[人文通史] 中国古代的矿物学和采矿技术

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18 0 C站 发表于 2017-3-15 23:04:57
中国古代的矿物学

  矿物和人类生活关系极其密切,我们的祖先在旧石器时代就认识和使用过十四种矿物和岩石。新石器时代认识和使用矿物岩石的品种有三十七种,玉石、铜都相继为人们所注意和使用。

  四千多年前,中国人民已经开采铜矿石炼铜。到殷商末年,已经铸造出一千七百五十斤重的司母戊鼎。随着炼制青铜的需要,锡、铅矿也被开采使用。三千多年前,中国人民开始用陨铁。春秋战国时期,人们已经掌握了铸铁技术,出现了块炼渗碳钢,铁工具已经在农业和手工业生产中使用。石器——铜器——铁器的演进必须以对矿物的认识演进和矿产的探寻、开采、冶炼事业的向前发展作基础。中国古代矿物学也就从矿石生产中逐渐产生。比如:《山海经·五藏山经》(以下简称《山经》)、《禹贡》等著作中,有关矿物知识的记载,就是从石器时代到铁器时代对矿物的认识和使用的总结。《山经》成书于战国时期(公元前五世纪左右),记载了矿物八十九种,其中有金属矿、非金属矿和各种怪石、各色垩土;记载产地三百零九处,对矿产出处描述比较详细,如山上、山下,山阴、山阳,水中等等;又根据矿物岩石的硬度、颜色、光泽、透明度、粗糙或平滑的程度、敲击声音、磁性、医药性能、集合体的状态(土状的、块状的、卵状的、米粒状的、巨大的)等等性质来识别矿物和岩石;部分的知道了矿石的可熔炼性;有时就根据这些特性对矿物和岩石命名,如磁石、采石、瓀(ruǎn)石(软的石头)、丹粟(红色粒状)、茈(zǐ)石(紫色石头)、白玉、青臒(hù)(黑色石头)等等。《山经》中还反映了近代矿床学上所称的“共生现象”,如赤铜-砺石、铁-文石、银-砥砺、铁-美玉-青垩、黄金-银、白金-铁、金-银-铁、金-玉-赭石等。以前曾经有人把希腊学者泰奥弗拉斯托斯(约前372—前287)于公元前三世纪写的《石头志》(书中只记载了十六种矿物,分金、石、土三类)说成是世界上最古老的地质文献。其实,当《石头志》问世时,我国的《山经》已经传世二百年左右了,而且内容比它丰富得多。

  中国古代矿物知识和中医药学有很密切的关系。在历代本草著作中,都收集了矿物药,积累了丰富的矿物知识。从《神农本草经》到《本草纲目》,其中主要的本草著作在三十种以上。本草著作中记载了矿物的药性,矿物的化学、物理性质,矿物的产地以及鉴别、采掘方法等。这就完全有理由把各类本草著作中有关矿物知识的部分看作中国古代的矿物学著作。比如宋代寇宗奭的《本草衍义》,就利用化学变化、晶形、解理、色泽来鉴定许多矿物。明代李时珍的《本草纲目》集历代本草著作的大成,也是古代矿物知识的总结。书中列有矿物药二百六十六种,除水、火、土三部外,金石部所载连附录共达一百六十多种,分金、玉、石、卤四类,保存了不少可供研究参考的矿物学资料。书中对每种金石的产地、形色和采掘、鉴别方法都有不同程度的详细记述,并且考察历史记载,鉴别正确和错误,使它更加完整。

