煤炭開(kāi)采，難以避免破壞自然環(huán)境。

在開(kāi)發(fā)自然資源的同時(shí)，如何減少對(duì)自然環(huán)境的擾動(dòng)，保護(hù)好、修復(fù)好自然生態(tài)，這是自然資源開(kāi)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(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會(huì)上，國(guó)家能源集團(tuán)科技與信息化部一級(jí)業(yè)務(wù)總監(jiān)、煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任李全生因30年深耕生態(tài)保護(hù)型開(kāi)采獲得孫越崎能源大獎(jiǎng)。

李全生提出的生態(tài)保護(hù)型開(kāi)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(kāi)采”辯證法。

靠科技實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與煤炭開(kāi)發(fā)相協(xié)調(diào)

據(jù)了解，我國(guó)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(hù)與煤炭高效開(kāi)發(fā)，難度很大。

神東礦區(qū)從1985年開(kāi)始開(kāi)發(fā)建設(shè)。開(kāi)采初期，植被覆蓋率在3%至10%。經(jīng)過(guò)幾十年開(kāi)發(fā)、生態(tài)修復(fù)科技創(chuàng)新與實(shí)踐，如今，神東礦區(qū)植被覆蓋率達(dá)70%，降雨量也明顯增加，在向大地借煤的同時(shí)，還自然以春。

“這就說(shuō)明靠科技，可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與煤炭開(kāi)發(fā)相協(xié)調(diào)?！崩钊f(shuō)。

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

生態(tài)治理的源頭是開(kāi)采。從源頭上減少開(kāi)采損傷，不僅可以降低生態(tài)修復(fù)的難度和成本，而且可以將煤炭開(kāi)采與生態(tài)修復(fù)作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮，進(jìn)行采后植被生境的仿生重構(gòu)、系統(tǒng)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)“既開(kāi)發(fā)金山銀山，又再造綠水青山”的目標(biāo)。

煤炭開(kāi)采分井工和露天兩種方式。李全生介紹，開(kāi)采損傷的本質(zhì)都是對(duì)煤層上覆巖土層的損傷或破壞，井工開(kāi)采由下至上損傷，露天開(kāi)采由上至下?lián)p傷，導(dǎo)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(kāi)采）等問(wèn)題。

“生態(tài)保護(hù)型開(kāi)采，就是要充分揭示自然規(guī)律，利用規(guī)律和自然恢復(fù)力，以最小的開(kāi)采擾動(dòng)和礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)相協(xié)調(diào)?！崩钊f(shuō)。

圍繞生態(tài)保護(hù)型開(kāi)采理念，李全生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(dǎo)機(jī)理，二是開(kāi)采損傷的量化評(píng)價(jià)，三是減損開(kāi)采機(jī)制。

為量化開(kāi)采損傷，李全生團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)三維模擬試驗(yàn)平臺(tái)，提出開(kāi)采覆巖損傷度計(jì)算方法。三維模擬試驗(yàn)平臺(tái)可對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)與裂隙發(fā)育進(jìn)行實(shí)時(shí)立體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

在“覆巖—地表—生態(tài)”損傷傳導(dǎo)機(jī)理方面，李全生團(tuán)隊(duì)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(fù)相關(guān)，與巖層強(qiáng)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(tái)階型裂縫產(chǎn)生的根本原因。

“過(guò)去，一提起煤炭開(kāi)采，就會(huì)說(shuō)對(duì)環(huán)境破壞很大。但煤炭開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響范圍到底如何？一直沒(méi)有量化數(shù)據(jù)。”李全生說(shuō)。

李全生（左）在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

為此，李全生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，基于67個(gè)大型井工煤礦生態(tài)擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了礦區(qū)植被蓋度與開(kāi)采擾動(dòng)之間的距離關(guān)系，發(fā)現(xiàn)神東礦區(qū)95.4%的開(kāi)采擾動(dòng)集中在距離開(kāi)采區(qū)664米至1764米范圍內(nèi)。

