Шахтёр Иван Кузнецов спустился в штольню Гумешевского рудника в семь утра, а вышел в девять вечера. Четырнадцать часов на глубине двести метров, где температура держалась под сорок градусов, влажность зашкаливала за девяносто процентов, а кислорода в воздухе было столько же, сколько на вершине трёхтысячника. Это был обычный рабочий день. Тысяча восемьсот семьдесят третий год, Урал, никаких электрических вентиляторов, никаких компрессоров. Вопрос простой: как он вообще не задохнулся?
Ответ сложнее, чем кажется. Потому что вентиляция шахт до появления механизации — это история не о технологиях, а о хитрости. О том, как инженеры восемнадцатого и девятнадцатого веков заставляли работать саму природу.
Спускаемся в детали.
Главная проблема любой шахты — рудничный газ. Метан, углекислота, угарный газ. Метан взрывается от искры. Углекислота вытесняет кислород — человек засыпает и не просыпается. Угарный угнетает, травит незаметно. На глубине в сто метров концентрация углекислоты могла достигать пяти процентов. При семи процентах человек теряет сознание за несколько минут. При десяти — умирает.
Как боролись? Первый способ — огонь. Звучит дико, но работало. В шахтах Саксонии в семнадцатом веке внизу, в самой дальней штольне, разжигали костёр. Горячий воздух поднимался вверх по специальному вертикальному стволу — «огневому колодцу». Поднимаясь, он создавал тягу. Свежий воздух засасывался через главный вход и шёл по горизонтальным выработкам к костру. Круговорот.
Минусы? Костёр жрал кислород сам по себе. Плюс опасность взрыва метана. Плюс нужен был человек, который этот костёр поддерживал — сидел на глубине, кидал дрова, дышал той же отравой. Платили таким рабочим вдвое больше обычных забойщиков. Называли их «огненщиками». Средняя продолжительность их жизни — лет тридцать пять.
Второй способ — «воздушные мехи». Конструкция простая: наверху ставили огромный деревянный короб с кожаными стенками, который поднимался и опускался с помощью водяного колеса или конного привода. Опускается — выдавливает воздух вниз по трубе. Поднимается — засасывает свежий. Производительность — до тысячи кубометров воздуха в час. Звучит прилично. Но шахта Фрайбергского рудника в Саксонии имела суммарную длину выработок около двадцати километров. Посчитаем: объём выработок — примерно сорок тысяч кубометров. Обновление воздуха занимало около сорока часов. За это время люди успевали отравиться насмерть.
Поэтому придумали комбинированную систему.
Входов в шахту делали несколько. Главный ствол — рабочий, по нему спускались люди и поднимали руду. Вентиляционный ствол — отдельный, только для воздуха. Между ними прокладывали штольни на разных уровнях — пятьдесят метров, сто, сто пятьдесят. Получалась система сообщающихся сосудов. Тёплый воздух из глубины поднимался по вентиляционному стволу. Холодный снаружи засасывался через рабочий. Возникала естественная тяга.
Насколько это работало? Согласно запискам Георга Агриколы, немецкого металлурга шестнадцатого века, в шахтах Гарца разница температур между поверхностью и глубиной в сто пятьдесят метров составляла зимой до тридцати градусов. Этого хватало для создания тяги со скоростью воздушного потока около полуметра в секунду. Сечение ствола — четыре квадратных метра. Считаем: два кубометра в секунду, сто двадцать в минуту, семь тысяч в час. Уже лучше.
Но летом разница температур пропадала. Тяга слабела. Или вообще менялась направление — горячий воздух с поверхности проваливался вниз, холодный из шахты оставался на глубине. Люди начинали задыхаться. Выход? Останавливать работы. В жару шахты на Урале вставали на две-три недели. Терялась прибыль, срывались планы. Но альтернатива — трупы.
Некоторые инженеры шли на хитрость. Над вентиляционным стволом строили деревянную башню. Красили её в чёрный цвет. Солнце нагревало башню, та прогревала воздух внутри, воздух поднимался быстрее. Разница в три-четыре градуса добавляла тяге процентов двадцать. Мелочь, но люди переставали падать в обморок.
А что с водой?
Шахты затапливало постоянно. Грунтовые воды, подземные реки. На Алтае в Змеиногорском руднике откачивали до двухсот кубометров воды в сутки. Чем откачивали? Насосами, которые приводились в движение конными приводами или водяными колёсами. Парадокс: чтобы откачать воду из шахты, использовали энергию воды снаружи.
Конструкция типовая: наверху водяное колесо, диаметром метров десять. Вода падает сверху, колесо вращается, приводит в движение систему штанг — деревянных балок длиной по двадцать метров, соединённых между собой. Штанги уходят вниз, на глубину. Там на конце — поршневой насос. Штанги ходят вверх-вниз, насос качает воду. Производительность — до двух кубометров в минуту при глубине сто метров.
Проблема: штанги ломались. Деревянные балки под нагрузкой в несколько тонн трещали, рассыхались, гнили от сырости. Менять их приходилось раз в два-три года. Стоимость замены — около трёхсот рублей серебром. Для сравнения: годовой заработок шахтёра — рублей сто пятьдесят.
Екатерина Вторая в тысяча семьсот восемьдесят четвёртом году выделила Колывано-Воскресенским заводам двадцать тысяч рублей на модернизацию вентиляции и водоотлива. Деньги ушли на строительство четырёх водяных колёс и прокладку дополнительных вентиляционных стволов. Производительность выросла на сорок процентов. Смертность упала вдвое.
Факт: в английских угольных шахтах графства Нортумберленд к концу восемнадцатого века применяли «огневые машины» — примитивные паровые двигатели системы Ньюкомена. Машина потребляла до двухсот килограммов угля в сутки, производила мощность около пяти лошадиных сил и откачивала до ста кубометров воды в час с глубины до пятидесяти метров. Стоила такая установка примерно тысячу фунтов стерлингов. В пересчёте на русские деньги — около шести тысяч рублей. Окупалась за три года.
Гипотеза: большинство шахт Российской империи обходились без паровых машин не из-за отсталости, а из-за экономики. Уральские заводчики считали: дешевле нанять двадцать лошадей и десять рабочих, чем покупать английскую машину, которую потом некому будет чинить. Запчасти везли из Лондона полгода. Инженеров, способных разобраться в паровой технике, было человек пятнадцать на всю страну. Риск простоя считался выше, чем выгода от модернизации.
Спорная интерпретация: жестокость условий труда в дореволюционных шахтах преувеличена. Да, работали по четырнадцать часов. Да, умирали от обвалов и газа. Но если брать процент смертности на тысячу рабочих, то в русских шахтах он составлял около восьми человек в год. В английских — двенадцать. В американских — пятнадцать. Россия была не худшей.
Парадокс в другом. Когда в начале двадцатого века появились электрические вентиляторы, производительность шахт выросла в разы. Но смертность не упала. Она выросла. Потому что владельцы решили: раз теперь можно проветривать глубже, значит, можно копать глубже. Вместо двухсот метров стали спускаться на четыреста. Вместо десяти забоев делали двадцать. Техника развивалась быстрее, чем техника безопасности.
В архиве Екатеринбургского горного управления хранится рапорт от тысяча восемьсот девяносто второго года. Там описан случай на Верх-Исетском заводе: шахтёры спустились в старую заброшенную выработку, где несколько лет не было вентиляции. Взяли с собой клетку с канарейкой. Птица умерла через три минуты. Люди вернулись наверх.
Канарейка стоила пятьдесят копеек. Человеческая жизнь — бесценна, но расходным материалом всегда считалась птица.