось применять более точные приемы для измерений и расчетов, детальное и точное картирование как горных выработок, так и земной поверхности. При многоэтажных и протяженных каменноугольных выработках натуральное проектирование выработок на земную поверхность оказалось невозможным. Для составления маркшейдерского плана необходимо было иметь опорные пункты в единой системе координат — так возникла потребность в рудничной триангуляции.
Если до первой половины XIX в. транспортировка горных пород в подземных выработках всё ещё осуществлялась вручную: в мешках, корзинах, тачках и вагонетках, перемещаемых по дощатым настилам, то в конце XIX в. использовались научно-технические достижения: электроэнергия и пневмоэнергия, взрывчатые вещества и бурильные машины, вентиляторы и подъёмные машины, водоотливные установки и др. Расширялась территория Российской Империи, быстрыми темпами осваивались новые рудные и угольные месторождения, в том числе Алтая и Кузбасса. Объемы и сложность рудничной съемки стремительно увеличивались. Можно сказать, что стала резко повышаться потребность горных инженеров в «стереометрическом мышлении».
Уже к концу ХIХ в. это вылилось в развитие нового научного направления — геометризации недр и связано с именем П.К. Соболевского, составившего на участке Донбасса первую геометрическую пластовую карту, на которой почвы пластов изображались в изогипсах, а характер залегания пластов — в изоглубинах. Совершенствовались и ориентирно-соединительные съемки. Исходные точки съемок все более удалялись от передовых забоев, привязка каждой новой съемки к начальным пунктам требовала прокладки полигонометрических и нивелирных ходов на большие расстояния.
Темп горных работ, становившихся круглосуточными, все убыстрялся, при этом требования к точности съемок возрастали. Естественным выходом из положения было обращение к топографии и геодезии, сделавших к концу XVIII в. большие успехи под влиянием развития математики и астрономии. Простые угломерные инструменты заменялись более совершенными геодезическими теодолитами и нивелирами, и с середины XIX в. Наблюдалось широкое привлечение к проведению маркшейдерских работ геодезических приборов и методов. К этому же периоду относится проведение первых инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород. Широкое распространение и практическое применение нашли работы по маркшейдерии Ю. Вейсбаха. Им же была предложена конструкция накладного угломера, модификации которого использовались и в начале ХХ в.
Нивелирование всегда имело большое значение для рудничного дела, особенно, если учитывать необходимость устройства естественного стока воды при отсутствии насосов, а при их наличии — стока в специальные приемники воды. К концу XIX в. на горных предприятиях получает широкое распространение транспортировка по рельсовым путям. Подъём горной породы на земную поверхность осуществлялся не только ручным и конным воротом, но и паровыми подъёмными машинами. Паровыми машинами приводились в действие также водоотливные установки. Нивелир-теодолит преимущественно использовался в качестве нивелира, но имел возможность выполнять и некоторые функции теодолита: в отличие от обычного нивелира имел дополнительную возможность перемещения зрительной трубы в вертикальной плоскости, часто с вертикальным измерительным лимбом или сектором (для измерения небольших вертикальных углов). Уже с развитием железнодорожного транспорта для прокладки подземных рельсовых путей нашли применение специальные железнодорожные нивелиры.
Основной задачей недропользования в России в XIX — начала XX вв. являлось регулирование горных отношений в целях использования недр, их правовой охраны, и безопасности окружающей среды. Результатом исследований недр и Положения об управлении горными заводами (1810), стал выпуск подробной карты Курской магнитной аномалии по материалам магнитных съемок А.А. Тилло в 1889 г. (впервые магнитная аномалия была обнаружена в конце XVIII в. П.Б. Иноходцевым при составлении карт Генерального межевания; изучение границ аномалии и выяснение глубины залегания руды велись в 1896–1918 гг.), первые триангуляции на Урале для обеспечения опорными пунктами горнопромышленных районов (1836–1866) и др.
Только в XX в. накопленные знания позволили говорить о маркшейдерии как о науке, усложнилась технология добычи полезных ископаемых, появились новые средства защиты рабочих в забоях, зданий и природных объектов ландшафта на поверхности. Основные работы включали: съемку горных выработок, составление планов с динамикой горного производства, межевания рудников (установление границ горных отводов и надзор за соблюдением границ между рудниками, принадлежащими разным владельцам) и др. Фактически у маркшейдеров и межевых инженеров были очень схожие, а порой одни и те же задачи, которые они решали в ходе своей производственной деятельности, развивая и совершенствуя теорию и практику измерений, а также инструменты горной геодезии. Так, горный инженер Г.А. Тиме (1831-1910) в 1872 г. опубликовал ряд статей под общим названием «О производстве и вычислении маркшейдерских триангуляционных работ», разработал геометрические способы ориентирования подземной съемки, определения астрономического меридиана и др. Горнодобывающее производство в России всегда характеризовалось чрезвычайно сложными горно-геологическими и горно-технологическими условиями. Некоторые рудники эксплуатировались в экстремальных условиях, ряд рудников располагался в высокогорных и сейсмических районах, множество природных объектов страдало от вредного влияния горных разработок. Однако маркшейдерские съемки и триангуляционные работы необходимо было провести во всех горнопромышленных районах государства.
Большие успехи в развитии промышленности и горнодобывающего производства были достигнуты во время царствования Александра III (1845–1894). Развитие металлургии и строительство новых железных дорог также способствовало развитию горнодобывающей отрасли. В середине 50-х гг. XIX в. был разработан горный устав (1857) — свод правил, регламентировавший создание и деятельность горных заводов, а также организацию и управление ими. Во второй половине XIX в. были изданы горные законодательные акты: «Положения о частной горной промышленности на свободных казенных землях»; «Свод замечаний, представленных частными лицами на некоторые статьи устава о частной золотопромышленности, и предположений их предмету развития сего промысла в России» (1862); «Спутник золотопромышленника» (1898) и др.
Система надзора и управления осуществлялась Горным департаментом, горными округами (к 1917 г. — 56 округов) и специальной «горной полицией». Участки недр предоставлялись «…не в собственность, но во временное пользование впредь до выработки в них золота». Прииск квалифицировался как нераздельное движимое имущество, переход или переуступка прав на которое осуществлялись нотариальным путем. Золотопромышленник на участке ставил (по специальным правилам) заявочный столб и подавал заявку в местное полицейское управление. Занимать разрешалось не более 5 верст по «…течению на всю ширину россыпи или на 1 версту во все четыре стороны от заявочного столба». В заявке указывались все данные об участке, разведке, количестве добытого золота и его содержание. В Уставе был расписан точнейший регламент по отводу площадей. Промышленник, не принявший отвод в течение двух лет, лишался права на него, а отвод передавался в казну.
Системой закона предусматривались: торги невостребованных, отказных, отобранных бесхозных отводов для разработки; порядок добычи и учета добытого; платежи при пользовании недрами; социальное обеспечение (минимальная зарплата, цены в магазинах приисков, нормы завоза спиртного на сезон, расчетные книжки рабочих, лечение больных рабочих и др.). Горный Устав несколько раз переиздавался и имел свою структуру. Книга первая «Общие учреждения» содержала в себе главы о разделении и управлении горными промыслами, о высших учебных заведениях по горной части, о горной страже. Книга вторая была посвящена горным заводам, их промыслам в области Уральского хребта. Книга третья устанавливала положения о других горных заводах и промыслах: Алтайских, Керчинских, Сибирских и других частях Империи. Книга четвертая касалась разработки золотоносных песков. Книга пятая содержала постановления о взысканиях и наказаниях за нарушение горных законов. В 1864 г. вышло Положение о горном промысле в области Войска Донского, затем Устав о частной золотопромышленности (1870), правила о нефтяном промысле (1872), закон о порядке производства горнопромышленниками подземных работ (1880); закон о рабочих на частных горных заводах и промыслах (1892) и другие постановления.
В 1893 г. кодификационный отдел при Государственном Совете издал Горный Устав следующего содержания: Общий горный устав; раздел «учреждение управления горного»; раздел о частной промышленности, куда входили: общие постановления и правила о промышленности на землях владельческих, посессионных, свободных казенных; постановления о частном горном промысле в губерниях; о частной золотопромышленности и частном платиновом промысле; о частном нефтяном промысле; о частном соляном промысле; о найме рабочих на частные горные заводы и промыслы; о порядке производства горнопромышленниками подземных работ; о частных складах взрывчатых веществ для надобностей горнозаводской и соляной промышленности; о горной подати и др. Приложения к разделу рассматривали: правила о янтарном промысле на казенных землях; правила о разработке цветных камней о горнозаводских дачах на Урале; правила о порядке добычи золота из прилежащих казне отвалов откидных песков, эфелей и черных шлихов; правила об отдаче частным лицам в разработку торфа в казенных горнозаводских дачах; правила о каменноугольной промышленности на острове Сахалин и др.
Законодательное регулирование затрагивало широкий спектр общественных отношений, связанных с добычей и переработкой минерального сырья, причем регулирование это осуществлялось с учетом местных условий. Основные институты российского горного права к XX в. сложились из: порядка приобретения права на разработку ископаемых (поиски, разведка, отвод); условий пользования месторождениями полезных ископаемых, отданными в разработку частным лицам; определения прав и обязанностей частного горнопромышленника по отношению к землевладельцу, которым является государство; ограничений прав землевладельца на недра при передаче их в разработку; надзора за правильностью разработки месторождений полезных ископаемых и безопасностью работ, посредством кадастра месторождений полезных ископаемых; требований правильного ведения разработки; безопасности проведения горных работ и др.
