煤炭開采，難以避免破壞自然環(huán)境。

在開發(fā)自然資源的同時，如何減少對自然環(huán)境的擾動，保護好、修復好自然生態(tài)，這是自然資源開發(fā)行業(yè)不可回避的重大課題。

2023年10月，在孫越崎能源大獎頒獎大會上，國家能源集團科技與信息化部一級業(yè)務總監(jiān)、煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室副主任李全生因30年深耕生態(tài)保護型開采獲得孫越崎能源大獎。

李全生提出的生態(tài)保護型開采指什么？

近日，在位于北京市東城區(qū)濱河路的神華大廈，李全生向記者介紹了他的“生態(tài)開采”辯證法。

靠科技實現(xiàn)生態(tài)保護與煤炭開發(fā)相協(xié)調(diào)

據(jù)了解，我國80%以上的煤炭產(chǎn)自黃河流域、北方防沙帶等生態(tài)脆弱區(qū)。區(qū)域干旱缺水、物種多樣性少。想要協(xié)調(diào)生態(tài)保護與煤炭高效開發(fā)，難度很大。

神東礦區(qū)從1985年開始開發(fā)建設。開采初期，植被覆蓋率在3%至10%。經(jīng)過幾十年開發(fā)、生態(tài)修復科技創(chuàng)新與實踐，如今，神東礦區(qū)植被覆蓋率達70%，降雨量也明顯增加，在向大地借煤的同時，還自然以春。

“這就說明靠科技，可以實現(xiàn)生態(tài)保護與煤炭開發(fā)相協(xié)調(diào)?！崩钊f。

李全生將他30年的研究總結(jié)為生態(tài)保護型開采，核心理念是“減損開采—仿生重構(gòu)—系統(tǒng)修復”。

生態(tài)治理的源頭是開采。從源頭上減少開采損傷，不僅可以降低生態(tài)修復的難度和成本，而且可以將煤炭開采與生態(tài)修復作為一個系統(tǒng)來考慮，進行采后植被生境的仿生重構(gòu)、系統(tǒng)修復，實現(xiàn)“既開發(fā)金山銀山，又再造綠水青山”的目標。

煤炭開采分井工和露天兩種方式。李全生介紹，開采損傷的本質(zhì)都是對煤層上覆巖土層的損傷或破壞，井工開采由下至上損傷，露天開采由上至下?lián)p傷，導致生態(tài)載體——地下水含水層、地表土層的損傷，出現(xiàn)地下水位下降、地表植被根系拉傷（井工）或直接挖損（露天開采）等問題。

“生態(tài)保護型開采，就是要充分揭示自然規(guī)律，利用規(guī)律和自然恢復力，以最小的開采擾動和礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復，實現(xiàn)煤炭開采與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)?！崩钊f。

圍繞生態(tài)保護型開采理念，李全生帶領(lǐng)團隊開展了一系列基礎(chǔ)理論研究：一是“覆巖—地表—生態(tài)”損傷傳導機理，二是開采損傷的量化評價，三是減損開采機制。

為量化開采損傷，李全生團隊自主設計研發(fā)三維模擬試驗平臺，提出開采覆巖損傷度計算方法。三維模擬試驗平臺可對巖層運動與裂隙發(fā)育進行實時立體動態(tài)監(jiān)測。

在“覆巖—地表—生態(tài)”損傷傳導機理方面，李全生團隊明確了巖層破斷的觸發(fā)條件，發(fā)現(xiàn)覆巖極限破斷距與采高、埋深負相關(guān)，與巖層強度、厚度正相關(guān)，覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是地表臺階型裂縫產(chǎn)生的根本原因。

“過去，一提起煤炭開采，就會說對環(huán)境破壞很大。但煤炭開采對環(huán)境的影響范圍到底如何？一直沒有量化數(shù)據(jù)。”李全生說。

李全生（左）在實驗室里進行實驗

為此，李全生帶領(lǐng)團隊，基于67個大型井工煤礦生態(tài)擾動統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了礦區(qū)植被蓋度與開采擾動之間的距離關(guān)系，發(fā)現(xiàn)神東礦區(qū)95.4%的開采擾動集中在距離開采區(qū)664米至1764米范圍內(nèi)。

在露天開采方面，李全生團隊建立了露天開采影響邊界識別方法，基于30年的區(qū)域生態(tài)遙感、地下水實地監(jiān)測大數(shù)據(jù)耦合分析，量化了東部草原區(qū)、北方防沙帶等不同類型區(qū)域露天開采生態(tài)影響范圍。東部草原區(qū)植被的影響距離約為2千米，土壤的影響距離為1千米，地下水位降幅5米的影響距離為4千米到12千米。

使區(qū)域作為一個整體盡量同步下沉

開采損傷規(guī)律與機理很專業(yè)，聽起來甚至有點枯燥；但應用這些知識，從源頭減少開采損傷，則很實用。

依據(jù)井工開采的影響過程，李全生團隊研發(fā)了減損開采技術(shù)體系，包括源頭減損開采、損傷精準監(jiān)測、損傷傳導控制、損傷末端修復技術(shù)等。

李全生團隊主要采用的源頭減損開采技術(shù)為“變采寬協(xié)調(diào)開采和超大工作面開采降低非均勻沉降面積的減損方法”（以下簡稱變采寬協(xié)調(diào)開采）及正在研發(fā)中的“垮落帶負碳充填技術(shù)”。

變采寬協(xié)調(diào)開采的核心是減少非均勻沉降。

煤炭開采出來后，地面必然會沉降。如果均勻沉降，區(qū)域巖層、含水層基本不會被破壞，地層整體結(jié)構(gòu)沒有大變化，地表不產(chǎn)生裂縫，那么開采對植被或地表人工附屬設施的影響就會小很多。

在傳統(tǒng)開采方式下，工作面常采用一個接一個的順序開采煤炭，同一位置的地層反復受幾個工作面采動影響，一次次被拉伸或壓縮變形。

變采寬協(xié)調(diào)開采則通過工作面布置、開采工藝調(diào)控，讓開采影響不超過地層或地表的承受能力，使區(qū)域作為一個整體往下沉降，不改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水系連通性，進而縮小開采損傷范圍、減小損傷程度。

相比傳統(tǒng)開采方式，神東礦區(qū)應用該技術(shù)后，地表非均勻沉降面積減少45%以上。目前，該技術(shù)已廣泛應用于我國中東部建（構(gòu)）筑物下采煤。

采高、工作面長度、開采推進速度也與開采損傷密切相關(guān)。

依托神東礦區(qū)上灣煤礦12401工作面，李全生團隊以減少開采損傷為目標，對開采參數(shù)進行優(yōu)化。他們提出，針對上灣煤礦12401工作面，當采高小于7.8米、推進速度每天不小于11.9米、工作面長度304米，加大工作面尺寸、提高推進速度、降低采高，可以減少地表損傷。

開采過程中也需要控制損傷、減少沉降?！白詈玫姆绞绞浅涮睢！崩钊f，一是阻止開采損傷向上傳導，二是修復已有的裂隙。

理論上，將采空區(qū)全部充填，效果最好，但這在經(jīng)濟上一般難以承受。需要精準充填，用最小的成本取得最優(yōu)的充填效果。

為此，李全生團隊研發(fā)了靶向動態(tài)注漿充填過程控損技術(shù)，可使覆巖裂隙開度降低43.6%，裂隙帶發(fā)育高度降低27.3%。目前，該技術(shù)已應用于神東礦區(qū)，日均處理矸石5000噸。

“水是生態(tài)之基。”李全生說，在礦區(qū)生態(tài)修復中，含水層功能修復、水資源保護利用占據(jù)重要地位。

日常生活中，自來水使用久了，水垢會堵塞水管。李全生團隊利用這一現(xiàn)象修復含水層。他們往覆巖的導水裂隙里注入修復試劑，誘導水中的鐵離子、鈣離子等發(fā)生化學反應，沉淀結(jié)垢，進而堵住裂隙，使裂隙滲水少，幫助含水層恢復生態(tài)功能。

神東礦區(qū)的地下水庫是煤炭行業(yè)水資源保護利用的一個樣板，生態(tài)效益突出。水庫安全是必須解決的問題。

為保障地下水庫壩體結(jié)構(gòu)安全，李全生團隊研發(fā)了裝配式楔形壩體構(gòu)筑技術(shù)，在頂板與基座之間嵌入楔形頂梁，水的側(cè)向壓力越大，楔形頂梁嵌入越緊實，壩體越牢固。該技術(shù)把水的側(cè)向壓力由破壞力變?yōu)榧庸塘?，有效解決了采動或礦震誘發(fā)的壩體滲漏難題。

