Все слышали про Ивана Кулибина — талантливого механика и изобретателя XVIII века, чьё имя прочно закрепилось в массовой культуре как символ инженерной смекалки. Но в то же самое время в России работал другой, куда менее известный сегодня, но не менее масштабный инженер — гидротехник Козьма Фролов.

Он сумел поставить силу воды на службу промышленности и создал для своего времени по-настоящему передовые механизмы, которые значительно упростили труд и повысили производительность рудников Урала и Сибири.

Начало карьеры: от подмастерья к инженеру

В начале XVIII века Россия усилиями Петра I активно развивалась. Государству как никогда нужны были ресурсы. И многочисленные экспедиции на Урал и в Сибирь открывали все новые месторождения железной, медной и других руд. 

Тысячи людей устремились на восток в поисках работы на заводах и рудниках. Это было время промышленного ажиотажа — по настроениям оно чем-то напоминало будущую «золотую лихорадку» Клондайка, которая развернётся спустя примерно 150 лет. Именно тогда, в 1728 году (по другим данным — в 1726-м), в поселке Полевском при плавильном заводе близ Екатеринбурга родился герой нашей истории — Козьма Фролов. Чем занимался его отец, догадаться нетрудно — он плавил медь.

Юный Козьма часами наблюдал за работой отца и восхищался процессом. Но вместе с тем видел, какой это тяжелый и неблагодарный труд. Процесс был полностью ручным: раздувание горна, транспортировка тележек, выгрузка заготовок — все отнимало много сил и времени.  

Свои первые знания Фролов получил не у плавильной печи, как отец, а в заводской школе в Полевом. Там он освоил основы грамоты и счёта, после чего был направлен в Горнозаводскую школу при Екатеринбургском металлургическом заводе. Под руководством Георга де Геннина он изучал геодезию, механику, геометрию и другие инженерные дисциплины.

К слову, именно там он познакомился с Иваном Ползуновым — будущим создателем первой в России паровой машины. Это знакомство еще сыграет свою роль в нашей истории. 

Весной 1744 года восемнадцатилетний Фролов становится «горным учеником» — по сути, подмастерьем на Берёзовских золотых промыслах. И довольно быстро понимает, что работа рудокопа — это не романтика поиска золота, а ежедневная борьба с элементарными условиями.

Штольни регулярно заливало — почву пробивала грунтовая вода, и рабочие по нескольку часов стояли по колено, а то и по пояс, в ледяной жиже. Воздух в забоях был тяжёлым, вентиляции практически не существовало. Свет — от сальных свечей или лучин.

Для подъёма руды с глубины использовались примитивные ручные вороты и корыта на канатах — скорость добычи ограничивалась физическими возможностями людей. Максимум механизации, который тогда применяли, — тележки, которые тянули лошади на поверхности.

Будущий изобретатель сразу увидел решение: протекающая рядом река могла взять на себя часть самой тяжёлой работы. Оставалось лишь использовать её энергию и связать несколько механизмов в единую систему, где каждый выполнял бы свою задачу. Но кто станет слушать юнца?

За следующие 14 лет Козьма Дмитриевич проходит долгий путь:

• работает писарем при караване судов, сплавляющих руду по Каме и Чусовой;

• помогает запустить механизм по откачке воды, приводящийся в движение тягой лошадей, за что становится «берггауэром» (горняком-мастеровым); 

• самостоятельно организует изыскательные работы на реках Яике и Белой; 

• перенимает опыт в рудниках Финляндии. 

В 1758 году главное управление казенными горными заводами («Берг-коллегия») замечает старания Фролова и направляет его в должности штейгера (по сути, горного инженера-техника) на Березовский рудник с задачей отладить производство и нарастить объемы. 

И за следующие несколько лет он с этим блестяще справляется, благодаря активной механизации всего процесса. 

Путь к славе: первые изобретения и назначение главным по золотым приискам Урала

Первое, на что обращает внимание Козьма Фролов в новой должности — процесс промывки золота крайне неэффективен. И предлагает оригинальное решение.  

Дело в том, что золото практически невозможно добыть в виде самостоятельных кусков, только ожидающих превращения в слитки. В природе из-за особенных геологических процессов (высокого давления и температуры) кусочки золота залегают в кварцевых жилах, будучи словно «заперты» в минеральной матрице. 

Чтобы отделить одно от другого, издревле использовали метод промывания. Все просто: золото имеет плотность 19,3 г/см3, это в 8 раз плотнее кварца. Если раздробить породу на мелкие частицы и затем промыть потоком воды, то легкие частицы песка (дробленого кварца) смоются, а тяжелые частицы золота останутся на дне. 

Для промывки использовали так называемые вашгерды: наклонный желоб, по которому течет поток воды. Угол наклона и скорость жидкости подбирались таким образом, чтобы золотые частицы успевали осесть. На практике же уносилось огромное количество золота. 

Фролов в 1760 году предложил два новых метода, сокративших потери золота на 2/3:

1. Зачем ограничиваться одним наклонным желобом? Пусть поток воды с рудой проходит через несколько каскадов-«ступеней» с отверстиями разного диаметра: чем ниже ступень, тем отверстия уже. Дополнительно оператор мог вручную придавать этим ступеням лёгкую вибрацию, чтобы улучшить разделение частиц. Получилась многоступенчатая система фильтрации. 

2. Чем больше частицы золота, по сравнению с кварцем, тем проще их отфильтровать. Но есть ли способ их сгруппировать? Конечно, достаточно просто прокалить руду сразу после дробления. Мелкие частицы золота расплавятся и соединятся, в отличие от кварца. 

Методы, предложенные Козьмой Дмитриевичем, позже переняли все золотодобывающие предприятия. А его самого назначили главным инженером всех золотых промыслов Урала и дали ему звание обер-штейгера (старшего горного мастера).  

В 1762 году Березовские рудники столкнулись с другой проблемой: шахты стало заливать водой. Золотодобыча резко упала, работать было невозможно. Тогда Козьма Фролов предложил невероятный для того времени план: прорезать штольню длиной почти 2 км через всю Березовскую гору с небольшим уклоном в сторону реки. 

Во-первых, это откроет десятки новых золотоносных жил. А во-вторых, вся вода будет уходить самотеком — не потребуется придумывать способы откачать воду. Другими словами, решение «убьет сразу двух зайцев». Но смелый план так и не удалось осуществить. Причина: на Березовские рудники приехал Порошин — начальник Колывано-Воскресенских заводов, чтобы посмотреть на удивительные изобретения Козьмы Дмитриевича. 

Результат: Порошин был так поражен, что пришел к руководству всеми золотыми приисками и буквально потребовал, чтобы Фролов возглавил его новое предприятие. Речь шла о Змеиногорском руднике — основном добытчике серебра на Алтае. 

Проблема заключалась в плохой организации рудника: сплошной ручной труд, высокая смертность, нулевая механизация. К тому же рудное тело находилось в труднодоступной горной местности, вдали от обогатительных фабрик. Доставлять большие партии руды на переработку получалось слишком дорого. Поэтому Порошин решил:

• улучшить производительность труда непосредственно на руднике;

• построить обогатительный завод непосредственно рядом с месторождением — это резко снижало бы издержки. Но для этого весь процесс обработки руды нужно было заново продумать и оптимизировать. 

После долгих баталий за ценного сотрудника Фролов в 1763 году все-таки перебрался с семьей на Алтай, в Барнаул. И именно его работа по механизации Змеиногорского рудника на протяжении следующих 25 лет показала невиданные возможности гидротехнических сооружений. 

Триумф инженерной мысли: «водяная» фабрика и уникальная гидросиловая установка

На новом месте Козьма Фролов сразу же энергично принялся за дело:

• провел обучение рабочих: установил должностные инструкции и озаботился техникой безопасности,

• организовал работу в несколько смен, чтобы снизить нагрузку на людей.

Но главной задачей стала тотальная механизация рабочих мест. Как же это осуществить? Фролов обратил внимание на реку Корболиху, возле которой находился Змеиногорский рудник. Достаточно полноводная, она идеально подходила для его задумки. 

По проекту Фролова, быстро утвержденному руководством, рабочие прокопали деривационный (водоотводной) канал длиной свыше 500 метров, вдоль которого установили 72 промывочных станка. Поток воды вращал центральное колесо, которое через систему канатов и передаточных механизмов соединялось с каждым рабочим местом. 

Получилась почти полная механизация процесса:

• Тележки с канатной тягой привозили руду и сами опрокидывались, высыпая её в приёмный бункер для дальнейшего дробления.

• Руда перетиралась между рядами валков и поэтапно раскалывалась на всё более мелкие фракции.

• Измельчённый материал пересыпался на другие тележки, которые также канатной тягой доставлялись к промывочным верстакам.

• Оператор загружал полученную массу в аппарат собственного изобретения Фролова — тот самый, который он разработал ещё на Березовском руднике.

В 1765 году был введён в действие первый «похверк» — толчейный цех по переработке руды (от нем. Pochwerk). Спустя год деривационный канал продлили на 104 версты к Нижне-Корболихинскому похверку. Всего до 1770 года на Змеиногорском руднике заработали четыре таких предприятия.

Ничего подобного до этого в России не было и близко — по-настоящему максимально механизированная фабрика. И хотя рабочие и совершали по-прежнему много ручных операций вроде перегрузки руды, просыпки и прочего, это не шло ни в какое сравнение со старым подходом.   

В 1766 году Фролов пересекся в Барнауле со своим однокашником Иваном Ползуновым. И в разговоре узнал, что тот работает над новой машиной — паровым двигателем, как раз по заказу своего работодателя Прошина. 

Прототип уже был готов: два цилиндра с поршнями попеременно поднимались под давлением поступающего из котла пара. А опускались под действием атмосферного воздуха, когда пар внутри конденсировался и создавалось разряжение. Фролов заинтересовался проектом, однако за неделю до пробного пуска Ползунов скоропостижно скончался от чахотки 16 мая 1766 года. 

По некоторым сведениям, Козьма Дмитриевич помогал с доработкой машины при последующих испытаниях, и она все-таки заработала. Но массовой она не стала, и паровые двигатели в XVIII веке так и не применялись на горно-обогатительных предприятиях.

В 1769 году изобретатель первым в России проектирует пожарную машину, приводимую в действие водяным колесом, установленным на одном из деривационных каналов. Однако ее чертежей или подробного описания не сохранилось.

С 1770-х годов выработка рудника резко снизилась. Причина — рудник настолько углубился, что любые ручные насосы уже не могли откачивать воду, не говоря о сложностях с подъемом руды. 

В 1779 году Фролов предлагает решение — создать сложную гидротехническую систему из подземного водоотводного канала и каскада водяных колес, каждое из которых выполняло бы какую-то свою работу.

Строительство сооружения продолжалось с 1783 по 1787 годы, и стало настоящим триумфом инженерной мысли. 

Чтобы все работало, была построена плотина на еще одной реке Змеевке. Ее общая длина составляла 156 метров, при высоте 17,5 метров. Это позволило создать пруд площадью 6,5 квадратных километров и обеспечить любые потребности рудника. 

После этого был пробит канал в горной породе длиной 766 метров. Первое колесо в каскаде обеспечивало работу лесопилки и по дополнительному каналу длиной 113 метров еще подавало воду в кузницу, сортировочную и рудообогатительную фабрику. 

Второе колесо имело диаметр четыре метра и стояло на поверхности над Преображенской шахтой. Оно позволяло поднимать две бадьи весом в сотни килограмм с глубины 102 метра. После этого вода спускалась к рудоподъемному колесу Екатерининской шахты диаметром 5 метров — тут уже можно было поднимать руду с глубины 150 метров. 

Дальше вода по штольне длиной 66 метров подавалась к колесу-гиганту диаметром 15,6 метров (рабочие прозвали его «слоновьим»). Для него на глубине 26 метров вырубили специальную полость («кунстштат») и укрепили ее гранитными плитами. Вращение колеса позволяло двум рядам насосов выкачивать воду из глубины шахты и возвращать ее в первый водоотводный канал.   

Последнее колесо диаметром 15,6 метра располагалось в конце 400-метровой штольни над Вознесенской шахтой и позволяло откачивать всю воду в Крестительную штольню длиной более километра, откуда она уже самотёком уходила в Корболиху, расположенную ниже уровня Змеёвки.

Общая длина всех каналов в горе составила 2740 метров. И подобного гидротехнического сооружения до этого не было не только в России, но и в мире. 

В 1787-1789 годах Фролов внедрил еще одно усовершенствование — подъемник непрерывного действия, который он назвал «патерностер». 

К непрерывным железным цепям, вращавшимся при помощи вала, через каждые 4 метра крепились овальные бадьи (всего 36 емкостей). Они опускались в ствол шахты, зачерпывали руду, поднимались на поверхность и, опрокидываясь, автоматически разгружались. В Преображенской шахте такая система позволяла поднимать до 6000 пудов руды за смену.

Модернизация Змеиногорского рудника позволила ему на протяжении следующих 50 лет оставаться крупнейшим поставщиком золота и серебра в стране. В 60-х годах XIX века производство было остановлено: все оборудование уничтожено из-за износа, а шахты замурованы. 

Почет и заслуженный отдых: в дело вступает сын

За внедрение грандиозного каскада на Змеиногорском руднике Козьма Дмитриевич был награжден орденом Св. Владимира четвертой степени. В июле 1786 г. ему присвоили звание обер-берг-мейстера (эквивалент подполковника), а еще через семь лет — обер-берг-гауптмана 5 класса (высший чин, эквивалент генерал-майора). На Вики подробно описываются странные названия горных чинов. 

Великий изобретатель вышел на пенсию в 1798 году, а умер спустя два года. Его сын, Петр Козьмич Фролов, пошел по пути отца — стал горным инженером. Прославился прежде всего проектом конной железной дороги между Змеиногорским рудником и Корбалихинским сереброплавильным заводом — первого подобного сооружения в России. 

Но про него расскажем в отдельном материале. Эта статья создана на основе следующих источников:

• А.В. Контев, «К 290-летию со дня рождения русского гидротехника К.Д. Фролова».

• В.С. Виргинский, «Петр Козьмич Фролов. Биография». 

• Карпов С.О. «Козьма Дмитриевич Фролов». 

Козьма Фролов руководил созданием по-настоящему уникальных для XVIII века гидротехнических сооружений. Но его ключевая заслуга в другом: он продемонстрировал, что гидротехника может работать в промышленных масштабах, а не быть «местной инженерной хитростью».

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS