露天开采 各种金属矿脉或矿体的地表露头、坡积或残积矿床很多,因此,露天开采成为古代一种重要的采矿方法。露天开采又可分成掘取法和垦土法。
掘取法 用于采取地表浅部的铜、锡等矿石。清代在云南东川开采铜矿,把埋藏很浅的矿体叫做“草皮矿”或“鸡窝矿”,只要把表土或薄层岩层剥除,掘下数尺,即可得矿。开采坡积锡矿,也只须剥除矿体上部的表土。明宋应星卷14记载,广西河池山锡“皆穴土不甚深而得之”。有些矿虽然可以露天开采,但由于矿脉与围岩坚硬,用手工工具不易破碎,则辅以“火爆法”。宋寇宗奭《本草衍义》记载:“辰州砂多出蛮洞。锦州界佶僚洞老鸦井,其井深广数十丈,先聚薪于井焚之。其青石壁迸裂处,即有小龛。龛中自有白石床,其石如玉,床上乃生砂。”这种深广数十丈的矿井,实际上是一个露天矿。
垦土法 翻耕有矿的土地,矿物随之露出地面。《天工开物》记载:土锭铁“浅浮土面,不生深穴”,“浮者拾之,又乘雨湿之后,牛耕起土,拾其数寸土内者”。土锭铁即褐铁矿结核,这是古代一种特殊的露天采矿方法。
地下开采 从湖北铜绿山矿冶遗址的18个地下采区来看,春秋时期已经使用了立井、斜井、平巷联合开拓,初步形成地下开采系统。战国至西汉时期,开采系统已相当完整。立井开挖到一定深度,便向两边掘进阶段平巷,在巷道的中部或一端,下掘盲井直达采矿场。立井深度达80~98米,斜巷呈阶梯式向下延伸,适用于次生富集带的探矿和采矿,还可以作为阶段平巷的联络通道。这个时期的平巷距离长,支护坚固,人可以直立行走,掘进断面达5米以上。据《菽园杂记》记载,明代矿井深度达数百丈。清初,《颜山杂记》记载开气井(通风井),将工作井巷与气井、气巷分开。
井巷支护 古代井巷支护有四种形式:无支护、留石柱支护、木架支护、充填支护。
无支护 在变质岩或其他坚硬的围岩中开采脉状铜、银、铅、金矿时不需支护。现在能看到的古矿洞大都属于这一类。
留石柱支护 古代开采大型囊状或厚层状矿体时,常故意留下一部分矿体用作支柱,以支撑井巷顶部。江西德兴银山古银矿在唐初曾经大规模开采,留有石柱。到唐天祐(904~907)末年,有人想采取留柱中的银矿,“持斧而入,将斫取之,俄而山摧,入者尽压死”(《稽神录补遗》)。唐宋时期,广东肇庆端石开采,也用留石柱法。曹溶《砚录》记载:开采端石的所在,“中空如一间屋者,每丈许留石柱拄之”。到了清代,所留石柱也被开采而代之以木柱。屈大均《广东新语》卷5说:“昔人取石,留数柱,虞其颓圮。今名为东留柱、西留柱;亦取之,以木柱代矣。”清代开采云南东川等大型铜矿时,也采用留石柱法,所留石柱称为“象腿”。
木架支护 铜绿山矿区在西周时期采用间隔支护,木架距离4~6米。春秋时期斜井支护有两种:一是井框支架垂直于井巷的顶底板,一是井框支架沿地心方向敷设。支护方法的进步,表明古人对矿井地压和压力方向有了进一步认识。战国至西汉时期,立井采用经过精细加工的方木(或圆木)密集式垛盘支护,与现代的木结构井架相差无几;而斜井的支架型式类似现代木结构的“马头门”。破碎带或松散岩体内的巷道,采用封闭式支架,以防止底部上鼓。后代的井巷木架支护与此大同小异。如明代云南永昌玛瑙矿平巷支护是“以巨木为桥圈、支架于下,若桥梁之巩、间尺余辄支架之”(《徐霞客游记》卷18)。清代的井巷木架支护是“间二尺余,支木四,此四木为厢”(《滇南新语》)。
充填支护 铜绿山古矿井已应用充填支护法。在方框支柱开采和横撑支架开采中,将废石和低品位矿石充填在下部采空区,防止围岩塌落。
岩石破碎 古代岩石破碎法有工具破碎和火爆破碎,两种方法常结合在一起使用。
工具破碎 开凿坑道时,如果岩石硬度低或围岩疏松,可用工具破碎岩石。