  中国古籍中,比较重要的矿物岩石著作还有宋代杜绾的《云林石谱》、明代陶宗仪的《辍耕录》、宋应星的《天工开物》以及某些《砚谱》。

  《云林石谱》重点是讲园庭装饰和鉴赏的岩石以及制砚、制各种用器、珍品、文物等的石头,描述石头的大概形状、颜色、声音、硬度、文理、光泽、晶形、磁性、透明度、吸湿性、风化程度、化学作用等。它所记石类有:第一,比较纯的石灰岩类,曾经被水侵蚀、有特别形状、可以作假山用的石头近二十种;第二,石钟乳类;第三,含有长石的石灰岩或砂岩;第四,含有锰质或铁质的石灰岩或砂岩;第五,比较纯的石英岩、砂岩、玛瑙等;第六,叶蜡石、云母、滑石类;第七,页岩和砚石类;第八,比较纯的金属矿物和玉类;第九,化石类。这确实是一部比较全面而专门的矿物岩石著作,特别偏重于沉积岩、变质岩的研究,是名副其实的《石谱》。至于陶宗仪所注意的矿物都属于宝石类。《天工开物》研究的重点是五金、盐、各类粘土、石灰岩、煤炭、各种矾石以及在军事工业上起重大作用的矿物,而把珠玉放在最后,这种安排,体现了作者贵五金贱珠玉的思想。《天工开物》对矿物研究的特点是:不仅记载矿物名称、种类、性状,而且详细记载探矿、开采、冶铸技术。它是中国古代百科全书式的科学技术著作。此外,中国古代各类历史专著、地方志、博物志、笔记等,也记载有丰富的矿物学资料。

  中国是世界上最早发现和使用石油的国家之一。明确记载石油产地的是《汉书·地理志》。秦汉时期的高奴县(今延安一带)人民,发现延河的支流洧水的水面上有可燃烧的液体,便“接取用之”(《水经·河水注》)。东汉时候,人们又在酒泉延寿县南山流出的泉水中发现了石油。由于这种液体装在器皿中“始黄后黑”,有如漆状,所以当地人叫它“石漆”(张华:《博物志》,《续汉书·郡国志》引)。这种“石漆”不仅”燃之极明”,而且“膏车甚佳”,可以作车轴的润滑剂。北魏和唐代,我国新疆库车和甘肃玉门一带,相继发现了石油,劳动人民对石油的开采和性能有了进一步的认识。北宋出现了石油军用加工场,用石油作主要原料造军用武器。“石油”的名称,是沈括明确提出的。沈括还试验成功了用石油烟制墨(《梦溪笔谈》卷二十四)。南宋,石油的一种固态照明产品——石烛问世。关于石油的药用功能,明代李时珍作了记载。那时四川、陕北一带的人民已经开始炼油。这些记载是很宝贵的,总结起来,可以看出我国人民对石油的发现、认识、使用、开采是一步步提高的。

  中国古代的矿物学和炼丹也有密切的关系。古代炼丹家对矿物药的认识,是矿物学的重要组成部分。后代讲炼丹的著作,不仅记载了一些矿物名称,解释了炼丹药的隐名,而且记载了矿物的产地和鉴别方法。比如晋代葛洪的《抱朴子内篇》对黄金、云母、雄黄的鉴别就是很有科学道理的。他说:“黄金入火,百炼不消;埋之,毕天不朽。”他把黄金的化学稳定性作了恰当的描述。对云母,当时的人多不能分别,而葛洪却有一套鉴别方法,说是 “法当举以向日,看其色,详占视之,乃可知耳。”这是我国最早记载直接看反射光颜色来区别云母种属的方法。唐代炼丹著作《金石簿五九数诀》特别强调鉴别矿物药的重要,说:“夫学道欲求丹宝,先须识金石,定其性质,知美恶。”正因为书的作者深感鉴别矿物的重要,所以书中除了记载矿物产地外,还记载了各种矿物的鉴别方法,说明颜色、光泽、形状、透明度、反射光的颜色、粗细感觉程度、敲击声音、磁性、污染性、火焰色、燃烧气味、味觉等等。唐代梅彪著的《石药尔雅》,主要是解释炼丹药的隐名,剥掉炼丹家故意加在矿物药名上的神秘色彩,为炼丹药名的通俗化作出了贡献。

  中国古代矿物学和绘画所使用的颜料有一定关系。古人对矿物颜料的认识是古代矿物学的组成部分。汉代墓室壁画使用的矿物颜料有石青、石绿、赭石、石黄、朱砂等。魏晋隋唐壁画使用的矿物颜料是赭石、黄土、石青、石绿、白垩、朱砂、孔雀蓝、煤黑、高岭土、蓝铜矿、绿泥石、氧化铝、青金石,密陀僧(PbO)、黄铜粉、绛矾(Fe2O3)、金、银、银朱(硫化汞)、铅粉(碱式碳酸铅)等①。制造陶瓷的原料和彩绘着色剂都和矿物有关。这方面的矿物知识也是中国古代矿物学的重要内容。我国在新石器时代早期已有陶器,原料是陶土,包括红土、沉积土、黑土或其他粘土。从仰韶文化晚期起,已出现白陶,原料是瓷土和高岭土。商代中期出现了原始瓷器,原料是高岭土或瓷土。东汉出现了瓷器,原料是瓷石或瓷土,它是一种含石英-高岭-绢云母类型的伟晶花岗岩风化后的岩石矿物。由于瓷土中含铁量的不同,出现了青瓷、白瓷和黑瓷。宋代出现了紫砂器,原料是一种质地细腻、含铁量高的特殊陶土,属于高岭-石英-云母类型。陶瓷的彩绘呈色剂也和矿物有关。比如仰韶文化彩陶彩料,经光谱分析得知,赭红彩中的主要呈色元素是铁,黑彩中的主要呈色元素是铁和锰。因此估计赭红彩料可能是赭石,黑色彩料可能是一种含铁很高的红土,或乌金土和紫金土。白色彩料可能是一种配入熔剂的瓷土。商周釉陶器表面上的釉,是用天然的碳酸钙矿物配合粘土制成的。这种石灰釉是后世青瓷釉的鼻祖。青瓷釉由石灰石和瓷土配制而成。在石灰釉里,铁是主要呈色元素,其次是钛和锰。商周时期还发明了铅釉,以铅的化合物作为基本熔剂,主要呈色剂是铜和铁。铜使釉呈现翠绿色,铁使釉呈现黄褐和棕红色。在铅釉中加入少量含钴或含锰的矿物,还会得到蓝、紫等各种不同色调的低温釉。在陶瓷色料应用上,钴仅次于铁、铜,像唐三彩的蓝色,就是用钴呈色的。此外天蓝釉、霁青釉都加入了钴。宋代发明的青花釉,主要呈色剂是氧化钴(CoO),矿物学上叫钴土矿。瓷器上的釉上彩粉彩类,色料在我国采用不纯的矿物原料,如青矾、黄丹、铜花等作为呈色剂,配以石末、牙硝、铅粉等炼成熔块,磨细制成,大约有二十多种。①

  中国古代的探矿理论

  中国古代有比较系统的探矿理论。最著名的是战国时期的《管子·地数篇》。它总结了一些矿床中矿物的分布规律,指出可以根据矿苗和矿物的共生关系来寻找矿床。

  书中说道:“山,上有赭者,其下有铁;上有鈆(“鈆”是“铅的异体字——引者注)者,其下有银;一曰上有鈆者,其下有鉒银;上有丹砂者,其下有鉒金;上有慈石者,其下有铜金。此山之见荣者也。”又说:“上有丹砂者,下有黄金;上有慈石者,下有铜金;上有陵石者,下有鈆、锡、赤铜;上有赭者,下有铁。此山之见荣者也。”所谓“山之见荣”,就是矿苗的露头。此外,在唐代张守节的《史记正义》中,所引《管子》文字略有不同:“山上有赭,其下有铁;山上有铅,其下有银;山上有银,其下有丹;山上有磁石,其下有金也。”

  上引三段文字互有出入,夏湘蓉等把它们归纳成六条,称作“管子六条”:第一,山上有赭,其下有铁;第二,山上有磁石,其下有铜金;第三,山上有铅,其下有银;第四,山上有丹砂,其下有黄金;第五,山上有陵石,其下有铅、锡、赤铜;第六,山上有银,其下有丹。六条中,第一、二两条是三段文字所共有。第三、四两条是两段文字所共有。第五、六两条却是一段文字仅有的。“管子六条”包括铁、铜、锡、铅、金、银、汞七种金属矿产,分组说明它们的上下关系,是西汉以前找矿采矿实践中得出的经验总结。“管子六条”中所说的上下关系,包含三种意义:

