С 4000 до 3000 гг. до н.э. в Месопотамии и Египте в шахтах и каменоломнях для добычи камня и руд применяли разнообразные инструменты из камня, затем из меди, а около 1200 г. до н.э. - из бронзы.По результатам раскопок на территории Венгрии кварц добывали 300 тысяч лет тому назад, а в период 3000 - 2800 лет до н.э. производилась интенсивная добыча медных руд и с 750 л. до н.э. - железных руд. В Австрии у Инсбрука обнаружены следы разработки железных руд в 4 в. до н.э., а в эпоху римского владычества в этом районе добывали свинец, цинк и серебро.
Подземное строительство получило широкое развитие в древней Греции и Риме, где сооружались штольни, колодцы, подземные крепости и храмы. Известно, что римляне прошли в целом более 300 км штолен для снабжения городов водой. Даже в Египте, расположенном в большей части на равнинных пустынях, строители были хорошо знакомы с проходкой штолен. Около 1000 лет до н.э. из Индии и Персии в эти государства стало поступать железо.
Среди древних подземных сооружений были поистине грандиозные даже по современным меркам. В начале нашей эры, в 41- 51 гг. у морских берегов нынешней Албании для снабжения поселений водой была пройдена штольня длиной 5,6 км. и сечением 2,7х5,8 м. Проходка осуществлялась многими забоями из промежуточных вспомогательных шахт. Около 2 км штол ьни проходили по крепкой лавовой породе. На проходке было занято более 30 000 человек.
Письменных свидетельств о каменных работах в древности практически не сохранилось. Историки ссылаются обычно на крупную работу по горному делу немца Georg Bauer, взявшего латинский псевдоним Agricola. Его труд был опубликован в 1556 г., и книга, богато иллюстрированная, являлась единственным крупным руководством по горному делу и подземному строительству в течение столетий.
До применения в горном деле взрывчатых веществ, черного пороха, технология разрушения горной породы и добыча руд почти не менялась. Тем не менее, горняки, например, Тироля, добывая руду на серебро в течение нескольких поколений, разбирая горную породу кайлами и клиньями, углубились к 1872 г. на 836 м от поверхности. Кайловая и клиновая работа была крайне не производительной, особенно в крепкой породе, изменяясь от 0,01 до 0,05 м3/смену на человека. При разборке угля производительность была на несколько порядков выше, от 0,8 до 2,4 м3/смену на человека.
Применение пороха (1627 г.) в горном деле привело к революционным изменениям в технологии разрушения горной породы, и явилось логическим событием на фоне достижений в науке и технике ХYI - XYII веков.Научные достижения в тот период связаны с именами Декарта (1596 - 1650 гг.), Торричелли (1608 - 1647 гг.), Бойля (1627 - 1691 гг.) и Мариотта (1620 - 1684 гг.), Паскаля (1623 - 1662 гг.), Ньютона (1643 - 1727 гг.).В XYII и начале XYIII столетий широкое применение получили гидросиловые, а затем, паровые установки. Первая паровая машина для откачки воды из шахт начала действовать в 1705 г., а уже в 1770 г. действовало более 100 шахтных машин. К 1790 г. все машины Ньюкомена заменены универсальными паровыми машинами Уатта.
Однако распространение порохострельной работы в подземных работах шло крайне медленно. Первые сведения о широком применении пороха для разрушения горной породы относятся к 1632 г., в Клаустоне, на Гарце, затем в 1643 - 44 гг. в Саксонии. В Швеции же порохострельные работы получили распространение только в 1824 г. Такое замедленное распространение порохострельной работы было связано с дороговизной не только взрывчатых материалов (ВМ), но и буровой стали, требовавшейся в большом количестве при бурении шпуров. Существенное влияние на совершенствование технологии буровзрывных работ оказало строительство тоннелей различного назначения, сначала водных, затем дорожных и тоннелей, связанных с гидросооружениями. В XYI веке в Англии в течение 23 лет (1557 - 1570 гг.) было пройдено 42 км штолен. Известна так называемая канальная эра строительства тоннелей; пройдены: тоннель во Франции Malpas длиной 515 футов (156 м, 1679 - 1681 гг.), в Англии - The Tronquoy Tunnel (on St.Onentin Canal), 1803 г. В Англии известны 45 тоннелей ранней эпохи общей протяженностью 40 миль (64,36 км). Среди этих тоннелей The Hareeastle Tunnel длиной полторы мили (2,6 км) сечением 9 на 12 футов (2,74х3,66 м), сооруженный в 1766-1777 гг., Mars des Canel Tunnel, длиной 3 мили (4,8 км). Первый железнодорожный тоннель в Англии длиной 1190 м построен в 1826 - 30 гг. В Северной Америке первый железнодорожный тоннель длиной 274,3 м пройден в 1831 г. В дальнейшем строительство железнодорожных тоннелей развивалось бурными темпами.
