铜绿山古铜矿采矿技术的思考

100在湖北大冶发现的铜绿山古铜矿，是我国发现的第一个古矿冶遗址。

这一发现填补了我国冶金史中的一个空白，也把古代工匠如何从铜矿中开采矿石、进行冶炼等问题摆到人们的面前。

许多研究者对这一发现十分关注，他们从不同视角对它的采掘工艺、冶炼技术和地质构造等方面做了不少分析与探讨，提出了各种说法。

对于铜绿山古铜矿的采掘工艺究竟以何种说法为合理，从发掘之初就存在争议。

随着先秦时期的古铜矿在一些省、市、自治区陆续发现，人们对早期采矿业的了解越来越多，在比较与分析中使相关认识得以深化，也促使对过去的一些说法进行反思。

这种反思是很有意义的，因为对铜绿山古铜矿采掘方法的准确论述，关乎我国采矿技术发展史中这一时期处于何种阶段的正确评估与合理定位。

笔者之一曾撰文对发掘的材料进行分析，指出当时从深部矿带进行坑采时使用的是竖井——平巷（斜巷）——盲井的采掘工艺[1]。

这一说法是基于发掘工作中清理出一组组井巷的基础材料而给出的。

它反映了早期坑采工艺的特点，又以操作简便、安全实用而颇具特色。

这种方法出现的时间很早，从江西瑞昌铜岭的发掘中可以看到，至少在3400年前的商代中期就已产生。

在铜绿山矿Ⅶ号矿体1号点的发掘中可以看到，这一技术在春秋时期的坑采作业中的应用已经相当成熟。

表现在：1.竖井与巷道的连接已经超出一井一巷的配置，而是围绕二、三个竖井开凿多条巷道与盲井，形成一个个井巷组合；2.工匠们在井巷中普遍设置方形木质框架为支护，有效地防止四周围岩的塌落，能有效确保工匠们在采掘过程中的人身安全；3.方形木质框架都按同一规格预制，立柱、顶梁、地梁等构件在地面加工后，再运至井、巷中组装、固定，反映了工匠之间分工与协作过程的有序与高效；4.无论竖井还是平巷，都是密闭的空间。

它以井口高低形成的气压差使空气在井巷中流动。

采掘中及时充填一些废巷，促使空气更好地流向坑下的作业面上，保证采矿人的氧气供应；5.铺设木质水槽或专用排水通道使采矿作业排除了积水的困扰，反映了人们的巧妙构思并在实践中取得预期结果。

Ⅶ号矿体1号点经过全面揭露，见到那里的井巷密布、纵横交错，铜矿石几乎被采掘一空。

这一情况反映了采矿者对铜矿石的渴望、采矿技术的成熟和采掘工作的高效。

井巷中没有见到因塌陷而伤人的事例，说明当时在井巷中掘进、回采的过程是安全、有序而顺畅的。

从采掘的过程与取得的预期结果，都表明其坑采技术达到了相当高的水准。

所以，今天在遗址现场看到的一个个井巷组合，都凝聚了工匠们的聪明才智与创造才能，是先民留给今人的殷玮璋（1936-），男，上海人，中国社会科学院考古研究所研究员。

作者简介：收稿日期：2012-09-13铜绿山古铜矿采矿技术的思考中图分类号：K878文献识别码：A文章编号：1001-0327(2012)04-0100-08殷玮璋周百灵（北京100710）（湖北黄石43500）科技考古江汉考古2012.4/总第125期一份珍贵遗产。

