可歌可泣的礦井通風史

開欄的話

為了進一步加大安全生產(chǎn)知識、技能的宣傳力度，從深層次促進安全生產(chǎn)領域重點問題、突出問題的解決，根據(jù)本刊安全文化科技期刊的定位，從本期開始，我們開設《專家大講堂》欄目。欄目每期邀請一位安全生產(chǎn)領域的專家、學者，就某一問題，專題進行深度探討。熱忱歡迎各位專家、學者踴躍投稿。

本期專家

吳 超

1957年8月出生于廣東揭陽，男，漢族，博士?，F(xiàn)任中南大學資源與安全工程學院教授、博士生導師，兼任教育部高等學校安全工程學科教學指導委員會委員、安全學科建設分委會副主任、全國安全工程領域工程碩士培養(yǎng)協(xié)助組副組長、省安全生產(chǎn)專家委員會專家等。國務院政府特殊津貼獲得者。1991年12月開始任原中南工業(yè)大學教授，曾在瑞典（1986-1988）、美國（1999）的3所大學擔任客座研究員，一直從事安全和環(huán)保領域的教學與科研工作，獲省部級教學與科研成果獎勵和發(fā)明專利20多項，在國內外發(fā)表論文280多篇。

采礦業(yè)是推進人類走向文明的最古老的工業(yè)之一，而采礦安全又總是與礦井通風息息相關。礦井通風的發(fā)展歷程既有許多成就又有不少災難。礦井通風學科充滿著探索和發(fā)現(xiàn)，它令人激動、令人感慨，是工業(yè)歷史研究學者非常關注的領域。本期，我們邀請中南大學資源與安全工程學院教授、博士生導師吳超，為廣大讀者介紹礦井通風的發(fā)展歷程，以期使大家更加珍惜已有的礦井通風理論和方法，重視和傳承現(xiàn)有的通風知識,并從歷史經(jīng)驗中得到新的啟發(fā)。

礦井通風的發(fā)展過程是一部十分悲壯并且感人肺腑的歷史，現(xiàn)在許多已有的知識是無數(shù)前人用生命換來的。國際上許多研究工業(yè)歷史的論文和專著都以礦井通風為題，英國《采礦工程師》雜志在1985-1986年破天荒地連續(xù)刊登了8篇薩斯頓（Saxton Irvin）撰寫，名為《煤礦通風——從阿格里科拉（Georgius Agricola）時代到20世紀80年代的歷史》的回顧文章，這說明國外學術界對礦井通風史給予了充分的重視。但翻開中國許多礦井通風的教科書和專著及學位論文，很難看到有關礦井通風史的尋根描述。從中國學術期刊網(wǎng)絡出版總庫（1979-2007年）中檢索“礦井通風史”，也未曾查到相關的文獻，這不得不使人感到十分遺憾。

一、古希臘和歐洲的礦井通風史

在地下巷道中觀察空氣流動具有悠久的歷史。公元前4000—1200年，歐洲采礦古人挖掘巷道到白堊礦床中尋找打火石，可能就有了觀察空氣流動的體會。戈拉弗斯（Grimes Graves）在南英格蘭的考古調查表明，早期采打火石的礦工是通過在作業(yè)面燒木材，通過熱脹冷縮破碎巖石，這樣一來，那些新石器時代的采礦古人很容易地就會觀察到火引起空氣流動。實際上，火引起空氣流動的作用被古希臘人、古羅馬人和中古歐洲人以及英國工業(yè)革命時期多次再發(fā)現(xiàn)。

希臘勞臨（Laurium）銀礦古采礦始于公元前600年，從古礦布局發(fā)現(xiàn)古希臘采礦人已經(jīng)有意識知道采礦需要通風風路，每個采礦點至少要兩條風路，有跡象表明一個挖好的井被分隔成兩半，一半用于進風，另一半用于回風到地表。古羅馬帝國時代的地下礦通常有兩個井筒，樸里尼（Pliny）（公元23—79年）曾描述奴隸們使用棕櫚葉引風到巷道中的場景。