  第一,一个垂直的矿体或一条矿脉,山上露头中出现某种矿物,可能对下面赋存的另一种主要矿产起到指示作用,这种指示矿物在古代称作“苗”或“引”。又某些多金属矿体(脉)的上部和下部富集的矿种有所不同,这种垂直分带现象,在古代也是有所认识的。

  第二,山上出现的某种矿物和山下出现的另一种矿物,分别产于不同的地层或岩石中,既不同属于一个矿体,成因上又没有明显的联系,属于这种情况的上下关系,仅仅是一种空间位置的相对关系。

  第三,山上赋存有某种原生矿床,而山下出现另一种砂矿,这也是一种上下关系。这种关系也不一定和矿床成因有联系。

  由于“管子六条”是实践经验的总结,因此,它是符合实际的,有科学价值的。各条的科学价值是:

  第一条,无疑是从采矿实践中总结出来的经验。它基本上适用于邯郸、邢台式、大冶式和某些鞍山式铁矿。

  第二条,是古人从开发铜矿中总结出来的经验。适用于铜绿山类型的铜矿。

  第三条,这里的“铅”主要指方铅矿,“银”指自然银或辉银矿。自然银主要是次生的,赋存于铅银(或银铅)矿床上部的氧化带中。《楚雄县志》说:“铅乃银之母,银乃铅之精也。”辉银矿的成因有次生的,也有原生的。原生辉银矿经常和方铅矿共生。

  第四条,丹砂和自然金在汞或金的原生矿脉中,除少数外,一般不存在共生关系。这条规律,对于原生脉金矿床来说,没有实际意义。不过先秦时期的汞矿或金矿都以砂矿为主。在汞和金共生的砂矿床中,这条规律是确切的,是反映实际情况的。

  第五条,陵石,《太平御览》地部三引作绿石,就是孔雀石。因此,这条规律适用于以铅为主的铅锌铜多金属矿床,上有绿石、下有锡的现象也是存在的,而上有绿石、下有赤铜是实际情况的确切反映。

  第六条,也是古代采矿经验的总结。这种银在上、汞在下的上下关系,是两种矿产赋存于时代不同的两个地层中的上下关系,而不是一个矿体(脉)中金属矿产的垂直分带关系。①

  除了“管子六条”外,古人对矿物和围岩的关系也有所认识,并且把它用于找矿。比如唐代陈藏器把粉子石作为金矿的标志(见《本草纲目》卷八)。宋代,苏颂把白石作为辰砂矿的标志(见《重修政和经史证类备用本草》卷三)。

  清初孙廷铨(1616—1674)在《颜山杂记》中记载了人们利用岩层和矿床的关系找矿,说:“凡脉炭者,视其山石,数石则行,青石、砂石则否。察其土有黑苗,测其石之层数,避其沁水之潦,因上以知下,因近以知远,往而获之为良工。”这段话的意思是:凡是找煤矿的人,必须先观察山上的岩石性质。假如山上有页岩出现,就可能有煤。如果山上全是石灰岩、砂岩,就没有煤。当看到土地上有黑色的煤层露头时,就要仔细测量煤层上下岩石的层次,避开涌水。从上面的岩层情况推测地下的各种情况,从近处的岩层情况推测远处的各种情况。这样去找煤矿就容易找到。这样的人才是优秀的煤矿勘探者。