在露天開(kāi)采方面，李全生團(tuán)隊(duì)建立了露天開(kāi)采影響邊界識(shí)別方法，基于30年的區(qū)域生態(tài)遙感、地下水實(shí)地監(jiān)測(cè)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(kāi)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(gè)整體盡量同步下沉

開(kāi)采損傷規(guī)律與機(jī)理很專業(yè)，聽(tīng)起來(lái)甚至有點(diǎn)枯燥；但應(yīng)用這些知識(shí)，從源頭減少開(kāi)采損傷，則很實(shí)用。

依據(jù)井工開(kāi)采的影響過(guò)程，李全生團(tuán)隊(duì)研發(fā)了減損開(kāi)采技術(shù)體系，包括源頭減損開(kāi)采、損傷精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、損傷傳導(dǎo)控制、損傷末端修復(fù)技術(shù)等。

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

變采寬協(xié)調(diào)開(kāi)采的核心是減少非均勻沉降。

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

在傳統(tǒng)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(fù)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(diào)開(kāi)采則通過(guò)工作面布置、開(kāi)采工藝調(diào)控，讓開(kāi)采影響不超過(guò)地層或地表的承受能力，使區(qū)域作為一個(gè)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(jìn)而縮小開(kāi)采損傷范圍、減小損傷程度。

相比傳統(tǒng)開(kāi)采方式，神東礦區(qū)應(yīng)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(yīng)用于我國(guó)中東部建（構(gòu)）筑物下采煤。

采高、工作面長(zhǎng)度、開(kāi)采推進(jìn)速度也與開(kāi)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(tuán)隊(duì)以減少開(kāi)采損傷為目標(biāo)，對(duì)開(kāi)采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。他們提出，針對(duì)上灣煤礦12401工作面，當(dāng)采高小于7.8米、推進(jìn)速度每天不小于11.9米、工作面長(zhǎng)度304米，加大工作面尺寸、提高推進(jìn)速度、降低采高，可以減少地表?yè)p傷。

開(kāi)采過(guò)程中也需要控制損傷、減少沉降。“最好的方式是充填。”李全生說(shuō)，一是阻止開(kāi)采損傷向上傳導(dǎo)，二是修復(fù)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(jì)上一般難以承受。需要精準(zhǔn)充填，用最小的成本取得最優(yōu)的充填效果。

為此，李全生團(tuán)隊(duì)研發(fā)了靶向動(dòng)態(tài)注漿充填過(guò)程控?fù)p技術(shù)，可使覆巖裂隙開(kāi)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(yīng)用于神東礦區(qū)，日均處理矸石5000噸。

“水是生態(tài)之基?！崩钊f(shuō)，在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中，含水層功能修復(fù)、水資源保護(hù)利用占據(jù)重要地位。

日常生活中，自來(lái)水使用久了，水垢會(huì)堵塞水管。李全生團(tuán)隊(duì)利用這一現(xiàn)象修復(fù)含水層。他們往覆巖的導(dǎo)水裂隙里注入修復(fù)試劑，誘導(dǎo)水中的鐵離子、鈣離子等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉淀結(jié)垢，進(jìn)而堵住裂隙，使裂隙滲水少，幫助含水層恢復(fù)生態(tài)功能。

神東礦區(qū)的地下水庫(kù)是煤炭行業(yè)水資源保護(hù)利用的一個(gè)樣板，生態(tài)效益突出。水庫(kù)安全是必須解決的問(wèn)題。

為保障地下水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)安全，李全生團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(dòng)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(kù)壩體及其構(gòu)筑方法”獲得第二十三屆中國(guó)專利金獎(jiǎng)。

建成世界首座露天煤礦地下水庫(kù)

