Зыряновский рудник. Штанговая водоотливная машина
Если приглядеться к механизмам, действовавшим до первой половины XIX века, то можно увидеть, что большинство их изготовлено из дерева. Вспомним корабли, мельничные устройства, прядильные станки, колеса карет, да и сами повозки и т.д. Не исключением были и шахтные механизмы. Это хорошо видно на примере Зыряновского рудника, основанного близ реки Бухтарма на Алтае в 1791 году.
Штанговая водоотливная машина
Что из себя представлял Зыряновск конца XIX столетия? Сплошь деревянный рудничный поселок, утопающий в пыли и грязи и с возвышающимися бревенчатыми копрами шахт. Горы отвалов, приземистые складские помещения, рудоразборные сараи, конюшни и вплотную примыкающие к ним дома зыряновских обывателей, так же сплошь деревянные. Русский человек не любил холодный камень и привык жить в теплом деревянном доме. Лишь кое-где, сложенные из «дикого» камня, стояли лавки и лабазы местных купцов. И почти полное отсутствие зеленых насаждений выдавали типично сибирскую деревню, где жители испокон веков сражались с лесом, отвоевывая землю под пашни.
Копры шахт, рудоподъемные устройства, даже трубы водоотливных насосов изготавливались из дерева. Местные Кулибины проявляли чудеса изобретательности, строя для нужд рудничного хозяйства самые хитроумные сооружения. Подъем руды из шахты осуществлялся с помощью ворота, приводимого в движение с помощью лошадей, замененных позже хотя и медлительными, но более сильными волами. И все прочие хитроумные шахтовые устройства не отличались от тех, что были описаны еще в средневековой книге по горному делу немецким врачом и ученым Агриколой.
Это было штучное производство, и примером решения самых сложных инженерных задач может служить устройство шахтного водоотлива. По мере углубления подземных выработок схема его менялась. Вначале он производился бадьями, поднимаемыми ручным воротом, но этот примитивный способ был малоэффективным и обеспечивал откачку воды только малых объёмов и с небольшой глубины. В 1807 году была пройдена водоотливная штольня, сбитая с рабочим горизонтом одной из шахт, а с углубкой ниже 49 м ручной водоотлив был заменен конным приводом. Но все это требовало больших трудозатрат и было малопроизводительным, и механики искали способ использования силы воды.
Едва ли не единственным источником энергии для механических устройств в то время была вода. Водяные (гидравлические) колеса применялись ещё в древности, но в случае Зыряновского рудника задача усложнялась тем, что стволы шахт были далеки от источника воды, а главное, они находились на склоне горы, причём выше единственно пригодной для этой цели реки Березовки. Решение, найденное инженером механиком П.Г. Ярославцевым, удивляет не только сложностью системы, но и оригинальностью.
В 7 километрах выше по течению Березовки была построена водозаборная плотина, а от нее проведен канал, называвшийся по-немецки флютвассер. Поданная таким образом вода из Березовки крутила два деревянных гигантских колеса диаметром в 6 метров каждое, а те с помощью шатунов, круговое вращение превращали в возвратно-поступательное движение. Далее эта энергия с помощью целой системы деревянных штанг общей длиной более одного (!) километра передавалась к насосам, установленным на шахте. Горизонтальное движение (а точнее, наклонное) движение полевых штанг при соединении к насосам преобразовывалось в вертикальное с помощью качающихся так называемых полукрестов в виде деревянных треугольников. Весь этот комплекс, построенный в 1826-1833г, назывался штанговой водоотливной машиной. Уже на первом этапе благодаря этому устройству были осушены участки работ, до этого времени залитые водой. Приводы от гидравлических колес (одно было резервным) расходились и во вспомогательные цеха, приводя в работу сверлильный станок, кузнечные меха, толчею (дробильню руды), ручную лебедку.
