让生态开采在矿区一路生花

在内蒙古呼伦贝尔草原深处，国家能源集团雁宝能源公司宝日希勒露天矿建成世界首座露天煤矿地下水库，储水面积达150万平方米，储水容量122万立方米，开辟北方草原蓄水新途径。

在毛乌素沙地东南缘，国家能源集团神东煤炭公司35座地下水库稳定运行，可供应神东矿区95％以上的用水，年供水量约7000万立方米；累计创造直接经济效益逾100亿元。

看着自己的心血转化为煤炭开采与生态保护双轮驱动的生动实践，国家能源集团科技与信息化部总监、煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室副主任李全生的幸福感油然而生。

“依靠科技创新，打破开采与保护‘两重天’魔咒，是我矢志不渝的追求。”李全生说。

李全生还是“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。他以30多年的研究成果为基础，提出生态开采的核心理念，即减损开采—水位恢复—精准修复，开创了我国煤炭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。

从理论创新到技术突围

“煤炭开采的问题必须从源头上解决，以创新为动力、技术为支撑。”李全生说。

国家能源集团煤炭销量约占全国的1/6，在不同矿区拥有87处煤矿，开采条件复杂多变，既有井工矿又有露天矿，既有薄煤层又有特厚煤层，非常具有典型性。

神东煤炭公司上湾煤矿四盘区首采工作面是我国首个8.8米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。

在这个工作面投产之际，李全生及其团队抢抓机遇，克服各种困难提前入驻现场，开展沉陷区网状监测。他们开展“空天地”一体化采动损伤监测，仅在开切眼和停采线处就布设了2000多个地面测量点，监测数据量是以往的数十倍。

为尽量多采集第一手数据，李全生及其团队连续两年扎根在神东矿区，天不亮上山、看不清下山、中午在沙柳旁吃点盒饭喝口水就接着工作，特别是夏天，个个变得又黑又瘦。但他们准确测出的地层三维变化情况，为揭示覆岩运移、裂隙发育等规律奠定了基础。

煤炭开采过后岩土层沉降是个持续过程，且多煤层分层开采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，时间长、成本高。

李全生及其团队另辟蹊径，自主研制了开采损伤传导三维大尺寸模拟试验平台。

“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。”李全生说。

目前，针对井工矿，李全生及其团队创新“变采宽协调开采”技术，通过调整工作面布置和开采工艺，使采动影响不超过地层极限变形能力，实现高效开采与生态控损平衡；针对露天矿，则首创“采排复一体化”模式，应用凸形工作线快速剥离等技术，将百万吨产能采坑占地减少24%至26%。胜利露天矿年产能从1200万吨跃升至2800万吨的同时，生态扰动显著减小。

从精准修复到系统协同

“生态修复要有系统思维，通过一个点解决一个领域的问题。”李全生说。

李全生及其团队不仅攻克了单项技术，还构建了涵盖减损开采、监测、决策、修复、评价的煤炭生态开采标准体系。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，矿区生态系统修复效果逐渐显现。

在神东矿区，李全生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。

“就像古老建筑中的榫卯结构一样，很好地利用凹凸之间的巧妙组合，有效限制顶梁与底座的变形，把地下水库中水的侧向压力由破坏力变为加固力，有效解决了采动或矿震诱发的坝体渗漏难题。”李全生说。

露天矿的修复更像一场仿生手术。李全生及其团队研发仿原始地层生态型重构技术，让排土场从下至上依次恢复底板岩层、重建含水层等功能，如同给伤疤重新连接“血管”和“神经”，不仅实现地表绿化，还恢复了地下水资源的连通性与土壤持水能力。应用这一技术，宝日希勒露天矿水土流失减少23%，土壤含水率提升约10%；胜利露天矿地下水位提升了70%。

目前，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，形成了大型煤电基地生态修复模式。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。神东矿区植被覆盖率由最初的3%至10%，提升到如今的70%。

另外，李全生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的21座大型露天矿、55座井工矿推广应用，推动生态修复决策科学化、成本大幅降低，提升了煤炭产能与资源回收率。

如今，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》，正在国家能源集团准能矿区、平庄矿区实施。

作者谢吉东 版面编辑：谢吉东

编辑：张莹

来源：中国煤炭报

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