盡管在歐洲金屬礦古采礦始于公元1500年，但仍然沒有留下多少當時記錄采礦的文獻。阿格里科拉是中歐波希米亞（Bohemia）鐵礦開采和冶煉領域的物理學家，他用拉丁文撰寫了第一部涉及采礦的不朽巨著《De Re Metallica》（《礦冶全書》）。該書出版于1556年，對礦井通風有細致的描述，通風方法包括：將地面風流引入井口的引風裝置、用人和馬驅動木制離心式風機、用于輔助通風的風箱和風門。阿格里科拉也知道了礦井有害氣體的危險，井下空氣的氧含量會減少（見圖1）。該書描述到：“礦工有時被呼吸的有害氣體毒死了”，這種“有害氣體”是甲烷和空氣的混合物，具有爆炸危險。

阿格里科拉的《礦冶全書》在1912年由畢業(yè)于美國斯坦福大學的青年采礦工程師胡弗（Herbert C. Hoover）和他的妻子嫪（Lou）翻譯成為英文，胡弗后來當選了1929-1933年期間的美國總統(tǒng)。

從17世紀以來，英國皇家協(xié)會發(fā)表了許多關于礦井內爆炸和有毒有害氣體性質的論文。工業(yè)革命對煤的需求迅速增長，在18-19世紀，許多煤礦井的狀況對被雇傭的成年男女和童工來說是十分恐怖的，礦井通風單純用自然通風，在地表和井下的空氣溫度接近相等的情況下，風流就處于不流動狀態(tài)。在那個時代，最早的通風爐是建在地表，后來很快發(fā)現(xiàn)將燃燒的煤盛于鐵絲做成的籃子中，并將其吊在回風井中對改善通風非常有效，而且，籃子放得越下，通風效果越好。這一發(fā)現(xiàn)很快就導致了回風井底爐的構建。

圖1 阿戈里科拉《礦冶全書》中描述礦井通風裝置示意圖

圖2 一種用鐵沙輪打磨打火石的裝置

在18世紀早期以前，井下照明的唯一途徑是用蠟燭，蠟燭明火引起了無數(shù)次瓦斯爆炸災難，盡管當時人們知道瓦斯的危害和蠟燭是引起瓦斯爆炸的原因，但人們預防瓦斯爆炸的手段非常有限。一個處理瓦斯的普遍方法是在每班下井前，派一個“點火人”先下井引爆瓦斯，“點火人”穿著預先用水泡濕的棉襖，手里拿著一長棍，棍子的一頭綁著點燃的蠟燭，他下井的任務是在其他礦工下井前先點燃采煤工作面積聚的瓦斯，使之后短時間內不會再出現(xiàn)瓦斯爆炸事故。但這種方法對“點火人”來說是非常危險的。

英格蘭北部有一位采礦工程師布得勒（John Buddle，1773-1843）在預防瓦斯爆炸方面做了兩個重要的改進。首先，他通過引入“盲管”給回風井的爐子底部提供足夠的新空氣，使含有瓦斯的“污風”繞過爐子被排出地表。從爐子出來的燃燒氣體進入回風井，由于溫度不高不至于點燃瓦斯，但此時在回風井中仍然有良好的“煙囪效應”（即自然通風作用）。布得勒的第二個發(fā)明是“盤區(qū)（即分支）通風”（在那以前，風流一個接一個地串聯(lián)流入工作面，瓦斯的濃度不斷增大）。布得勒將采區(qū)劃分為若干獨立的盤區(qū)，他發(fā)現(xiàn)如果每個盤區(qū)分別有一個進風道和回風道，通風效果有了顯著改善，并且瓦斯的濃度大幅度下降。他的偶然發(fā)現(xiàn)幾乎類似于得出并聯(lián)風路布置比串聯(lián)風路優(yōu)越的原理，在那幾十年后，阿金森（John Job Atkinson）的理論分析才從數(shù)學上證明了上述原理。

