我国采矿技术的发明约可追溯到旧石器时代,当时开采的是非金属矿,其中主要是制作石器的各种岩石,另有少量的矿物颜料。新石器时代以后,人们又开采了陶土、玉石、媒玉、食盐,以及烧造石灰的石灰石等非金属矿。金属矿开采技术的发明年代约与冶金技术相当,当时开采的主要是铜矿,相当部分是自然铜,主要是露天开采,技术上也较为简单。
作为冶铁用的铁矿石的开采,中原地区应始于西周时期,而西周时期,我国的采矿技术已经达到了一个繁荣期,特别是对铜、锡、铅等金属矿,玉石、食盐等非金属矿都已经大量开采,煤玉在这一时期的采取量也有增加。我国古代地下开采的技术体系在这一时期便已形成。此外,滇池地区也在此期冶炼了不少的铜器和部分的铁器,肯定也涉及到了铁矿的开采。
到了春秋战国时期,开采铁矿开始兴起,同时开采技术也有了不少的发展。由地上开采发展成了大规模的地下开采。这一时期,古人有效地采用了竖井、斜井、盲井、平巷相结合的开拓方式,初步解决了井巷支护、采掘、运输、提升、通风、排水、照明等一系列复杂的工程技术问题。
从采矿技术的发展程序上看,大凡都是先有露采,后有坑采。在先秦古矿场中,保存较好、技术较为先进的是大冶铜绿山和瑞昌铜岭矿场,它们都是进行过露采与坑采的。露采的对象是矿体较厚,品位较高,剥离层较薄的矿体。从考古资料看,我国露采的具体做法通常是:先开采矿体露头,之后再将废石回填到露天采场之内。有的露天采场在后世又沿“废石堆”,在回填底层下掘竖井,做坑采,即地下开采,地下开采的操作要点是:从地表处挖掘与矿体相连的巷道,建立完整的地下开采系统,集开采与挖掘、升运、排水、通风等于一体。
单一开拓法
该方法也被称作群井开拓法,“铁土山,铜落槽,金子顺水跑。”的采矿俗语,至今还盛传于南陵古铜矿一带。常况下,会选择铜草花繁密生长之处,即两山间的低洼部分,进行浅地层群井开采,挖掘露头矿,其中遍布有进口沿山凹或山坡排列,间距为将近5米的竖井。群井的井深一般20~30米左右,估计单个井筒的寿命,正常服务时间仅数十天左右。早期开采以群井开采为主,同时也存在浅井和短巷结合采矿。群井开拓阶段,井筒服务时间短,加之工作面小,矿工在矿井中作业艰难,因而效率很低。为了提高产量,需要多开工作面,增加地下采场的掘进路线,于是在古矿区就出现了井巷联合开掘方法。
井巷联合开拓法
古往今来,采矿业常常会使用井巷联合开拓法这一方法,它是指借助于平巷以及竖井到达矿体,从矿体中挖掘矿石。春秋时期,已经成功地使用竖井、斜井、平巷联合开拓,形成了完备的地下开采系统。当时巷道的端面较早期有所增大,斜井也已出现。斜井是指一种倾斜坑道,在矿体有着合适的倾角且较为稳定之时,可从地表处沿着矿体或矿体底盘岩层处挖掘前进。在开采技术史上,斜井的诞生可谓是一重大突破,其支护技术与掘进施工的难度较大,倾角由25到70度不等,可见因地而异,古人从中得知,掘进能够沿着矿体的斜角,深度挖掘地下富含的矿藏资源,不但能够节省工程,并且能够探索矿藏,将之作为中段平巷的联络道。
战国时期的井巷明显增大,竖井边长一般由120cm到140cm,平巷一般为120cmX150cm,采掘深度达到五六十厘米。在这一阶段的采矿工作,应将竖井或斜井拓展至矿体底盘,同时为了方便平巷进入矿体,需将矿脉凿穿,沿着水平方向,采用大方框平巷在富矿带内伸展,随后采用小方框平巷,在其上端采集矿石,完成下层矿石的采集工作后,再采集上层的矿石,下层方框的顶梁,坐落着上层方框的底梁。经过筛选之后,顶层采的矿石被运往地面,而废石以及贫矿石则填充至下层巷道,如此一来,通过对采空区的有效处理,为采矿安全提供有力保障的同时,减轻了大量废弃矿石的运输量。①到了汉代以后,这种联合开拓的技术更加成熟,由小规模的布局发展成为多中段的复合联合开拓。回采、运输、排水、通风等技术也相应变的复杂。
方框支柱开拓法
该方法基于平巷以及竖井的支护经验,应用于采矿场的地压管理中,建立了风格不一的方框支柱开采形式。该方法常用于战国后期的地下开采活动当中,可进一步细分为进路式、上向式以及下向式。其中,第二种方法具有较高的产能,并且对开采技术也提出了较高要求,它是基于第三种方式演变而来,而前两种开采方式,则是基于群井开采发展变化而来。这一方法又可区分为五种:
