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其实煤球炉的应用在古代已经出现了萌芽,据明科学家宋应星著《天工开物》记载,当时炼铜是用“碎如粉”的煤面掺泥加工成煤饼作为燃料使用的。这种煤饼,因其块度大,便于通风,所以“不用鼓风”即可充分燃烧,炉火从早到晚“通红”,古可称为“自风煤炭”。这样的煤饼,和蜂窝煤的原理如出一辙,而且是在工业上大批量使用的。
小店煤矿的储量尚未探明,但是已经开采的不过是竖井南部很小一部分的煤层。
李志的要求不高,只要通过一点点促进,是唐代煤矿的开采水平达到宋朝,最好能达到明朝的水平,就可以使产量上一个台阶,并且在全国进行推广。改变唐朝只有铜矿铁矿石用煤炭当燃料的落后局面。在宋朝,煤矿的竖井的深度最多能达到两百米,可以说是非常深了,煤炭资源的探矿,开采能力,都得到了极大的提高。
地底下的工作环境是非常恶劣的,据宋代煤井遗址考证,巷道上宽不过一米,下宽不过一米四,高不过一米五,稍微正常的身高,都直不起腰来。小店煤矿进行一次扩建以后,竖井的墙壁使用砖石水泥进行了加固,李治在并州西面山脚下新设了一个工坊,借并州铸钱监的人力物力,烧造水泥,铁器,支援小店村煤矿的技术改造。扩建以后,竖井的直径扩大到六米,新建了运载的升降梯,一次可以供五人上下。
为此,李志专门让人用小高炉开了一次炉,出了一炉熟铁水,浇铸了一批滑轮组,提高了升降梯的运输效率,淘汰了木制轱辘。
中国古代的升降装置,就是常见的旧式水井上的轱辘,三只脚或者四只脚,只有一个杠杆比。而李志在井口新设了一个支架,使用滑轮组配合手摇轱辘进行升降。一次足以升降一吨重的物体。
此外专门制作了一批竹篾头盔,称其安全帽。帽子前方可以放一截烛火,当作照明用。这一批工具一出现,就得到了矿工们的喜爱。往日矿井巷道低矮,磕破头者大有人在,采用安全帽以后就再也不会满头是包的滚回家了。
下井的工人,都是小店村里的家生奴,李志叮嘱要善待这些人,并且鼓励白老头多买点奴仆来下井干活。毕竟对于有身份的良民而言,下井还是很可怕的事情,各种鬼怪,黄泉的传说,都告诉人地下不是好地方——是死人才呆的地方。
在改善运输环境以后,李志下了一次井,实际勘察了井下工作面的情况。这一口煤井下的煤层埋藏浅,煤层厚,上下皆是页岩,顶板坚固,开采条件十分简单。宋代的时候,人们已经知道煤炭多伴随页岩而生,并且称煤层为碳脉,露头的煤层成为碳苗。而最迟明代的时候,人们已经知道风化作用会损害煤的价值,会主动避开已经被风化作用侵蚀的煤层,转为开采更深处的煤层。
河南鹤壁市曾发现过北宋晚期的采煤遗址,这里的竖井深度达46米,巷道长度超过了五百米。但是顶板并没有采取支撑。巷道挖在很厚的自然煤层中,在巷道的交叉口,有很多放置灯盏的壁砻。
参考现代矿井的通风和运输布置,李治通过勘测,发现小店村煤矿的煤层面积相当大,南北基本呈水平分布,东南方向东边以5度的角度下沉。因此他在原来井口东方八百米的距离,再往下打两个井口,一个作为主井,一个作为副井。两个井同时掘进,达到上层煤层的下部,大概是地下十五米的深度,然后在水平联通,这样,一口井进风,另一口井出风,就能在井下形成良好的通风。时至今日,矿井开掘的基本原则,都是同时掘进,尽快打通风路为第一目标。
在入口的主井和副井下面,开挖一个稍微大一点的空间,用来储存挖出来的煤炭和煤层的渗水。在主副井口有升降梯,鼓风机,排水渠道。
掘进到主井下的储藏区以后,然后在东西方向向原来的井口方向,开掘两道平行的,沿煤层倾斜方向走向的巷道,其中一条巷道中铺设两排铁轨,可以通过四轮小车,用以运输采下的煤炭。这两条巷道每开凿一段,便左右联通,用以形成循环的风路,确保井下通风。
