我國煤炭資源和產(chǎn)煤基地主要分布在北方生態(tài)環(huán)境脆弱地區，煤炭開(kāi)采就會(huì )擾動(dòng)和損傷生態(tài)環(huán)境，然而國家發(fā)展離不開(kāi)煤炭，新型能源體系建設更需要煤炭來(lái)支撐，如何突破資源與環(huán)境的困局，做到既要又要還要？
國家能源集團科技與信息化部總監、煤炭開(kāi)采水資源保護與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗室副主任、“十三五”“十四五”煤炭生態(tài)開(kāi)采領(lǐng)域國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家李全生告訴記者：“開(kāi)創(chuàng )煤炭生態(tài)開(kāi)采理念并實(shí)現工程化示范，讓煤炭開(kāi)采與生態(tài)保護從一對矛盾變?yōu)殡p輪驅動(dòng)，協(xié)同推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現既開(kāi)采金山銀山，又再造綠水青山。”
錨定綠色，開(kāi)創(chuàng )理念新篇
“我一直忘不掉我的導師導師錢(qián)鳴高院士經(jīng)常說(shuō)的一句話(huà)——一切源于采礦。采礦事業(yè)是偉大的，人類(lèi)只要生存就離不開(kāi)原料、材料、燃料，采礦是獲取原料、燃料的一把金鑰匙。”李全生表示，在選擇這一行業(yè)之時(shí)就做好了要為煤炭工業(yè)終身奮斗的準備。帶著(zhù)這一理念，李全生始終將國家需求作為科研導向，錨定煤炭綠色開(kāi)采，30多年堅守初心，矢志不移。
作為首席科學(xué)家，李全生牽頭承擔了“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目《東部草原區大型煤電基地生態(tài)修復與綜合整治技術(shù)及示范》、“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目《北方防沙帶大型露天煤礦區生態(tài)保護與修復技術(shù)及示范》。作為研發(fā)骨干，李全生參加了“十二五”科技支撐計劃《晉陜蒙接壤區煤炭基地生態(tài)建設關(guān)鍵技術(shù)與示范》等項目。
李全生常對團隊成員說(shuō)，煤炭規?；_(kāi)采對生態(tài)影響范圍大、周期長(cháng)、強度高，在實(shí)現增產(chǎn)、提高效率、保障能源供給的同時(shí)，對煤炭主產(chǎn)區脆弱的生態(tài)保護帶來(lái)巨大挑戰，依靠科技創(chuàng )新打破開(kāi)采與保護“兩重天”魔咒，這是科技工作者始至不渝的追求。
李全生把多年研究的理論與實(shí)踐相結合，將30多年的研究總結為煤炭生態(tài)開(kāi)采，核心理念是“減損開(kāi)采—水位恢復—精準修復”。我國著(zhù)名采礦工程專(zhuān)家、中國工程院院士、中國礦山壓力與巖層控制學(xué)科主要奠基人之一錢(qián)鳴高教授認為，李全生團隊研究成果開(kāi)創(chuàng )了我國煤礦區生態(tài)保護修復由損傷后被動(dòng)修復到主動(dòng)控損與系統修復研究的先河。
被譽(yù)為我國“煤炭生態(tài)開(kāi)采開(kāi)拓者”的李全生，2023年獲得孫越崎能源大獎，獲中國專(zhuān)利金獎1項、國家科技進(jìn)步二等獎2項、國家科技進(jìn)步三等獎1項、省部級科技一等獎14項，獲授權發(fā)明專(zhuān)利97件。
“過(guò)去，一提起煤炭開(kāi)采，就會(huì )說(shuō)對環(huán)境破壞很大。但煤炭開(kāi)采對環(huán)境的影響范圍到底如何？一直沒(méi)有量化數據。”李全生告訴記者，走進(jìn)礦區，時(shí)常會(huì )看到有指示牌提醒，前方經(jīng)過(guò)采煤塌陷區，很快道路就會(huì )顛簸起來(lái)，這就是采空區上方巖土層破裂沉降的直觀(guān)表現。
無(wú)論露天開(kāi)采還是井工開(kāi)采，煤炭開(kāi)采生態(tài)損傷的根源都是由于開(kāi)采造成巖土層損傷及其傳導。生態(tài)開(kāi)采的第一步就是創(chuàng )新煤炭開(kāi)采工藝或方法，從煤炭開(kāi)采生態(tài)損傷的源頭最大程度減少開(kāi)采對生態(tài)的損傷-即“源頭減損開(kāi)采”，首先要揭示煤炭開(kāi)采生態(tài)損傷的機理，搞清楚煤炭開(kāi)采損傷如何傳導、巖土層斷裂沉降有何規律、才能為下一步科學(xué)防治創(chuàng )造條件。
《基于開(kāi)采工藝參數優(yōu)化的西部礦區地表生態(tài)減損基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)》（SHJT-17-41）、《神東礦區采動(dòng)破壞巖土的自修復及其環(huán)境效應》（GJNY-18-77）項目實(shí)施初期，正好趕上我國首個(gè)8.8米超大采高一次采全高綜采工作面投產(chǎn)，是監測采動(dòng)后覆巖運移、裂隙發(fā)育與地表生態(tài)損傷全過(guò)程的絕佳之地。
李全生團隊為搶抓機遇，不等項目經(jīng)費到位，就克服各種困難提前入駐現場(chǎng)，開(kāi)展沉陷區網(wǎng)狀監測。煤炭開(kāi)采水資源保護與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗室教授級高級工程師郭俊廷說(shuō)：“這是一項前無(wú)古人的全盆地三維移動(dòng)監測工作，我們開(kāi)展‘空天地’一體化采動(dòng)損傷監測，僅在開(kāi)切眼和停采線(xiàn)共布設2000多個(gè)地面測量點(diǎn)，監測數據量較以往多了數十倍倍。”
科研從來(lái)不是一帆風(fēng)順，想做成前無(wú)古人的事情，必然會(huì )面臨一個(gè)又一個(gè)難題。白天要開(kāi)會(huì )、處理行政事務(wù)，晚上與科研團隊一起交流，商討解決各種難題。李全生說(shuō)：“做煤炭研究，我是忙并快樂(lè )著(zhù)、忙并幸福著(zhù)、忙并充實(shí)著(zhù)。”為盡量多采集第一手數據，李全生團隊成員扎根在神東礦區連續二年，天不亮上山、看不清下山、中午沙柳旁吃點(diǎn)盒飯喝口水就接著(zhù)工作，特別是夏天，個(gè)個(gè)變得又黑又瘦，但他們準確測出地層三維變化的情況，為揭示規律掌握了奠定了信息和數據基礎。
煤炭開(kāi)采過(guò)后巖土層沉降是個(gè)持續的過(guò)程，而且多煤層分層開(kāi)采，還會(huì )導致上覆巖層反復斷裂、沉降，如果都依靠在礦區實(shí)地監測，不僅成本高昂，而且時(shí)間也耗不起。李全生團隊另辟蹊徑，自主研制了開(kāi)采損傷傳導三維大尺寸模擬試驗平臺。團隊成員劉新杰博士介紹說(shuō)：“利用模擬試驗平臺，我們實(shí)現了覆巖運移、裂隙發(fā)育與地表生態(tài)損傷全過(guò)程模擬與監測，解決了二維模擬邊界條件過(guò)于簡(jiǎn)化和現場(chǎng)覆巖變化內部難以監測與可視化的難題。”
通過(guò)系統實(shí)驗與理論分析，李全生團隊首次明確了巖層破斷的主要影響因素，發(fā)現覆巖極限破斷距與采高、埋深呈負相關(guān)—即采高越大、埋深越深，覆巖極限破斷距越??；而與巖層自身的強度、厚度呈正相關(guān)，意味著(zhù)巖層強度越高、厚度越大，覆巖極限破斷距相應增加。這一規律的揭示為精準預判巖層穩定性、優(yōu)化工程設計參數提供了量化依據。
李全生不僅是生態(tài)開(kāi)采理念的開(kāi)拓者，更是實(shí)踐的先行者，把論文真正寫(xiě)在祖國大地上。