  在探矿理论方面,南北朝的梁代出现了新的理论著作,体现了新的方向。这就是有名的地植物找矿著作——《地镜图》。《地镜图》原书已佚,现在只能从后人的引文中看到它的部分内容。它的主要观点是把地下的矿床和地表的植物联系起来,是现代指示植物找矿或生物地球化学找矿方法的肇端,是一个很有科学价值的新创见,新理论。当然,这个新理论也是逐步产生的,并不是突然出现的。往上追溯,我们发现,《荀子·劝学篇》就说过:“玉在山而草木润”,首次提出了山上赋存的矿物和周围植物生态有关的思想。晋张华《博物志》也说:“山,……有谷者生玉”。到《地镜图》,内容就大大充实了。书中说道:“二月中,草木先生下垂者,下有美玉。五月中,草木叶有青厚而无汁,枝下垂者,其地有玉。八月中,草木独有枝叶下垂者,(下)必有美玉。有云,八月后草木死者亦有玉。十二月中,草木独有枝叶垂者,下有美玉。山有葱,下有银,光隐隐正白。草茎赤秀,下有铅;草茎黄秀,下有铜器。”唐代段成式(?—863)对它作了初步的整理,说:“山上有葱,下有银;山上有薤,下有金;山上有姜,下有铜锡;山有宝玉,木旁枝皆下垂。”(《酉阳杂俎》卷十六)这些记载,不一定完全和实际相符,但是他所指出的利用指示植物找矿的方向是对的。

  对中国古代利用指示植物找矿理论的发明和发展,英国科学史家李约瑟曾经作过恰当的评价,他说:“中国人在中古代所进行的观察,确实可以说是仍在迅速发展中的、范围十分广阔的现代科学理论和科学实践的先驱。”①

  中国古代的采矿技术

  我们的祖先对矿物的大量需要,必然要以发达的采矿业做基础,也必然会从生产实践中产生先进的采矿技术。下面分述几种主要采矿业和采矿技术。

  铜矿的开采

  中国铜矿石的开采极晚到商代已经初具规模,虽然历史上这方面的记载缺乏,但是从商代大量铜器的出现和铜矿遗址的发现,我们可以得出这个结论。

  据1989年一月二十七日《中国文物报》报道,江西瑞昌铜岭发现一处商代中期大型铜矿遗址,是目前发现的中国最早的一处采铜遗址。遗址面积约二十五万平方米(一平方里),在已发掘的三百平方米范围内,有竖井二十四口,平巷三条,露天采矿坑一处,选矿槽一处。这说明当时已经采用竖井、平巷、坑采等联合开采方法。井巷有木材支护结构,井壁贴有扁平木板或小木棍,井体采用榫卯式和内撑式方框支架组接,井深大都在八米以上。还有一条斜巷。提升工具有辘轳,采掘工具有青铜弧刃钺形斧。

  1979年四月,湖南麻阳发现一处春秋战国时期的铜矿遗址,有古矿井十四处,其中一处是露天开采,其余是矿井式地下开采。一般是在地表沿矿脉露头开口后,就沿矿脉倾向由上而下进行斜井开采。矿井不规则,宽窄不一,呈弯曲的鼠穴式。垂直深度约八十米。在跨度大的采空区间内,留有矿柱或隔墙,在跨度比较大的相邻矿柱之间,又辅以木支柱,以防止矿井顶板因压力过大而下塌。