Одним из наиболее важных институтов, регламентируемых Горным Уставом, являлось государственное горное управление. Одновременно с этим существовали горные промыслы других министерств. Горный Устав выделял 10 горных областей и 38 горных округов. В каждом из округов надзор за частной горной промышленностью был возложен на особого Окружного инженера. Помощь Окружным инженерам оказывали: маркшейдеры, горные надсмотрщики, штейгеры. Горному Управлению принадлежал: надзор за действиями должностных лиц; принятие законных мер к охранению казенных интересов, связанных с частными горными заводами и промыслами; наблюдение за исполнением постановлений по устройству быта горнозаводского населения частных заводов; принятие в горные училища согласно уставам.
Большой вклад в развитие целого ряда направлений маркшейдерии и геологии внес В.И. Бауман (1867–1923). Им был разработан комплекс мероприятий по совершенствованию маркшейдерского дела, воссоздана система государственного горного надзора, подготовлены многие нормативные документы. Рудничная съемка называлась маркшейдерским межевым искусством или горной геодезией. Существенным отличием было то, что специалисты производили измерения не на плоскости, а в пространстве, и все точки рассматривались относительно трех осей координат. Работы рудничной съемки сводились к расстановке пунктов съемки на поверхности у устья шахты или штольни и под землей в руднике; натягиванию шнуров; измерению углов наклона, углов простирания шнуров, станов (длины шнуров) и съемки подробностей рудника. Съемка велась висячими инструментами или теодолитом, и предполагала составление плана и профиля выработки по координатам.
Техника съемки и выбор инструментов зависели от вида выработки, которые могли быть пологими, отвесными или крутыми. Линии измерялись двумя деревянными жезлами или мерной лентой, углы наклона — угломерами, подвесными эклиметрами, а азимуты — висячими буссолями. Превышения определялись по углам наклона или нивелировкой. В задачи рудничной съемки входили:
- съемка рудничных выработок, месторождений полезных ископаемых и находящейся над ними земной поверхности;
- графическое изображение выработок и земной поверхности на основании результатов съемки;
- определения межи (границы) между горными владениями различных горнопромышленников.
Результаты съемки служили руководством при проведении новых выработок, а неточное исполнение съемки могло стать причиной различных затруднений, а иногда и гибели целых рудников. Прежде висячая буссоль и висячий полукруг были почти единственными инструментами маркшейдера, но с 1830-х гг. стали употреблять и более точные приборы как теодолит, мензулу, нивелир и др.
Начало практического применения теодолита в горном деле относится к первой половине XIX в. В 1847 г. П.А. Олышев предложил конструкцию горного теодолита с внецентренной трубой. Теодолитная рудничная съемка представляла собой полигонную съемку, при которой определялись: длина горизонтальных проекций отмеченных в руднике станов; углы полигона между проекциями двух смежных станов; превышения точек и съемка подробностей, а также составление плана теодолитной съемки. Для измерения углов применяли геодезические и рудничные теодолиты разнообразного устройства: простые и повторительные; теодолиты с прямой и внецентренной трубой (которая употреблялась при определении направления меридиана и при съемках в крутопадающих выработках); с встроенной буссолью и без, теодолиты высокоточные и технические; снабженные уровнями при лимбах и алидаде или с накладным уровнем на ось вращения трубы. Присоединение функций теодолитов к ранее используемым инструментам приводило к появлению новых приборов, которые получали особые названия: нивелир-теодолиты (нивелиры, у которых зрительная труба могла перемещаться в вертикальной плоскости, иногда так называли теодолиты, труба которых была соединена с уровнем, служащим для приведения оси в горизонтальное положение); зарубежные «буссоль-теодолиты» или «компас-теодолиты», «магнит-теодолиты» (буссоль приспособлена для отсчета по концам магнитной стрелки азимутов и снабжена зрительной трубой и лимбами) — в России эти названия не прижились, сама конструкция чаще отвечала уплощенной конструкции горного теодолита; и дальномеры (имеющие в трубе три горизонтальные нити). Устройство рудничных теодолитов характеризовалось компактностью (диаметр лимба редко превышал 5″–6″), что объяснялось теснотой выработок, в которых приходилось работать. Лимбы рудничных теодолитов предохранялись от загрязнений и были закрыты, только напротив нониусов были сделаны вырезки со стеклянными крышками.
Съемка в выработках проводилась для соединения рудничной съемки с поверхностной или для соединения съемок различных горизонтов рудника между собой. В некоторых случаях, для удобства и быстроты производства и точности результатов теодолитную полигонную съемку (с точностью 30″–1′), которая требовала сравнительно много времени и характеризовалась накоплением погрешностей в определении углов, заменяли съемкой с буссолью. Но главными недостатками буссольной съемки являлись малая точность измерения углов (6′–8′), и невозможность вести съемку в присутствии магнитных масс. Триангуляция производилась с целью точного определения относительного положения главных пунктов рудничного округа – устьев шахт и штолен, рудничных строений, находящихся друг от друга на больших расстояниях.
