煤炭生态开采：打破开采与保护“两重天”魔咒

从东部草原区的大型煤电基地，到黄河“几”字湾的煤炭主产区，在绿水青山就是金山银山理念指引下，一场煤炭生态保护型开采(简称“煤炭生态开采”)的革命，正从理念创新向实践创新加快推进。

曾经，这里的开采现场与周边生态仿佛处于“两重天”，一边是机器轰鸣的采矿作业，一边是日渐脆弱的生态环境，而如今，这种局面正被国家能源集团李全生团队逐步打破。

我国煤炭资源和产煤基地主要分布在北方生态环境脆弱地区，煤炭开采会扰动和损伤生态环境，然而国家发展离不开煤炭，新型能源体系建设更需要煤炭来支撑，如何突破资源与环境的困局，做到“既要”“又要”“还要”?

煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室副主任、“十三五”“十四五”煤炭生态开采领域国家重点研发计划项目首席科学家李全生博士及其团队进行了艰苦卓绝的探索，提出了煤炭生态开采理念并实现工程化示范，让煤炭开采与生态保护从一对矛盾变为双轮驱动，协同推进高质量发展，实现既开采金山银山，又再造绿水青山。

1锚定绿色，开创理念新篇

科研成功的关键，首先要找准方向。国家能源安全、生态安全是习近平总书记多次强调的“国之大者”。李全生始终将国家需求作为科研导向，锚定煤炭绿色开采，30多年坚守初心，矢志不渝。

李全生深深记得研究生时期的导师钱鸣高院士常说的一句话：一切源于采矿，采矿事业是伟大的，人类只要生存就离不开原料、材料、燃料，采矿是获取原料、燃料的一把金钥匙。

从迈进大学校园开始，李全生就做好了要为煤炭工业终身奋斗的准备，这份信念如同种子，在他心中生根发芽，支撑着他走过无数科研难关。1989年硕士毕业后，李全生被分配到煤科总院开采所从事科研工作，此后经历多个单位和岗位，最终进入国家能源集团工作。无论岗位如何变化，李全生始终没有脱离煤炭行业，研究方向始终聚焦煤炭绿色开采，一直和煤矿保持“密切接触”，不断开发新的技术，创造新的突破。

对煤炭开采的多年研究，让李全生对煤炭的重要性和面临的问题有了更加深入的认识。他常对团队成员说：“煤炭规模化开采对生态影响范围大、周期长、强度高，在实现增产、提高效率、保障能源供给的同时，为煤炭主产区的生态保护带来巨大挑战，依靠科技创新打破开采与保护‘两重天’魔咒，就是我们科技工作者矢志不渝的追求。”

作为首席科学家，李全生牵头承担了“十三五”国家重点研发计划项目《东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范》及“十四五”国家重点研发计划项目《北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术及示范》。作为研发骨干，李全生参加了“十二五”科技支撑计划《晋陕蒙接壤区煤炭基地生态建设关键技术与示范》等项目。

翻开李全生的简历，发表的120多篇科技论文，出版的10部科技专著，篇篇写尽了对“两山”理念的认识与实践。李全生把多年研究的理论与实践相结合，将30多年的研究总结为煤炭生态开采的核心理念是“减损开采—水位恢复—精准修复”。

我国著名采矿工程专家、中国工程院院士、中国矿山压力与岩层控制学科主要奠基人之一钱鸣高教授认为，李全生团队的研究成果开创了我国煤矿区生态保护修复由损伤后被动修复到主动控损与系统修复研究的先河。

也因此，李全生被钱鸣高、于俊崇等院士专家称为我国煤炭生态开采的开拓者，2023年获得孙越崎能源大奖，获中国专利金奖1项、国家科学技术进步二等奖2项、国家科学技术进步三等奖1项、省部级科技一等奖14项，获授权发明专利97件……这些荣誉，是对李全生和团队多年辛勤付出的最佳见证。

2溯源探因，揭示损伤机理

开车进入矿区，时常会看到有指示牌提醒“前方经过采煤塌陷区”，很快道路就颠簸起来，这就是采空区上方岩土层破裂沉降的直观表现。

“过去，一提起煤炭开采，就会说对环境破坏很大。但煤炭开采对环境的影响范围到底如何?一直没有量化数据。”李全生说。无论是露天开采还是井工开采，煤炭开采生态损伤的根源都是由于开采造成岩土层损伤及其传导。

