Page numbers in [brackets] represent full-page illustrations or unpaginated plates, here placed as close as practicable to their referring text.
The largest illustrations are shown as thumbnails linked to the full-size version.
This file includes a few less common fractions such as ⅛ and ⅔. Passages containing these characters are given in alternate form at the end of the text, after the Footnotes.
АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ГРАЖДАНСКИХ ИНЖЕНЕРОВ
ОСНОВАНО В 1852 Г.
ТРУДЫ
Доклад № 1171
ФЕДЕРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙ В ШАХТАХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТОПЛИВА. 1
Герберт М. Вильсон, чл. Амер. о-ва гражд. инж.
С обсуждением, в котором приняли участие г-да Кеннет Аллен, Генри Крейзингер, Уолтер О. Снеллинг, А. Барточчини, Х. Г. Стотт, Б. У. Данн и Герберт М. Вильсон.
Введение. Катастрофа в шахте, произошедшая в Черри, штат Иллинойс, 13 ноября 1909 года, когда в шахте находилось 527 человек, приведшая к заточению 330 человек, из которых 310 погибли, вновь привлекла внимание общественности к частому повторению подобных катастроф и их ужасающим последствиям. Интерес к возможным способам предотвращения таких катастроф, а также к возможным средствам борьбы с последующими пожарами в шахтах и спасения заблокированных горняков, обострился даже сильнее, чем после серии из трех столь же масштабных катастроф, произошедших в 1907 году, по той причине, что после катастрофы в Черри 20 человек были спасены живыми после недельного заточения, когда практически всякая надежда на спасение кого-либо из горняков была оставлена.
Этот несчастный случай, произошедший спустя чуть более полутора лет после принятия Конгрессом закона, предписывающего директору Геологической службы США расследовать причины и возможные способы предотвращения гибели людей при добыче угля, делает текущий момент подходящим для обзора того, что было сделано Геологической службой за это время для реализации целей данного закона.
Можно с уверенностью утверждать, что если бы такая катастрофа произошла год или более назад, все заблокированные люди неминуемо погибли бы, так как войти в шахту без защиты, обеспечиваемой искусственными дыхательными аппаратами, было бы невозможно. Более того, если бы не присутствие квалифицированного отряда правительственных инженеров, имеющих опыт более чем годовой подготовки в ходе подобных операций при ликвидации последствий более чем двадцати катастроф, шахта была бы запечатана до тех пор, пока пожар не выгорел бы, и ни погибшие, ни те, кто был найден живым, не были бы извлечены в течение многих недель. В этот период горняки подверглись бы огромным страданиям и убыткам из-за вынужденного простоя, а владельцы шахт — из-за продолжающейся невозможности вновь открыть шахту и возобновить работы.
Характер работы. — Геологическая служба США с 1904 года непрерывно занимается проведением исследований, касающихся строительных материалов, таких как камень, глина, цемент и т. д., а также проведением испытаний и анализов углей, лигнитов и других минеральных видов топлива, принадлежащих правительству и предназначенных для его нужд.
Попутно Служба рассматривает способы повышения эффективности использования этих ресурсов в качестве топлива и строительных материалов в надежде, что исследования приведут к их наилучшему использованию.
Эти изыскания привлекли внимание к потерям человеческих жизней, сопутствующим добыче топлива и его подготовке к продаже, в результате чего в мае 1908 года Конгресс выделил средства на исследования причин взрывов в шахтах с целью их предотвращения.
Статистика, собранная Геологической службой, показывает, что средний уровень смертности в угольных шахтах США от несчастных случаев всех видов, включая взрывы газа и пыли, обвалы кровли, взрывы пороха и т. д., в три раза выше, чем во Франции, Бельгии или Германии. С другой стороны, ни в одной стране мира нет столь благоприятных природных условий для безопасной добычи угля, как в Соединенных Штатах. В Бельгии, занимающей передовые позиции в изучении условий горного дела, было достигнуто постоянное снижение уровня смертности: с показателя, некогда почти равного показателю США, а именно 3,28 на тысячу в период 1851–1860 гг., он был снижен примерно до 2 на тысячу в период 1881–1890 гг., а в последнее десятилетие этот показатель был дополнительно снижен почти до 1 на тысячу. Исходя из исследований, уже проведенных Геологической службой, представляется несомненным, что будут найдены лучшие средства обеспечения безопасности жизни горняков и что уровень смертности от несчастных случаев в шахтах вскоре продемонстрирует заметное снижение.
Другая статистика, собранная Геологической службой, показывает, что к концу 1907 года в Соединенных Штатах было добыто почти 7 000 000 000 тонн угля, и, по оценкам, на каждую добытую тонну почти тонна была потрачена впустую: 3 500 000 000 тонн остались в земле или были выброшены в отвал как уголь сорта, слишком низкого для коммерческого использования. К концу 1907 года добыча представляет собой истощение запасов угля в объеме несколько более 10 000 000 000 тонн. Было подсчитано, что если добыча продолжит расти с нынешнего годового объема примерно в 415 000 000 тонн теми же темпами, что наблюдались в течение последних пятидесяти лет, большая часть наиболее доступных запасов угля будет исчерпана до середины следующего века.
Лесная служба оценивает, что при нынешних темпах потребления, без учета возобновления роста, запасы древесины будут исчерпаны в течение следующей четверти века. Поэтому желательно получить всю возможную информацию относительно наиболее подходящих заменителей древесины для строительных и инженерных конструкций, таких как железо, камень, глиняные изделия, бетон и т. д., и установить минимальную пропорцию, в которой эти материалы должны использоваться для конкретной цели. Истощение в результате использования в инженерном и гражданском строительстве относится не только к железной руде, глине и материалам для производства цемента, но, в большей степени, к топливу, необходимому для превращения этих веществ в строительные материалы. Попутно исследования потерь строительных материалов выявили тот факт, что разрушительные убытки из-за пожаров в сгораемых зданиях составляют более 200 000 000 долларов в год. Сумма, даже превышающая эту, ежегодно расходуется на противопожарную защиту. Изыскания, направленные на сокращение потерь от пожаров, проводятся с целью определения наиболее подходящих огнестойких материалов для строительных конструкций.
В начале 1904 года, во время Всемирной выставки в Сент-Луисе, Конгресс выделил средства на проведение испытаний, демонстраций и исследований, касающихся топлива и строительных материалов Соединенных Штатов. Эти исследования были впоследствии организованы как Технологическое отделение Геологической службы США под руководством эксперта Джозефа А. Холмса, а Президент Соединенных Штатов пригласил группу гражданских инженеров и начальников инженерных бюро правительства выступить в качестве Национального консультативного совета по методам проведения этой работы с целью сделать ее более полезной для правительства и народа Соединенных Штатов. Это Общество официально представлено в данном Совете К. К. Шнайдером, экс-президентом Американского общества гражданских инженеров, и Джорджем С. Вебстером, членом Американского общества гражданских инженеров. Среди представителей других инженерных обществ или правительственных бюро в состав Национального консультативного совета входят и другие члены этого Общества, а именно: генерал Уильям Крозье, Фрэнк Т. Чемберс, профессор У. К. Хатт, Ричард Л. Хамфри, Роберт У. Хант, Х. Г. Келли, Роберт У. Лесли, Джон Б. Лобер, Хантер Макдональд и Фредерик Х. Ньюэлл.
Таким образом, учитывая важную роль, которую официально и неофициально играют члены этого Общества в планировании и организации этой работы, представляется целесообразным представить отчет о масштабах, методах и ходе этих исследований. Хотя закон, регулирующий эту работу, ограничивает испытания и исследования топлива и строительных материалов теми, которые принадлежат Соединенным Штатам, деятельность федерального правительства по использованию этих материалов настолько превосходит деятельность любого другого отдельного предприятия в Соединенных Штатах, что результаты не могут не представлять большой ценности для всех инженеров и всех лиц, занятых в инженерных работах.
Исследования аварий в шахтах. Организация и характер работы. — Исследования по спасению в шахтах, проводимые на федеральной испытательной станции в Питтсбурге, штат Пенсильвания, включают пять направлений:
1. — Исследования в шахтах для определения условий, приводящих к катастрофам, наличия и относительной взрывоопасности рудничного газа и угольной пыли, а также пожаров в шахтах и средств их предотвращения и борьбы с ними.
2. — Испытания для определения относительной безопасности или опасности различных взрывчатых веществ, используемых при добыче угля, при их воспламенении в присутствии взрывоопасных смесей природного газа и воздуха, или угольной пыли, или того и другого вместе.
3. — Испытания для определения условий, при которых электрооборудование является безопасным при проведении работ по добыче угля.