2022年7月，基于該技術(shù)的“一種地下水庫壩體及其構(gòu)筑方法”獲得第二十三屆中國專利金獎。

建成世界首座露天煤礦地下水庫

“露天開采源頭減損的核心是縮小土地占用面積，縮小生態(tài)擾動范圍、縮短持續(xù)時間。”李全生說。

露天開采，邊坡角越大，占地面積越小，開采成本越低。但邊坡角過大，又會面臨滑坡等安全問題。剝離的巖土盡量內(nèi)排，少外排，也可以減少土地占用。以邊坡角安全提升和強化內(nèi)排為核心，李全生團隊研發(fā)了露天采排復一體化節(jié)地減損開采技術(shù)。

應用這一技術(shù)以來，寶日希勒露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)占地面積減少92畝/年，勝利露天煤礦產(chǎn)能提升40%、采場占地面積縮小1128畝。

針對露天開采水資源保護利用，李全生團隊提出“潛流濕地—近地表儲水層—含水層—地下水庫”立體保水措施。

他們研發(fā)了以地下含水層結(jié)構(gòu)和水力聯(lián)系恢復為核心的仿原始地層生態(tài)型重構(gòu)技術(shù)。

據(jù)了解，原始地層結(jié)構(gòu)由下至上分別是底板巖層、煤層、巖層、含水層、巖層、土壤層、自然草地。

傳統(tǒng)露天開采，把煤層上方的土壤、巖石揭開后，就把巖石、土壤、矸石等混合在一起排棄，排土場由下至上分別是底板巖層、混合排棄層。

仿原始地層生態(tài)型重構(gòu)，就是仿照原始地層結(jié)構(gòu)，排土場由下至上分別為底板巖層、混合排棄層、生態(tài)隔水層、重建含水層、生態(tài)隔水層、近地表含水層、土壤層、近自然地貌。通過這種方式，再造含水層，使礦區(qū)地下水系連接起來。

“就像身上有塊傷疤，不僅要傷口愈合，還要讓血管重新連接在一起。”李全生團隊成員、煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室教授級高級工程師郭俊廷說。

應用仿原始地層生態(tài)型重構(gòu)技術(shù)，勝利露天煤礦開采影響區(qū)地下水位恢復速度提高70%，構(gòu)建了近地表含水層—隔水層結(jié)構(gòu)（厚度為2米至5米），土壤含水率提高52%。

為了減少露天開采水資源流失，李全生團隊提出了礦坑水立體儲存的5種模式，由上至下包括地表蓄水池、第四系松散含水層儲水、排土場再造生態(tài)含水層儲水、露天煤礦地下水庫以及煤層底板深部基巖含水層儲水等。

應用研發(fā)的露天煤礦地下水庫建設與安全運行成套技術(shù)，李全生團隊在寶日希勒露天煤礦建成世界首座露天煤礦地下水庫，儲水量達122萬立方米，實現(xiàn)了露天煤礦礦坑水冬儲夏用。

露天煤礦地下水庫地表植物塘（蓄水）

露天煤礦如何建地下水庫？水的利用如何實現(xiàn)？

李全生介紹道，露天煤礦地下水庫分4層，礦坑底部為人造隔水層；隔水層上方是人造（重塑）含水層，主要由不同顆粒級配的巖石等組成，巖石縫隙中可以儲水；人造（重塑）含水層上部鋪設濾水層；還可以在頂部做種植及匯水層。經(jīng)過處理后的水，通過管道注入人造（重塑）含水層。雨水在地表匯集后，經(jīng)過濾水層凈化，儲存在人造（重塑）含水層中。人造（重塑）含水層底部設有集水凹槽，使用時可用管道從這里取水，實現(xiàn)礦坑水高效儲用。

李全生團隊將生態(tài)保護型開發(fā)與信息技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)了生態(tài)修復決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對生態(tài)影響范圍進行量化，智能優(yōu)化植被修復方案，實施精準管護，開展修復效果評價，實行生態(tài)演變推演預測，提供礦區(qū)生態(tài)修復全生命周期智能決策。

“未來，生態(tài)保護型開采將形成‘實時監(jiān)測—源頭減損—過程控損—系統(tǒng)修復—資源循環(huán)’的全鏈條體系，結(jié)合智能化、低碳化趨勢，實現(xiàn)資源開發(fā)與生態(tài)保護的深度協(xié)同。”李全生表示。

作者：本報記者鄢麗娜 通訊員郭俊廷

版面編輯：麻文斌 來源：中國煤炭報

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