在18世紀，人們對礦井的安全照明方法開展了探索，當時一些科學家提出了許多建議，例如，應用很細的蠟燭（今天看起來非?；?。在1733年，斯皮?。–arlisle Spedding）發(fā)明了一種用鐵沙輪打磨打火石的裝置（見圖2），將該裝置掛在一個童工的胸前，通過用手轉動鐵沙輪磨擦打火石連續(xù)發(fā)光，為井下提供照明。該裝置雖然比蠟燭較為安全，但它的發(fā)光很差，而且仍然能夠引爆瓦斯。1812年，在福林（Felling）礦發(fā)生一次瓦斯爆炸礦難，有92名礦工死亡。當時由地方牧師的幫助，成立了一個預防該類礦難的協(xié)會，并與當時的英國皇家協(xié)會的主席戴維（Humphrey Davy）先生接觸，試圖開發(fā)安全礦燈。戴維訪問了布得勒并了解了一些礦井的情況，由于當時電還沒有發(fā)明，他的研究僅限于火焰燈的結構。經(jīng)過短時間的實驗，他發(fā)現(xiàn)燃燒瓦斯的火焰不能迅速地通過編織的鐵絲籠，從而發(fā)明了戴維礦燈（見圖3）。這種燈由鐵絲籠中的火焰發(fā)光，在鐵絲籠中的瓦斯完全燃燒，然而火焰不會穿過。

以上就是二連浩特口岸志的全部內容。雖然二連口岸現(xiàn)在仍存在許多問題，如口岸基礎建設較簡單薄弱、口岸依托城市南北經(jīng)濟面貌差異較大、受國際關系影響波動較大等問題有待于進一步提升，但隨著國家“一帶一路”倡議的逐步落實和中蒙俄經(jīng)濟走廊建設加快推進的不斷深入，二連浩特口岸深入推進重點開發(fā)開放試驗區(qū)、中蒙邊民互市貿易區(qū)建設，區(qū)位優(yōu)勢不斷凸顯，這不僅對本地發(fā)展帶來機遇，也能夠更好地發(fā)揮二連口岸作為國家門戶和橋梁、窗口的積極作用。

圖3 戴維礦燈

在俄羅斯，有一位偉大的學者M. B. 羅莫諾索夫在1745年向俄羅斯科學院提出了一篇題為《關于空氣在礦井內的自由流動》論文，第一次把空氣在礦井內自然流動的性質與規(guī)律加以說明。羅莫諾索夫成為俄羅斯礦井通風理論的奠基者。

最經(jīng)典的礦井通風論文也許應屬北英格蘭采礦工程師協(xié)會阿金森于1854年12月發(fā)表的題為《關于礦井通風的理論》的論文。阿金森是采礦經(jīng)理，后來他成為第一批礦井安全監(jiān)察員。阿金森在數(shù)學和語言方面受到良好教育，他受法國水利工程師早期著作影響很大，他撰寫的那篇論文長達154頁，以至發(fā)表有些困難。經(jīng)過努力論文還是發(fā)表了，并且在當時皇家協(xié)會的一次會議安排了討論。在該論文中，阿金森提出和發(fā)展的通風原理在現(xiàn)代礦井通風設計中仍然被作為基礎。阿金森論文的詳細數(shù)學分析推導對于當時的工程師來說過于復雜，以至他的論文被封存在檔案館里，直到他死后大約60年，該論文才重新被發(fā)現(xiàn)并應用于實踐中。

在阿金森時代，隨著蒸汽機的發(fā)明，第一臺動力驅動的通風機出現(xiàn)了，風機從活塞式或氣缸式改成了離心式。到了19世紀末，礦井的作業(yè)條件開始有了法規(guī)控制，井下作業(yè)人員必須具備一定的資格，當時礦井經(jīng)理資格考核主要集中在通風的題目上。

到上世紀20年代，礦井通風在一些國家得到加速研究，通過使用改進的儀器，可以對礦井風流、壓力開展有組織的測量，以便用于礦井通風設計。阿金森的理論在實踐中得到驗證。1930年第一臺軸流式風機應用于礦井通風。

