中國古代采礦技術(shù)——銅綠山古礦井

李廣進(jìn)

在中國科技館“華夏之光”展廳緊挨序廳的左側(cè)，有一個(gè)仿古采礦的模型，用多媒體演示的手法來向大家介紹中國古銅礦的開采技術(shù)。此展項(xiàng)是依據(jù)湖北“銅綠山古礦井”（“綠”在此處讀“l(fā)ù”）的考古發(fā)掘遺址復(fù)原而成的。

華夏之光展品：銅綠山古礦井模型

位于湖北省大冶市的銅綠山古礦井，其立井的深度有近百米，木制的井架支護(hù)技術(shù)確保了礦井結(jié)構(gòu)的持久穩(wěn)固，使得整座礦井成為了中國古代掘井采礦技術(shù)的典型代表;其井下的通風(fēng)、照明以及排水設(shè)施的創(chuàng)新建設(shè)，更是彰顯出了中國古代工程科技的絢爛碩果。

整座礦井由“立井”“斜井”和“平巷”（“巷”字讀作“hàng”）組成，井巷的支護(hù)技術(shù)，選用木料榫卯連接的方式，整齊劃一地搭建而成，其持久穩(wěn)固的特性確保了礦井的生產(chǎn)安全與使用壽命，井架的設(shè)計(jì)原理與制作手法幾乎與現(xiàn)代礦井建造的方式無異。

斜井巷道

“壁基式”框架結(jié)構(gòu)

古人會(huì)根據(jù)“立井”“斜井”和“平巷”的不同地理環(huán)境和自身的構(gòu)架特點(diǎn)，來決定具體的構(gòu)架建造方式。比如，為了避免斜井出現(xiàn)滑移和錯(cuò)位等現(xiàn)象，會(huì)選擇“壁基式”的框架結(jié)構(gòu);而對(duì)于處在破碎帶等地質(zhì)環(huán)境中的巷道，則會(huì)選用“封閉式”支架進(jìn)行搭建。

提升系統(tǒng)

要確保工人在近百米深的井下安全作業(yè)，氧氣充足的通風(fēng)條件是必不可少的。考古發(fā)現(xiàn)了井底有20～30厘米厚的竹材燃燒灰燼，因此便推測(cè)古礦井采用的是一種通過加熱井內(nèi)空氣造成負(fù)壓導(dǎo)致空氣流動(dòng)的通風(fēng)措施。同時(shí)，還可以用關(guān)閉巷道口的方法來控制氣流的走向，從而確保礦井內(nèi)每個(gè)操作崗位的氧氣充足。

如能在井底實(shí)現(xiàn)竹材的燃燒，那么采礦時(shí)選用燃燒竹木火把的照明方式則是不難想象的了。

由于古礦井的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)的地下水位，因此排水問題要靠提升系統(tǒng)來解決。不過，提升系統(tǒng)的最大功能可不在排水，而是主要用于提升井內(nèi)的礦石。整個(gè)提升裝置選用轆轤分級(jí)提升法來實(shí)現(xiàn)，轆轤的發(fā)明最早用于汲水飲用或灌溉，后逐漸被其他生產(chǎn)領(lǐng)域所接受。提升的方法有“單段提升”和“分段提升”兩種方式。井中的排水作業(yè)，要先將水引到礦井的最低處，然后再分段提升到井外;提升礦石，則要依據(jù)礦石所在的具體位置來考慮究竟選用何種提升辦法。

礦石的開采，無論是在古代還是在現(xiàn)代都屬于高強(qiáng)度的勞動(dòng)作業(yè)。在古代，采礦工具的使用雖然鮮有創(chuàng)新，但對(duì)質(zhì)量的要求卻是呈現(xiàn)出逐步提高的趨勢(shì)。在礦址中出土的鐵質(zhì)鑿、椎、鋤等用具，不僅制作較為精良，為了防止木柄斷裂還增設(shè)有加箍等措施。

銅綠山出產(chǎn)的礦石主要包括氧化銅種類的銅礦一孔雀石和黃銅礦，但黃銅礦不易直接煉出銅，要經(jīng)過焙燒、除硫等步驟，中國古人成熟地掌握冶煉黃銅的技術(shù)已經(jīng)是東漢時(shí)期的事情了。

銅綠山古礦井展品模型簡圖

黃銅礦石

依據(jù)最新的考古發(fā)掘結(jié)果進(jìn)行推測(cè)，銅綠山古礦井的最早開采時(shí)間可以推溯至夏代早期，比原來學(xué)術(shù)界已成定論的“商代早期”又提前了近500年。如此一來，銅綠山古礦井的開采歷史將有望突破2000年。還很值得一提的是，在歷代的考古發(fā)掘整理中，從未發(fā)現(xiàn)人類殘骸的遺存，這也間接地表明了在如此長時(shí)間的采礦生產(chǎn)中，從未因安全事故的發(fā)生而導(dǎo)致人員傷亡事件的出現(xiàn)。僅此一點(diǎn)，稱它為“世界奇跡”也是不為過的。