从发表的文章中看到，大家从不同的侧面提出了各种说法。

由于研究者的思路不一，给出的结论也各不相同。

如有的说法因缺乏证据而使其结论的合理性受到质疑；有些因立论前提不当，使一些说法难以立论；有的因不按科学规程操作，其结论与历史真实相去甚远。

因此，我们在此试作辨析，以期在交流切磋中力求对一些问题形成共识，推进学科的研究进程。

一铜绿山古铜矿的采掘方式主要有露天采矿和坑道采矿两种。

在过去的讨论中，对露天开采方法的看法分歧不大，对坑道采矿技术则颇多歧见。

其间的问题涉及铜绿山古铜矿的年代、采掘方法、生产规模等多个方面。

本文重点对这方面的论点与问题作些分析讨论。

在发表的文章中，具有一定影响的一种说法是：铜绿山古铜矿采用“水平分层，上行开采”的方法。

所谓“水平分层，上行开采“是”将采区分成若干水平层，从下而上逐层开采”。

他们解释说：“随着回采用密集棚子作支撑，木支护与充填相配合，采空区用废石充填”，尔后，在下层棚子的上面再开拓巷道进行回采。

他们认为这种方法“曾使用了几个世纪”，并认为“西周时期的分层高度约为1米，下层棚子的顶梁即是上层棚子的底梁。

战国至西汉，下层棚子断面比上层为宽，使支护更为稳固”。

他们在文中说到：“这种采场多位于氧化铜矿富集带，围岩为大理岩破碎带，为保障安全，框架敷设密集。

由于回采区经废石充填，牢固度甚好”[2]。

本文作者之一曾与该文作者有过多次讨论，申明对此说法不敢苟同。

他们强调这种方法在铜绿山“使用了几个世纪”，则Ⅶ号矿体1号点的遗存当也包括在内。

可是，在发掘中看到的是一组组井巷以及它们之间的打破关系，却从未见到“水平分层，上行开采”留下的遗迹现象。

所谓“水平分层，上行开采”说的基点是：“将采区分成若干水平层，从下而上逐层开采”。

他们把上下两层巷道理解为一体，如同楼层建筑的上层与下层那样，楼上的地面即是楼下房屋的顶棚。

他们提出“下层棚子的顶梁即是上层棚子的底梁”的说法，意指上层巷道与下层巷道的方形木质框架的支护结构也是连在一起的，犹如楼层建筑中的立柱那样。

按照这种说法，古代工匠在开凿一条平巷进行采掘之后，再在棚顶上开拓另一条巷道。

在上层巷道中设置方形木质框架为支护时，在下层的方形木质框架上接出另一个支护构件，出现“下层棚子的顶梁即是上层棚子的底梁”的情况。

这样，在上层巷道进行采掘时，就在下层平巷的棚顶上开凿巷道掘取矿石。

当这一层采到一空程度时，又在它的上西开凿第三条、第四条巷道。

各层之间架构的方形本质框架支护也都衔接为一体，还能节省一些支护用木质材料。

这种说法看似合理，但此说能否成立，关键在于铜绿山古矿区中能否提供支持这一说法的物证。

然而，我们在铜绿山古矿冶遗址中没有见到可以用作“水平分层，上行开采”的例证，诸如在下层棚子的顶梁上部再建上层棚子的遗存，也没有看到“下层棚子的顶梁即是上层棚子的底梁”的构件。

Ⅶ号矿体1号点是带着问题主动发掘的一个点，清理的巷道最为完整。

但在一组组井巷中也没有见到在“下层棚子的顶梁”上安装“上层棚子”的立柱的实物。

所以，上述说法提出之初就受到人们的质疑。

事实上，这一时期采用竖井——平巷（斜巷）——盲井的掘进方式已能胜任采矿任务并被广泛采用，在客观上也不存在运用“水平分层、上行开采”的可能。

理由如下。

1.人们选择在破碎带中采掘矿石，是那里的矿石含铜品位比一般的矿脉要高，储量也相对富集。

缺点是岩石破碎，开拓过程中极易发生围岩垮塌的情形。

可是，一旦架设的木质框架支护能够起到防止围岩垮塌的作用时，在破碎带中采掘铜矿石，就成了工匠们首选的理想场所。

在发掘现场看到，每条井巷中都有方形木质框架为支护。

井中的支护由四根木材用榫卯法穿接而成，巷中的支护则由两根立柱与分置于立柱上下的顶梁和地梁组成。

它们的间距在一米左右，说明工匠们每掘进一米，就架设一副木质框架，有序地将它们固定在坑壁之中。

在平巷或斜巷中，每两副方形木质框架的上面还平铺一层小圆木棍作棚顶。

它的两侧，则有席片、萆茎等物质，被几根小圆木棍别在两根立柱之外侧。

发掘中这些方形木质框架为支护都完整地原位保存，可证它们确已起到了防止上部和两侧的围岩垮塌的作用。

受工具及其它条件的限制，春秋以前的井巷内径都很窄小，框架结构比较简单，木质框架支护的密度则比较大。

在直径不足1米的井巷内劳作，工匠们的活动受到极大限制。

他们不能直立，只能匍匐前进，根本无法转动身躯。

工匠们既要手持工具向前开拓巷道，又要架设木质框架作巷道支护，还要装筐将矿石运出巷道，其间的行动艰难是可以想象的。

在这窄小的巷道内用“水平分层，上行开采”法进行回采，匠人时上时下，进退之间要求不断转身。

我们曾经做过实验：让个子矮小的工人在井巷中徒手作进退活动，结果根本无法转身。

“上行开采”时，碎石纷纷落下，匠人避之尚且不及，怎能开拓前进。

由此可知，此说大不可取。

2.在坑下从事采矿的人曾总结出一条经验：“不怕天空怕地空”，意即采矿时不怕上方有空巷，就怕脚下有空巷。

因为上方的空巷只要没有很强的外力作用，它是稳定的。

他们在下边采掘矿石时是安全的。

但若脚下出现空巷时，因地心引力的作用而让人踩空，很易出现事故。

为此，匠人们一边开拓新巷，一边用废石充填废弃的巷道。

提出“上行开采”说的朋友认为“由于回采区经废石充填，牢固度甚好”，但必须正视的一个事实是：在用新开巷道的废石充填下层废巷时，工匠们的采掘面上一定有个足够长的空间，否则，在巷内无法从事采掘劳作。

这就意味着在“上行开采”的某个时段，他的脚下必有一段未填的空巷。

一旦脚下出现空巷，人就陷入危险的境地。

3.当时采用井口高低形成的气压差调节坑道空气。

当下层巷道被充填以后，空气不能流动，上层采掘面就会出现缺氧的状况。

由于作业面的空间很小，因空气中的氧气总量也少，人的呼吸会很快消耗氧气。

当巷内的二氧化碳浓度达到3％时，人就失去重体力劳动的能力；浓度再高一些，人就会窒息。

因此，除非用其它办法及时送风（问题是当时不具备机械通风的能力），否则“上行开采”法无法进行。

开采巷道还会遇到各种不可预见的状况，诸如一块大的岩石就能挡住采掘者的预定线路。

那时，他只能偏离下层巷道的走向另开新巷，那时，也就不能再按“下层棚子顶梁即是上层棚子的底梁”的要求组装木质框架支护了。

4.巷道中所用的木质框架支护的材质之单薄，也不允许实施“上行开采”的开采方法。

发掘区中见到的立柱都是直径10厘米左右的圆木，顶梁、地梁的用材是把这种圆木对剖两半，并在内侧凿出榫孔而成。

在两付方形框架上面当作“顶棚”的是一层直径3~5厘米的圆木棍。

这样单薄的“顶棚”用于阻挡头顶的碎石块掉入巷内尚可胜任，但绝对承受不了工匠踩在上面进行采矿活动及一筐筐矿石的重负。

5.按“下层棚子顶梁即是上层棚子的底梁”的说法，一个好处是可以节约一些木材。

可是，先秦时期人口尚少，林木资源十分丰富，工匠们不会出于节约一根地梁的板材而设计出“下层棚子顶梁即是上层棚子的底梁”的结构形式。

巷内的立柱、木棍都保留完整的树皮，表明这些构件都是就近砍伐加工而成，也说明近处的林木资源并不缺乏。

由上分析可知：“水平分层，上行开采”的说法，是作者提出的一个推测性假说。

它既没有实例支持其说法，文中出现的诸多暇疵，让人难以信从。

文中提供一些示意图，也反映了推测带来的过于理想化的特色。

与此相反的是：发掘中清理的一组组巷道，都是以竖井→平巷（或斜巷）→盲井的形式呈现在人们的面前。

前面已经指出，工匠们为在这些巷道组合中采掘矿石，还解决了排水、通风等各种问题。

所以，每一组井巷都是当年承担并完成了各自的采掘任务后留下的历史遗存。

它们的发现是工匠们采用“竖井——平巷（斜巷）——盲井”方法掘进与回采的有力明证。

在发掘现场，还可以看到井巷组合之间有打破关系，形成错综复杂的状况。

所谓打破关系，是指后来的采矿者在开拓巷道时，把早先采矿时开凿的井巷打破了（包括打坏了一部分，或从中穿过等等）。