基于提出的采動(dòng)損傷機理，李全生團隊提出了生態(tài)損傷治理的途徑，即首先要縮減采動(dòng)損傷范圍與阻斷開(kāi)采損傷的傳導。開(kāi)采損傷規律與機理很專(zhuān)業(yè)，聽(tīng)起來(lái)甚至有點(diǎn)枯燥，但應用這些知識，從開(kāi)采源頭減少損傷，則很實(shí)用。李全生介紹說(shuō)：“控制地表非均勻沉降是減損開(kāi)采的關(guān)鍵，為了不影響產(chǎn)量，我們發(fā)明了工作面變采寬協(xié)調開(kāi)采和超大工作面減少非均勻沉降范圍的減損開(kāi)采方法。”
在傳統井工開(kāi)采方式下，工作面常采用一個(gè)接一個(gè)的順序開(kāi)采煤炭，同一位置的地層反復受幾個(gè)工作面采動(dòng)影響，一次次被拉伸或壓縮變形。變采寬協(xié)調開(kāi)采則通過(guò)工作面布置、開(kāi)采工藝調控，讓開(kāi)采影響不超過(guò)地層或地表的極限變形能力，使區域作為一個(gè)整體往下沉降，盡可能不改變巖層內部結構完整性，進(jìn)而縮小開(kāi)采損傷范圍、減小損傷程度。如今，這項技術(shù)已經(jīng)在神東煤炭多個(gè)礦井不同程度使用，在“三下壓煤”嚴重的中東部礦區廣泛采用。
李全生常常對團隊成員說(shuō)：“我們的工作要有系統思維，通過(guò)一個(gè)點(diǎn)解決一個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題。”
生態(tài)開(kāi)采本身就是構筑我國北方生態(tài)屏障系統工程的一部分。在項目實(shí)施過(guò)程中，李全生始終堅持系統思維，堅持開(kāi)放包容合作，多次組織研討，項目各子課題協(xié)同推進(jìn)，讓各項科研成果形成疊加效應。從地下到地上，從水土保持到復墾綠化，隨著(zhù)一項項關(guān)鍵技術(shù)突破進(jìn)而形成生態(tài)開(kāi)采技術(shù)體系，并在北方礦區進(jìn)行生態(tài)開(kāi)采工程示范，礦區生態(tài)系統修復的效果逐漸顯現。
工程實(shí)踐上，國家能源集團建設了半干旱草原區勝利露天開(kāi)采示范區、酷寒草原區寶日希勒露天開(kāi)采示范區、軟巖富水區敏東一礦井工開(kāi)采示范區，創(chuàng )建了大型煤電基地生態(tài)修復模式。中國工程院王雙明院士評價(jià)認為，大型煤電基地開(kāi)展的生態(tài)修復系統性集成示范，應用創(chuàng )新性理念、針對性關(guān)鍵技術(shù)和系統性解決方案獲得了積極和有效的實(shí)踐成果，為我國大型煤電基地科學(xué)開(kāi)發(fā)中生態(tài)恢復工作提供了第一個(gè)范例。
寶日希勒露天礦和勝利露天礦建成國家級綠色礦山，植被蓋度均提升40%以上，并建成世界首座露天煤礦地下水庫，儲水量達122萬(wàn)立方米，實(shí)現了露天煤礦礦坑水冬儲夏用。神東礦區開(kāi)采初期，植被覆蓋率在3%至10%。經(jīng)過(guò)多年的生態(tài)開(kāi)采科技創(chuàng )新與實(shí)踐，如今，神東礦區植被覆蓋率達70%。
目前，由李全生牽頭的“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目《北方防沙帶大型露天煤礦區生態(tài)保護與修復技術(shù)及示范》，正在生態(tài)脆弱的準能礦區、平莊礦區實(shí)施。該項目以推動(dòng)我國生態(tài)保護型煤炭基地和北方重要生態(tài)安全屏障建設為目標，研究成果將為我國煤炭主產(chǎn)地規?；_(kāi)發(fā)、能源保供與區域生態(tài)安全相協(xié)調及打贏(yíng)“三北”工程攻堅戰提供科技支撐。
煤炭
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