4. — Испытания для определения безопасности различных типов шахтных светильников в присутствии горючего газа и их точности при обнаружении малых концентраций рудничного газа.
5. — Испытания различных искусственных дыхательных аппаратов и обучение горняков и квалифицированных горных инженеров методам спасения.
Первые четыре направления исследований связаны с превентивными мерами, и именно на них в конечном итоге следует возлагать наибольшие надежды. Пятое направление — это то, в котором результат на первый взгляд кажется наиболее очевидным. Оно связано не с предотвращением, а с устранением условий, которые не должны возникать или, по крайней мере, должны быть значительно смягчены.
За последние 19 лет в угольной промышленности погибло 28 514 человек. 2 Только в 1907 году в угольных шахтах погибло 3 125 человек, и, кроме того, почти 800 человек погибли в металлических рудниках и карьерах страны. С учетом пострадавших, в том году в шахтах произошло 8 441 несчастный случай. В каждом горнодобывающем лагере, насчитывающем 1 000 человек, в том году 4,86 человека погибли насильственной смертью. При добыче угля в Великобритании в том же году на каждую 1 000 занятых погибало 1,31 человека; во Франции — 1,1; в Бельгии — 0,94, или менее 1 человека на каждую 1 000 занятых. Таким образом, видно, что в Соединенных Штатах погибает в три-четыре раза больше людей, чем в любой европейской угледобывающей стране. Это более безопасное положение в Европе является результатом использования более безопасных взрывчатых веществ или лучшего использования имеющихся взрывчатых веществ; сокращения использования открытых светильников; создания станций горноспасательной службы и обучения работе с искусственными дыхательными аппаратами; а также принятия правил по обеспечению безопасности жизни рабочих.
Полевой отряд горных инженеров Геологической службы, который возглавляет г-н Джордж С. Райс, опытный горный инженер и консультант, уже добился значительного прогресса в изучении условий и методов подземной добычи. Было обследовано почти все большинство опасных угольных шахт в Соединенных Штатах; пробы газа, угля и пыли были взяты и проанализированы в химических лабораториях в Питтсбурге; проведены обширные испытания взрывоопасности различных смесей газа и воздуха; взрывоопасности пыли различных типичных углей; химического состава и физических характеристик этой пыли; степени тонкости, необходимой для наиболее взрывоопасных условий; а также методов увлажнения пыли водой, увлажнения воздухом, паром или подавления ее взрывоопасности путем добавления хлорида кальция, каменной пыли и т. д. Бюллетень, в котором изложены результаты, полученные к настоящему времени при изучении проблемы угольной пыли, сейчас готовится к публикации. 3
После обзора истории наблюдений и экспериментов с угольной пылью, проводившихся в Европе, а затем экспериментов на французских, немецких, бельгийских и английских станциях по испытанию взрывчатых веществ, этот бюллетень переходит к вопросу об угольной пыли в Соединенных Штатах. Дальнейшие главы касаются испытаний взрывоопасности угольной пыли, проведенных Геологической службой в Питтсбурге, и исследований влажности рудничного воздуха, проводившихся как в лаборатории в Питтсбурге, так и в шахтах. Также имеется глава о химических исследованиях воспламенения угольной пыли, проведенных доктором Дж. К. У. Фрейзером из Геологической службы. Применение некоторых из этих данных к реальным условиям в шахтах Европы за последний год рассматривается г-ном Акселем Ларсеном; использование отработанного пара в шахте компании Consolidation Coal Company в Западной Виргинии обсуждается г-ном Фрэнком Хаасом, инженером-консультантом; а использование распылителей в угольных шахтах Оклахомы является темой главы, написанной г-ном Карлом Шольцем, вице-президентом компании Rock Island Coal Mining Company.
Ранее уже был выпущен бюллетень, излагающий литературу и некоторые исследования взрывоопасных газов и пыли в шахтах. 4 После рассмотрения методов сбора и анализа газов, обнаруженных в шахтах, исследований скорости выделения газа из угля и изучения угольной пыли, этот бюллетень обсуждает такие факторы, как сдерживающее влияние сланцевой пыли и влажности на взрывы угольной пыли. Затем он переходит к практическим соображениям относительно опасности взрывов, включая относительную воспламеняемость старой и свежей угольной пыли. Рассматриваемые проблемы подвергаются дальнейшему исследованию и проработке в свете уже собранной информации.
