从古书中的记载看中国古代的探矿、采矿技术

《天工开物》铅铜取穴

中国古代的探矿技术

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，一日上有鈆者，其下有鈆银；上有丹砂者，其下有拄金：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：上有储者，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。”
上引三段文学互有出入，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、六两条却是一殷文字仅有的。“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，是西汉以前找矿莱扩卖践中得出伪经验总结。“管子六条”中所说伪上下关系，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。在汞和金共生仍的砂矿床中，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》原书已侠，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，木旁伎皆下垂。”（《西阳杂俎》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》，严如甇的《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，毒气的人。有将巨竹凿去中节，尖锐其未，插入炭中，其毒烟从竹中透上，人从其下施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。

参考资料：

① 李约瑟：《中国科学技术史》，科学出版社1975年版，第四卷，第786页。
① 常书鸿：《漫谈古代壁画技术》，《文物参考资料》1958年第十一期第36页。李亚东：《敦煌壁画颜料的研究》，《考古学集刊》第三集，1983年版。
① 参阅中国硅酸盐学会编：《中国陶瓷史》，文物出版社1982年版。周仁：《我国传统制瓷工艺述略》，《文物参考资料》1958年第二期，第6页。
① 夏湘蓉、李仲均、王根元：《中国古代矿业开发史》，地质出版社1988年版，第317—331页。

作者：杨文衡，责编：谢涛