生态开采的第一步就是创新煤炭开采工艺和方法，从煤炭开采生态损伤的源头最大程度减少开采对生态的损伤，即“源头减损开采”，首先需要揭示煤炭开采生态损伤的机理，搞清楚煤炭开采损伤如何传导、岩土层断裂沉降有何规律，才能为下一步科学防治创造条件。

国家能源集团煤炭销量占全国1/6，下辖各矿区87处煤矿的开采条件复杂多变，既有井工矿也有露天矿，既有薄煤层也有特厚煤层，非常具有典型性，正是生态开采这篇大文章的落笔之处。2016年，国家首批重点研发计划指南发布，李全生抓住机遇，将国家科技需求与集团公司科技需求紧密结合，带领团队组织申报“十三五”国家重点研发计划项目《东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范》，在集团公司的支持下，在团队的努力下，在激烈的竞争中，这个团队成功拿到了国家科技项目。该项目由国家能源集团牵头承担，是首个由企业承担的煤炭开采领域国家级重点研发计划项目，李全生成为该项目牵头负责人。他广纳贤才打造一流科研团队，构思科研项目的顶层架构，协调组织各方力量攻坚。

《基于开采工艺参数优化的西部矿区地表生态减损基础理论和关键技术开发》与《神东矿区采动破坏岩土的自修复及其环境效应》项目实施初期，正好赶上神东煤炭上湾煤矿四盘区首采工作面投产。这是我国首个8.8m超大采高一次采全高综采工作面，属于特厚煤层，埋藏浅，倾角小，各项条件优越，是监测采动后覆岩运移、裂隙发育与地表生态损伤全过程的绝佳之地。

李全生团队为抢抓机遇，克服各种困难提前入驻现场，开展沉陷区网状监测。煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室教授级高级工程师郭俊廷说：“这是一项全盆地同时空高频三维监测工作，我们开展‘空天地’一体化采动损伤监测，仅在开切眼和停采线共布设2000多个地面测量点，监测数据量较以往多了数十倍。”

科研从来不是一帆风顺的，想做成前无古人的事情，必然会面临一个又一个难题。白天要开会、处理行政事务，晚上与科研团队一起交流，商讨解决各种难题。李全生说：“做煤炭研究，我是忙并快乐着、忙并幸福着、忙并充实着。”为尽量多采集第一手数据，李全生团队成员连续两年扎根在神东矿区，天不亮上山、天黑了下山、中午在沙柳旁吃点盒饭喝口水就接着工作，特别是在夏天，阳光炙烤着大地，团队成员个个都变得又黑又瘦，但他们毫无怨言，准确测出地层三维变化的情况，为揭示规律奠定了信息和数据基础。

煤炭开采过后的岩土层沉降是个持续的过程，而且多煤层分层开采，还会导致上覆岩层反复断裂、沉降，如果都依靠在矿区实地监测，不仅成本高昂，而且时间也耗不起。对此，李全生团队另辟蹊径，自主研制了开采损伤传导三维大尺寸模拟试验平台。团队成员刘新杰博士介绍说：“利用模拟试验平台，我们实现了覆岩运移、裂隙发育与地表生态损伤全过程模拟与监测，解决了二维模拟边界条件过于简化和现场覆岩变化内部难以监测与可视化的难题。”

通过系统实验与理论分析，李全生团队首次明确了岩层破断的主要影响因素，发现覆岩极限破断距与采高、埋深呈负相关，即采高越大、埋深越深，覆岩极限破断距越小;与岩层自身的强度、厚度呈正相关，意味着岩层强度越高、厚度越大，覆岩极限破断距相应增加。这一规律的揭示为精准预判岩层稳定性、优化工程设计参数提供了量化依据。

更值得关注的是，研究团队证实，覆岩主关键层结构的失稳是导致地表出现台阶型裂缝的根本原因。这一研究结论为预防地质灾害、保护地表生态与工程安全指明了关键防控方向，对矿产资源安全高效绿色开发具有重要指导意义。同时，研究团队还揭示了露天“开挖卸荷及外排堆载—引起应力场和渗流场重布—边坡岩土变形滑移—地下水位下降—导致周边生态退化”的开采生态损伤传导机理。露天开采岩土剥离形成的自由面和空间是损伤传导的源头，应力释放、岩土位移、水土流失、水位下降，是露天开采生态损伤传导的主要途径。

3主动减损，变革开采方式

李全生不仅是生态开采理念的开拓者，更是实践的先行者，把论文真正写在祖国大地上。

基于采动损伤机理，李全生团队提出了生态损伤治理的途径，即首先要缩减采动损伤范围与阻断开采损伤的传导。开采损伤规律与机理很专业，听起来甚至有点枯燥，但应用这些知识，从开采源头减少损伤，则很实用。

李全生介绍说：“控制地表非均匀沉降是减损开采的关键，为了不影响产量，我们发明了工作面变采宽协调开采和超大工作面减少非均匀沉降范围的减损开采方法。”

在传统井工开采方式下，工作面常采用一个接一个的顺序开采煤炭，同一位置的地层反复受几个工作面采动影响，一次次被拉伸或压缩变形。变采宽协调开采则通过工作面布置、开采工艺调控，让开采影响不超过地层或地表的极限变形能力，使区域作为一个整体往下沉降，尽可能不改变岩层内部结构完整性，进而缩小开采损伤范围、减小损伤程度。如今，这项技术已经在神东煤炭多个矿井广泛使用，就像给矿区装上了“保护盾”，有效减少了开采对生态的损伤。

针对露天煤矿实施采排复一体化减损开采问题，李全生团队抓住露天开采挖损和外排压占土地这一控制开采损伤范围和程度的关键，发明了集凸形工作线快速剥离、变长工作线多工作面协同开采、倾斜基底剥离物提前快速内排等节地减损开采方法，实现了露天开采“少挖损、快内排、少外排”。

露天矿百万吨煤产量采坑土地占用减少24%-26%、外排占地减少16%-21%，开采影响范围减少约20%。胜利露天矿在减损开采的同时，产能由1200万t/a提升到2800万t/a，实现了生态保护与产量提升的双赢。

不仅是开采工艺设计，开采过程中也需要控制损伤传导、减少沉降，最好的方式是充填。李全生说：“理论上，将采空区全部充填，效果最好，但这在经济上一般难以承受，且与开采工艺相互影响，开采效率低，无法满足高产高效矿井的实际需求，我们还需要更加精准地掌握煤炭开采上覆岩层运动和地表沉降规律，从充填材料、工艺等方面进行科技攻关、降低成本，用最小的成本取得最优的充填效果，为企业大规模推广应用奠定基础。”为此，李全生团队研发了靶向动态注浆充填过程控损技术，可使覆岩裂隙开度降低43.6%，裂隙带发育高度降低27.3%。目前，该技术已应用于神东煤炭等多个矿区，日均处理矸石5000吨。下一步，李全生团队还将探索进一步降低充填成本、提高减损效果的技术方法，为企业大规模推广应用提供科技支撑。

4仿生重构，再造生态功能

在井工煤矿采空区和露天煤矿排土场，绿化复垦已经成为国内外广泛采用的生态保护模式，该模式主要是对地表进行土地整治、土壤改良，但无法保护和修复地下几百米甚至上千米煤层之上采动损伤破裂的岩土层和地下含水层，水土流失、水位下降、土壤退化、植被退化等问题无法根本解决。李全生考虑得更加长远，他说：“如果只是简单的表面修复不可持久，对于井工开采我们要采用新技术实现含水层近自然修复，减少地下水的渗漏，恢复地下水位;对于露天开采我们要实现内排土场地层的近自然层序重构，再造含/隔水层，实现地下水系连通，恢复地下水位，再造地表土壤层，恢复土地的生态功能，确保今后即使离开人为干预，土地也能恢复自然生长的能力，提升生态系统自维持能力。”

水是生态之基，在矿区生态修复中，含水层功能修复、水资源保护利用占据重要地位。井工矿传统的“限高降损”方式虽然能有效避免含水层被破坏，却难以适应大型井工矿高效采煤需求。考虑到含水层流失水体主要沿导水裂隙主通道漏失，李全生团队从人工干预角度采取措施，着重对覆岩导水裂隙主通道进行干预修复，探索形成了人工灌注化学试剂促进铁/钙质化学沉淀封堵采动岩体孔隙和裂隙的含水层修复方法。简而言之，和浴室花洒用久了出水孔会被水垢堵死是一个原理。试验矿应用后，导水裂隙主通道渗透率降低2个数量级以上，含水层失水流量降低36%-59%，有力促进了地下水位恢复。

露天矿开发剥离的岩土无序堆存，使得排土场内部存在很多孔隙甚至裂隙，水分子渗入时会沿着优先路径快速下渗，极少留存在土壤中，导致排土场土壤持水能力通常较自然土壤差，不利于后期绿化复垦。李全生团队选择仿原始地层生态型重构，就是仿照原始地层结构，排土场由下至上分别为底板岩层、混合排弃层、生态隔水层、重建含水层、生态隔水层、近地表含水层、土壤层、近自然地貌。通过这种方式，再造含水层，使矿区地下水系连接起来。“就像身上有块伤口，不仅要让伤口愈合，还要让血管与神经重新连接起来。”煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室教授级高级工程师郭俊廷说。

