可歌可泣的矿井通风史

可歌可泣的矿井通风史

开栏的话

为了进一步加大安全生产知识、技能的宣传力度，从深层次促进安全生产领域重点问题、突出问题的解决，根据本刊安全文化科技期刊的定位，从本期开始，我们开设《专家大讲堂》栏目。栏目每期邀请一位安全生产领域的专家、学者，就某一问题，专题进行深度探讨。热忱欢迎各位专家、学者踊跃投稿。

本期专家

吴 超

1957年8月出生于广东揭阳，男，汉族，博士。现任中南大学资源与安全工程学院教授、博士生导师，兼任教育部高等学校安全工程学科教学指导委员会委员、安全学科建设分委会副主任、全国安全工程领域工程硕士培养协助组副组长、省安全生产专家委员会专家等。国务院政府特殊津贴获得者。1991年12月开始任原中南工业大学教授，曾在瑞典（1986-1988）、美国（1999）的3所大学担任客座研究员，一直从事安全和环保领域的教学与科研工作，获省部级教学与科研成果奖励和发明专利20多项，在国内外发表论文280多篇。

采矿业是推进人类走向文明的最古老的工业之一，而采矿安全又总是与矿井通风息息相关。矿井通风的发展历程既有许多成就又有不少灾难。矿井通风学科充满着探索和发现，它令人激动、令人感慨，是工业历史研究学者非常关注的领域。本期，我们邀请中南大学资源与安全工程学院教授、博士生导师吴超，为广大读者介绍矿井通风的发展历程，以期使大家更加珍惜已有的矿井通风理论和方法，重视和传承现有的通风知识,并从历史经验中得到新的启发。

矿井通风的发展过程是一部十分悲壮并且感人肺腑的历史，现在许多已有的知识是无数前人用生命换来的。国际上许多研究工业历史的论文和专著都以矿井通风为题，英国《采矿工程师》杂志在1985-1986年破天荒地连续刊登了8篇萨斯顿（Saxton Irvin）撰写，名为《煤矿通风——从阿格里科拉（Georgius Agricola）时代到20世纪80年代的历史》的回顾文章，这说明国外学术界对矿井通风史给予了充分的重视。但翻开中国许多矿井通风的教科书和专著及学位论文，很难看到有关矿井通风史的寻根描述。从中国学术期刊网络出版总库（1979-2007年）中检索“矿井通风史”，也未曾查到相关的文献，这不得不使人感到十分遗憾。

一、古希腊和欧洲的矿井通风史

在地下巷道中观察空气流动具有悠久的历史。公元前4000—1200年，欧洲采矿古人挖掘巷道到白垩矿床中寻找打火石，可能就有了观察空气流动的体会。戈拉弗斯（Grimes Graves）在南英格兰的考古调查表明，早期采打火石的矿工是通过在作业面烧木材，通过热胀冷缩破碎岩石，这样一来，那些新石器时代的采矿古人很容易地就会观察到火引起空气流动。实际上，火引起空气流动的作用被古希腊人、古罗马人和中古欧洲人以及英国工业革命时期多次再发现。

希腊劳临（Laurium）银矿古采矿始于公元前600年，从古矿布局发现古希腊采矿人已经有意识知道采矿需要通风风路，每个采矿点至少要两条风路，有迹象表明一个挖好的井被分隔成两半，一半用于进风，另一半用于回风到地表。古罗马帝国时代的地下矿通常有两个井筒，朴里尼（Pliny）（公元23—79年）曾描述奴隶们使用棕榈叶引风到巷道中的场景。

尽管在欧洲金属矿古采矿始于公元1500年，但仍然没有留下多少当时记录采矿的文献。阿格里科拉是中欧波希米亚（Bohemia）铁矿开采和冶炼领域的物理学家，他用拉丁文撰写了第一部涉及采矿的不朽巨著《De Re Metallica》（《矿冶全书》）。该书出版于1556年，对矿井通风有细致的描述，通风方法包括：将地面风流引入井口的引风装置、用人和马驱动木制离心式风机、用于辅助通风的风箱和风门。阿格里科拉也知道了矿井有害气体的危险，井下空气的氧含量会减少（见图1）。该书描述到：“矿工有时被呼吸的有害气体毒死了”，这种“有害气体”是甲烷和空气的混合物，具有爆炸危险。

