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    长夏炎热,伏暑为最。在这热情似火的八月,中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心(以下简称“烟台中心”)的钻探技术支撑团队正在全国多地如火如荼地开展着为国找矿的地质工作。

    在金都招远,高耸的钻塔昂然挺立,超千米深孔钻机正向地球深部探掘;在胶莱盆地,连绵起伏的青山与整齐划一的红色队伍形成鲜明对比;在渤海海域,“海洋地质十七号”调查船正锚定目标沿着蔚蓝海面向海底深处钻进。与此同时,在汾西深处、中原腹地、皖南地区,均活跃着烟台中心钻探工作人员辛勤劳动的身影,他们与大山为伴,与黄土为友,头顶着烈日,脚踩着泥泞,用实际行动投身到国家新一轮找矿突破战略行动中。

    新矿种施工,打开事业发展新局面

    2024年,是烟台中心钻探技术队伍建设发展极不平凡的一年。烟台中心面临着施工人员最多、作业范围最广、钻探任务最重、地层矿种最杂的现实情况。据了解,其工程勘查室年度共承担陆域49个钻孔、海域22个钻孔合计17890米钻探任务,涉及金矿、铝土矿、铀矿、铜矿、铁矿等多类型矿种,分布在5省9个项目13个工作区。面对新领域、新矿种、复杂地层带来的挑战,烟台中心钻探技术团队集智攻关,制定了“一矿种一方案”“一工区一对策”的施工方案,通过优选钻进工艺、优化钻进参数和泥浆配比等措施,有效解决各矿种施工面临问题,积累了丰富的施工经验。针对山东莱西金矿工作区矿化带部位断层泥较多、孔内严重漏失问题,技术团队两次实施水泥封堵,成功穿过漏失破碎层,有效改善孔内漏失情况。针对招远滕家矿区断裂带地层水敏性强、破碎易漏失问题,技术团队充分总结以往经验,对照已有岩心资料,确定地层漏失位置,提前调整冲洗液降失水性能,顺利穿过构造断裂带。针对山西汾西铝土矿工作区地层破碎漏失严重、供水困难的情况,技术团队创新引入空气泡沫冲洗液工艺,在合理处理地层漏失问题的同时有效缓解了工作区供水难题。针对河南驻马店铀矿工作区地层松散易坍塌情况,技术团队邀请北京探矿工程研究所专家实地指导论证,探索应用双聚防塌冲洗液,采用全孔提钻取芯工艺,进一步增强孔内稳定性,保证了岩心采取率。针对首次独立承担海域钻探任务且海况、地层不熟悉的实际,技术团队积极收集国家海洋局、青岛海洋地质研究所等单位以往调查成果,聘请经验丰富技术人员参与指导,利用海上作业“窗口期”加紧施工,目前已实现自主海钻能力“破百”。

    通过一系列方法举措,技术团队有效处置各工作区施工问题,使得效率明显提升:山西汾西工作区单孔施工周期压缩一半,台月实进尺达到650米/台月,较首月提升50%;山东招远工作区施工的1600米钻孔于6月底顺利终孔,全孔台月效率达661.1米/台月,创历史新高,1900米钻孔首月台月效率达795米/台月,再创中心台月效率纪录。经过不断地实践锻炼、复盘总结,技术团队逐步掌握了在漏失、松散、破碎等不同工况条件下的应对措施,实现了浅海地质勘探“百米”的突破,丰富了多矿种施工的专业技术储备,打开了烟台中心钻探事业发展新局面。

    新矿区作业,激发任务保障新效能

    作为一支国家基础性、公益性、战略性地质调查队伍,烟台中心坚持将“支部建在项目上”,尤其对于钻探这个对组织指挥要求高、安全风险考验大的工种,队伍开进到哪里,党的建设、条件保障、安全管理等一系列工作就要跟进到哪里。

    在队伍建设上,为积极响应新一轮找矿突破战略行动,为局系统提供钻探技术支撑,同时解决“工勤人员有活干”的掣肘问题,烟台中心党委积极谋划钻探队伍发展,统筹全中心钻探专业资源,充分发挥集团作战优势,组建130余人钻探大队,在人才、技术、装备等方面予以倾斜,为年度钻进能力突破2万米提供保障。

    在任务引领上,结合今年钻探工作任务重、人员多、分布广、骨干力量少的实际,烟台中心工程勘查室积极探索“1个党总支+7个机台临时党支部”的施工期组织架构,坚持将各项工作一同纳入支部议事日程,通盘考虑、全面推进,切实发挥“把方向、统大局”“议中心、谋发展”“解难题、保稳定”的组织优势,为全年任务顺利开展提供支撑、引领及保障。

    在作业模式上,烟台中心合理分析研判工作区作业难题,及时优化调整作业模式,针对山西汾西工作区钻孔数量多、孔深浅、地形复杂的特点,按照“优化班组配置、调整作业时间”的思路,将机台一分为二,采用“履带式+便携式”两个钻机联合作业,实行“长白班”制,有效规避夜间复杂条件行车风险,同时提高了施工效率和机台搬迁效率。

    在保障方式上,烟台中心针对新矿区情况不熟悉、关系协调难、用电保障难的实际问题,由科室主要负责人带队走访驻地自然资源部门、镇政府、村委会、供电所等,在青苗赔偿、土地占用、用电账户开设、变压器协调等方面达成共识,为任务开展奠定基础;结合各矿区任务实际,区分深孔、中深孔、浅孔等不同情况,针对性进行设备选型、管材复新、维修保养等工作,确保“因症施策”“对症下药”;在物资采购、材料供应、装备运输跨省保障难的情况下,探索实施“固定招标+框架协议+定点比价”的采购方式和“定点物流+自有车辆”的运输方式,确保采购公开透明、物资及时供应、装备安全运输,为高效开展施工任务提供支撑。

    在安全管理上,烟台中心针对每个矿区不同实际,科学制定野外矿区日常管理规定,完善安全风险隐患清单,从优化住宿区选址、调整用车时段、合理安排作息、加强安全检查和应急演练等方面入手,强化各级安全管理责任,督促施工人员持续用好安全管理智慧平台,实时监控钻探机台操作全过程。这些措施使得一线施工人员安全意识不断增强,现场安全作业环境得到改善,野外施工安全管理水平有效提升。

     

    新技术赋能,催生找矿突破新动力

    工欲善其事,必先利其器。为全力支撑新一轮找矿突破战略行动,烟台中心今年新购了多台钻探装备及配套设施,F1000D便携式全液压钻机便是其中1台。前不久,钻探技术团队采用该钻机高效施工完成了352米的岩心钻孔。

    在山东栖霞台前-西陡崖工作区的交接班会上刚上完大夜班的记录员兴奋地汇报着工作情况:“机长,当日进尺115.8米,当班进尺37.8米,我们又破纪录了!”据悉,该钻孔施工地层主要为黑云斜长角闪片麻岩,设计倾角75度,全孔历时5天,台月效率高达1981.1米/台月,单日和单班(8小时)进尺屡创新高,三项指标均突破烟台中心历史纪录。该钻孔的高效施工,体现了烟台中心在钻探技术力量和装备体系建设方面的显著成果。

    除了新设备的投入使用,新工艺、新材料的运用对钻探施工也起着至关重要的作用。今年以来,钻探技术团队从现场作业需求入手,积极推进钻探行业前沿科技设备工艺的引入及研发,探索运用空气泡沫冲洗液、双聚冲洗液、成膜泥浆、变频离心机、海域升沉补偿钻机等多项技术措施,成功申报“一种钻杆内壁泥皮泥饼清除装置”“一种高速水接头多功能提篮”2项发明专利和2项针对设备改进、工具研发的实用新型专利,团队建设正实现由“传统施工”向“科研+生产”的模式迈进,为队伍高质量发展提供新质生产力。

    与此同时,烟台中心正依托近年来在全国多地开展岩心钻、工程钻、水文钻、海钻的经验成果和技术力量,联合北京探矿工程研究所等多家行业单位积极申报海陆一体化钻探工程技术烟台市工程研究中心。该研究中心主要以海域地质钻探为核心、深部岩心钻探为重点、水文钻探和矿山救援钻探为突破,构建较为系统的海陆一体化钻探工程技术方法体系,为全力支撑新一轮找矿突破战略行动提供重要保障。

     

    创新引领 科技赋能 钻探技术支撑水平提质增效

    大数据是新一轮信息技术革命与经济社会发展融合的产物。在全球信息化快速发展的背景下,大数据与云计算、物联网、人工智能等新技术相结合,已经上升为国家战略,处于国家基础性战略资源的重要地位。

    作为继物联网、云计算、移动互联网等一系列智能化技术后的又一次创新,区块链集成了分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术,创造了数据和信息流通在互联网时代的新型应用模式。地质大数据具有多元化、海量、异构的特点,且极具价值。加强地质大数据知识产权保护,促进地质大数据深度挖掘和广泛应用,是地质工作的重中之重。目前以水印技术、数据出版、数据加密与跟踪技术为核心的地质大数据产权保护体系正在逐步构建,如何结合新兴区块链技术,快速推进与完善数据共享与产权保护体系建设是个值得探究的重要问题。

    区块链技术的优势

    区块链(BlockChain)本质上是一种链式数据结构。区块链技术是一种集体维护一个可靠数据库的技术方案。区块链包括三个基本要素,即:区块(Block,记录一段时间内发生的交易和状态结果,是对当前账本状态的一次共识)、链(Chain,由一个个区块按照发生顺序串联而成,是整个状态变化的日志记录)和交易(Transaction,一次操作,导致账本状态的一次改变)。随着应用场景的不断丰富,区块链逐步发展为一种去中心化基础架构与分布式计算方式,其利用加密的链式区块结构来验证与存储数据、分布式节点共识算法生成与更新数据,同时支持自动化脚本代码来编程与操作数据。

    与传统中心集成化管理的网络相比较,区块链拥有明显的优势。

    区块链智能合约运行机理

    从技术原理上来看,区块链是一项全新的“分布式记账系统”,是分布式数据存储、点对点传输等技术的集成体,具备去中心化、时序性、不可篡改、可编程性等特征,因此造就了其成本低廉、安全性高、透明性强、扩展性大等诸多优势。

    大数据时代的到来为地质信息化建设提供了良好的发展机遇,但真正落实到数据的共享利用与产权保护等方面,仍存在种种技术壁垒和思维瓶颈。

    目前,阻碍地质大数据使用的首要问题还是数据共享,它的核心是观念问题。由于地质数据的专业性、复杂性和高知识密度等特点,一些地质数据及产品(地质图等)生产者、开发者或产权所有者担心自己的成果共享后权益得不到保障,不愿意将相关数据及成果进行共享,导致数据保存在书架、库房或计算机硬盘上,未能共享出来发挥数据最大价值,数据产权拥有者也不能获得应有利益和权益。

    在互联网中,利用区块链技术可以将数据及产品等按虚拟数字资产等方式进行加密传输,数据和产品一经产权拥有者发布后,通过互联网传播,采用分布式记账系统,永久宣布数据产权者的产权,并可以按需进行交易,数据使用者使用记录等也将详细记录,充分保护了产权拥有者知识产权,可以有效打消产权拥有者顾虑,解决数据共享中“不愿共享”的理念问题。

    区块链在地质大数据知识产权保护中的应用探讨

    地质大数据应用所涉及的过程一般为数据获取、数据存储、数据更新、产品的专利或产权认证、交易等。从本质上讲,可将地质数据当作一种无形资产,利用区块链对数字货币、资产交易与管理、数据存储与验证方面的核心技术,实现对地质信息资源的存储、确权、授权和实时监控。

    1. 地质大数据的区块链架构探索

    基于区块链的应用模式,结合地质大数据应用的参与主体多元化、多层级的特点,可构建公共链、联盟链、私有链融合共生的地质数据共享区块链架构。其中,公共链针对地质调查中公共开放的数据资源,应用主体为社会公众、各类企业和科研人员;联盟链针对以单位形式参与地质数据共享的组织机构,如地调机构、科研院所、高校等,共享数据涉及核心地质数据资源、自主研发的软件和技术等;私有链针对机构内部对涉密数据的交换共享目的。

    基于此架构模式,可在地质数据公共链、联盟链及私有链内部构建去中心化、可信任的共享交换环境,同时引入数据交互审计节点,便于不同链网之间交互信息、自动互转,形成跨链模式的资源信息共享。

    这种混合型架构模式是一种目前理论上可行的大数据区块链框架,可构建地质大数据去中心化、可信任的共享交换环境,为地质数据信息的共享、交换与相应的产权保护提供实现基础。

    2. 区块链在地质知识产权保护中的应用探讨

    由于区块链的共识机制重构了信任体系,消除了对中间机构的信任风险,运转过程算法化、智能化,区块链在地质知识产权保护中具备实施的技术可行性。地质知识产权保护大致可分为产权确权、产权交易两个方面,以地质图为例,区块链在其具体的确权与交易的应用场景描述如下。

    (1)地质数据产权确权

    由于区块链技术能够在每一次数据记录中加盖时间戳,且因其去中心化、去信任化等特征,保障了数据记录不易被篡改,整个区块链系统的可靠性高,因此区块链技术能够在地质数据知识产权确权和保护中发挥作用。

    (2)地质数据产权交易

    产权交易技术基础是区块链的智能合约技术。该技术在区块链可编程性基础上设计,核心是存储于区块链上的一组编码,它规定了产权交易的预定义状态、转换规则、触发合约的条件、特定情景下的应用措施、违约条件及违约责任等。

    智能合约无需第三方介入执行,其编码程序类似于普通计算机程序的“if x then y”语句构成,即当条件x发生时,智能合约自动执行程序,产生y的结果,无需第三方的监督执行。

    以一幅地质图为例,某智能合约规定“在某个时间点前,此地质图的购买者甲支付一定金额数字货币给地质图所有者乙,则甲能获取乙的这幅地质图”,那么单位甲于规定时间内支付足够额度的数字货币时,就能自动获取乙的这幅地质图的公钥和网络地址,从而使用这幅地质图。

    由此可见,智能合约最显著的特征为其自动执行性。另外,因合约无需仲裁机构督促执行,不会因为合约双方对条款有的不同理解而造成麻烦,也排除了跨境产权交易中法律、语言、政治经济政策差异所产生的影响,可促进知识产权交易低成本的同时更加便捷、高效、准确地执行。

    其他行业的应用案例

    区块链技术的研究与应用近年来呈现了爆发式增长的态势,已延伸到金融科技、数字资产交易、物联网应用、供应链管理、知识产权保护等多个领域,引起了政府部门、金融机构、科技企业和资本市场的广泛关注。

    1. 金融领域

    区块链在金融领域的应用场景主要有数字货币转账、支付、借贷;跨境支付与结算;证券发行与交易;供应链或贸易金融等。分布式账本技术保证了数字货币支付流通的安全可靠、公开透明;交易结算的自动化和瞬时效果。目前的主要应用案例有: Circle点对点消费金融网络和BTCjam比特币借贷平台;Ripple公司的区块链跨境支付与外汇结算系统;招商银行的区块链跨境直联清算业务系统;提供投票、交易、众筹等各种定制性开发功能的以太坊(Ethereum)智能合约平台。

    2. 数字资产管理领域

    区块链提供不可逆转、安全和有时间戳的记录,可以登记、清除、控制和跟踪数字知识资产,并通过智能合约建立和执行数字知识资产协议来提供使用证据、许可证、独家分销网络和传输付款记录。目前,在数字资产管理方面,逐渐浮现出众多利用区块链技术进行数字知识资产管理的平台和公司,例如原本公司的Primas版本保护平台,中国电信天翼创投的微位科技所创造的数字身份认证平台,通付盾公司的区块链身份认证识别体系,美国Binded公司的艺术作品版权登记平台、Monegraph数字知识资产登记系统等。

    3. 物流供应链领域

    区块链技术可保证物流中商品防伪认证、智能化供应链管理、合同认证加密、物流货运全程跟踪,提供全方位、高效、精准的物流管理服务。未来的智慧物流全过程,包含原材料供应链、生产供应链、运输供应链、销售供应链、金融平台都会受到区块链技术浪潮的推动。

    此外,区块链在医疗卫生方面的应用主要体现在医疗电子病历管理、医疗耗材、药品供应链管理和医疗数据隐私保护;在电子政务方面的应用主要为土地确权登记、市民身份认证、政府信息共享传播与民众无记名投票等。

    展 望

    基于地质大数据应用现状,结合地质调查“十三五”信息规划目标任务和世界一流地质调查局对信息化建设要求,针对区块链技术在地质调查中应用需求,提出以下建议与思考。

    1. 提高战略认知,加强顶层设计

    面对区块链技术带来的网络技术变革,我们应提前布局,早做规划。在地质大数据共享层面,系统解决“不愿共享”(理念)、“不能共享”(保密)和“不会共享”(技术)的“三不”问题,建立包括区块链技术、水印技术、数据跟踪与加密技术、数据出版技术等的地质大数据知识产权保护技术体系,解决地质大数据不愿共享问题;积极接受保密部门指导,按涉密数据管理要求和地质数据共享管理相关办法,认真做好数据分级分类工作,确保“涉密数据不上网,上网数据不涉密”,解决数据不能共享问题;积极研发地质大数据共享技术,持续推进国家地质大数据共享服务平台——地质云建设,加大相关培训,解决地质大数据不会共享问题。同时,在离线数据使用方面,从制度上加强地质大数据知识产权保护,合理利用法律及相关政策对数据滥用、产权侵犯等行为进行管理与惩戒,促进数据在风险可控原则下最大程度的开放。

    2. 积极开展区块链技术研究与应用示范

    目前,大数据已上升为各国基础战略资源与核心创新要素,区块链等新兴技术研究和应用逐渐从金融领域扩展到其他行业,证明该技术具有一定的适用性。我们应认真学习新技术,了解其优势与不足,结合地质大数据特点及地质信息化具体应用需求,紧紧抓住互联网中地质大数据知识产权保护需求,加强区块链技术研究与探索,不断挖掘区块链与地质大数据管理的契合点,突破瓶颈,促进区块链等新技术与地质信息化应用结合,开创网络环境中地质数据知识产权保护新模式。

    3. 做好风险评估,确保利弊了然于胸

    新兴技术是把双刃剑,区块链技术的去中心化、自主性和自治性在带来便捷的同时,也存在着种种潜在风险与未知挑战。应深入探索相关技术,做到综合完善的研判分析,重点针对结构化数据与非结构化数据的不同应用场景做出具体的区块链技术应用研究,综合评估区块链技术对在线/离线地质数据的应用风险。针对地质调查领域的专业性与特殊性,整合区块链技术的优缺点。培养忧患意识和底线思维,真正将信息化技术运用起来,为地质调查工作创造价值。面对信息化浪潮,只有不盲目跟从,结合地质调查实际需求深入思考谋划,针对地质信息化建设中主要矛盾和薄弱环节,补短板、强弱项,真正将新兴技术为我所用,以务实高效的工作推动高质量服务,才能拨云见日,长远发展。

    打通构建地质数据管理服务大格局的关窍

    建设中的“中国天眼”

    地质专家在FAST现场查勘溶塌崩塌堆积体

    2006年专家组初勘大窝凼

    技术人员检查桩孔

     

    9月15日,被誉为“中国天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜(FAST)首席科学家、总工程师南仁东先生逝世,社会各界深切缅怀。就在一年前的今天,FAST在贵州省黔南州平塘县大窝凼落成启用。它是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,其研制和建设体现了我国自主创新能力,实现了我国相关装置由跟踪模仿到集成创新的跨越。半个月前,中国科学院公布了2017年度中国科学院杰出科技成就奖授奖建议名单(通用领域),FAST工程研究集体成功入围。作为建设在地质环境复杂地区的国家重点工程,其选址、勘察、设计、施工甚至投入使用,都离不开地质工作。为什么会选址在偏远的岩溶洼地?如何解决相关环境工程地质问题?……带着这些问题,记者近日采访了曾经参与过FAST规划选址、勘查设计和施工建设的中国科学院遥感与数字地球研究所研究员聂跃平、中国地质环境监测院总工程师殷跃平、贵州正业工程技术投资有限公司董事长沈志平等几位工程地质专家。

    2016年12月16日,FAST入选由《自然》杂志评出的2016年度重大科学事件。而刚刚公布的2017年度中国科学院杰出科技成就奖授奖建议名单,认为研究集体按期建成具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜FAST,在未来10~20年将保持世界领先地位,为我国在科学前沿实现重大原创突破提供了前所未有的机遇。其研制和建设体现了我国自主创新能力,实现了我国相关装置由跟踪模仿到集成创新的跨越;拥有3项自主创新:利用贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址,自主发明主动变形反射面,自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人;研发了高强度高精度大跨度索网结构,高性能动光缆,大尺度高精度实时测量系统等一系列关键核心技术,取得多项技术突破,推动了我国众多高科技领域的科技进步与产业升级,在国家重大需求方面具有重要应用价值,将促进西部经济的繁荣和社会进步。这些成绩和荣誉的背后,是中国科学家和科研工作者以及建设者的智慧结晶。这其中,地质元素和构成必不可少。

    为什么选址在大窝凼天然喀斯特巨型洼地?

    选址工作跟进十多年,最后根据野外考察、模拟计算和综合评价优选台址

    FAST工程从初步的设想、选址、勘察、设计、施工至投入使用,历经20余年。1994年,中国科学院第一轮选址;2007年7月,国家发改委正式批复立项;2008年12月,FAST工程奠基;2011年3月,FAST正式开工建设;2016年9月25日,“中国天眼”正式落成,“天眼”开眼。

    在这20多年里,有一位科学家从中青年开始就伴随FAST一直走到现在。他,就是FAST观测台址系统总工程师、中国科学院遥感与数字地球研究所研究员聂跃平博士。“利用贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址,是整个系统工程3项自主创新之一!”在他的办公室,聂跃平自豪地告诉记者。

    作为FAST选址的主要负责人,曾在贵州省地矿局科研所工作过的聂跃平对“中国天眼”落户贵州功不可没。

    1994年夏天,中科院原北京天文台(2001年国家天文台成立)副台长南仁东和彭勃博士等到中国科学院遥感与数字地球研究所咨询在全国范围内寻找适合建造大射电望远镜洼地事宜,之后便委托聂跃平到贵州做一次针对性的野外调查。同年8月至9月,聂跃平到平塘、普定等地进行了1个多月的实地调查,为在荷兰召开的LT大会提交了《中国贵州选址调查报告》,并得到大会充分肯定。随后,便开始了漫长的FAST探寻之路。

    1994年底,中国天文界以北京天文台为核心,组成LT(SKA)中国推进委员会,推荐聂跃平为台址评价组组长。根据选址要求,选择的洼地必须符合尽可能圆、既要交通方便又要相对隔离、台址稳定、没有无线电干扰等若干要求。

    聂跃平告诉记者,贵州虽然洼地众多,分布面积广泛,但要找到符合上述条件的洼地也十分困难。因此,根据以往在贵州的工作经验和岩溶洼地的发育规律,他选择在苗岭分水岭两侧的黔南州和安顺地区,应用遥感技术手段进行先期普查,然后在地形图上逐一标注,建立了300多个能够进行各种指标查询的洼地数据库,并完成了《大型射电望远镜中国贵州选址研究报告》博士后出站论文。在此基础上,聂跃平和中国推进委员会主任南仁东、副主任彭勃、国际LT中国代表吴盛殷、荷兰天文专家理查德先后到平塘、普定对部分洼地进行考察和电波干扰情况测量。1995年10月,LT第三次国际会议在贵州省贵阳市召开,会议代表到平塘、普定对洼地进行实地考察,对中国贵州选址给予了高度评价。

    1997年,LT(SKA)中国推进委员会提出了LT(SKA)中国工程概念先导单元,即由我国独立建造一面世界最大单口径球面望远镜的创新方案的初步设想。经过不懈的努力和扎实的研究工作,FSAT最终获得国家立项。

    聂跃平介绍,FAST是一个大科学工程,对洼地的要求随着工程的不断优化而改变,对洼地的直径要求从开始的300米、350米、400米直到500米,因此选址工作一直跟进了十多年。最后根据野外考察、模拟计算和综合评价,优选出平塘大窝凼洼地作为FAST观测台址。FAST立项后,选址组围绕FAST对台址的严苛要求,应用遥感、GIS、虚拟技术等,对大窝凼进行了台址的工程稳定性、水文工程地质、岩溶地质灾害、周边环境、工程开挖量等一系列工程问题展开了工程性研究,并向国家天文台FAST项目指挥筹备组提交了相关报告,肯定了大窝凼可作为FAST观测台址的可行性。

    “从1994年到现在,20多年过去了,我从中青年开始伴随FAST走到今天,经历了漫长的时间考验,也遇到种种困难。但是一想到能利用家乡的地利优势实现FAST工程,就感到无比欣慰!”对此,聂跃平感慨万千。

    FAST观测台址遇到的环境工程地质问题如何解决?

    创新勘察方法,地下河洪涝灾害、断裂破碎带、巨石混合体、松动岩体、球冠状边坡等问题被逐一破解

    我国西南岩溶地区地质环境复杂,如何解决FAST观测台址遇到的环境工程地质问题?记者采访了中国地质环境监测院总工程师殷跃平,他也是这次杰出科技成就奖授奖建议名单中唯一一位中科院系统外的贡献者。“地表像是一口直径达500米的大锅,地下却是非常复杂的岩溶灾害体。”殷跃平开门见山地告诉记者。

    FAST观测台址选定大窝凼场洼地后,地质问题成了FAST建设成败的关键。2006年4月,殷跃平初次受国家天文台邀请,参加了FAST观测台址建设可行性论证技术组的工作。因其丰富的岩溶工程地质经验,2008年8月,受国家天文台的聘请,兼任了观测台址建设的地质总工程师。

    殷跃平告诉记者,FAST观测台址建设面临的第一个难题,就是地下河洪涝灾害。这里地处贵州高原到广西丘陵平原地区的斜坡地带,串珠状的峰丛峰林洼地非常发育。表面上看,它是一个完整的洼地,实际上大窝凼洼地底部(即锅底)50多米深发育有贵州最大的地下河——大小井岩溶地下暗河。

    “当时中国地质调查局正在组织实施的西南地区岩溶地下河地质大调查项目提供了很好的基础资料,前期调查表明,这条地下暗河一直流到了广西境内。它通过漏斗和落水洞将大窝凼与地下河建立了水力联系,这意味着地下水动态变化非常大,在极端暴雨的情况下,地下河水将上涨数十米。同时,在建设期间,土石方工程也将会改变洼地产流和径流条件,从而导致洪涝灾害。”后来,针对这一问题,可行性方案提出了新型的螺旋形加放射状截排水措施,并沿洼地底部设立了1公里长的泄洪隧洞,从根本上消除了FAST场地的洪涝风险。

    第二个问题就是断裂破碎带的地质工程问题。贵州的岩溶地下河往往与断裂带有关,技术人员现场工程地质勘察发现,长达十多公里的董当断裂带自北向南穿过,将大窝凼洼地切割成了东西两半。由此,东西二侧半球冠状的洼地工程地质条件将出现差异性,即随时间的推移,望远镜可能存在变形差异,而且断裂破碎带的软弱性也将带来地质工程问题,影响望远镜发射板的锚固安装质量。“望远镜有2400多个三角形反射块,像鱼鳞片一样。用锚杆与下面的地层固定,如果有断裂破碎带,注浆质量会下降。锚杆施工后,如果断裂带溶蚀严重的话,注浆时漏浆量会很大,导致抗拔力出现大的差异,影响工程质量。”于是技术人员专门在现场对断裂带进行了大量的锚杆拉拔实验,获得了注浆参数、锚固长度、设计锚固力等一系列参数。“比如注浆中加一些早强剂,防止它漏失,让它固定住,不会出现新的变形。”

    第三个问题是洼地西南侧分布数百万立方米的大型溶塌崩塌堆积体,正好位于望远镜圈梁附近,开挖扰动后将带来滑坡问题。“这些堆积体在大小井地下河系演化过程中,由岩溶动力侵蚀形成,具有一定的稳定性。但是,被切脚临空后,稳定性将会降低。我们通过抗剪试验和室内模拟,发现这种溶塌崩塌堆积体和传统的滑坡堆积体是不一样的。我把它称为‘巨石混合堆积体’,它与下伏基岩界面形成了点摩擦,有一定的嵌固性,抗剪强度要高,可以按照代换补强的思路,采用小口径组合桩群加注浆的措施对前缘进行加固,这样就构成了一个由巨石混合体和桩群构成的棱体,形成了拱圈效应,对巨石混合体起到了支挡作用,确保了望远镜的安全。”殷跃平展开当时的设计剖面图,向记者解释道。

    第四个问题就是古地下河的卸荷松动岩体稳定问题。殷跃平介绍,在大窝凼洼地3点钟到5点钟一带,出露有一古地下河通道,洞口岩体破碎,形成了大范围的松动岩体。如果在FAST观测台址建设和运行过程中,不对这些松动岩体进行加固的话,将会形成崩塌滚石灾害直接摧毁望远镜。因此,技术人员在对这些松动岩体进行系统防护的同时,还重点对12处稳定性很差的危岩体进行了清除或整体加固,避免了崩塌滚石灾害的发生。

    第五个问题就是开挖边坡的稳定性评价和加固问题。FAST观测台址并不是严格的球型洼地,施工建设过程中需要切凸补凹,形成均匀性很差的球冠状边坡。而这种边坡具有越向底部,应力越集中的特点,采用传统的平面分析方法就不行了,因此,他们提出了基于仓储理论等的三维评价方法,并取得了很好的效果。

    FAST观测台址的工程地质勘察评价,也探索出了一套新方法。在此之前,我国对平缓场地和山地的勘察方法较为成熟,并形成了国家标准,但对大型、特大型岩溶洼地的工程地质勘察经验很少,相应的规范标准更是空白。为此,FAST观测台址的建设形成和改进了很多勘察方法,为今后实施同类工程积累了经验。

    殷跃平还追忆了与南仁东教授一起在FAST观测台址建设现场工作的日子。他说:“南教授不仅亲自组织深入论证地质解决方案,而且多次与我们到洼地陡坡查看危岩滑坡等。他可谓惜时如命,白天与我们一起进行野外查勘、解决问题,晚上匆匆忙忙吃完饭,又伏案熬夜。南教授告诉我,他担任国际天文台主席等学术职务,每天晚上要处理数百封电子邮件。他是仰望星空的前沿科学家,亦是惟精惟一的卓越工程师。”

    如何解决开挖建设过程中遇到的岩土工程技术难题?

    4个阶段岩土工程设计不断优化,自主创新多种技术,工程设计获得多项国家专利

    在FAST之前,世界上最大单口径射电望远镜是美国Arecibo望远镜。如今,FAST台址开挖系统岩土治理规模是Arecibo的5倍,总体建设规模是Arecibo的近3倍。FAST台址岩土工程复杂程度远高于Arecibo,是世界上利用大型岩溶洼地建设的最大工程。如此复杂而庞大的工程,其岩土工程设计至关重要。FAST工程以全新的设计思路,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。其中,贵州正业工程技术投资有限公司是FAST工程台址开挖系统的核心技术团队。

    FAST工程台址开挖系统现场设计工程师、贵州正业工程技术投资有限公司第一勘测设计院岩溶地基研究所所长吴斌告诉记者,由该公司完成的FAST工程台址开挖岩土工程设计被中国勘察设计协会评为2015年全国优秀工程勘察设计奖工程勘察一等奖。该设计还获得了国家知识产权局发明专利受理及授权4项、实用新型专利授权7项。技术成果应用于FAST工程,系统解决了大型岩溶洼地,薄壳岩溶岩体精细开挖建设过程中,遇到的各种复杂岩土工程技术难题,为项目的安全运行奠定了可靠的基础。

    据了解,FAST台址洼地内地形起伏大、坡度陡,大型岩堆、溶蚀峰林、大型溶沟、溶槽、溶蚀裂隙密布,各种岩溶不良现象发育集中,工程地质及水文地质条件极为复杂。台址开挖系统设计按照动态设计原则分为方案设计、优化设计、施工图设计及现场设计4个阶段,历时3年半。通过4个阶段岩土工程设计的不断优化,实现了最初方案开挖投资1.85亿元,优化到最终开挖投资0.97亿元的最佳开挖效果。设计中,技术人员使用了BIM技术,开挖中心选择技术,下拉索促动器基础坐标解析技术,岩土工程信息平面表达技术,馈源塔及圈梁支撑柱位置优化技术,排水、防冲刷技术,螺旋检修道路优选技术,大型构建拼装场地及安装工程临时施工场地建造技术,岩堆、危岩、边坡综合治理技术以及生态保护技术。这些技术的运用,达到了国际领先水平。其中,国家发明专利“一种岩溶洼地排水系统”技术,在历经4个水文年的考验后,证明其排水性能良好,台址区未发生任何水患问题;而开挖中心选择技术则实现了台址开挖量最小,地质灾害治理费用最低等综合优化目标。

    贵州正业工程技术投资有限公司董事长沈志平向记者介绍,他们自主创新过程中形成的大量关键技术已经汇总并将出版专著。专著全面系统地反映了FAST工程台址开挖系统建设所遇到的各种技术问题的研究成果,是迄今为止国内外大型岩溶洼地综合利用岩土工程方面集学术研究与工程应用为一体的第一本专著。

    正是有了地质人前期复杂而周密的工作,才保证了FAST系统工程的成功选址以及安全建设和运行。FAST运行1年来,正在为我国暗物质本质、宇宙进化、太空生命起源和寻找地外文明等研究提供着重要支撑,贵州正业工程技术投资有限公司也在不断对工程进行回访记录,未来他们还将关注FAST地区环境信息综合监测。相信有了地质人的“保驾护航”,FAST将会更加安全而有效地运行,为人类探索外太空提供更多的线索。

     
    解译“中国天眼”的地质密码
    土壤是人类的衣食之源和生存之本,是最基本的生产要素。土壤的健康质量直接影响动植物和人类健康。为了更好地保护我们的生存之本,今天我们就来认识了解土壤环境问题中较突出的重金属污染。

    土壤重金属污染指的是什么 

    重金属通常是指密度大于5克/立方厘米的所有金属元素,包括汞、镉、砷、铅、铬、镍、铜、锌、钒、锰、锑等,其中前5种元素因其毒性大被称为“五毒元素”。

    顾名思义,土壤重金属污染就是重金属或其化合物通过各种途径进入土壤造成的污染。土壤遭受重金属污染的典型事例最早可追溯到19世纪发生在日本足尾铜矿山的公害事件,由于铜矿山废水排入农田,使土壤中铜含量高达200毫克/千克,不仅造成水稻严重减产,而且使矿山周围农田变为不毛之地。进入20世纪五六十年代,相继发生了举世瞩目的“八大公害事件”,其中发生在日本的“痛痛病”和“水俣病”公害事件就是土壤受到重金属镉和汞污染的两个典型。

    土壤重金属污染的危害 

    重金属可以污染水体、大气、土壤、作物等,但重金属不会像有机污染物那样被降解,因此通过食物链被生物体吸收后,会在体内积累,对人类健康造成巨大的威胁。有毒有害的重金属元素,例如砷、镉、铬、汞和铅,会对人体造成严重的危害,可能导致高血压、语言障碍、疲劳、睡眠障碍、提高攻击性倾向、注意力不集中、易怒、过敏反应、自身免疫疾病、血管闭塞以及记忆力下降等疾病和症状。重金属元素还会对人体细胞酶产生毒害作用。

    土壤重金属污染来源 

    土壤中重金属的来源可分为地质过程内源和人为活动外源两部分。地质过程内源又可分为继承型和次生富集型两类。继承型是指母岩中镉、汞、铅等有害重金属含量本底高,在后期的风化成土过程中,这些有害重金属继续保留在土壤中。资料显示,我国土壤大面积的重金属高异常主要是由成土母岩引起的,这些成土母岩多是富含铜、铅、锌、砷、镉等有害元素的硫化物矿床、黑色岩系、煤系地层等地质体,以及含锰、铬、镍的基性岩等。

    次生富集型是指成土母质中重金属元素含量并不高,但是在母岩风化成土过程中,化学性质活跃的元素,如钾、钠、钙、镁等易进入水体流失。而化学性质不活跃的元素,如汞、铅、砷等有害元素在原地的风化残留物中反而富集了。

    人为活动外源主要是指大量重金属通过人为活动进入到土壤环境中,其中主要是现代化工业,例如电镀、电池、化肥、矿业、造纸、杀虫剂、制革、塑料制品、冶金、采矿、化石燃料等制造、使用、活动过程中产生的含重金属的废水、废渣和废气。

    土壤中重金属的活性 

    土壤中重金属的含量和存在形态,很大程度上决定了其对环境、人体的风险高低。目前,土壤重金属的形态分级可分为离子态(水溶态)、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。不同形态的重金属,其毒性、迁移性和生物有效性均有不同差异。

    一般来说,离子态的重金属移动性强,易被植物吸收,多存在于土壤溶液中或土壤黏粒表面,有着较高的生物有效性;而某些重金属离子会与土壤中的盐类(如磷酸盐、碳酸盐、硫化物、铁锰氧化物等)、有机质形成沉淀物、复合物或螯合物,移动性有所降低,生物有效性也随之下降;最为稳定的则是残渣态,一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等晶格中。

    影响土壤重金属形态分布的因素有很多,归纳起来可分为两大类:一类是土壤内因,即土壤理化性质,如pH值、土壤有机质、土壤质地、胶体含量、离子含量、Eh值、营养元素等;另一类是人类活动,如输入到城市土壤中的重金属的数量、种类的影响。

    土壤重金属污染修复的方法 

    根据修复方式以及处理后土壤位置是否改变,土壤重金属污染治理方法分为原位治理和异位治理。异位治理环境风险低,见效快,成本高,环境扰动大,如客土法、换土法、土壤淋洗法等。原位治理中主要包括物理修复、化学修复、生物修复以及农业生态修复。

    物理修复主要包括电动修复、电热修复等。电动修复主要通过电流的作用,土壤中重金属离子和无机离子以电渗透和电迁移方式向电极运输,然后进行集中收集处理。

    化学修复就是向土壤中投入改良剂,通过对重金属的吸附、氧化还原等作用,降低重金属的生物有效性,常用的土壤改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、有机质等。

    生物修复利用生物削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性。1983年美国科学家Chaney提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思想,即利用植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理后可将该重金属移出土壤,达到污染治理与生态修复的目的。

    农业生态修复主要包括两个方面:一是农艺修复措施,包括改变耕作制度,调整作物品种,种植不进入食物链的植物,选择能降低土壤重金属污染的化肥,或增施能够固定重金属的有机肥等措施,来降低土壤重金属污染;二是生态修复,通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子,实现对污染物所处环境介质的调控。

    钨尾矿资源,待挖掘的宝藏 

    □郝小非

    钨矿是重要的矿产资源,已发现钨矿物和含钨矿物20余种,最具有开采价值的是白钨矿和黑钨矿,主要分布于江西和湖南。钨矿品位一般在0.1%~0.5%,对钨矿选别后,91%以上的固体废弃物被作为尾矿丢弃。我国每年约有1000多万吨钨尾矿被排放到尾矿库中,未被有效开发利用,不仅占用大量土地,还存在安全隐患。但尾矿不是没有任何利用价值的废物,在技术经济条件达到的情况下也是待挖掘的宝藏。

    随着人们对尾矿资源综合利用认识的提高,人们也越来越注意到尾矿也是一种资源,可以被开发利用。钨尾矿中一般含铜、钼、铋等重要金属矿物及石英、萤石、绿柱石和石榴子石等非金属矿物,随着选矿技术的提高,我们不但可以再次回收利用钨,也可以回收铜、钼、铋、铷、锂和钾等有价元素,还可以回收萤石、石英、石榴子石等非金属矿物。另外,我们还可以利用钨尾矿制备地聚物、微晶玻璃、陶瓷原料、免烧砖、透水砖等环保建筑材料。

    总之,只要我们结合钨尾矿资源特点,因地制宜地寻求钨尾矿资源化利用途径,一定可使钨尾矿变废为宝,实现经济效益、生态效益、社会效益的有效统一。

    “锆”诉 

    □雷晴宇

    对普通大众来说,单纯提到化学元素锆,可能相对比较陌生,但它却与我们的生活密切相关。比如,我们最常用到的卫生洁具、瓷砖等陶瓷产品,就是因为其中含有一定量的锆才让它的外表变得那么艳丽和富于光泽,也让它具有了极强的抗腐蚀和耐磨等性能。

    在工业实践中,由于提炼和加工困难、产量不多,锆被列为稀有金属。

    锆的应用领域非常广泛。其中,63%以上的锆以硅酸锆、氧化锆的形式应用于陶瓷、耐火材料领域,约有13%用在锆化学品领域,仅有3%~4%的锆矿石被加工成金属锆。因其具有惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性,锆还被广泛应用在航空航天等领域。

    锆的元素符号为Zr,锆元素在地壳中的含量仅约为0.025%。

    地壳中大部分锆呈分散状态存在于许多矿物中,已知含锆的独立矿物有38种,锆英石(ZrSiO4)和斜锆石(ZrO2)是主要的具有工业价值的含锆矿物。锆英石主要赋存于海滨砂矿中,是世界冶炼金属锆的主要来源。斜锆石主要产于碱性火成岩中,与霞石、霓石、磷灰石、萤石、钙钛矿、锆石、烧绿石等共生。

    含锆的天然硅酸盐ZrSiO4被称为锆石或风信子石,广泛分布于自然界中,具有从橙到红的各种美丽的颜色,自古以来被认为是宝石,印度洋中的岛国斯里兰卡盛产锆石。

    1789年,德国人M.H.Klaproth对锆石进行研究时发现,将它与氢氧化钠共熔,用盐酸溶解冷却物,在溶液中添加碳酸钾,沉淀、过滤并清洗沉淀物,再将沉淀物与硫酸共煮,然后滤去硅的氧化物,在滤液中检查钙、镁、铝的氧化物均未发现,在溶液中添加碳酸钾后出现沉淀,这个沉淀物不像氧化铝那样溶于碱液,也不像镁的氧化物那样和酸作用,Klaproth认为这个沉淀物和以前所知的氧化物都不一样,是由Zirkonerde(锆土,德文)构成的。不久,法国化学家de Morueau和Vauquelin两人都证实M.H.Klaproth的分析是正确的,该元素拉丁名为Zirconium,符号认为Zr,中国译成锆。

    1808年,英国的H.Davy利用电流分解锆的化合物,没有成功;1824年,瑞典的J.J.Berzelius用钾还原K2ZrF6时制得金属锆,但不够纯。直到1914年,荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员Lely和Hambruger用无水四氯化锆和过量金属钠同盛入一空球中,利用电流加热500℃,取得了纯金属锆。

    锆矿资源是稀有金属矿产资源之一。世界各大洲均发现有锆资源,主要分布在大洋洲和非洲,美洲、亚洲、欧洲也有发现。锆矿床按其成因可分为脉型岩矿和砂矿两种类型,但由于岩矿结构形态复杂,分离共生矿物成本高及开采难度较大等原因,导致目前全球工业开采多以砂矿型为主 。砂矿主要包括滨海砂矿、冲积砂矿以及残积砂矿,其中滨海砂矿最具工业开采价值,规模和产量远大于冲积砂矿及残积砂矿。

    据美国地质调查局数据显示,2012年~2018年,全球锆资源储量维持在7500万吨左右,澳大利亚、南非、肯尼亚及莫桑比克4个国家锆矿储量合计6140 万吨,占全球的84.11%,矿床类型多以滨海砂矿为主; 印度、马达加斯加、巴西、中国、美国、乌克兰、印度尼西亚及俄罗斯等国家锆矿储量1160万吨,占全球的15.89%。

    我国的锆储量和美国基本一致,约有50万吨,仅占全球储量的0.68%。相较于其他国家,我国锆资源非常缺乏,所以,我国的锆资源主要靠进口获得。随着需求量不断增大,近年来进口以每年6%的速度增长,国内每年锆进口需求量达到90%以上。

    锆英砂主要用于生产化学锆、电熔锆、硅酸锆、金属锆等。2019年,我国锆英砂市场需求量为62.02万吨,而我国自有资源产量不足1万吨,近3年的进口量均超过100万吨。

    中国和欧洲是锆的主要消费市场,中国对锆的需求在全球占比高达52%。

    锆矿按照主要用途分为金属锆和工业锆两类。金属核级锆处于锆产业链最顶端,工业锆主要用在化工耐酸碱设备、电子行业等领域。中国是世界陶瓷工业生产和出口大国,硅酸锆则是陶瓷行业的直接和主要原料,陶瓷制品离不开装饰,好的装饰使制品身价百倍,装饰材料是装饰的物质基础,陶瓷色料是最重要的陶瓷装饰材料。由此可见,陶瓷色料在陶瓷装饰中的地位,也可知氧化锆在陶瓷装饰中的地位。同时,随着中国陶瓷产业的迅速发展,锆需求也随之猛增。

    矿山废水变废为宝的秘诀 

    □胡四春

    在矿山开采、矿物富集分离过程中,会产生大量的矿山废水,其中包括矿坑水、露采厂废水、选厂废水、尾矿库和废石场的淋滤水,这些废水不仅被白白浪费掉,而且还污染了地表水和地下水,危害环境。

    根据产生的途径不同,矿山废水性质相差很大。例如,矿坑废水pH值要么是强酸性,要么是碱性;选厂废水可能含有大量的重金属离子和有机药剂,这些都给废水处理及回用造成了巨大的麻烦。因此,根据废水产生的途径和废水处理后的性质进行分类处理和分质利用就成了把矿山废水变废为宝的关键。

    矿山采选废水常见处理方法 

    一般来说,矿山采选废水常见处理方法主要包括七方面:

    自然净化法。自然净化法作为最廉价、最简单的废水治理方法,被我国的选矿厂普遍采用。自然净化法常以尾矿库为构筑物,废水通过管道运输至尾矿库,在库内发生沉淀、水解、氧化、挥发、光照降解甚至生物分解等作用,使悬浮颗粒和残余药剂浓度降低,甚至基本去除。

    自然净化的效果与曝晒时间、光照强度、水体温度、初始pH值、溶解氧等因素有关。通常曝晒时间越长、光照强度越强、温度越高,自然净化效果越好。

    特点:自然净化法具有成本低、管理方便、无二次污染等特点,但存在净化不彻底、耗时长、气候等自然因素干扰大等问题,特别在高寒地区,往往会因为净化效率低下而影响废水的回用。因此,自然净化法通常可作为选矿废水的预处理方法,或用于成分相对简单的重、磁选废水的处理。

    酸碱中和法。酸碱中和法是一种传统的废水治理方法,因简单实用而被广泛采用。这其中既包括酸性废水中的H+(或碱性废水的OH-)与中和剂中的OH-(或H+)发生反应,生成中性水分子,同时矿浆的合适碱度也有利于重金属离子与氢氧根离子反应生成难溶的氢氧化物沉淀,从而消除重金属污染。

    生产实践中,常用的中和剂有石灰、消石灰、硫酸、碱性废水废渣(电石渣等)、酸性废水废气等。在选择中和剂时,应优先考虑厂区周边的废料,以达到“以废治废”的目的。理论上各重金属在一定pH范围内均能沉淀,因此控制好pH值是中和法的关键。

    特点:酸碱中和法具有管理方便、费用较低、操作简便、处理量大、适应性强和运行稳定等优点,但也存在一些问题,如在用石灰中和时,设备及管壁结垢严重、污泥增量较大、易产生二次污染等。

    混凝沉淀法。混凝沉淀法是目前治理选矿废水较成熟的一种方法,常与活性炭吸附或氧化法组成混凝沉淀——活性炭吸附法和混凝沉淀——氧化法。

    混凝沉淀法使用的药剂主要包括凝聚剂和絮凝剂两大类。凝聚剂主要有氯化铁、硫酸铁、硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、聚合硫酸铁(PFS)等,使用最普遍的絮凝剂是聚丙烯酰胺(PAM)。混凝剂的选择至关重要,它直接关系到净化效果的好坏。

    特点:混凝沉淀法可以有效去除废水中的悬浮颗粒和一些重金属离子,是一种成熟、稳定、高效的废水治理方法,但也存在对有机化学药剂净化不彻底,因药剂用量过大易产生二次污染等问题。

    化学氧化法。化学氧化法是深度治理废水中残留浮选药剂的有效方法,特别是近年发展起来的高级氧化技术(AOP)能彻底去除废水中持久性难降解有机污染物。

    化学氧化法的实质是,氧化剂通过夺取废水中有机污染物中的H原子等途径,将有机污染物氧化成无毒或低毒的小分子物质,或转化为容易从水中分离的物质,从而降低废水的COD、BOD。常见的氧化剂有臭氧、Fenton试剂、双氧水、次氯酸钠等。

    特点:化学氧化法治理废水具有操作稳定、反应彻底、处理效率高并能提高废水的可生化性等特点,特别对于处理高COD的有机废水具有显著优势,但也存在运行费用较高等问题。

    人工湿地法。人工湿地是仿照自然湿地人工修建并参与监督控制的具有流动或静止水体的浅水水域,是以基质-植物-微生物为核心的综合生态系统,可通过基质截留、过滤、吸附,植物吸收、拦截,微生物摄食、分解等途径去除废水中的污染物,充分发挥了物理、化学和生物的协同作用。

    特点:人工湿地法为治理废水提供了一条绿色化、生态化的技术路线,但也存在基质易堵塞、占地面积大、受气候等因素干扰大等局限性。

    微生物处理法。微生物处理法对于矿山酸性废水具有显著的优势。其净化原理是利用微生物的新陈代谢作用降解水体中的污染物,从而达到净化废水的目的。

    特点:微生物法治理废水拥有巨大的发展潜力,具有环境友好、选择性好、二次污染少等特点,甚至还可以回收某些重金属原料,但如何筛选出适应性强的菌种是个难题。

    矿山废水的分步处理和分质利用 

    一般来说,铅锌矿矿山废水的分步处理和分质利用分4步来进行:

    一是将铅精矿和锌精矿的浓密溢流水直接回用到各自的选别流程。

    二是向尾矿水加入一定量的钾明矾和阴离子PAM进行混凝反应和絮凝沉降,将尾矿废水中影响选矿指标的铜、铅、锌、镉、铬等重金属离子去除掉。然后,再加入一定量的椰壳型粉末活性炭,并通过纤维球过滤塔来去除掉影响选矿指标的部分有机残留药剂,适度处理后的废水大部分回用到选矿流程。

    三是采场废水一部分用于厂区绿化用水和尾矿干堆库区降尘喷淋用水。

    四是加入一定量的纯碱来降低水的硬度,通过砂滤和膜滤工艺来降低水的浊度等,然后将深度处理后的水分别用于陶瓷过滤机的槽洗水、酸洗水及浮选药剂的配制溶解用水。

    根据其性质及成分存在差异,选用合适的废水处理技术及回用方法,可提高选矿废水循环利用率,实现废水的清洁排放,真正做到变废为宝。

    生态画卷 资源综合利用有新突破

    阅读提示

    作为美国联邦政府重要部门之一,内政部担负着保护、开发美国联邦政府所有土地(包括联邦所属或管辖的海洋水域)上自然资源的重要职责,是联邦政府有关公共土地和其他矿产、石油等资源的主要管理部门,也是美国重要的经济部门。该部门发布的《美国内政部五年战略规划(2018~2022年)》提出了未来几年的工作目标、工作方向和行动方案,强调对自然资源统筹管理,重视土地、矿产、海岸带、水资源、林业、岛屿等不同资源之间的衔接,综合考量不同资源的特点进行统一规划。本期国际版将概览美国内政部战略规划中涉及自然资源管理的内容。

    资料来源:美国内政部网站 (https://www.doi.gov/)

    海外聚焦

    保护自然资源和物种栖息地

    用科学的方法管理土地、水资源、物种及其栖息地,以支持决策工作和各种活动,是内政部的职责之一。调查、监测和遥感是了解和发现影响土地资源和利用变化的必要手段,而这些变化对国家的经济增长、民众福祉和生态安全至关重要。为此,内政部组织研究人员、非联邦政府合作伙伴或其他人员,通过科学可靠的数据、工具、技术和分析结果来维护和恢复土地和水资源,并确保栖息地能够支持鱼类和野生动物种群的健康生活。同时,内政部各大管理局将采用科学有效的管理方法、工程技术,进一步优化决策流程、改进土地利用规划,以确保公共土地及其资源的高效利用。

    比如:美国地质调查局通过科学监测和研究来了解国家的环境、自然资源和经济挑战,以支撑管理战略制定。该局向管理机构提供预防或控制物种入侵和野生动物疾病暴发的措施;通过对确定水资源可用性的过程深入了解和集成建模,为多用途水资源平衡管理提供信息。土地管理局、鱼类和野生动物管理局、国家公园管理局和垦务局则致力于维护和恢复高地、湿地、湖泊、溪流和某些海域的生态环境,通过控制植物和动物入侵,使土地或水域恢复到生态平衡的状态,并确保栖息地能够支持鱼类和野生动物种群的健康生活。

    再如:为维护鱼类、野生动物和植物种群及其栖息地,美国鱼类和野生动物管理局要评估各项可能影响物种生存能力的土地管理决策。同时,开展咨询或协调各种物种管理活动,并与其他管理部门建立合作伙伴关系,确定和实施有利于物种恢复的改进措施。受威胁物种和濒危物种的恢复措施包括:收购和恢复栖息地,清除入侵物种,监测个体种群、圈养繁殖物种并将其释放到原分布区中等。

    另外,内政部的自然资源损害评估和恢复计划部门与各管理局展开合作,以评估石油泄漏和危险废物处理场地的影响,并协调恢复工作。露天矿复垦和执法办公室与各州、部落进行合作,以保障市民权益和生态环境的方式进行矿产资源开采,并在采矿后恢复土地的有益用途,以此抵消历史采矿的影响。

    提供基础数据优化用地规划

    内政部负责审查和改进土地规划流程,以扩大公共土地的获取和使用范围,同时确保土地、能源、矿产资源、水资源、鱼类和野生动物以及其他自然和文化资源的保护与利用平衡。内政部土地利用和管理计划将确保根据若干主管机构的法规规定,并按照国会的意图管理公共土地,其中包括但不限于《联邦土地政策和管理法案》《国家环境政策法案》《濒危物种法案》《国家野生动物保护区系统管理和改进法案》《1916年组织法》(国家公园管理局)、《阿拉斯加土著居民理赔法案》以及《阿拉斯加国家权益土地保护法案》。

    根据授权立法,各管理局的土地利用规划工作各不相同,但都必须有利于当代和后代利用并享有这些公共土地资源。比如:国家野生动物保护区系统管理局制定了保护区综合保护计划,而土地管理局则需维持美国公共土地的健康、多样性和生产力。

    作为土地利用规划的支撑,美国地质调查局主要负责详细测量并提供高质量、高精度的地形、地质、水文地理、生物地理的图像和数据。遥感卫星和飞机可用于监测地球,高分辨率信息可用于绘制地质图和生成地理空间产品。这些信息不仅将用于土木工程、基础设施建设和城市规划等,而且能有效识别自然灾害,进行详细环境分析,有助于制定公共土地利用规划。下一步,美国地质调查局将通过研究和开发各种产品来继续提高时空分辨率,如完整的四维地质图,显示复杂的地球地质构造如何随时间发生变化;通过尖端技术提高测绘精度,精确地规划能源开发、运输和管道基础设施项目、城市规划、洪水预测以及应急响应和减灾。

    战略规划四大特点

    美国内政部的职责是保护和管理国家自然资源及文化遗产,为美国人民提供关于自然资源和自然灾害的科学及其他信息,以应对社会挑战并创造机会。如今,内政部管理着美国的公共土地、能源和矿产资源,包括提供对超过4.8亿英亩公共土地、7亿英亩地下矿产和17亿英亩外大陆架的访问权;供应和保障西部17个州的水资源,提供15%的国家水电能源;对联邦认定的573个印第安部落和阿拉斯加原住民村庄履行联邦信托职责。此外,内政部还负责候鸟和野生动物保护、历史遗产保护、濒危物种保护、露天采矿土地修复,以及绘制全国地质、水文和生物科学图件等。

    从组织机构来看,内政部下设土地管理局、海洋能源管理局、露天矿复垦和执法办公室、美国地质调查局、安全和环境执法局、鱼类和野生动植物管理局、土地复垦局、印第安事务局、国家公园管理局、国内和国际事务办公室等。

    一直以来,美国联邦各部门的战略规划都被视作其施政纲领,备受社会关注。《美国内政部五年战略规划(2018~2022年)》明确了未来几年的任务、目标和战略,并提出了关键绩效指标和相关年度目标。总体上看,该规划具有以下4个特点:

    一是战略规划以结果为导向,按照“任务、目标、战略”层层分解的原则,将战略计划分为6大项使命领域、21个具体目标,将各项战略分解为可量化的具体任务。该战略自上而下推行,任务目标逐层分解,尤其突出规划的层次性和各部分内容的衔接。

    二是坚持跨领域综合管理,对自然资源门类统一规划。内政部管理事务繁杂,涉及土地、矿产、海岸带、水资源、林业、测绘、岛屿等多方面,几乎囊括了资源的主要门类。规划对各大领域的自然资源统筹管理,重视不同资源之间的衔接,综合考量不同资源的特点。

    三是重视打造服务型政府,推动信息公开。该战略规划进一步体现了政府的服务功能,尤其是服务社区、增加公众娱乐等内容,充分体现了国家和政府较强的公益服务意识。其中,美国地质调查局通过监测和预警地震、火山、山体滑坡和环境健康危害等自然灾害,及时发布消息来保障公众的生命安全。

    四是大力发展传统化石能源,降低制造业成本,促进经济增长。该战略提出将确保美国能源和经济安全作为首要目标,希望能够促进能源开发,并通过减少对其他国家的依赖,创造就业机会和推动经济增长。规划提出了促进安全可靠的石油、天然气、煤炭和可再生能源的开发,重视水电能源、非能源矿产资源的利用。

    构建伙伴关系参与资源保护

    内政部负责评估、利用和加强最有希望的伙伴关系,其他联邦或州机构、部落民族、志愿者、非营利组织、教育机构、公司或基金会可以通过赞助或慈善活动,参与国家公园、国家野生动物保护区、野生动物管理区的保护和管理工作。

    比如:国家公园管理局已经获得了国会授权,有权接受货币和实物捐赠,其中包括通过国家公园基金会收集的货币和实物捐赠;鱼类和野生动植物管理局有权接受某些实体的捐赠,其中包括非营利组织以及联邦特许非营利性国家鱼类和野生动物基金会的捐赠;土地管理局已经获得了国会授权,除了设立土地管理局基金会之外,还有权接受货币及其他形式的捐赠。

    在此基础上,土地管理局与当地、各州、联邦和私人合作伙伴就几乎公共土地上的所有活动展开了合作,如与各州狩猎和鱼类管理机构一起鉴定重要的鱼类和野生动物栖息地,或为运动员团体提供狩猎和捕鱼机会。在现行法律许可范围内,内政部希望进一步开拓慈善和赞助活动机会,并推广其他合作伙伴关系。

    另外,内政部还将候鸟合资企业作为政府机构、非营利组织、公司、部落与个体之间建立区域合作伙伴关系的纽带,合资企业的宗旨是为鸟类、其他野生动物和人类的利益而保护栖息地。在国家和国际鸟类保护计划的指导下,合资企业将这些不同的合作伙伴聚集在一起,设计和实施相关保护工作,以支持《北美水禽管理计划》及其他鸟类管理计划。

    确保本国能源和矿产安全

    内政部一直致力于提高公共土地生产力,实现和维持美国能源主导地位。作为美国大部分自然资源的管理者,针对公共土地上大量尚未开发的能源资源储量,内政部重新启动了国家外大陆架石油和天然气租赁计划开发流程。该流程是《美国第一个能源计划》和《关于实施美国第一个海上能源战略的行政命令》的关键组成部分,能为美国带来数百万就业机会和经济繁荣。内政部还将继续扩大美国海上、陆上常规和可再生能源的生产,并通过有效许可、严格评估和监督来确保其安全性和可靠性。

    与此同时,内政部主要负责促进可再生能源的开发和利用,利用水电能源加强美国的能源安全、经济活力和生活质量。比如:垦务局是美国第二大水力发电生产商,主要负责经营和维护发电能力超过14700兆瓦的53座水电站。垦务局项目产生的可持续性低成本水电为国家带来了巨大的价值,并通过向农村社区提供稳固电力及辅助服务来强化西部互联电网的可靠性,促进了美国西部地区的开发。

    内政部认为,公共土地是国家非能源矿产资源的重要来源,其中某些资源具有关键性和战略性意义。为此,内政部一直致力于确保以合理的方式利用公共土地,根据多用途管理原则有序和高效地开发这些资源。其中,土地管理局开展复杂问题的环境分析,这对其授权使用公共土地和满足不断增长的非能源固体可租赁矿产需求(特别是钾盐和磷矿)十分必要。《海洋能源管理局海洋矿物计划》规定了砂子和砾石资源的利用方式,以保护和改善当地、区域和国家的沿海基础设施和环境。

    为确保公众能以公平、合理的市场价值获得资源,内政部负责收取、分配和核实能源勘查开发活动所获取的收入。这些资源包括石油、天然气、煤炭、牧草,以及太阳能、风能和地热能等可再生能源。根据特定的法定义务,内政部与各州和地方政府有权分享这笔资源开发收入,并将其下拨给各种联邦计划,或者存入财政部普通基金,从而减少赤字。

    利用林草资源创造公共收益

    对于森林资源管理,内政部主要是通过公共土地和印第安信托土地上的森林采伐和恢复森林健康来获取经济效益。土地管理局主要负责管理森林或林地,维护永久性的木材供应来源以支持木材、胶合板和纸张的生产,同时负责保护流域、调节河水流量,促进当地社区和产业的稳定发展,并提供休闲娱乐机会。

    降低燃料需求可以促进森林的健康,提高森林恢复能力,并有助于防止发生森林火灾。印第安事务局主要负责管理作为印第安部落信托资产的森林。部落所拥有的森林资产,对国家木材供应作出了重大贡献。目前,许多部落正在通过自治和自决方案积极参与其森林资产管理。

    对于牧场资源管理,土地管理局主要负责管理公共土地上约2.1万处放牧地块,以及约1.8万份放牧许可证和租约。放牧活动有助于粮食生产并增强当地经济的稳定性,并通过降低危险燃料和灾难性野火的可能性,维持和改善某些地区的土地健康。因此,土地管理局针对关键生长时期在指定牧区定期休息或延期放牧、治理植被等方法,实现确保土地长期健康和维持生产力的总体目标。

    为提供可持续的牧草,管理局在向公共土地牧场主颁发的放牧许可证和租约中规定了在指定土地上放牧的条款及条件,如牧草利用和使用季节规定。土地管理局还与当地社区以及各州和地方政府建立了合作伙伴关系,以便开发牧场改进项目,签订管理承包合同,以及确定其与相邻牧场的管理权限。

    近年来,由于诉讼和干旱的急剧增加,放牧许可证和租约证的数量有所减少。土地管理局将继续寻找机会,简化放牧许可流程,并为畜牧经营者在公共土地放牧提供更大的灵活性。

    加强监测预警防范自然灾害

    根据季节的不同,数千名执法人员、护林员及其他员工负责巡查广阔的公共土地、国家公园、野生动物保护区和印第安社区,保护自然、文化和遗产资源免受非法活动的侵害。

    一方面,林野火灾可能会危及民众的生命和财产安全。林野火灾办公室(OWF)负责协调内政部土地管理局和农业部林务局,以安全、有效和高效地预防、应对野火灾害。为降低风险并提高生态系统和社区的抗灾能力,内政部负责与林务局进行合作,致力于遵守包容性原则,即对野火提供安全有效的应对措施,打造具有抗火灾能力的社区设计。内政部一直力争与自然资源管理方案相结合,设计以科学技术为基础的林野火灾管理方案。同时,内政部将与各州、地方、部落及其他伙伴合作,采用协调方法进行林野火灾管理,共同承担保护职责、共享资源保护信息,提高运作效率并减少管理工作的重复性。

    另一方面,美国地质调查局的自然灾害管理职责包括发布地震、火山爆发、山体滑坡和海岸侵蚀等警报,通过监测和预警这些自然灾害,帮助维护公共安全、公共卫生和财产安全。该局还负责测量降雨量、流量、河流高度或湖泊水位,通知其他机构发布洪水、海啸和野火等警报;及时告知应急管理人员、事件应对负责人、媒体和公众,以便在危机发生期间为社区提供信息。根据美国地质调查局的科学管理方法,国家应急管理人员和公职人员告知公民这些灾害对自然系统和人居环境可能造成的潜在风险,改进预防和应对措施,保护公众健康。

    公共土地发展休闲娱乐产业

    国家公共土地提供了多处户外公共娱乐场所,如国家公园和古迹、国家野生动物保护区、历史遗迹和古建筑物等。而户外娱乐活动是美国人健康生活方式中不可或缺的一部分。在公共土地上进行狩猎和捕鱼活动,是内政部土地多用途管理政策的一部分,还包括远足、露营、登山、划船、野生动物观赏等。

    为此,内政部在公共土地和水域上开放狩猎、捕鱼及其他娱乐活动。比如:由国家公园管理局管理的76个区域,允许在一年中的不同时间进行狩猎活动,约占国家公园管理局系统总面积的60%;由土地管理局管理的总面积近2.5亿英亩的公共土地,95%以上向公众开放,允许其进行狩猎活动。当然,保护区内的野生动物捕猎会受到严格监管,以确保种群水平与野生动物栖息地之间的平衡。

    由垦务局水利项目开发的休闲区,是全国最受欢迎的水上户外娱乐区之一。垦务局拥有约650万英亩的土地和水域,大部分可供公共娱乐活动使用,其管理的289个项目区已经开发了娱乐设施,为公众提供了娱乐场所。同时,垦务局或非联邦娱乐合作伙伴管理的187个已开发休闲区,提供了549个露营地、454条船舶下水滑道和5500多英里的海岸线,每年吸引约2400万游客。

    有调查显示,占相当大比例的游客对其在公园、野生动物保护区及其他公共土地上的体验感到满意。内政部通过审查各管理局对这些设施的收费结构和维护成本,以确定如何最好地为游客提供服务,并抵消其所需的维护和运营成本。

    (作者单位:中国地质调查局发展研究中心)

    量化分解目标 统筹规划管理

    “这几天,党的十九届四中全会召开,我激动得几天没睡好觉。全会提出,‘要全面建立资源高效利用制度’,这为矿产资源的综合利用提供了更加良好的发展环境。我从事矿产资源综合利用研究工作已有几十年时间,深刻地感受到现在是开展尾矿资源综合利用的大好时机。”2019年初冬的一个下午,一位耄耋老人迈着稳健的步子,来到中国矿业报社,邀请记者到他的工作室采访,到他的中试基地参观。这位老人,就是被业界称为“尾矿利用第一人”的中国地质科学院研究员李章大。

    今年已经87岁的李章大教授,精神矍铄,思维敏捷。他是国务院政府特殊津贴获得者,教授级高级工程师,中南大学、北京科技大学兼职教授,中国矿业联合会、北京节能和资源综合利用协会技术顾问,中国资源综合利用协会专家委员会成员,老科技工作者协会国土资源分会矿山固体废料综合利用专业委员会副主任委员。

    首钢矿业一处尾矿库(资料图)

    早在上世纪80年代,李章大教授就提出了“提高资源回收率,开发利用被视为尾矿废石的资源”的建议。“1981年,我提交了《我国铁矿区成矿特征及找矿区划》《钢铁工业发展应从我国铁矿资源特点出发》等建议;1983年,提交了《我国钢铁工业地质矿床资源方面的水平和差距》报告及《对挖掘生产矿山资源潜力的几点认识和建议》,建议除主要资源可提高回收率外,还应开发利用被视为废石的资源,如蚀变围岩中的玉石、宝石类矿物、珍贵矿物晶体及大量非金属矿资源,完成《大冶铁矿矿山地质工作的经验及存在问题》。1987年,我发表了《矿产资源综合开发和合理利用现状与分析》,阐述了矿产综合开发和合理利用是矿物原料产业发展的客观规律和物质基础,分析了我国目前尾矿利用的现状,建议由点到面全面查明生产矿山和后备矿区矿石、围岩、尾矿、废渣的有用组分及利用可能性,推广有效技术,提高资源综合利用率,从而最终实现整体利用废石、尾矿及非金属组分,实现无废料开发、改善环境的目的。”谈起自己热爱的工矿固废资源综合利用工作,李老如数家珍。

    几十年来,李教授潜心矿产资源综合利用,完成重大科研课题26项,采集了铁、铜、钼、铅、锌、钨、锡、金、钛、锰、铝(赤泥)、稀土金属、煤炭(煤矸石、粉煤灰)等16个矿种、60多个矿山的尾矿样品,以及炼渣、废石、花岗岩、斜长岩、辉长岩、霞石正长岩、火山凝灰岩、页岩等样品,利用这些样品进行了建材、道渣、水泥、陶瓷、玻璃、发泡陶瓷、岩(矿)棉、微晶非金属材料等产品的实验室研究及工业化中间产品扩大性试验。如今,李老的许多研究成果都已转化,并被企业批量生产。

    “1993年,我上报了《尾矿的处置、管理及资源化示范工程》,被国家计划委员会、国家科学技术委员会列为《中国21世纪议程优先项目计划(第一批)》;2004年,与周秋兰(原全国矿产储量委员会专业委员)共同提交的《我国尾矿利用现状及21世纪展望》,获文化部‘中国世纪英才业绩与论著征集活动’二等奖,全文载入《中国百业论著》中。”矿产资源综合利用必须树立循环经济的理念,具备多学科、跨行业协同研究的能力。李章大教授曾就职于冶金部北京地质研究所,后又进入中国地质科学研究院尾矿利用技术中心。丰富的多学科科研经历,以及长期的实战工作积累,使他在开展固废资源综合利用方面形成了一整套成熟的科学研究成果。

    李老告诉记者,矿产是我国社会主义经济建设、循环经济运行不可缺少的基础资源,只有资源化开发利用矿山尾矿、废石,矿业才能成为节约资源、维护生态环境、强国富民的现代化产业,经济建设才能形成良性循环,实现国民经济和矿山的可持续发展。我们要实实在在地查明矿产资源特点及其可利用途径,从资源特点出发,经过试验研究,选择可供开发的产品及主攻项目;与相关行业、专业、技术进行边缘杂交、互相结合,择优组合有关工艺、技术、设备,从而开发出复合矿物原料新资源;在这个过程中,逐步化解矿山历史积留下来的弊端和欠负,恢复或维护矿山生态环境,清除灾害隐患,增添物质财富,提高劳动就业率及人员素质;促进科技进步,开拓尾矿的新用途,实现和谐创新、强国富民。

    1990年,李章大带领尾矿利用技术中心精干力量,从典型矿山入手,对武钢大冶铁矿、首钢迁安铁矿、江西德兴铜矿、辽宁杨家杖子钼矿等矿山的尾矿进行了分析实验,并取得一系列科研成果。

    他们在武钢大冶铁矿调查了东露天尖山采区25条勘探线、110个钻孔、5512米岩心,补采了100个矿样、16个人工重砂样、15个硫化物精矿样,对样品进行了多元素分析、岩矿鉴定和小型选矿试验,查明尾矿资源特征,总结了矿山地质工作经验,摸索了含矿围岩工业利用评价方法,确定可采品位及铁、铜综合品位指标,新圈定10个矿体,计算出21.9万吨储量。同时,还发现洪山溪尾矿库中残存大量菱铁矿等非磁性铁矿,进行了经济评价,提交了3份研究报告。项目验收后获得原冶金部科技进步三等奖。

    随后,他们又对首钢迁安铁矿进行了历时4年的研究,取得丰硕成果:查明尾矿资源特征,利用围岩、废石及矿山尾矿生产出高速铁路道渣、建筑用砂、水泥、混凝土材料、陶瓷(日用瓷、美术瓷)、色釉、建筑瓷砖、玻璃等样品,在唐山陶瓷研究所试产了陶瓷产品;利用尾矿制造微晶玻璃的工艺试验及产品中试取得良好效果,建筑瓷砖成功投产,属尾矿资源化利用领域的首创。铁道部工务局为首钢矿山废石生产的高速铁路道渣建立了技术标准,为修建大同至秦皇岛运煤出口高速铁路东段所用道渣召开了多次铁道系统现场会。唐山陶瓷研究所结合此项成果申请了《铁矿尾矿制造陶瓷及方法》发明专利,被原轻工业部科技司综合处誉为“国内陶瓷原料的首创”,是我国尾矿资源化利用的首次突破。在北京玻璃研究所的协助下,他们不仅用尾矿制做普通玻璃产品,还开发出世界首创的“尾矿微晶玻璃花岗石”,使尾矿资源化利用进入高科技材料产业领域。这些研究成果不仅使首钢矿业公司获得了丰厚的经济效益(至今保有相关生产线),更使其成为首例“无废料绿色矿山”。

    在对江西德兴铜矿尾矿进行研究的过程中,他们利用尾矿研制出了日用-工艺美术陶瓷、无釉外墙砖、锦砖及水泥等产品。研究表明,德兴铜矿尾矿是良好的紫砂型陶瓷(带色)原料,可制作墙砖、锦砖、525号火山灰质硅酸盐水泥,是已经磨细了的绢云母质瓷及经济实用建筑陶瓷、优质硅酸盐水泥的原料。

    通过多年研究,李章大教授认为,我国金属矿山尾矿、废石资源化开发利用已经积累了许多研究成果和产业化经验,进入推广提高的新阶段。但还存在一些突出问题:知识和认识上囿于传统,把尾矿、废石作为废物看待,开发利用停留在低层次上,套用他人做法或只开发大路货产品;不做本矿山的资源特点查定,不愿做试验研究,满足于生产一二种简易产品;固守旧思想、旧技术,不顾国家社会和企业的长远利益;缺少更多可供开发的好产品、好成果;有的成果缺少工业化试验,技术不成熟;缺少风险基金支持和激励机制;技术力量分散单薄,研究者缺少经济实力,更缺少实验条件及实验室,难出新成果。

    为此,李章大提出:第一,建议把尾矿、废石等矿山固体废弃物作为国家自然资源依法保护和管理起来,禁止无序开发,加强技术指导,防止再次浪费资源和扩大环境污染。当务之急是立法和立项进行尾矿资源普查,同类资源宜先用尾矿、再开新矿。

    第二,矿山所在地政府科学管理和指导矿山固体废物资源化开发利用和环保治理,委托有资质的专业团体(如矿业联合会、矿山地质专业委员会、资源综合利用协会等)协助政府为企业搭桥和进行监督、咨询、协调,促进其节约资源,相关企业依法保护和使用矿山固体废物资源。三方齐心协力,从组织上落实矿山尾矿、废石等固体废物的资源化开发利用,提高实效。

    第三,建设一批示范矿山和示范工程,作为矿山企业样板和出台政策、技术标准及产业化转化的基地。

    第四,建立一个汇集综合人才、专门开发矿山固体废料的高硅无机复合新材料工程技术中心,从资源-工艺、技术、设备-新产品研发-产业化推广等全流程出发,开发符合中国矿产资源特点的复合材料系列产品,为复合材料工业奠基开路。

    第五,从尾矿微晶玻璃切入,开发高科技含量、高附加值的产品。微晶玻璃被材料科学家称为“可兼有别的类型材料不能达到的物理性能”,特别适合于我国矿山尾矿、煤矸石、炉渣、赤泥等组分多样化资源的开发利用。

    第六,建立矿山固体废物资源化开发利用奖励基金及制度,用于奖励有突出贡献的矿山企业、职工、科技和管理人员,支持专项研究成果的工业中间产品试验,推进新产品、新成果及时转化为生产力。

    现在正是综合利用尾矿的好时机

    广东韶关某尾矿库在表层修复后进行覆绿(左侧),较原来(右侧)生态条件有了较大改善

    内蒙古西部某煤矿应用大量水资源覆绿

    10月1日,自然资源部发布的矿业九大行业《国家绿色矿山建设规范》将正式施行,《规范》涉及矿区规划布局、资源开发、资源综合利用、节能减排、科技管理、数字化矿山、企业管理、社会责任等多个方面的内容,并着重对矿区生态环境保护和治理提出了要求。那么,如何才能更好实现矿区“与周边自然环境和景观相协调、因地制宜实现土地可持续利用、区域整体生态功能得到保护和恢复”等目标?记者日前采访了国内多位地质环境修复领域的专家,一次有关矿山环境修复的专业性讨论就此展开。

    生态恢复是矿山环境改善的主要途径

    纵观煤炭、冶金、有色、黄金、化工、非金属、砂石、水泥、陆上石油天然气开采业等九大行业《国家绿色矿山建设规范》,人们会发现保障矿山环境是所有工作的核心和出发点。而其中,既包括生产过程中的降低环境侵扰,更包括勘探开发之后的矿山环境复原。

    “我认为,生态修复是矿山环境改善的主要途径。”中国地质调查局矿产资源研究所陈明研究员是在一次出差前夕接受的采访。这段时间,他北上南下,考察了一个又一个矿山及其生态环境修复的项目。

    他告诉记者,在过去的数十年间,我国经济飞速发展,但粗放型发展也带来了明显的生态问题。如今,矿山生态环境保护的滞后效应已经凸显出来。以往矿产资源的采掘、选矿及冶炼过程对矿山环境的破坏是多方面的,最直接的是采空区地面塌陷、山体滑坡、泥石流、水土流失、植被破坏和景观破碎,此外还包括对大气、地表和地下水以及土壤环境的影响。“其负面效应不但有看得见的物理变化,还有看不见的化学变化。”

    陈明算了一笔经济账:“我国大约有80万座矿山,其中约40万座矿山因生态环境破坏而需要修复或恢复。即使按每座1000万元的保守成本估算,全部修复一遍也需要4万亿元资金。如此沉重的负担是中央和各级地方财政都难以承受的。”

    如何更加科学地弥补矿山领域的生态欠账?

    陈明认为,矿山环境的改善途径有两类不同观念:生态恢复和环境修复。前者主要依靠生态系统的自我恢复能力,成本低但周期较长,可持续性好;而后者主要依赖人工干预,成本高但速度快,可持续性则要看修复手段和理念是否合适。

    “近些年,我主要从事土壤污染修复方面的研究。我认为,矿山大都面积大、位置偏、污染严重,改善环境更适宜采用‘以生态恢复为主,工程修复为辅’的方式。即,对生态系统停止人为干扰,以减轻负荷压力;同时,在关键节点辅以人工措施,使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展。”

    对此,国家地质实验测试中心的刘永兵研究员表示认可:“生态恢复并不是置之不理,不是放任自流,而是要有整体的规划设计。矿山系统是一个复杂的巨系统,生态恢复要抓要害、分主次,在关键节点上采用人工治理修复。但在不同的地方,自然条件不一样,人工干预的尺度要区别把握,但总体上还是要以生态恢复为主。”

    “生态恢复充分利用了自然界的自我修复能力,可以大大降低成本。”陈明强调。

    充分考虑自然生态原貌,避免过度修复

    在《有色金属行业绿色矿山建设规范》中有着这样明确的要求:“矿山经地质环境治理后的各类场地应安全稳定,对人类和动植物不造成威胁;对周边环境不产生污染;与周边自然环境和景观相协调;恢复土地基本功能,因地制宜实现土地可持续利用;区域整体生态功能得到保护和恢复。”

    那么,西部干旱区和东部执行同样的标准是否合理?近段时间,陈明考察了国内不少矿山,而越看越感到这是一个需要进一步探讨的问题。

    “8月中旬我去内蒙古乌海进行调研,看到那里的煤矿排土场被修复得绿草如茵,高压水枪不停地喷水。当时一位修复公司的员工是这样告诉我的:‘这里种植养护的每一棵树、一小片草,一年需要花费的资金却相当可观。如果哪天资金跟不上,出现断水现象,用不了多久,这些草全都得枯死。’”当地人的话给了陈明很大触动,进而他在西部的新疆、内蒙古、青海了解到,矿山绿色生态环境修复的要求与东部城市相同,验收标准也一样。

    “在那样气候干旱、水资源极其缺乏的地区,开矿之前本就是戈壁。开矿后虽然需要修复,但如此修复,不但前期投入很大,后期维护的成本也非常可观。更要命的是,这样的修复是不可持续的。”面对记者,陈明的表述充满忧虑。

    “于是我想,在一些位置偏远、自然环境恶劣、人迹罕至的地方,矿山修复是否必须不计成本、不惜代价?”

    思考后的答案是否定的。

    他认为,就像农业生产需要因地制宜一样,矿山修复也应该充分考虑到当地的自然条件。“不问是否可持续发展,单纯追求临时的绿化效果,非要把百千年来一直是戈壁滩的地方变成绿洲,是不是有‘过度修复’的嫌疑?”

    陈明认为,如果是可持续的,修复工作值得做;如果不可持续,仅能维持短暂的绿色,那就不一定值得了;尤其是在经济运行相对困难的时期,更应慎重。“不是说这些地方不需要修复,而是要真正做到因地制宜地,把握好最符合生态需求的‘度’。”他希望有关部门能够细化相关设计要求及验收标准,让不同气候等自然条件下的矿山修复工作更科学、更合理。

    刘建东是江苏省地质勘查技术院党委书记、院长,他的观点是:采用生态恢复还是人工修复应结合当地经济水平、城市发展规划和场地周边环境等因素综合考虑,还应进一步将一些被认为是废弃物的有用资源充分利用起来。他说:“在中东部一些矿业城市、老工业基地的市区、近郊,就应该进行高标准的治理和修复——先做前期规划,再大规模投入,通过实施工程治理项目,修复矿山生态环境。”

    刘建东认为,我国东部一些矿山城市,自然条件较好,人口密集,而且这些地方在长期矿业发展的背景下,生态环境大都遭受了严重的伤害,修复矿山环境直接关系老百姓的生活质量和当地的经济发展,需要高标准的土壤修复和绿化工程。这方面,阜新、徐州、铜陵等矿业城市都做得非常好。

    而在西部一些偏远矿山,地处戈壁荒原,修复成绿洲显然不太现实。但当地产生的扬尘可能影响到东部,因此适度控制是必须的。可以通过检测大气pm10值作为环境修复的衡量标准。“现在,用固土技术控制扬尘,在排土场上喷洒一层由黏土矿物等物质调配的胶凝材料,让表层土壤形成薄薄的硬壳,就能保证纳米级、微米级的沙粒不形成扬尘。”

    江苏华东基础地质勘查有限公司总经理钱美平告诉记者:“这样的固体技术每平方米的成本就一两块钱,比大规模栽树种草种花要便宜得多,在西部应该是可行的。”

    “矿山环境修复理应做到成本与效益兼顾。”钱美平还建议,国家有关部门可在普查工作的基础上,研究制定“全国一盘棋”的矿山环境修复规划,“制定相关政策和制度,因地制宜地设立修复目标和修复内容,选定恰当的技术路线,相关的验收标准也要进一步细化,要按照不同地域的自然环境和矿山品种分门别类,区别对待。”

    用综合技术应对矿山环境中的复杂问题

    那么,要想重建矿山自然生态系统、恢复其原本的面貌,需要重点进行哪些工作?

    陈明认为,不仅要进行治理清除危石、降坡削坡、平整土地、治理空采区和塌陷区、消减堆积的尾矿、恢复植被等比较直观的工作,还要选择相应的技术,修复土壤和水体,消除重金属污染等。而这方面,我国矿山环境修复中做得还远远不够。

    重金属污染的危害已是众所周知。刘永兵告诉记者,重金属会引发头痛、头晕、失眠、健忘、神经错乱、关节疼痛、结石、各种癌症等疾病。摄入过量的镉,容易导致高血压和心脑血管疾病,引起骨钙的大量流失,造成肾功能失调。铅元素进入人体后很难被代谢,可造成新生儿先天智力低下;对老年人造成痴呆、脑死亡等。甚至过量的铁也会损伤细胞中的脂肪酸、蛋白质和核酸等,并导致钙镁等元素的失衡。

    “因此,在矿山环境治理过程中,只关注物理变化,而不关注化学变化,是不全面的。”刘建东认为,从全国多目标地球化学调查结果看,全国的主要土壤重金属异常大都与矿山有关。某些流经矿山的江河,河道两侧的农田土壤污染可以延伸至下游20至50公里范围内,有的甚至达到百公里以上。流域性的重金属污染甚至达到上千公里。“与矿区地质灾害相比较,重金属的危害面积更大,受损人群更广,治理难度也更大。”

    “看得见的地质灾害明枪易躲;而看不见的地球化学灾害则暗箭难防。正因为重金属污染需要通过专门的采样和分析测试才能被检测到,所以一旦被发现,往往已经造成不可逆转的损害。”陈明认为,矿山环境恢复的复杂性决定了矿山生态修复需要用系统论作为指导思想,采取综合手段解决物理、化学和生物的问题。“要根据不同地域和不同类型矿区制定不同的标准,从技术而言,更要针对每个矿山、每片场地以及不同污染类型的农田对症下药,开出不同的药方,研制出不同的药剂,突出不同的方案。”

    对此,钱美平的观点是:在矿山环境修复领域,地球化学工程技术大有作为,且具有相当的优势。“当前,各地物理修复、化学修复、生物修复都已经有了不少比较成熟的技术,如煅烧、淋滤、电渗、植物吸附重金属、微生物吞噬有机污染物等等,已经形成了许多成功的案例。但矿山作为面积较大、污染情况较为复杂的区域,更适应采用综合修复的手段,而且情况越是复杂,各种修复方法越应兼顾。”

    “我们重点要做的是真正当好环境修复师,让绿水青山回归,让原有的生态系统得到更好的恢复,为实现我国‘到2020年基本形成绿色矿山格局’的目标做出贡献。”陈明如是说。这是地质环境工作奋斗的航标,也是每一位老百姓的期望。

    让绿水青山回归

    一片绿叶,承载着温馨与和睦;一方绿荫,代表着安逸与和谐。在这草木欣荣的季节,杂草也肆虐生长,影响了良乡基地的美好环境。继周口店基地义务劳动后,地调局探矿工程所团委于2018年6月14日组织青年职工在良乡基地开展义务劳动活动,对良乡基地的杂草进行了清理拔除,对草坪进行了修剪平整。

    烈日当空,大家满头大汗,鞋子和裤脚也沾满了泥土,却没有一个人嫌脏、喊苦、说累。由于杂草生长茂盛且分布较散,想要彻底清除并非易事,但这难不倒青年们,大家齐心协力、埋头苦干,经过一个多小时的努力,顺利拔除了绝大多数的杂草,并将草坪修整一新,有效改善了良乡基地的绿化环境。

    本次义务劳动,充分展现了探矿工程所青年职工不怕吃苦、团结协作、乐于奉献的良好精神风貌,显著增强了青年职工“以所为家”的集体荣誉感和责任感,更激励着大家为创造美好探矿工程所而不断努力。

    探矿工程所团委组织开展良乡基地义务劳动活动

    2017年7月13日,根据国土资源部党组统一部署和中国地质调查局党组工作安排,第五巡视组进驻地调局武汉地调中心开展巡视“回头看”工作。7月14日上午,武汉地调中心召开了巡视“回头看”汇报会。

    会上,巡视组介绍了本次巡视“回头看”工作的主要内容和相关要求:一是巡视问题整改是否到位、是否彻底,要求件件有着落;二是按照有权必有责,有责要担当的要求,了解主要领导干部是否有政治担当;三是了解政治生态是否健康向上。强调巡视“回头看”是政治再巡视,并明确了工作期间的纪律、工作方式和程序。

    武汉地调中心党委汇报了武汉地调中心巡视发现问题整改情况。针对2016年部第二巡视组反馈的巡视意见,从高度重视,全面落实整改责任;迅速部署,大力推进巡视发现问题的整改工作;巩固成果,不断开创地质调查事业新局面等三个方面,详细报告了中心整改采取的措施、整改成效及整改到位情况。他指出,通过全面整改,取得了显著成果:一是解决了中心存在的突出重点难点问题,清除了发展的障碍,有力地推动了中心各项工作的开展;二是提高了政治站位,增强了“四个意识”;三是进一步厘清了党的建设带动各方面建设的工作思路,初步构建了全面从严治党的制度体系。同时强调,虽然取得了初步成效,但不能有丝毫的松懈,必须保持政治定力,持之以恒地大力推进中心工作发展。

    这次“回头看”是对武汉地调中心领导班子、领导干部队伍的又一次实地考察,更是对工作的一次有力推动。武汉地调中心要求各部门要严格按照巡视组的要求,全力配合做好相关工作。

    为了不影响野外项目组正常工作,7月15日,巡视组利用周末休息时间前往武汉地调中心宜昌基地、野外项目组,开展干部职工谈话、实地查看了解项目组野外临时党支部建设等情况。

    第五巡视组成员、武汉地调中心领导班子成员、党委办公室、监察审计处负责人参加了会议。

    听取巡视问题整改情况及成果汇报

    野外临时党支部建设调研

    国土资源部第五巡视组进驻武汉地调中心开展巡视回头...

    受近期持续强降雨影响,湖北省丹江口市凉水河镇油坊沟村三组易地搬迁安置点出现地质灾害险情。地调局武汉地调中心“丹江口水库南阳—十堰市水源区1∶5万环境地质调查”二级项目组得知情况后,迅速抽调在丹江口库区开展地质调查工作的技术人员组成调查组并开展应急调查。

    通过低空无人机航摄、针贯入测试、调查访问等多方法、多手段相结合,给该灾害点进行了一次全面体检。现场向地方政府及国土管理部门提出切实可行的应急处理措施及后续监测治理建议,受到当地民众和政府部门的一致好评。

    油坊沟村三组易地搬迁安置点建成于2015年,系在原有斜坡居民房屋基础上统一规划重建,建设过程中尽量依山就势,因斜坡整体坡度相对较陡,局部进行了开挖与回填。2017年8月30日至9月10日,丹江口库区持续降雨,9月8日该处一户居民房屋院场前缘砌石堡坎垮塌15米,垮塌碎石土近50方,后缘形成近东西长约20m、宽2-20cm的拉张裂缝,屋场下座10-30cm。垮塌堡坎所在的陡坎高约12米,坡体上部人工回填及原地碎石土覆盖层厚约3米,中下部出露强风化片岩。堆积物堆于斜坡中部稍缓地带,尚未波及坡脚房屋。若进一步向两侧扩大或向后扩展,必将掩埋坡脚、冲击坡下房屋后墙,严重威胁坡顶1户、坡脚8户共38人的生命安全,预估经济损失120万元。

    项目组对整个斜坡进行了踏勘,采用无人机航摄获得斜坡高精度影像,对斜坡进行了宏观调查,圈定地质灾害易发区,划定高风险区范围;围绕坡体出露的基岩进行了节理统计、卸荷裂隙特征测量、强风化岩体二维度针贯入测试等,基本查明了岩体强度、风化卸荷深度及斜坡变形下限;对高风险区微地貌、坡体结构、斜坡形成史、地表变形现状、危害性、发展趋势等进一步开展调查。调查表明,2015年以前房屋数量少,总建筑占地面积小,该斜坡整体稳定性相对较好。易地搬迁安置过程中,对其进行了整体规划,扩大了建筑占地面积,局部存在开挖及回填,边坡放坡及支护欠合理,存在地质安全隐患。斜坡出露的片岩,强风化,个别地段裂隙松动卸荷宽达几厘米,历史上曾发生过崩落块石毁坏房屋,现场针贯入测试单轴抗压强度小于3兆帕,属极软岩,容易发生变形。持续降雨饱和了土体、软化了岩体,润滑了土岩接触面、降低了强度,导致斜坡变形。

    野外现场调查后,技术人员进行了会商,形成统一意见建议:一是立即设立警戒线,迅速撤离受威胁居民,尽快对坡肩部位回填土开挖移除;二是对高陡边坡在清除浮土、块石的基础上,合理放坡、分级支护;三是将整个安置点所在的斜坡划定为不稳定斜坡,开展群测群防,编制防灾预案、发放防灾明白卡;四是建议进一步开展勘查,提出完善的治理方案,进行工程治理,永久消除安全隐患。

    项目组将调查结论及时向丹江口市凉水河镇政府、国土管理部门等相关负责人作了通报、交换意见,镇政府立即安排人员设备开展应急处理。次日,项目组将连夜编制的应急调查报告提交给当地政府部门,为地方政府减灾防灾提供技术支撑。

    斜坡全貌及滑坡位置

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    与地方政府部门现场交换意见

    无人机航摄

    针贯入测试

    为丹江口库区地质灾害做体检
      7月3号-7月9号,甘肃省陇南市武都区洛塘镇发生持续降雨,7月10号凌晨洛塘中学后山斜坡发生变形破坏,1000余方土石发生垮塌,前缘浆砌石挡土墙被冲毁,坡脚教学楼1层被掩埋,受损严重,所幸灾情发生在深夜,没有人员伤亡。

      灾情发生后,陇南白龙江流域地质灾害调查项目组紧急赶赴现场,参与地质灾害应急救灾。通过调查,项目组查明了灾害发生原因,并针对现场情况提出应急处置建议:一是疏散洛塘中学全体师生及斜坡上居住的居民,设置警戒线和警示标志,防止人员进入危险区域;二是斜坡前缘左右两侧浆砌石挡土墙已发生变形错断,稳定性较差,鉴于降雨仍在继续,危险性较高,为防止灾情进一步加重,建议立即清除;三是变形体上部平台开挖排水沟,地面铺设塑料布等防水材料,防止雨水入渗加重险情;四是进行全天候监测预警,及时关注边坡变形发展趋势。

    地调局水环中心参与甘肃陇南洛塘中学滑坡应急救灾

    近期,渝东北山区持续降雨,巫山县笃坪乡水溪套滑坡发生重大险情,近200万方土石量顷刻间发生大规模滑移,直接将下侧水电站摧毁,并将小溪河阻塞形成堰塞湖。所幸,由于预警及时,周边居民区30余人紧急撤离,未造成人员伤亡。灾害发生后,渝东北山区城镇地质灾害调查项目组紧急赶赴现场,协助地方政府开展地质灾害应急处置。通过调查,项目组向现场救灾指挥和当地政府提出3点建议:第一,滑坡滑动后,后缘上侧的土石体仍处于持续变形当中,拉张裂缝仍在扩张,滑坡后侧电站住宿区人员应临时搬迁,转移到安全地带避险。第二,尽快清除堵塞小溪河河道的滑坡物质,留出足够的行洪空间,避免上游沟谷因暴雨形成的洪水冲垮堰塞坝体,对下游造成洪水或泥石流威胁。第三,加强对滑坡两侧居民区斜坡变形监测,特别是由于引水隧道开挖施工对滑坡后缘上侧危岩体的监测,同时加强隧道开挖施工的管理,如发现险情,必须立即停止施工,避免危岩体崩塌造成灾难性事件。第四,新电站选址要充分考虑地质灾害的影响,加强对该区域内斜坡的工程地质勘查和稳定性评价,特别是科学评价斜坡崩坡积物的稳定性。

      

    地调局水环中心参与三峡库区水溪套滑坡应急救灾