此外，团队首创了内排土场构建近地表储水层(蓄积大气降水)、再造含水层(恢复地下水位)、地下储水构筑物构建(储存矿坑水)的立体保水技术体系，研发了与采排相协调的地下储水构筑物选址、排弃颗粒物级配的储水空间构建方法，研发了统筹露天矿全生命周期采排土方平衡的排土场技术，研发了深层补水的节水灌溉、基于原生种子库的植被修复等排土场生态重建技术，创建了排土场地貌—土壤—植被一体化修复技术体系，实现了排土场地貌保水控蚀和土壤生态水位控制的近自然重塑。

实施后，宝日希勒露天矿水土流失率降低23%，土壤含水率提升约10%，胜利能源露天矿地下水位提升70%。在神东煤炭矿区，李全生团队发明了上部楔形密封顶梁、下部嵌入底板“主动防渗、系统安全”的坝体结构及装配式施工技术，把地下水库中水的侧向压力由破坏力变为加固力，有效解决了因采动或矿震诱发的坝体渗漏难题，获第二十三届中国专利金奖，这项技术为矿区水资源的储存和利用提供了坚实保障。

5系统修复，构筑生态屏障

李全生常常对团队成员说：“我们的工作要有系统思维，通过一个点解决一个领域的问题。”

生态开采本身就是构筑我国北方生态屏障系统工程的一部分。在项目实施过程中，李全生始终坚持系统思维，坚持开放包容合作，多次组织研讨，项目各子课题协同推进，让各项科研成果形成叠加效应。从地下到地上，从水土保持到复垦绿化，随着一项项关键技术突破进而形成生态开采技术体系，并在北方矿区进行生态开采工程示范，矿区生态系统修复的效果逐渐显现，曾经的“伤口”正在慢慢愈合。

工程实践上，国家能源集团建设了半干旱草原区胜利露天开采示范区、酷寒草原区宝日希勒露天开采示范区、软岩富水区敏东一矿井工开采示范区，创建了大型煤电基地生态的系统保护与开采减损模式。中国工程院王双明院士评价认为，大型煤电基地开展的生态修复系统性集成示范，应用创新性理念、针对性关键技术和系统性解决方案获得了积极有效的实践成果，为我国大型煤电基地科学开发中的生态恢复工作提供了第一个范例。

宝日希勒露天矿和胜利露天矿建成国家级绿色矿山，植被盖度均提升40%以上，并建成世界首座露天煤矿地下水库，储水量达122万立方米，实现了露天煤矿矿坑水冬储夏用。神东煤炭矿区开采初期，植被覆盖率在3%至10%。经过多年的生态开采科技创新与实践，如今，神东煤炭矿区植被覆盖率达65%，呈现出一片生机勃勃的景象。

此外，项目实施团队研究制定了涵盖减损开采、监测、决策、修复、评价的煤炭生态开采标准体系，提出了基于数字孪生的矿区生态修复方案智能优化方法，研发了“信息采集—定量建模—孪生仿真—辅助决策”的矿区生态修复智能决策系统。

这一系列成果已经在我国生态脆弱区21座大型露天矿、55座井工矿推广应用，提升了生态修复决策科学化水平，大幅降低了生态修复费用，提高了煤炭产能和资源回收率，实现煤炭开采与生态保护相协调、矿区土地与水资源保护。中国工程院彭苏萍院士表示，李全生团队研究形成的一系列先进理念和关键技术，丰富和发展了煤炭开采和矿区生态修复理论与技术，实现了从“矿区煤炭开采与生态环境协调”向“大型煤电基地开发与区域生态安全协同”的跨越提升，为我国大型煤电基地科学开发提供了重要支撑。

目前，由李全生牵头的“十四五”国家重点研发计划项目《北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术及示范》，正在生态脆弱的准能集团矿区、平庄煤业矿区实施。该项目以推动我国生态保护型煤炭基地和北方重要生态安全屏障建设为目标，研究成果将为我国煤炭主产地规模化开发、能源保供与区域生态安全相协调及打赢“三北”工程攻坚战提供科技支撑。我们有理由相信，在李全生团队的努力下，煤炭开采与生态保护的和谐共生将在更多地方成为现实。