Очевидец, пораженный работой причудливого сооружения, состоящего из штанговых шатунов, писал:
«…из конца в конец рудника протянулись «штанги» - громадные движущиеся рычаги, состоящие из целого ряда соединенных между собой бревен, выкачивающие воду, скопляющуюся в шахтах из разных подземных источников. Штанги эти приводятся в движение речкой Березовкой, вращающей громадные колеса наподобие мельничных. Железные спайки между штангами, несмотря на смазку, постоянно скрипят и пищат, вследствие чего над рудником слышится несмолкаемый визг, точно наигрывают на бесчисленном количестве пискливых гармошек. Зимой этот гам ещё больше. Днем его заглушают другие звуки, ночью, когда большинство наружных работ прекращаются, «штанги» свободно напевают свои визгливые песни, совсем невыносимые для расстроенных нервов». А. Головачев «Рудный уголок Алтая». Журнал «Божий мир».
Измученные вечным скрипом, зыряновские обитатели, дома которых стояли, что называется впритык к руднику, прозвали ненавистную машину ведьмой, проклиная за то, что по ночам не дает спать.
Нетрудно догадаться, что коэффициент полезного действия устройства был чрезвычайно низок. Большая часть энергии терялась из-за трения во множестве колен. Механизм часто ломался и требовал постоянного ремонта. Естественно, что главными рабочими тут были не механики, а плотники. Всего на обслуживании водоотливного устройства были задействованы 8 машинистов, 6 плотников, 2 кузнеца, слесарь и шорник.
Поселок Зыряновский рудник. XIX век.
И прослужила эта штанговая водоотливная машина почти 60 лет, и даже когда в 1888 году была запущена паровая машина, она продолжала работать, помогая паровику осушать горные выработки.
Оригинальным был способ предохранения водозаборного канал от зимнего промерзания (канал назывался канавой, и память об этой канаве ныне сохранилась в названии одной из улиц города). Зыряновск отличается суровой зимой и многоснежьем с морозами до 40 градусов. Инженеры (а может и сами рабочие из хозяйственных мужиков) заставили эти морозы служить в качестве теплового укрытия воды. Для этого с наступлением морозов поднимали уровень воды в канале, намораживали слой льда, а затем уровень воды снижали. Намороженный лёд утеплялся выпадающим снегом, а от падения под своей тяжестью эта ледово-снежная крыша удерживалась, вмерзая в частокол кольев, установленных вдоль всего канала.
Между тем, в конце XIX века в технику входило электричество, и на этом фоне шахтная водоотливная машина выглядела явным анахронизмом и не могла удовлетворять нужды рудника, что вынудило руководство искать иные способы получения энергии. Решение подсказал инженер Н. Кокшаров, убедивший руководство рудника выписать из-за границы генераторы электрического тока. Подключить их к водоналивным колёсам с помощью шкивов было техники. Так была построена ГЭС, получившая название Берёзовской и, как оказалось, она стала первой в России. Теперь вырабатываемая электроэнергия по проводам могла подаваться не только для освещения заводских построек, но и для новых центробежных насосов, установленных на шахтах. Это позволило не только решить проблему водоотлива и откачать воду с затопленных ранее выработок, но и сократить расход топлива паровиками.
Промплощадка Зыряновского рудника. XIX век
Именно эта электростанция, кстати, ставшая первой в России ГЭС, дала повод горному инженеру Ф. Брусницыну отметить, что «…Зыряновский рудник… представляет единственный и достойный подражания пример относительно правильного рудничного хозяйства в России». Но в этом определении вовсе не случайно присутствует слово «относительно», ведь даже сам внешний вид поселка напоминал скорее средневековый, феодальных времен рудник и совсем не был похож на индустриальные пейзажи, уже сложившиеся в странах Европы, где в постройках и сооружениях стал преобладать кирпич, цемент и металлические конструкции. В рудничных механизмах Зыряновского рудника все ещё царствовало дерево, продолжая оставаться основным материалом обустройства шахтных сооружений.