  1974年,湖北大冶铜绿山发掘出了春秋战国时期的古铜矿井,比较完整,是一部很有价值的实物历史。铜绿山铜矿富集,主要有孔雀石、自然铜、黄铜矿等。这些矿物有的呈孔雀绿,有的呈金黄色,颜色鲜明,容易发现和采选,含铜的品位也很高。矿床类型属接触变质的铜铁矿床。这一古代矿井(当地称老窿)是在露天采矿过程中被揭露出来的,老窿从南到北呈不规则条带状分布。考古工作者选择发掘了两处:“十二线老窿”和“二十四线老窿”,两处南北相距三百米。“十二线老窿”发掘点距地表四十多米,在五十平方米发掘面积里,出现了八个竖井和一个斜井。支护木料是直径五到十厘米的圆木。竖井井口直径约八十厘米。“二十四线老窿”发掘点距地表井口五十多米,大约一百二十平方米发掘面积里,有五个竖井,一条斜巷和十条平巷,支护用的圆木直径一般在二十厘米左右,竖井井口直径一般是一百一十到一百三十厘米,比“十二线老窿”的竖井大。竖井是交通孔道,从这里把矿石和地下水提出地面,把井架支护木送到井下。五十米深的竖井分几段,就是掘一段竖井,挖一段平巷,每一条平巷都装有辘轳,这样逐级提运,接力完成。十条平巷的方向不一致,宽窄也不一样。最大的是二号巷道,内空高一米六,宽一米九五,其他巷道的高宽一般在一米三到一米五。斜巷和平巷的作用不同,从矿层表面开斜巷斜穿到底部,主要是为了探矿;再沿水平方向开平巷,从矿层底部向上回采。已采的矿石在井下进行初选,把贫矿和废石充填进采空区,这样,既可以有选择地进行开采,又可以使出窿的矿石品位比较高,减少提运量。总之,矿床的开采采取了竖井、斜井、斜巷、平巷相结合的采掘方式。同时又用各种技术手段初步解决了井下通风、排水、提升和巷道支护等一系列复杂的技术问题。比如矿井工人利用不同井口气压差的高低,形成自然气流,并且采取密闭已经废弃的巷道,来控制气流沿着采掘方向前进,保证气流到达最深处的工作面;井下,矿工们又利用船形木盘等器具,进行重力选矿,以测定矿石的品位,决定采掘方向。他们十分准确地选择了断层接触带中矿体富集、品位高的地方进行开采。这个古铜矿井的被发掘,以十分生动的事实说明了当时高水平的采矿技术。

  像这样采矿的规模和技术,在历史书中很少记载,只有宋代孔平仲在《谈苑》中讲到铜矿的开采情况。书中记载:“韶州岑水场,往岁铜发,掘地二十余丈即见铜。今铜益少,掘地益深,至七八十丈。役夫云:地中变怪至多,有冷烟气中人即死。役夫掘地而入,必以长竹筒端置火先试之,如火焰青,即是冷烟气也,急避之,勿前,乃免。”韶州是今广东韶关一带,说那里往年铜矿发达,现在铜已经少了。所说冷烟气可能是含一氧化碳比较多的天然气。这里讲到了矿井深度和防止冷烟气的办法,但是对整个矿井的结构没有记载。明代宋应星的《天工开物》提到:“湖广武昌、江西广信皆饶铜穴,”“凡出铜山,夹土带石,穴凿数丈得之。”

  到了清代,有了不少关于矿井的文献记载。比如张泓的《滇南新语》,王崧的《矿厂采炼篇》,倪慎枢的《采铜炼铜记》,吴其濬(1789—1847)的《滇南矿厂图略》,以及某些地方志等。其中以《滇南矿厂图略》讲得最详细,又附有矿井剖面图,是一部图文并茂的著作。书分上下两卷,上卷《云南矿厂工器图略》,下卷《滇南矿厂舆程图略》,采铜技术、铜矿井结构都在上卷叙述。上卷书的前面,绘有矿厂剖面图,把有关采矿技术作了形象的反映,文和图对照阅读,能使读者清楚地知道当时采铜技术的各个细节。图上有矿井内部结构,如平巷、斜巷、另峒、钓井、掌子面、陡腿、平推、钻篷、象腿、倒回龙、马鞭桥、顶子、◆门等;有矿井中的设备,如油灯、摆夷楼梯、风箱、风柜、拉龙等。此外,通风、排水、照明、挖矿石、背矿石等等劳动场面,图上也有表现。还有专门的工具器物图。所以,图在这本书中和文字一样重要,甚至更胜过文字。比如图上画的象腿,就是石柱或矿柱,它代替坑木支护矿井,是自春秋时期以来就有的一种开采方法,文字说明中没有。文字部分写得层次分明,共分十六个部分:第一“引”,讲矿苗;第二“硐”,讲矿井内部结构和具体技术操作;第三“硐之器”,讲矿井中使用的工、器具;第四“矿”,讲矿石品位高低;第五“炉”,讲冶炼;第六到第八,讲冶炼和用品;第九“丁”,讲矿山人员组成;第十“役”,讲分工;第十一、十二讲矿山制度和禁忌;第十三“患”,讲矿灾、矿害;第十四到第十六讲迷信活动。所以整本书讲的是铜矿的开发、管理、经营,开采技术只是其中几个小部分。整本书为我们展现了当时矿业上各方面的活动场面,使我们能够比较清楚地了解当时铜矿开采的水平。