1943年，恒斯雷（F. Baden Hinsley）教授發(fā)表了另一篇經(jīng)典的論文，該論文通過應用熱動力學分析了風流的性質。恒斯雷同時在英國諾丁漢大學開展研究，于1952年將模擬計算機第一次應用于礦井通風，以便滿足通風設計的需要，該技術被廣泛成功應用超過十年。上世紀60年代初期，使用數(shù)字計算機進行礦井通風網(wǎng)絡分析程序的開發(fā)完全替代了模擬裝置。一開始，網(wǎng)絡分析程序需要大型的計算機，這種局面一直維持到上世紀70年代。到了上世紀80年代，臺式機及相應的程序出現(xiàn)以后，計算機網(wǎng)絡分析成為礦井通風設計的主要方法。

原蘇聯(lián)采礦學家、蘇聯(lián)科學院院士斯闊成斯基（А.А.Скочинский， 1874-1960）在上世紀40年代創(chuàng)立了礦井空氣動力學，提出了煤層空隙率和測定瓦斯含量的研究方法，并撰寫了《礦井大氣》、《礦井火災》、《礦井通風》等著作，為礦井通風做出了許多開拓性貢獻。他于1950年和1951年獲得蘇聯(lián)國家獎。

二、中國古代的礦井通風史

中國的古代采礦歷史悠久，古代采礦成就舉世罕見，有關古代礦井通風史也同樣聞名于世，但公元前后數(shù)百年期間有關采礦與通風的文字記載卻非常少見，直到宋代才有了比較詳細的文字記載?？灼街僭凇蹲x苑》中講到過銅礦開采過程中防止有害氣體的辦法。書中記載：“役夫云：地中變怪至多，有冷煙氣中人即死。役夫掘地而入，必以長竹筒端置火先試之，如火焰青，即冷煙氣也，急避之，勿前，乃免?！边@里說的冷煙氣是指有毒有害氣體。1637年宋應星撰寫的《天工開物》是對中國古代農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)技術系統(tǒng)全面的總結，在科學史中首開先例，足可與阿格里科拉撰寫的《De Re Metallica》相媲美。1869年，《天工開物》有關工業(yè)各章的法文摘譯，又被集中收入“中華帝國工業(yè)之今昔”，刊于巴黎。宋應星《天工開物》的《燔石》章所論及的豎井采煤，在井下安裝大竹筒以排除瓦斯和巷道支護的技術，以及燒砒石時的安全措施，都值得后人稱道。

中國古代古采礦與通風史大致可以分為萌芽期（史前時期）、形成期（商代中期）、初步發(fā)展期（西周時期）、創(chuàng)新發(fā)展期（春秋至戰(zhàn)國中期）、充實期（秦漢至元代）、全面發(fā)展期（明清時期）。從中國典型古礦遺址中也可以窺見中國古代的礦井通風技術和方法。

位于瑞昌的銅嶺古銅礦遺址發(fā)掘于1988年3月，考古發(fā)現(xiàn)該古礦距今有300年歷史。整個遺址約有3萬m2，分為采礦區(qū)和冶煉區(qū)。目前已發(fā)掘3000m2，其中采礦區(qū)揭露面積1800m2，發(fā)現(xiàn)古代豎井103口，古巷道19條，露采坑7處，工棚5處，選礦場1處。冶煉區(qū)揭露面積1200m2，發(fā)現(xiàn)煉爐2座，儲水井18口；并出土用木、石、銅、竹、陶等制作的選礦工具與生活用具600多件。從該遺址的豎井和平巷結構可以分析得出，當時采礦已經(jīng)有了完整的自然通風系統(tǒng)。

2．安徽銅陵的金牛洞古采礦遺址

位于安徽銅陵市鳳凰山下的金牛洞古采礦遺址考古發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)約在3000年前就初步形成了系統(tǒng)的采礦技術，洞內有古代采銅礦豎井、平硐、斜井、支架、出入口等，并形成自然通風系統(tǒng)。據(jù)史料記載銅陵地區(qū)從商周至唐宋一直是中國古代的冶銅中心。