“露天開(kāi)采源頭減損的核心是縮小土地占用面積，縮小生態(tài)擾動(dòng)范圍、縮短持續(xù)時(shí)間?！崩钊f(shuō)。

露天開(kāi)采，邊坡角越大，占地面積越小，開(kāi)采成本越低。但邊坡角過(guò)大，又會(huì)面臨滑坡等安全問(wèn)題。剝離的巖土盡量?jī)?nèi)排，少外排，也可以減少土地占用。以邊坡角安全提升和強(qiáng)化內(nèi)排為核心，李全生團(tuán)隊(duì)研發(fā)了露天采排復(fù)一體化節(jié)地減損開(kāi)采技術(shù)。

應(yīng)用這一技術(shù)以來(lái)，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(chǎng)占地面積縮小1128畝。

針對(duì)露天開(kāi)采水資源保護(hù)利用，李全生團(tuán)隊(duì)提出“潛流濕地—近地表儲(chǔ)水層—含水層—地下水庫(kù)”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(fù)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(kāi)采，把煤層上方的土壤、巖石揭開(kāi)后，就把巖石、土壤、矸石等混合在一起排棄，排土場(chǎng)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(chǎng)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(guò)這種方式，再造含水層，使礦區(qū)地下水系連接起來(lái)。

“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?！崩钊鷪F(tuán)隊(duì)成員、煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授級(jí)高級(jí)工程師郭俊廷說(shuō)。

應(yīng)用仿原始地層生態(tài)型重構(gòu)技術(shù)，勝利露天煤礦開(kāi)采影響區(qū)地下水位恢復(fù)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(kāi)采水資源流失，李全生團(tuán)隊(duì)提出了礦坑水立體儲(chǔ)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(chǔ)水、排土場(chǎng)再造生態(tài)含水層儲(chǔ)水、露天煤礦地下水庫(kù)以及煤層底板深部基巖含水層儲(chǔ)水等。

應(yīng)用研發(fā)的露天煤礦地下水庫(kù)建設(shè)與安全運(yùn)行成套技術(shù)，李全生團(tuán)隊(duì)在寶日希勒露天煤礦建成世界首座露天煤礦地下水庫(kù)，儲(chǔ)水量達(dá)122萬(wàn)立方米，實(shí)現(xiàn)了露天煤礦礦坑水冬儲(chǔ)夏用。

露天煤礦地下水庫(kù)地表植物塘（蓄水）

露天煤礦如何建地下水庫(kù)？水的利用如何實(shí)現(xiàn)？

李全生介紹道，露天煤礦地下水庫(kù)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(jí)配的巖石等組成，巖石縫隙中可以儲(chǔ)水；人造（重塑）含水層上部鋪設(shè)濾水層；還可以在頂部做種植及匯水層。經(jīng)過(guò)處理后的水，通過(guò)管道注入人造（重塑）含水層。雨水在地表匯集后，經(jīng)過(guò)濾水層凈化，儲(chǔ)存在人造（重塑）含水層中。人造（重塑）含水層底部設(shè)有集水凹槽，使用時(shí)可用管道從這里取水，實(shí)現(xiàn)礦坑水高效儲(chǔ)用。

李全生團(tuán)隊(duì)將生態(tài)保護(hù)型開(kāi)發(fā)與信息技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)了生態(tài)修復(fù)決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)生態(tài)影響范圍進(jìn)行量化，智能優(yōu)化植被修復(fù)方案，實(shí)施精準(zhǔn)管護(hù)，開(kāi)展修復(fù)效果評(píng)價(jià)，實(shí)行生態(tài)演變推演預(yù)測(cè)，提供礦區(qū)生態(tài)修復(fù)全生命周期智能決策。

“未來(lái)，生態(tài)保護(hù)型開(kāi)采將形成‘實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)—源頭減損—過(guò)程控?fù)p—系統(tǒng)修復(fù)—資源循環(huán)’的全鏈條體系，結(jié)合智能化、低碳化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)的深度協(xié)同?！崩钊硎?。

作者：本報(bào)記者鄢麗娜 通訊員郭俊廷

版面編輯：麻文斌 來(lái)源：中國(guó)煤炭報(bào)

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