这两条巷道直接通到最开始的井口。这个井口在第一阶段的开采中还可以用作运煤上下的通道,当采掘工作逐渐沿着煤层往东推进以后,就改用新开的井口运输。而原有的井口仅仅用于排出乏风。
然后从东西方向的主巷道为基线,将这八百米的距离分成每二百六十米左右长的三段,在起点和第一分段点开凿两条南北向的巷道。在这两条巷道之间,就是沿着煤层走向的采掘工作面,工人们在这个工作面架好防护支架,然后用传统的掏槽法,把煤炭运到巷道的小车上,然后用绞盘牵引,将它拖到井下储藏间。煤炭在这里卸车,然后通过升降梯升上地面。
因为自然的走向和倾斜,煤层中的瓦斯会沿着风路最快的排出,而渗水则会沿着地形,往下流到标高最低的主井井口的储水池,然后通过大牛皮水囊排出地面。
在这个结构的设计下,这一片煤田,大小约零点八平方公里的厚两米的煤层,以煤炭密度,开采率0%计算,总共有20万吨(4亿斤)的可开采量。用现在的煤价60元一吨,这可是5亿6千万人民币啊!难怪煤老板都这么有钱。现在的小煤矿大约就是0万吨左右的年生产能力,就这样也足以让小店村煤矿开采个七八年了。
元代中国的煤炭产量已经不算低,据记载,元代,蒙古贵族在大都(今北京)大兴土木修筑新城和宫苑寺庙,大量使用煤炭、焦炭熔铜铸器。例如,皇庆二年,为万寿山铸造一根铜幡杆,长00尺,大头径9寸,小头径5寸,在所用物料中,仅赤铜即达9万斤,焦炭05万斤,水和炭(即煤)2202万斤,白木炭6万斤;延祐四年(7),为普庆寺铸造两尊弥勒铜佛,用料中有黄铜万斤,赤铜900斤,金26两,银2两,白木炭277万斤,水和炭054万斤……其耗费之大、用煤之多,可见一斑。
清朝时期的北京城,主要燃料便是煤炭,而清朝时期的小煤窑,产量大的,也就约莫每天四五千斤,按这个产能,小店村煤矿可以开采260年,也就是可以开采到公元675年……可见中国的采煤技术,直到清代仍然是十分落后的,甚至在洋务运动的末期,97年左右开启的煤矿,都因为没有引入机械设备,而使用全人工开采,远远落后同期西方的水平。没有先进的生产技术,国家如何能够富强呢?
当然,小店村煤矿只是广大山西矿区的九牛一毛,而合理规划的生产方式也足以让产量远远大于一天四五千斤的水平。在第一阶段两个工作面同时开挖,只要每日开挖二十厘米,采下的煤也高达7吨(日产三十万斤,是清朝小煤窑产能的60倍)。此外,这样的井下工作环境通风好,安全性高,瓦斯事故和渗水事故的安全性好。可以更好的保障工人的安全。别人不理解为什么太子殿下要为了一群奴仆工人挖煤的安全着想,可是李志来自新社会,深深的理解没有人性的生产方式是人类文明史上的罪恶。中国是世界产煤第一大国,而中国的煤则被称为血煤。说实话,谁愿意把自己的致富建立在平民的血泪之上呢?直到现在,中国人民都没有找回自己在劳动之中的尊严,李志有机会回到了光荣的盛唐时代,又怎么忍心为了自己的宏图伟业,驱使自己的子民,在毫无保障的条件下,钻进狭窄潮湿,危机四伏的矿井巷道,用生命和献血为代价,换来一筐筐的煤炭呢?
从技术上讲,实行这样的采煤技术,是完全可行的。使用水泥预制件技术,在各大主要巷道和采煤工作面上,都采用了顶板加固和支护。而工人的饮食和休息,都得到了保证。小店村煤矿的工人每天工作十个小时,中间有两次休息,提供蒸饼(就是馒头)和饮水。重体力劳动的地点,比如井口排水,井口煤炭的提升,都使用滑轮组,利用牛马等畜力来减轻人的负担。劳动中还提供头盔,手套和口罩的保护。每个月和官员一样享有天的休息时间。
以现在的标准来,自然是过于幸苦。而对当时的人来说,已经是很大的进步了。在小店村煤矿的标准下,从此中国的煤矿纷纷采取了这样的技术标准,不仅保障了工人的安全,也使煤炭的开采能力得到了极大的提高。