Развитие науки и техники в XIX веке, широкое применение энергии пара, электричества и на их базе машин в различных отраслях промышленности привело и не могло не привести к использованию различных машин в горном деле. Во второй половине прошлого века горняки стали свидетелями изобретения и применения машин при бурении шпуров. После использования при добыче руд черного пороха машинное бурение явилось вторым революционным скачком в технике горного дела и привело к стремительному росту производительности бурения и труда бурильщика. Во второй половине XIX века человечество стало свидетелем осуществления грандиозных проектов строительства железнодорожных тоннелей в Европе и Америке.Первые железнодорожные тоннели в России построены на линии С.Петербург-Варшава в 1859-1862 гг. Это - два двух путных тоннеля длиной 427 и 1280 м. Далее строительство железнодорожных тоннелей в России не прекращалось и интенсивно велось в XIX и начале XX веков В период 1872-1888 гг. построен ряд тоннелей на Кавказе и Урале. Отмечается, что проходка их велась на высоком техническом уровне. Если суточная скорость проходки тоннелей в этот период в Европе была не более 4 саженей (8 м), то в России она достигала 5 сажень (10 м). Большой вклад в совершенствование техники строительства внесли русские ученые М.В. Остроушко и И.А. Евневич. В 1890-1904 гг. осуществлена проходка ряда тоннелей в Армении, девять тоннелей на линии Восточно-китайской ж.д. и среди них тоннель длиной 3078 м. В 1902-1904 гг. сооружаются кругобайкальские тоннели числом более шестидесяти и общей длиной 7296 м, пройденных по гранито-гнейсам, кварцитам и сиенитам. В 1916 г. было закончено строительство нескольких тоннелей на Дальнем Востоке общей протяженностью 5174 м, включая тоннель длиной 1607 м.
Нельзя не отметить влияния на совершенствование техники буровзрывных работ строительства метрополитенов. Начало было положено пуском в 1863 г. метрополитена в Лондоне, протяженность линий которого составляла 3,6 км, с 1868 г. действует подземка в Нью-Йорке, с 1896 г.- в Будапеште, с 1898 г.- в Вене. Парижское метро было пущено в эксплуатацию в 1900 г.
В восьмидесятых годах XX века подсчитано, что в мире насчитывалось 140 тоннелей длиной более 3 км. Наиболее известные альпийские тоннели, соединяющие железными дорогами Францию и Швейцарию с Италией: Монт-Сени (12850 м, 1857-1871 гг.), С.Готард (14984 м, 1872 - 1882 гг.), Симплонский (19780 м, 1896 - 1906 гг.). В XYII и XYIII веках производительность труда при проведении горных выработок в крепких породах была в пределах 2 - 5 см проходки на человека в смену, в менее крепкой породе она несколько выше - 12 см при сечении выработки 0,7 на 1,5 м или 0,02 - 0,13 м3/смену на человека. В начале XX века производительность труда выросла до 2 - 5 м, или с учетом увеличения сечения выработок до 1 - 2 м3/смену на человека. Ко второй половине века она увеличилась до 30 - 36 м/чел. смену.
Если после применения в горном деле черного пороха за 250 лет производительность бурильщика практически осталась почти неизменной, то после применения перфораторов за 100 лет она возросла в 30 - 40 раз. С семидесятых до девяностых годов двадцатого века чистая скорость бурения в крепких породах увеличилась с 80 до 180 м/ч. В породах с временным сопротивлением сжатию меньше 150 МПа для проведения выработок стали широко использовать комбайны.
В истории развития технологии буровзрывных работ и составной её части бурения шпуров и скважин, возможно выделить несколько периодов. Период ручного бурения шпуров, длившийся с начала применения в горном деле черного пороха и до изобретения работоспособных машин для бурения шпуров, до второй половины XIX века, характеризуется относительно постоянной производительностью буровзрывных работ. Во второй период, до середины 20-х годов XX века происходила замена ручного бурения на механическое, совершенствование технологии, значительный рост производительности бурения шпуров машинами, работающими на энергии сжатого воздуха, воды, электричества. Третий период, до второй половины XX века, характеризуется интенсификацией бурения шпуров, многократным ростом производительности бурения и бурильщика за счет совершенствования конструкции машин, использования твердых сплавов для инструментов, массового применения кареток, гидравлических установок со стреловидными манипуляторами. В четвертый период, во второй половине XX века горняки стали свидетелями революционных преобразований в технологии бурения горных пород. Получили применение машины с новым принципом разрушения породы под рабочим инструментом, изменились энерговооруженность и, соответственно, на порядок параметры энергии, подаваемой в машину. В начале восьмидесятых годов XX века осуществилась давняя мечта горняков - полная автоматизация процесса бурения на базе гидравлики и бортовых компьютеров на каретке, производительность бурения и бурильщика в крепкой породе возросла до нескольких сотен метров за час работы.
Технология буровзрывных работ продолжает развиваться, её история пишется на практике и, очевидно, будет писаться еще продолжительное время и оказывать активное влияние на рост производительности работ в тоннелестроении в крепких породах.
Из работы профессора, доктор технических наук Лыхина П.А. “ТОННЕЛЕСТРОЕНИЕ И БУРЕНИЕ ШПУРОВ (СКВАЖИН) В XIX И XX ВЕКАХ”