Построив общую систему для всех рудников района ориентировали их относительно друг друга. На рудничной карте во время съемки обозначалось склонение магнитного меридиана, что имело большое значение при перенесении координат под землю и при активной работе с буссолями. При каждом благоустроенном руднике определялось направление астрономического меридиана и устраивалась магнитная обсерватория для ежедневного измерения магнитного склонения.
К съемке и плану подземных горных выработок прилагали вертикальные разрезы изображаемых районов. Совокупность плана и вертикальных разрезов давало полное и наглядное представление о фигуре, размерах, и относительном расположении снятых контуров. Теодолит и нивелир были совершенно необходимыми инструментами всех маркшейдерских съемок, так как обеспечивали необходимую точность. В общей сложности производство рудничных съемок включало целый комплекс работ:
- определение направления астрономического меридиана;
- производство полигонной съемки висячими инструментами;
- теодолитную и соединительную съемку и производство самостоятельных триангуляций;
- рудничное нивелирование и измерение отвесной глубины шахт;
- сведения о распределении земного магнетизма и измерении склонений магнитной стрелки во времени и пространстве (применение компаса при съемке);
- вычисление средней ошибки измерения линий и углов при съемках, накоплении и распределении погрешностей на данные измерений;
- определение падения и простирания пластов при разведке, определении запасов месторождений, проведение выработок встречными забоями и др.
Для освидетельствования и отвода рудников горное начальство командировало маркшейдерских учеников. В рапорте ученики сообщали об отводе рудников заводам (в саженях), составляли чертежи отводов и описание их местонахождения. При разделе каждому заводскому округу отводились в рудничном районе лесные дачи и отводные участки с залежами железных руд. В целях равномерного распределения рудных богатств между заводами, иногда, в лесные дачи одних заводского округа приходилось вмежевать рудные отводы других. По мере того как в лесные дачи все дальше проникала добыча, выявлялись новые залежи руды. Они могли не только не уступать в богатстве тем, что были обнаружены ранее на отводных участках, но и превосходить их.
По решению Государственного совета «Об устройстве управления горной частью на Урале» и в связи с разделением области Уральского хребта на 7 округов, для управления горными округами в 1886 г. была введена должность окружного инженера горного округа. На окружных инженерах лежал отвод рудничных площадей, надзор за производством частного горного промысла, безопасностью горных работ, соблюдением технологий, исполнением законов о найме горнорабочих и т.п.
Маркшейдеры, состоящие в распоряжении Горного департамента и горных управлений, командировались для производства подземной съемки и межевых работ, следили за точным ведением и постоянным пополнением планов рудничных разработок. Постоянное бюро при съезде золотопромышленников при Министерстве земледелия и государственных имуществ, позднее — Министерстве торговли и промышленности исполняло судейские функции.
К документам горного ревизора с межевыми делами, журналами и планами, относились:
- списки городов и селений губернии, заводов, рудников и приисков с указанием их местоположения, площади, владельцев, даты приобретения и заявки на продажу;
- списки рабочих, служащих, главных акционеров; прошения об отводе земель, планы, журналы регистрации заявок об открытии приисков, договоры о сдаче в аренду земель с приисками;
- абрисы рудничных площадей, планы гидрографических объектов; финансовые документы (сметы на поставку оборудования для шахт, ведомости на выдачу жалованья, книги приходов и расходов взрывчатых веществ и других материалов; цены на топливо, строительные материалы и фураж, акты о проверке веса и отправке ископаемых, статистические сведения о количестве добываемого ископаемого, ценах на него и пр.);
- сведения о правилах внутреннего распорядка рабочих на предприятиях, медицинские освидетельствования, счета вознаграждений за травмы, сведения о несчастных случаях, страховании рабочих и пр.;
- производственные дневники технологических процессов обработки руды и других материалов, запасов ископаемых, таблицы испытаний технического оборудования для шахт;
- переписка с министерствами о разработке новых приисков, предписания горного департамента, сведения о состоянии и производительности приисков;
- инструкции Министерств о промысле, съездов горнопромышленников о разработке приисков и пр.
В заключение исторического исследования по проведению землеустроительных работ в России (XIX – начало XX вв.) можно сказать, что съемки горной геодезии и, связанные с ними мероприятия, проводились на высоком техническом уровне, нормативно-правовой основе, с большой точностью и расчетом на длительную эксплуатацию.
Т.В. Илюшина (Московский государственный университет геодезии и картографии)
Л.С. Назаров (Политехнический музей, Москва)