火爆破碎 即火爆法。用火加热岩石,使岩石内部结构受到破坏。有时用火烧热岩石,泼冷水或醋使岩石在热胀冷缩的作用下破裂,或在醋的作用下变酥。宋祝穆《方舆胜览》卷30说:“辰州府沅陵光明山,一名龙门山,有砂(指辰砂)井,土人采取……烧石取之。”“僚(指少数民族)以薪竹燔火爆石以取之。”明陆容《菽园杂记》卷14记载浙江处州铜矿的情况:“先用大片柴,不计段数,装叠有矿之地,发火烧一夜,令矿脉柔脆。次日火气稍歇,作匠方可入身,动锤尖采打。”还记载浙江龙泉县用烧爆法开采银矿:“大率坑匠采矿,如虫蠹木……旧取矿,将尖铁及铁锤竭力击之,凡数十下,仅得一片。今不用锤尖,惟烧爆得矿。”
通风、照明、提运、排水 井巷通风 随着掘进深度的增加,为使井下空气流通顺畅,必须有通风措施。铜绿山铜矿战国时期遗址已利用立井井口标高的差别造成压差,形成自然风流。随着巷道的不断增长,通风方法由自然通风改为人力通风,风量加大。清代云南一些矿山用风箱、风柜鼓风;有的开凿气井、气巷;也有的既开气井、气巷,又用风柜、风箱鼓风,以解决较深井巷的通风问题。
井巷照明 铜绿山春秋铜矿遗址用燃点干竹篾片井下照明。以后,有的矿用油灯照明,“洞内五步一火,十步一灯”(《滇南新语》)。矿工以巾束头,名叫“套头”,灯挂在套头上,叫“亮子”,用铁做成碟形,可装半斤油。灯柄长尺余,柄端作钩,用以吊灯碟(卷上)。
矿井排水 铜绿山战国矿井遗址已有排水设施。井内有水仓、水槽,采用分段提升法。后来又有专门的排水井,有的将水排入采空区,以减少提运工作量。清代康熙、乾隆年间开采云南铜矿,井内水小时用皮袋提或背,水大则用竹制或木制的“水龙”(一种大型唧筒)排水。大矿拉龙排水的人多至一两千人。
矿井提运 最初是直接用手提拉。战国、西汉时期,由于井深增加,提升量也增加到一二百公斤,于是发明了带制动机构的木辘轳。在提升方式上也发展到分段提升和联合提升。井下运输通常由人背肩扛,在比较平坦的巷道中则用斗车推拉。
选矿 手选法 用人工拣选矿石。铜绿山古矿常用手选法进行初选,把岩石和低品位矿石留在井下,以减少提运量。
淘汰盘选法 利用岩石砂粒与矿物颗粒的比重不同,通过水的冲淘,将它们分开的选矿方法,又称重选。古代开采的砂矿有砂金、砂锡和砂铁三种,一般都要用淘汰盘选法选取。
① 砂金 古代淘金常用特制的木盘。宋代在山东登、莱两州大规模采金,使用木制流槽。朱彧《萍州可谈》卷2记载:“两川冶金,沿溪取砂以木盘淘,得之甚微,且费力。登、莱金坑户止用大木,锯剖之,留刃痕,投沙其上,泛以水,沙去,金著锯纹中,甚易得。”清代严如熤《三省边防备览》卷 9《山货》记载南郑(汉中)淘金厂用淘床淘金的情况:用木料作淘床,四周有边,淘床上固定一个圆竹筐。将沙倒入筐内,手把住淘床后面的木架,不住掀簸,用水频洗沙筐,则沙随水流,金从筐底细缝透下,沉淀于淘床上。淘床两头镶板,中空三尺多,另安木板一块,上面横刻木槽,筐底透出的沙金顺水沉入槽内。另用木匣一个,空出一面,类似簸箕形状,将槽内金沙扫入木匣,在水中淘洗,得到金屑。
② 砂锡 《天工开物》卷14记载,湖南衡阳、零陵的山溪中和广西南丹州河内出水锡(砂锡),呈黑色,粉碎后,用篾罗在河中淘洗,即得矿砂。
③ 砂铁 《天工开物》卷14记载:“凡砂铁抛土膜,即现其形,取来淘洗。”淘砂木盘用两块梯形木板为底、两块钝角等腰三角形木板为边拼成,与现代民间所用淘金斗一样。
磨矿 明代已有磨矿的记载。先将矿石破碎,再用碓舂成细末,然后用大桶盛水,把矿末投入水中搅拌,搅后,浮在水面上的称“细粘”,悬浮水中的称“梅砂”,沉于桶底的称“粗矿肉”。再将细粘和梅砂用尖底淘盆淘洗,取得精矿。粗矿肉也要用舟形木盘淘洗,取得精矿(《菽园杂记》卷14)。这是磨矿与淘汰盘选相结合的综合选矿法。
磁选 明代王宗沐《江西省大志·陶书》记载青花料的磁选:“首用锤碎……敲青后,取其奇零琐碎碾碎,入注水中,用磁石引杂石,真青澄定,每斤可得五、六钱。”