  盐卤、天然气、石油的开采

  四川盐井的掘凿是战国时期李冰首创的。他成功地组织人民“穿广都盐井”、“盐溉”。这些盐井、盐溉属于大口浅井的雏形。东汉是中国大口浅井型盐井蓬勃发展的时期,不但能开采自然盐泉、盐岩所标示的地下盐卤,而且能开采没有自然盐泉标示的地下盐卤。东汉以后盐井逐渐向深度发展,晋永康元年(公元300年)已经凿到三十丈深,唐时陵井深八十丈。汉代四川井盐生产劳动画像砖,为我们展现了距今两千多年前盐井工人劳动的情景。

  汉代不仅有盐井,而且有火井(就是天然气井),井深达六十多丈,用火井煮盐。这比英国1668年使用天然气大约早十三个世纪以上。

  小口深井的盐井又叫“卓筒井”,北宋仁宗庆历、皇祐年间(公元1041年到 1054年)已经开凿,凿井的工具是“圜刃”,凿出的井口只有小碗那么大,深却有几十丈。用粗大的竹子做井套,隔断淡水。用比较小的竹子做桶,出入井中,一筒装水几斗,用机械提升。这种“圜刃”是近代钻井用的各种各样凿刀的先驱,在深井钻凿中是必不可少的工具。凿井的工作过程,在宋代苏轼的《东坡志林》中叙述得很详细。主要工作环节是四个:

  第一,筒井用圜刃锉钻凿。这是一种新发明的冲击式环形锉,顿击井底而把岩石捣碎。每锉一次,重新提起,再作第二次顿击。这样循环往复,打成深井。

  第二,井内下隔淡水用的井套,井套用巨竹去节,牝牡相衔构成。

  第三,提卤用竹桶,竹桶用比井套略小的竹子做成,桶的底端开一二个小孔,把几寸熟皮绑在桶底,做成活门。

  第四,用机械提卤。

  在当时世界上,这是最先进的凿井技术,是中国人的一项伟大发明,可以列为中国的第五大发明。

  明朝万历年间(公元1573年到 1620年),四川射洪人马骥写了一篇《盐井图说》,原著已佚,只在明代曹学佺(1574—1647)撰《蜀中广记》和清代顾炎武(1613—1682)著《天下郡国利病书》中有部分引文。《盐井图说》详细记载了盐井开凿工艺,内容包括井位勘察、开井口、钻凿工具、竖井架、凿大窍、清孔、竹桶的用法、下套管、凿小窍、树立提卤井架、吸卤和它的机械装置、事故的处理等,比《东坡志林》的内容丰富得多。井深也由宋代的几十丈发展到一百多丈甚至二百多丈。

  明代末年,宋应星在《天工开物》中也详细记载了盐井开凿技术,并附了一幅插图,这是盐井工艺最早的图画。

  清代记载盐井工艺的著作,有段玉裁(1735—1815)的《富顺县志》,严如熤的《三省边防备览》,吴鼎立的《自流井说》,李榕的《自流井记》,丁宝桢(1820—1886)的《四川盐法志》等。

  《自流井说》是我国古代第一部系统论述石油生产的专著,内容有六项:第一,介绍自流井的性质和位置。第二,介绍盐井的经营机构、人员分工和各个部门的名称。第三,介绍盐井开凿工艺。第四,介绍井病整治办法。第五,介绍井台危险。第六,介绍四个石油品种和生产方法。这部书真实地反映了清代同治年间四川自流井的生产水平和面貌。

  光绪初年李榕写的《自流井记》反映了当时自流井的生产规模、工艺水平和对地层的认识,是一篇不可多得的盐井技术史著作。主要内容有:第一,盐井开凿技术。第二,盐井中岩层层位关系。第三,卤水深度和含盐率的关系。第四,井病的整治。