Разрешенные взрывчатые вещества. — Наиболее важный прогресс в этих испытаниях и исследованиях был достигнут в тех, что относятся к различным взрывчатым веществам, используемым при добыче угля в шахтах. Сразу после принятия первого законодательного акта весной 1908 года были завершены мероприятия, благодаря которым нижняя часть территории старого арсенала, принадлежащего Военному министерству и прилегающего к Пенсильванской железной дороге на реке Аллегейни, на пересечении 40-й улицы и Батлер-стрит в Питтсбурге, штат Пенсильвания, была передана Министерству внутренних дел для использования в этих исследованиях. Тем временем, в ожидании ассигнований, г-н Кларенс Холл, инженер, имеющий опыт производства и использования взрывчатых веществ, был направлен в Европу для изучения методов испытания взрывчатых веществ, практикуемых на правительственных станциях в Великобритании, Германии, Бельгии и Франции. Г-н Джозеф А. Холмс также посетил Европу с целью изучения методов улучшения условий в шахтах. Три иностранных эксперта по горному делу, руководители исследовательских бюро в Бельгии, Германии и Англии, по приглашению министра внутренних дел провели три месяца, изучая условия в Соединенных Штатах, и представили ему ценный отчет. 5
Под руководством автора, главного инженера этих исследований, были заранее подготовлены детальные планы и спецификации для необходимого оборудования и переоборудования зданий в Питтсбурге для целей этой работы. Поэтому стало возможным немедленно приступить к изменениям в существующих зданиях, возведению новых зданий, прокладке железнодорожных путей, обустройству лабораторий, а также систем водоснабжения, отопления и освещения и т. д. Эта работа велась с необычайной быстротой под руководством заместителя главного инженера г-на Джеймса К. Робертса и была завершена в течение нескольких месяцев, к моменту чего большая часть оборудования была доставлена и установлена.
Одно здание (№ 17) отведено под небольшие физические испытания взрывчатых веществ. Оно было сделано огнестойким путем покрытия полов, потолков и стен цементом по металлической сетке, а также путем защиты проемов. В нем установлено оборудование для определения теплотворной способности взрывчатых веществ, давления, создаваемого при воспламенении, чувствительности к воспламенению при падении, скорости детонации, длины и продолжительности пламени и тому подобных факторов. В другом месте на территории находится галерея из котельной листовой стали длиной 100 футов и диаметром более 6 футов, прочно прикрепленная к бетонному массиву с одного конца, в котором встроена пушка для производства выстрела взрывчатым веществом, подлежащим испытанию, и открытая с другого конца, и сконструированная таким образом, чтобы имитировать небольшой участок шахтной галереи (рис. 2, таблица VI). Тяжелый маятник с мортирой для маятникового испытания с целью определения силы, производимой взрывчатым веществом, находится неподалеку, как и бронированная яма, в которой могут подрываться большие количества взрывчатых веществ с целью изучения последствий взрывов на складах, а также для испытания скорости, с которой воспламенение взрывчатого вещества распространяется от одного конца патрона к другому, и чувствительности одного патрона к взрыву при детонации другого, находящегося поблизости.
В другом здании (№ 21) находится хорошо оборудованная химическая лаборатория для химических анализов и исследований взрывчатых веществ, строительных материалов и топлива.
Потребовалось несколько месяцев, чтобы откалибровать различное оборудование и провести анализы имеющегося природного газа для определения правильного метода его смешивания с воздухом с целью получения точных смесей с содержанием 2, 4, 6 или 8% метана в воздухе. Испытания существующих взрывчатых веществ проводились в воздухе и в горючих смесях воздуха и газа с целью выбора некоторого стандартного взрывчатого вещества в качестве основы для сравнения. В конечном итоге в качестве стандарта был принят 40%-ный нитроглицериновый динамит. После проведения исследовательских испытаний и определения различных факторов, касающихся всех взрывчатых веществ, имеющихся на рынке, 9 января 1909 года всем производителям взрывчатых веществ в Соединенных Штатах был разослан циркуляр, который также был опубликован в различных технических журналах, через агентство Ассошиэйтед Пресс и другими способами.
15 мая 1909 года, после того как все взрывчатые вещества, предложенные для испытаний в качестве разрешенных, были испытаны, был выпущен первый список разрешенных взрывчатых веществ, приведенный в следующем циркуляре: