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【当代矿工】2021-369卷-6期 Aug 1, 2021

还矿区绿水青山
—— 记中国矿业大学教授胡振琪

□ 本刊记者 朱晓莉 于小川

1991年,他是我国第一位中美联合培养的土地复垦学博士。

2009年,他获得了美国采矿与复垦学会(ASMR)土地复垦科技贡献奖,这是ASMR首次把奖项颁给亚洲的科学家,是我国土地复垦学者在国际上获得的第一个大奖。

2018年,他领取了矿山生态修复领域国际大奖——生态修复先锋奖。这一奖项每年全球评选一人,这也是中国土地复垦与生态修复学者在世界范围内首次获得该奖项。

这些耀眼光环的拥有者,就是我国矿山生态修复专家、中国矿业大学教授胡振琪。

经过多次联系,胡振琪教授同意挤出时间接受《当代矿工》杂志的专访,这才让记者有幸采访到了这位在环境治理一线奋斗了三十余年的著名学者。

坚定走科学道路

胡振琪说自己和土地复垦结缘,是命运的安排。儿时,他是大家口中的“别人家的孩子”。上高中时,他把华罗庚说过的一句话当作座右铭:勤能补拙是良训,一分辛劳一分才。他喜欢学习、努力学习,学习成绩一直非常优秀。1980年,他考入中国矿业学院(现中国矿业大学)地质系矿山测量专业。进入大学后,他对自己的人生有很明确的规划:“要走科学这条道路,我要做研究。”大学期间,他担任班长、系学生会主席,但是学习一点也没落下,成绩在班里排名第一。上大三时,他放弃了留校当辅导员的机会,继续攻读硕士、博士。

1988年,胡振琪获得教育部联合培养的机会,当时有三个可以选择的方向:地质统计学、矿产经济学、土地复垦学。土地复垦及矿山生态修复是个新领域,美国刚刚成立了国家矿山土地复垦研究中心,南伊利诺斯大学是美国国家矿山土地复垦研究中心中西部分中心的所在地,胡振琪又顺利申请到了奖学金,于是决定去美国挑战这个“新兴领域”。

在出发前,胡振琪拜访了当时的国家土地管理局规划司,时任司长刘广金对他说:“国家刚刚颁布法规推动土地复垦工作,非常缺这方面的人才,希望你到美国好好学习,学成回来后报效国家。”胡振琪一直将这句话铭记在心,不仅顺利完成了专业学习,还自学了土壤与植物学的相关课程,野外试验,顶着夏天的烈日,踩着寒冬的大雪,取样、测试、分析,他一点都不敢耽误,生活得非常充实。

1991年,胡振琪联系美国捐赠24箱复垦资料

1991年学习结束,很多留学生都选择留在美国,但胡振琪想起出发时领导的期待,想到国家急需人才,毅然决定回国。

临行前,胡振琪得到消息,美国一家图书馆有大量土地复垦方面的技术资料要捐献,便立刻与之联系。经过积极争取,他带着24箱有关土地复垦的珍贵资料回国。之后,这些资料便一直保存在中国矿业大学的图书馆里,为我国土地复垦技术的发展发挥了重要作用。

1996年,胡振琪前往英国埃克塞特大学坎伯恩矿院,研究污染土壤的修复。“英国康沃尔在上世纪三四十年代的铅锌产量达到全世界的一半,有色金属污染比较严重。他们在土壤修复方面有很多值得我们借鉴的经验。”胡振琪说。

矸石山变花果山

1991年回国时,恰逢中国土地学会在平顶山召开土地复垦分会年会,胡振琪被增补为委员,而此后他要面对的则是我国煤炭开采的两大难题。我国96%的煤矿采用井工开采方式,煤矸石和塌陷地是井工矿面临的两大环境问题。针对这两个难题,他不断进行技术革新。

煤矸石是煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物。煤矿经过多年开采,废弃的煤矸石堆积如山。20世纪50年代以来,由于采掘机械化的发展和煤层开采条件的逐渐恶化,煤矿排出的矸石大量增加。我国煤炭系统多年来积存下来的煤矸石达60亿吨以上,现在每年还要排放出7亿吨,其中洗矸约1500多万吨。煤矸石的堆积不但占用大量土地,而且煤矸石中所含的硫化物散发后会污染大气和水源,对环境造成严重的破坏。

胡振琪选择潞安矿务局王庄矿的一座煤矸石山作为试验基地,凭借一腔热情和仅仅1.7万元的科研经费,开始了对煤矸石山绿化造林的探索。白天太阳晒着,晚上月亮陪着,可他并不觉得苦,因为他坚信大自然必将回报给他满目青葱。

几个月后,一套实用的煤矸石山绿化造林技术诞生:胡振琪创造性地将反坡环山带整地法应用于矸石山整地,提出了煤矸石山绿化造林五阶段的基本模式。三年后,4公顷的土地产出了400万元的直接经济效益,他的科研项目《煤矸石山绿化造林的基本模式及其应用》也获得国家环保局1996年度科技进步二等奖,并成为2004年度国家科技进步二等奖《煤矿区土地生态环境损害的综合治理技术》的重要创新点之一。

山西王庄煤矿矸石山治理前后效果

黑黢黢的煤矸石山变成了绿油油的花果山,而胡振琪的研究才刚刚开始。

医治“自然伤疤”

塌陷地是另一个让胡振琪头疼的事情,多出来的煤矸石山可怕,缺少填充物的塌陷地同样可怕。采煤沉陷区,就像是人类给大自然留下的一道道伤疤,触目惊心,难以愈合,同时也影响着当地农民的生计。

胡振琪一直忘不了当年在安徽淮北周口村治理塌陷地时的情景。皖北矿务局刘桥一矿所在地有千余亩采煤塌陷区,胡振琪带领团队按照生态工程原理规划设计,通过挖深垫浅,将采煤塌陷地改造成了一个生态农场。治理完成后,村民又找上门来了:“你把土地弄成了鱼塘,可我们只会种地,不会养鱼啊。”大把的钱化作鱼苗和饲料撒下去,到头来年人均收入才300元。没有办法,他只好再找资料研究怎么养鱼,在村里开课讲养鱼的基本知识,比如鱼塘塘埂的标高、坡度和深度、按什么样的密度和种类放养等等,没想到就连老太太都来听课,有些人甚至带着家里的小孩来学习。1993年,村里人均收入增加到1000元,并且发展势头喜人,贫困村很快变成了小康村。

在土地复垦过程中,胡振琪一直在思考一个问题:大量采煤塌陷地都是塌完了再治理,其实是一种末端治理,能不能塌之前就治理,从源头和过程中控制,实现边采边复?经过多年的研究,他提出了边采边复的理念,创立了相应技术体系,攻克了边采边复的复垦时机、复垦标高和动态复垦工艺等关键技术,可多恢复耕地10%~40%。

改灭火为防火

早期的煤矸石修复采用的是成本较低的无覆土修复技术,针对的是没有自燃的矸石山,效果非常好。但是煤矸石的复燃率特别高,控制煤矸石复燃在国际上也是一个难题。为此,胡振琪带领团队又开始攻关煤矸石的灭火和防火技术。

煤矸石中所含的黄铁矿易被空气氧化,放出的热量可以促使煤矸石自燃。煤矸石燃烧时散发出难闻的气味和有害的烟雾,使附近居民慢性气管炎和气喘病患者增多,周围树木落叶、庄稼减产。煤矸石山自燃已经成为京津冀及周边大气污染防治的重要内容,也是“一带一路”能源开发必须面对和解决的环境问题。

要灭火,首先要科学确定着火点位置。在这方面,胡振琪团队拥有3项发明专利,包括采用热红外线遥感与测绘技术的耦合技术。但治理煤矸石的复燃,更重要的是防火。煤矸石的自燃是由氧化导致的,在这个过程中,微生物催化氧化往往是正常氧化速度的50~60倍,要抑氧首先要杀死煤矸石中的氧化菌,还要采用覆盖碾压的方式隔绝氧气。这两种技术结合使用,在治理煤矸石污染方面效果非常好。

胡振琪荣获2019年度国家科技进步二等奖

在这项研究中,两个“点”的判定显得尤为关键。一是酸性判定。矸石山是否酸性是最基本的判断,而传统的PH值检测带有迷惑性。因此,胡振琪团队提出了用“潜在酸性”计算方法来判断酸碱度。二是着火点判定。灭火找不到着火点,就像打蛇打不到七寸,随时可能复燃,被“反咬一口”。胡振琪团队采用独特的热红外与测绘技术相耦合的表层燃烧情况定位技术及基于表面温度反演深部着火点位置模型,就仿佛透视眼一般,能够准确找到着火点的位置。这一独特的诊断技术申请了多项发明专利。

在解决了两个“点”的关键问题后,胡振琪团队还提出了表面喷浆与深部注浆相结合的安全灭火方法、生物化学抑制氧化和物理覆盖碾压相结合的抑氧隔氧防火技术以及植被恢复技术等,并与潞安矿业集团、阳泉煤业集团等形成了产学研用联盟,让数十座自燃的煤矸石山“偃旗息鼓”。治理后区域大气中的二氧化硫等有害气体浓度降低50%以上,达到国家有关空气质量标准二级。这项成果整体达到国际先进水平,部分成果达到国际领先水平。

“煤矸石山自燃污染控制与生态修复关键技术及应用”这项胡振琪投入十余年心血的项目,最终荣获2019年国家科技进步二等奖。2020年1月10日,胡振琪在人民大会堂接过了沉甸甸的荣誉证书,这是他第三次获得国家科技进步二等奖。

“五花肉”复垦沉陷区

采煤沉陷区复垦和黄河泥沙这两个完全不相干的东西,让胡振琪完美地结合在了一起,既能复垦采煤沉陷区,又利于黄河调沙调水、治理黄河淤泥。“2005年,国内首次提出煤粮复合区这一概念。我国煤粮复合区面积巨大:10.8%的煤炭可采储量与耕地重合。如果将煤粮复合区的这些煤炭全部挖出来,2亿亩耕地可能就没了。我们要做的就是利用充填复垦技术对采煤沉陷区进行修复,既把煤炭挖出来,又能把耕地保住。充填复垦是保护耕地最有效的方法,煤矸石、粉煤灰是常用的充填复垦材料。但它们存在两个问题,一是这两种材料可能含有重金属,呈碱性或酸性,有潜在污染风险;二是这两种材料数量有限,加之被拿去制作泡沫砖、水泥等,所以可用于充填复垦的煤矸石、粉煤灰越来越少。”胡振琪说。

夹层式土壤剖面构型示意图

在寻找新材料的过程中,胡振琪想到了黄河泥沙。2011年,“十二五”国家科技支撑计划课题“大型煤炭基地沉陷区黄河泥沙充填修复技术及示范”获批。一切就绪,但取沙、输沙、沉沙排水等都不容易,每个问题都要一一化解。他将试验区选在离黄河较近的山东省梁山县,因为这里与采煤沉陷区具有相似的地貌特征,都是坑塘涝洼地。

试验区建成了,但土地复垦效果却不理想,“主要是种植的农作物产量只有周围正常农田的一半,可能是复垦后的土地呈‘上土下沙’结构,一般来说,泥沙上面需要覆盖70厘米厚的土壤才有利于农作物生长,可是有些地方没有那么多土壤。”胡振琪继续探索研究,最终找到了最佳方法——分层充填,“我叫他‘五花肉’,就是构造夹心式土壤结构。”胡振琪解释说。充填一层泥沙,覆盖一层土壤,再充填一层泥沙,如此反复循环,泥沙中夹杂着若干层土壤,既有利于保水保肥,又有利于微生物活动加速土壤熟化,复垦后的农田产量很快达到正常农田水平。2015年,“五花肉”式充填方法成功申请了发明专利。

胡振琪认为,不仅是针对黄河泥沙,其他充填材料也可以考虑这种方法,不但成本低,而且对土地生产力恢复也大有好处。“它对治理采煤沉陷区、改善区域生态环境意义重大,未来有必要在黄河两岸条件适宜的矿区大规模推广该技术。”对于这一技术,胡振琪信心十足。

在科研攻关的同时,胡振琪也不忘为国家培养人才。除了带博士、硕士研究生之外,他还一直坚持每年给本科生上课,结合自己的科研成果,把最新的土地修复知识传授给学生。

对于本科生,胡振琪总是说:“人一定要自立,要有志向、有目标,这个目标需要通过人生规划、事业规划去一步步落实。勤奋也很重要,要利用好时间,这样才能完成学习规划,才会有所成就。”胡振琪说,“我要求我所有的学生每星期二的下午都要来我这汇报、交流、研讨,我鼓励他们多提问题,能提出问题说明思考到了一定的高度。问题越尖锐越好,能争论起来效果更好。”

回首三十载,虽然辛苦,但当看到光秃秃的煤矸石山变成了绿山,看到废弃的塌陷地变身为高产良田或百姓休闲的公园,胡振琪的心中就特别有成就感,觉得自己又做了一件值得骄傲的事。

对于未来,胡振琪这样期待:“我心中有一个愿望,就是在退休以后到自己复垦的土地上,搭个小棚子,钓钓鱼、养养花、种点菜,看着青山、绿地、蓝天,感觉很美。”

胡振琪接受本刊记者采访

 

胡振琪,博士,教授,博士生导师,矿山生态安全教育部工程研究中心主任,主要研究方向是矿区土地复垦与生态修复、矿区环境与污染土地修复、国土资源利用与管理,系教育部长江学者特聘教授、“新世纪百千万人才工程”国家级人选、教育部跨世纪优秀人才、江苏省双创人才、北京市教学名师,享受国务院政府特殊津贴,目前担任中国土地学会常务理事兼国土整治与修复分会副主任委员、中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会主任委员、中国生态学会常务理事兼生态工程专业委员会副主任委员、美国采矿与复垦学会终身会员。胡振琪曾荣获第八届中国青年科技奖、中国科学技术发展基金会孙越崎博士后奖、美国采矿与复垦学会(ASMR)科技贡献奖(2009年)和生态修复先锋奖(2018年),并获国家科技进步二等奖3项(排名第一2项),省部级一等奖8项,出版专著10余部,编写教材4部,发表论文300余篇,取得国家专利50余项。作为项目负责人或主要参加者,完成了国家863计划、国家自然科学基金、国家科技支撑项目、省部级重点科研项目及横向科研项目等共计100余项。

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