  光绪八年(公元1882年)丁宝桢编纂的《四川盐法志》,以两卷的篇幅总结了四川盐井生产技术,有精美的插图,图文并茂。

  随着盐井深度的加深,把当地含油地层给打穿了。这样,我国于明代正德十六年(公元1521年)在四川峨嵋山下的嘉州(今乐山),凿成了第一口石油竖井,深度至少达几百米,开创了我国钻井取油的新时代。这个成就,在当时居世界第一位,比北美和欧洲早三百多年。美国到1859年才钻成一口深二十一米多些的油井。到清代道光年间,我国四川自流井地方的钻井能手,又用竹、木、钻头构成的钻机,钻穿了四川气田的主要地层,建成了深达一千米以上的气井,使天然气的开采达到了一个新的历史水平。

  煤炭的开采

  中国在西汉时已经正式用煤炼铁,河南等地的煤田已经开始开采。

  宋代,煤矿开采已经有一套比较完整的技术。从鹤壁古煤矿遗址知道,当时是先由地面开凿圆形竖井,深达四十六米,然后依地下自然煤层的变化开掘巷道。巷道高一米多,形状上窄下宽,上宽一米,下宽一米四,再把需要开采的煤田凿成若干小区,运用“跳格式”的先内后外的方法逐步后撤。井下排水一方面用辘轳往外抽水,另一方面把地下水引进采完煤的坑洼地区贮积起来。

  明代,对采煤技术记载比较详细的是《天工开物》,书中说:“凡取煤经历久者,从土面能辨有无之色,然后掘挖。深至 五丈许,方始得煤。初见煤 端时,毒气灼人。有将巨竹凿去中节,尖锐其末,插入炭中,其毒烟从竹中透上,人从其下施钁拾取者。或一井而下,炭纵横广有,则随其左右阔取。其上支板,以防压崩耳。”这里讲的用竹筒排毒气的办法是很科学的。

  清代,记载采煤技术的书以孙廷铨的《颜山杂记》最详细,最好。他的记载是符合实际的,是当时山东淄博地区煤矿工人实际经验的总结。他从煤的性质讲起,然后顺序讲煤矿的勘探和开采。关于煤矿开采技术,书中是这样讲的:“凡攻炭,必有井干蔫。”这是指主井、竖井。“虽深百尺而不挠。”竖井虽深百尺也不弯曲,是直立的。”已得炭,然后旁行其隧。视其炭之行,高者倍人,薄者及身,又薄及肩,又薄及尻。”当竖井的深度和将要开采的煤层相当时,从竖井的旁边开巷道,巷道的方向看煤层的走向而定。煤层有厚有薄,道巷有高有低,高的有两个人高,薄的 只有一人高,再薄的只有一个人的肩头高,最薄的只有一个人的屁股高。“凿者跂,远者驰。凿者坐,远者偻。凿者螬卧,远者鳖行。”这是讲开凿工和运煤工彼此的关系。当挖掘工人可以站着工作时,巷道自然高敞,所以运煤工人可以直立行走;当挖掘工人只能坐着干活时,巷道低矮,运煤工人就得弯腰走;当挖掘工人仰卧干活时,巷道极其低矮,运煤工人只能像鳖一样爬行了。“脉乍大乍细,窠窠螺螺,若或得之而骤竭,谓之鸡窝,二者皆井病也。”这是指煤层不均匀,时大时小,甚至尖灭,这都是不利于开采的。“凡行隧者,前其手,必灯而后入。井则夜也,灯则日也。冬气既藏,灯则炎长;夏气强阳,灯则闭光。是故凿井不两,行隧必双,令气交通,以达其阳。攻坚致远,功不可量,以为气井之谓也。”这里讲了井下照明,井下通风。为了让井下空气对流,工人们发明了开气井的办法。气井、气巷和工作井巷分开。这是中国古代采煤技术中首次提到开气井的文献,反映了明末清初在煤矿井坑设计和建造方面又迈出了新的步伐,达到了一个新的技术水平。
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