单框竖分条开采。即在地表下挖掘多个井筒,一边挖掘一边开采,挖至一定深度,再开展平巷的挖掘工作。为了探寻到富矿,可下盲井,扩帮以形成单框竖分条。单层小方框开采。特点是在井底开挖平巷或者斜巷,以追踪富矿,并边掘边采边支护。链式方框支柱法。由前两种发展而来,采用直接的方式,从竖井四壁扩帮。拓展开采空间,进而大幅增加井的回采工作面。其加设有框式支架,进而给空区提供有效支护,由于处于相同水平面上,采用与链板极其相似的方式,将框架相联起来,因此,被称作链式支柱法。方框支柱填充法。在使用该方框支柱的同时,可填充采场、维护采区,采完一个分层,向上采另一个分层时,用以废石与贫矿石填充。
火爆在矿物开采过程中的使用
火爆法在我国约始于新石器时代的采石作业,战国时期,人们又把它用到了采矿和水利开凿中。考古发现湖南麻阳战国铜矿遗址时发现,部分战国古矿的顶部或者侧壁都有大面积的烟熏痕迹,推测大约便是火爆法留下来的痕迹,这估计也是我国火爆法使用于矿石开采的最早例证。《华阳国志·蜀志》卷三中记载:李冰在修理河道时,若遇坚石,“不可凿,乃积薪烧之”。对坚石灼烧,有时再泼水激冷,岩石便会爆裂开来。这是我国关于火爆法的较早记载。考古人员在调查湖北大冶、安徽南陵的一些汉代采矿遗址中,发现不少运用“火爆法”破岩的遗迹,由此可见,运用火爆法进行工程破岩,汉代已经比较普及。
除了采矿技术外,这里对相关采矿所用的支护框架设计作一个简单的说明。首先竖井支护的核心功能在于抵挡压力,在支架形式上,应采用互相连接的框架,进而减轻它对支架所产生的压力。由于各地域和文化面貌不一,此类方框又具备一些自身特色。垛盘式框架、碗口结交互撑框架、碗口结加强式框架、日字形框架、榫卯结式框架以及碗口结式同向撑框架都是一些较为常见的支护形式。这里主要对榫卯结式以及垛盘式加以解释。
榫卯结式框架由四根木料用榫卯法穿接而成,在凿有榫眼的两根木料的两端削成尖状,以便木楔入井壁进而固定框架。为了避免四周围岩坍落,加强空气对流,为整体立井建立一个封闭式的井筒,矿工们常在框架外侧四周围岩的表层,采用拌有草茎的青膏泥进行涂抹,甚至会采用竹编织物将之围住,大部分用小木棍或木板密排护壁。
有的还在框架的两根母榫上分别吊挂竹索,不仅增强了框架的牢固性,还有助于采掘上下之便。垛盘式框架是以粗圆木四根组成一组框架,两端砍削出台阶状搭口相互吻合,框架一组接着一组的排列,构成密集式井筒。这种框架的每一构件,只需要在木材两端砍出阶状榫口,选材、制作简便易行,井下安装也很方便,由于支撑点变多,其抗压强度比其他形式木框要强。采用此框架支护,使得竖井的采掘面增大,采矿量随之增多,是当时用于采矿的采矿主井。
作为一种探寻富矿、采矿的核心建筑,平巷不但是用于挖掘矿石的工作面,并且也是一种通道,用于运送矿石、生产用具。顶板岩会随着巷道的开掘而暴露,巷道顶板有如一根承受着顶部压力的“梁”。在荷载作用下,“梁”会弯曲,进而导致位于巷道顶板附近处的岩石承受中间最大、两边递减的拉力,巷道顶板便成了将压力传至巷道两边的自然平衡拱,而在两端的岩石的受力超出其自身强度的情况下,会出现裂痕,为此相较于竖井而言,在支护方面,平巷比竖井难度更大,需同时抵抗顶压以及侧压,相较于竖井而言,支护应该更为牢靠,进而为生产者的个人安全提供有力保障。
平巷支护框架结构主要是开口贯通榫结框架、榫卯结立式框架、碗口结立式框架以及鸭嘴与亲口混合立式框架。这里主要对鸭嘴与亲口混合立式框架作以说明。这种框架由一根小方木以及四根圆木木构件构成。其中,前者的两侧需嵌入立柱上方两端的半榫中。后者则包括立于地梁两端阶状榫面上的两根立柱、两端砍出台阶状榫的一根地梁以及两端搭接于立柱上端树杈之上的顶梁。其中,立柱上端带有天然树杈,并需在其基部凿出半榫,可将小方木两侧嵌入立柱上方两侧的半榫中。上述五根木构件采用鸭嘴与亲口混合的方式,形成了结构科学、与力学原理相符、平巷建筑有着良好封闭性一组方框支架。由于支护牢固,不仅可以减少框架组数,还可以加宽巷道。
综上可知,采矿支护方式的应用,能够有效承受围岩的压力,在挖掘中,扮演着重要角色。大体上,也能与矿工作业的安全要求相符。