3．湖北大冶的銅綠山古銅礦遺址

銅綠山古銅礦遺址距今已有3000多年的歷史，位于湖北大冶銅綠山的古銅礦遺址考古發(fā)現(xiàn)，在7個已清理的古代采礦遺址中，發(fā)掘總面積約4923m2，深度40~60m，清理出豎（盲）井231個，平（斜）巷100余條，其中典型的井巷工程有豎井和平巷，可以形成有效的自然通風系統(tǒng)。

4．甘肅白銀的礦山遺跡

從甘肅白銀礦山遺跡遺物考證分析，該地區(qū)采礦可以追溯到明朝洪武年間，至今已有600多年的歷史。上世紀50年代采礦過程中發(fā)現(xiàn)了大量前人開鑿的坑道和采場，而且規(guī)模較大，有記載的古采礦遺跡30多處，包括大小老硐、舊礦堆和淘金用的水井及煉渣。最大的古代采礦遺址主巷道都在l00米以上，坑道延長上千米，并形成了有效的自然通風系統(tǒng)。

三、礦井通風史給我們帶來的思考

（1）采礦業(yè)是最古老的行業(yè)，在推進人類工業(yè)文明過程中作出了巨大的貢獻，直到今天還是人類的重要基礎工業(yè)。人類在享受采礦業(yè)為我們帶來能源和資源的同時，決不應該忘記采礦業(yè)所發(fā)揮的巨大作用和采礦過程中犧牲無數(shù)生命的代價。

（2）18-19世紀工業(yè)革命需要大量的煤炭和礦物資源，期間煤礦多次發(fā)生瓦斯與煤塵爆炸，使許多下井工作的成人男女和童工死于礦難，這也導致了礦井通風理論和技術成為采礦科學之首。

（3）我國古代和歐洲古代的采礦通風同樣有著悠久的歷史，同樣為采礦安全做出了突出貢獻。由于歷史原因，到了近代，我國的采礦通風技術落后于西方國家，我國近代再也拿不出類似《天工開物》的巨著可以與西方的科學著作相媲美。

（4）從國外的礦井通風史看出，歐洲人非常注重已有知識和經(jīng)驗的傳承和發(fā)展，他們重復犯錯誤的情況不多，到了近代和現(xiàn)代，出現(xiàn)由于通風問題造成大量人員傷亡的事故已經(jīng)不多見了。但我國到現(xiàn)在仍然不時發(fā)生由于通風不良而造成的礦難。1960年5月9日，山西省大同礦務局老白洞礦發(fā)生了世界采礦史上最為慘痛的煤塵和瓦斯大爆炸事故，當時死亡677人，連同被救出的228人中又死亡的5人計算在內，共死亡682人；2004年11月28日，陜西銅川礦務局陳家山煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，166人死亡，41人受傷；2005年2月14日，遼寧省阜新市孫家灣煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，214人死亡，30人受傷。這些震驚世界的礦難的確值得我們深思！

（5）在西方國家，現(xiàn)在礦井通風的研究成就不僅用于防止瓦斯爆炸等事故，而且使井下環(huán)境條件得到了顯著的改善?，F(xiàn)在，由于不合理通風造成的人員傷亡事故已經(jīng)相對罕見了，通風系統(tǒng)的日臻科學完善，改善了作業(yè)場所的環(huán)境條件，顯著提高了礦工的勞動生產(chǎn)率。

（6）如果沒有給井下供給新鮮空氣，不管最原始和最現(xiàn)代的設備都不能在礦井中有效作業(yè)。因此，礦井通風的研究和應用仍然任重而道遠。礦井通風的理論、技術、裝備和經(jīng)驗需要采礦科技人員傳承和發(fā)揚光大。

（7）現(xiàn)在，采礦業(yè)仍然是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。但我國的采礦業(yè)生產(chǎn)水平非常不平衡，既有實現(xiàn)了機械化、自動化和數(shù)字化的世界一流礦山，也還有諸多全賴人力采礦和處于一兩百年前生產(chǎn)水平的小礦山，這些小礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀與21世紀工業(yè)生產(chǎn)要求是那么的不和諧。

責任編輯林 潔