阿格里科拉的《矿冶全书》在1912年由毕业于美国斯坦福大学的青年采矿工程师胡弗（Herbert C. Hoover）和他的妻子嫪（Lou）翻译成为英文，胡弗后来当选了1929-1933年期间的美国总统。

从17世纪以来，英国皇家协会发表了许多关于矿井内爆炸和有毒有害气体性质的论文。工业革命对煤的需求迅速增长，在18-19世纪，许多煤矿井的状况对被雇佣的成年男女和童工来说是十分恐怖的，矿井通风单纯用自然通风，在地表和井下的空气温度接近相等的情况下，风流就处于不流动状态。在那个时代，最早的通风炉是建在地表，后来很快发现将燃烧的煤盛于铁丝做成的篮子中，并将其吊在回风井中对改善通风非常有效，而且，篮子放得越下，通风效果越好。这一发现很快就导致了回风井底炉的构建。

图1 阿戈里科拉《矿冶全书》中描述矿井通风装置示意图

图2 一种用铁沙轮打磨打火石的装置

在18世纪早期以前，井下照明的唯一途径是用蜡烛，蜡烛明火引起了无数次瓦斯爆炸灾难，尽管当时人们知道瓦斯的危害和蜡烛是引起瓦斯爆炸的原因，但人们预防瓦斯爆炸的手段非常有限。一个处理瓦斯的普遍方法是在每班下井前，派一个“点火人”先下井引爆瓦斯，“点火人”穿着预先用水泡湿的棉袄，手里拿着一长棍，棍子的一头绑着点燃的蜡烛，他下井的任务是在其他矿工下井前先点燃采煤工作面积聚的瓦斯，使之后短时间内不会再出现瓦斯爆炸事故。但这种方法对“点火人”来说是非常危险的。

英格兰北部有一位采矿工程师布得勒（John Buddle，1773-1843）在预防瓦斯爆炸方面做了两个重要的改进。首先，他通过引入“盲管”给回风井的炉子底部提供足够的新空气，使含有瓦斯的“污风”绕过炉子被排出地表。从炉子出来的燃烧气体进入回风井，由于温度不高不至于点燃瓦斯，但此时在回风井中仍然有良好的“烟囱效应”（即自然通风作用）。布得勒的第二个发明是“盘区（即分支）通风”（在那以前，风流一个接一个地串联流入工作面，瓦斯的浓度不断增大）。布得勒将采区划分为若干独立的盘区，他发现如果每个盘区分别有一个进风道和回风道，通风效果有了显著改善，并且瓦斯的浓度大幅度下降。他的偶然发现几乎类似于得出并联风路布置比串联风路优越的原理，在那几十年后，阿金森（John Job Atkinson）的理论分析才从数学上证明了上述原理。

在18世纪，人们对矿井的安全照明方法开展了探索，当时一些科学家提出了许多建议，例如，应用很细的蜡烛（今天看起来非常滑稽）。在1733年，斯皮丁（Carlisle Spedding）发明了一种用铁沙轮打磨打火石的装置（见图2），将该装置挂在一个童工的胸前，通过用手转动铁沙轮磨擦打火石连续发光，为井下提供照明。该装置虽然比蜡烛较为安全，但它的发光很差，而且仍然能够引爆瓦斯。1812年，在福林（Felling）矿发生一次瓦斯爆炸矿难，有92名矿工死亡。当时由地方牧师的帮助，成立了一个预防该类矿难的协会，并与当时的英国皇家协会的主席戴维（Humphrey Davy）先生接触，试图开发安全矿灯。戴维访问了布得勒并了解了一些矿井的情况，由于当时电还没有发明，他的研究仅限于火焰灯的结构。经过短时间的实验，他发现燃烧瓦斯的火焰不能迅速地通过编织的铁丝笼，从而发明了戴维矿灯（见图3）。这种灯由铁丝笼中的火焰发光，在铁丝笼中的瓦斯完全燃烧，然而火焰不会穿过。

以上就是二连浩特口岸志的全部内容。虽然二连口岸现在仍存在许多问题，如口岸基础建设较简单薄弱、口岸依托城市南北经济面貌差异较大、受国际关系影响波动较大等问题有待于进一步提升，但随着国家“一带一路”倡议的逐步落实和中蒙俄经济走廊建设加快推进的不断深入，二连浩特口岸深入推进重点开发开放试验区、中蒙边民互市贸易区建设，区位优势不断凸显，这不仅对本地发展带来机遇，也能够更好地发挥二连口岸作为国家门户和桥梁、窗口的积极作用。

图3 戴维矿灯

在俄罗斯，有一位伟大的学者M. B. 罗莫诺索夫在1745年向俄罗斯科学院提出了一篇题为《关于空气在矿井内的自由流动》论文，第一次把空气在矿井内自然流动的性质与规律加以说明。罗莫诺索夫成为俄罗斯矿井通风理论的奠基者。

最经典的矿井通风论文也许应属北英格兰采矿工程师协会阿金森于1854年12月发表的题为《关于矿井通风的理论》的论文。阿金森是采矿经理，后来他成为第一批矿井安全监察员。阿金森在数学和语言方面受到良好教育，他受法国水利工程师早期著作影响很大，他撰写的那篇论文长达154页，以至发表有些困难。经过努力论文还是发表了，并且在当时皇家协会的一次会议安排了讨论。在该论文中，阿金森提出和发展的通风原理在现代矿井通风设计中仍然被作为基础。阿金森论文的详细数学分析推导对于当时的工程师来说过于复杂，以至他的论文被封存在档案馆里，直到他死后大约60年，该论文才重新被发现并应用于实践中。

在阿金森时代，随着蒸汽机的发明，第一台动力驱动的通风机出现了，风机从活塞式或气缸式改成了离心式。到了19世纪末，矿井的作业条件开始有了法规控制，井下作业人员必须具备一定的资格，当时矿井经理资格考核主要集中在通风的题目上。

到上世纪20年代，矿井通风在一些国家得到加速研究，通过使用改进的仪器，可以对矿井风流、压力开展有组织的测量，以便用于矿井通风设计。阿金森的理论在实践中得到验证。1930年第一台轴流式风机应用于矿井通风。

1943年，恒斯雷（F. Baden Hinsley）教授发表了另一篇经典的论文，该论文通过应用热动力学分析了风流的性质。恒斯雷同时在英国诺丁汉大学开展研究，于1952年将模拟计算机第一次应用于矿井通风，以便满足通风设计的需要，该技术被广泛成功应用超过十年。上世纪60年代初期，使用数字计算机进行矿井通风网络分析程序的开发完全替代了模拟装置。一开始，网络分析程序需要大型的计算机，这种局面一直维持到上世纪70年代。到了上世纪80年代，台式机及相应的程序出现以后，计算机网络分析成为矿井通风设计的主要方法。

原苏联采矿学家、苏联科学院院士斯阔成斯基（А.А.Скочинский， 1874-1960）在上世纪40年代创立了矿井空气动力学，提出了煤层空隙率和测定瓦斯含量的研究方法，并撰写了《矿井大气》、《矿井火灾》、《矿井通风》等著作，为矿井通风做出了许多开拓性贡献。他于1950年和1951年获得苏联国家奖。

二、中国古代的矿井通风史

中国的古代采矿历史悠久，古代采矿成就举世罕见，有关古代矿井通风史也同样闻名于世，但公元前后数百年期间有关采矿与通风的文字记载却非常少见，直到宋代才有了比较详细的文字记载。孔平仲在《读苑》中讲到过铜矿开采过程中防止有害气体的办法。书中记载：“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，即冷烟气也，急避之，勿前，乃免。”这里说的冷烟气是指有毒有害气体。1637年宋应星撰写的《天工开物》是对中国古代农业和工业生产技术系统全面的总结，在科学史中首开先例，足可与阿格里科拉撰写的《De Re Metallica》相媲美。1869年，《天工开物》有关工业各章的法文摘译，又被集中收入“中华帝国工业之今昔”，刊于巴黎。宋应星《天工开物》的《燔石》章所论及的竖井采煤，在井下安装大竹筒以排除瓦斯和巷道支护的技术，以及烧砒石时的安全措施，都值得后人称道。

中国古代古采矿与通风史大致可以分为萌芽期（史前时期）、形成期（商代中期）、初步发展期（西周时期）、创新发展期（春秋至战国中期）、充实期（秦汉至元代）、全面发展期（明清时期）。从中国典型古矿遗址中也可以窥见中国古代的矿井通风技术和方法。

位于瑞昌的铜岭古铜矿遗址发掘于1988年3月，考古发现该古矿距今有300年历史。整个遗址约有3万m2，分为采矿区和冶炼区。目前已发掘3000m2，其中采矿区揭露面积1800m2，发现古代竖井103口，古巷道19条，露采坑7处，工棚5处，选矿场1处。冶炼区揭露面积1200m2，发现炼炉2座，储水井18口；并出土用木、石、铜、竹、陶等制作的选矿工具与生活用具600多件。从该遗址的竖井和平巷结构可以分析得出，当时采矿已经有了完整的自然通风系统。

2．安徽铜陵的金牛洞古采矿遗址

位于安徽铜陵市凤凰山下的金牛洞古采矿遗址考古发现，该地区约在3000年前就初步形成了系统的采矿技术，洞内有古代采铜矿竖井、平硐、斜井、支架、出入口等，并形成自然通风系统。据史料记载铜陵地区从商周至唐宋一直是中国古代的冶铜中心。

3．湖北大冶的铜绿山古铜矿遗址

铜绿山古铜矿遗址距今已有3000多年的历史，位于湖北大冶铜绿山的古铜矿遗址考古发现，在7个已清理的古代采矿遗址中，发掘总面积约4923m2，深度40~60m，清理出竖（盲）井231个，平（斜）巷100余条，其中典型的井巷工程有竖井和平巷，可以形成有效的自然通风系统。

4．甘肃白银的矿山遗迹

从甘肃白银矿山遗迹遗物考证分析，该地区采矿可以追溯到明朝洪武年间，至今已有600多年的历史。上世纪50年代采矿过程中发现了大量前人开凿的坑道和采场，而且规模较大，有记载的古采矿遗迹30多处，包括大小老硐、旧矿堆和淘金用的水井及炼渣。最大的古代采矿遗址主巷道都在l00米以上，坑道延长上千米，并形成了有效的自然通风系统。

三、矿井通风史给我们带来的思考

（1）采矿业是最古老的行业，在推进人类工业文明过程中作出了巨大的贡献，直到今天还是人类的重要基础工业。人类在享受采矿业为我们带来能源和资源的同时，决不应该忘记采矿业所发挥的巨大作用和采矿过程中牺牲无数生命的代价。

（2）18-19世纪工业革命需要大量的煤炭和矿物资源，期间煤矿多次发生瓦斯与煤尘爆炸，使许多下井工作的成人男女和童工死于矿难，这也导致了矿井通风理论和技术成为采矿科学之首。

（3）我国古代和欧洲古代的采矿通风同样有着悠久的历史，同样为采矿安全做出了突出贡献。由于历史原因，到了近代，我国的采矿通风技术落后于西方国家，我国近代再也拿不出类似《天工开物》的巨著可以与西方的科学著作相媲美。

（4）从国外的矿井通风史看出，欧洲人非常注重已有知识和经验的传承和发展，他们重复犯错误的情况不多，到了近代和现代，出现由于通风问题造成大量人员伤亡的事故已经不多见了。但我国到现在仍然不时发生由于通风不良而造成的矿难。1960年5月9日，山西省大同矿务局老白洞矿发生了世界采矿史上最为惨痛的煤尘和瓦斯大爆炸事故，当时死亡677人，连同被救出的228人中又死亡的5人计算在内，共死亡682人；2004年11月28日，陕西铜川矿务局陈家山煤矿发生瓦斯爆炸事故，166人死亡，41人受伤；2005年2月14日，辽宁省阜新市孙家湾煤矿发生瓦斯爆炸事故，214人死亡，30人受伤。这些震惊世界的矿难的确值得我们深思！

（5）在西方国家，现在矿井通风的研究成就不仅用于防止瓦斯爆炸等事故，而且使井下环境条件得到了显著的改善。现在，由于不合理通风造成的人员伤亡事故已经相对罕见了，通风系统的日臻科学完善，改善了作业场所的环境条件，显著提高了矿工的劳动生产率。

（6）如果没有给井下供给新鲜空气，不管最原始和最现代的设备都不能在矿井中有效作业。因此，矿井通风的研究和应用仍然任重而道远。矿井通风的理论、技术、装备和经验需要采矿科技人员传承和发扬光大。

（7）现在，采矿业仍然是我国国民经济的支柱产业。但我国的采矿业生产水平非常不平衡，既有实现了机械化、自动化和数字化的世界一流矿山，也还有诸多全赖人力采矿和处于一两百年前生产水平的小矿山，这些小矿山的生产现状与21世纪工业生产要求是那么的不和谐。

责任编辑林 洁