煤炭开采，难以避免破坏自然环境。

在开发自然资源的同时，如何减少对自然环境的扰动，保护好、修复好自然生态，这是自然资源开发行业不可回避的重大课题。

2023年10月，在孙越崎能源大奖颁奖大会上，国家能源集团科技与信息化部一级业务总监、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因30年深耕生态保护型开采获得孙越崎能源大奖。

李全生提出的生态保护型开采指什么？

近日，在位于北京市东城区滨河路的神华大厦，李全生向记者介绍了他的“生态开采”辩证法。

靠科技实现生态保护与煤炭开发相协调

据了解，我国80%以上的煤炭产自黄河流域、北方防沙带等生态脆弱区。区域干旱缺水、物种多样性少。想要协调生态保护与煤炭高效开发，难度很大。

神东矿区从1985年开始开发建设。开采初期，植被覆盖率在3%至10%。经过几十年开发、生态修复科技创新与实践，如今，神东矿区植被覆盖率达70%，降雨量也明显增加，在向大地借煤的同时，还自然以春。

“这就说明靠科技，可以实现生态保护与煤炭开发相协调。”李全生说。

李全生将他30年的研究总结为生态保护型开采，核心理念是“减损开采—仿生重构—系统修复”。

生态治理的源头是开采。从源头上减少开采损伤，不仅可以降低生态修复的难度和成本，而且可以将煤炭开采与生态修复作为一个系统来考虑，进行采后植被生境的仿生重构、系统修复，实现“既开发金山银山，又再造绿水青山”的目标。

煤炭开采分井工和露天两种方式。李全生介绍，开采损伤的本质都是对煤层上覆岩土层的损伤或破坏，井工开采由下至上损伤，露天开采由上至下损伤，导致生态载体——地下水含水层、地表土层的损伤，出现地下水位下降、地表植被根系拉伤（井工）或直接挖损（露天开采）等问题。

“生态保护型开采，就是要充分揭示自然规律，利用规律和自然恢复力，以最小的开采扰动和矿区生态系统修复，实现煤炭开采与生态保护相协调。”李全生说。

围绕生态保护型开采理念，李全生带领团队开展了一系列基础理论研究：一是“覆岩—地表—生态”损伤传导机理，二是开采损伤的量化评价，三是减损开采机制。

为量化开采损伤，李全生团队自主设计研发三维模拟试验平台，提出开采覆岩损伤度计算方法。三维模拟试验平台可对岩层运动与裂隙发育进行实时立体动态监测。

在“覆岩—地表—生态”损伤传导机理方面，李全生团队明确了岩层破断的触发条件，发现覆岩极限破断距与采高、埋深负相关，与岩层强度、厚度正相关，覆岩主关键层结构失稳是地表台阶型裂缝产生的根本原因。

“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。

为此，李全生带领团队，基于67个大型井工煤矿生态扰动统计数据，分析了矿区植被盖度与开采扰动之间的距离关系，发现神东矿区95.4%的开采扰动集中在距离开采区664米至1764米范围内。

在露天开采方面，李全生团队建立了露天开采影响边界识别方法，基于30年的区域生态遥感、地下水实地监测大数据耦合分析，量化了东部草原区、北方防沙带等不同类型区域露天开采生态影响范围。东部草原区植被的影响距离约为2千米，土壤的影响距离为1千米，地下水位降幅5米的影响距离为4千米到12千米。

使区域作为一个整体尽量同步下沉

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，从源头减少开采损伤，则很实用。

依据井工开采的影响过程，李全生团队研发了减损开采技术体系，包括源头减损开采、损伤精准监测、损伤传导控制、损伤末端修复技术等。

李全生团队主要采用的源头减损开采技术为“变采宽协调开采和超大工作面开采降低非均匀沉降面积的减损方法”（以下简称变采宽协调开采）及正在研发中的“垮落带负碳充填技术”。

变采宽协调开采的核心是减少非均匀沉降。

煤炭开采出来后，地面必然会沉降。如果均匀沉降，区域岩层、含水层基本不会被破坏，地层整体结构没有大变化，地表不产生裂缝，那么开采对植被或地表人工附属设施的影响就会小很多。

在传统开采方式下，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承受能力，使区域作为一个整体往下沉降，不改变岩层内部结构和水系连通性，进而缩小开采损伤范围、减小损伤程度。

相比传统开采方式，神东矿区应用该技术后，地表非均匀沉降面积减少45%以上。目前，该技术已广泛应用于我国中东部建（构）筑物下采煤。

采高、工作面长度、开采推进速度也与开采损伤密切相关。

依托神东矿区上湾煤矿12401工作面，李全生团队以减少开采损伤为目标，对开采参数进行优化。他们提出，针对上湾煤矿12401工作面，当采高小于7.8米、推进速度每天不小于11.9米、工作面长度304米，加大工作面尺寸、提高推进速度、降低采高，可以减少地表损伤。

开采过程中也需要控制损伤、减少沉降。“最好的方式是充填。”李全生说，一是阻止开采损伤向上传导，二是修复已有的裂隙。

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。需要精准充填，用最小的成本取得最优的充填效果。

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矿区，日均处理矸石5000吨。

“水是生态之基。”李全生说，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。

日常生活中，自来水使用久了，水垢会堵塞水管。李全生团队利用这一现象修复含水层。他们往覆岩的导水裂隙里注入修复试剂，诱导水中的铁离子、钙离子等发生化学反应，沉淀结垢，进而堵住裂隙，使裂隙渗水少，帮助含水层恢复生态功能。

神东矿区的地下水库是煤炭行业水资源保护利用的一个样板，生态效益突出。水库安全是必须解决的问题。

为保障地下水库坝体结构安全，李全生团队研发了装配式楔形坝体构筑技术，在顶板与基座之间嵌入楔形顶梁，水的侧向压力越大，楔形顶梁嵌入越紧实，坝体越牢固。该技术把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。

2022年7月，基于该技术的“一种地下水库坝体及其构筑方法”获得第二十三届中国专利金奖。

建成世界首座露天煤矿地下水库

“露天开采源头减损的核心是缩小土地占用面积，缩小生态扰动范围、缩短持续时间。”李全生说。

露天开采，边坡角越大，占地面积越小，开采成本越低。但边坡角过大，又会面临滑坡等安全问题。剥离的岩土尽量内排，少外排，也可以减少土地占用。以边坡角安全提升和强化内排为核心，李全生团队研发了露天采排复一体化节地减损开采技术。

应用这一技术以来，宝日希勒露天煤矿地面生产系统占地面积减少92亩/年，胜利露天煤矿产能提升40%、采场占地面积缩小1128亩。

针对露天开采水资源保护利用，李全生团队提出“潜流湿地—近地表储水层—含水层—地下水库”立体保水措施。

他们研发了以地下含水层结构和水力联系恢复为核心的仿原始地层生态型重构技术。

据了解，原始地层结构由下至上分别是底板岩层、煤层、岩层、含水层、岩层、土壤层、自然草地。

传统露天开采，把煤层上方的土壤、岩石揭开后，就把岩石、土壤、矸石等混合在一起排弃，排土场由下至上分别是底板岩层、混合排弃层。

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。

“就像身上有块伤疤，不仅要伤口愈合，还要让血管重新连接在一起。”李全生团队成员、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。

应用仿原始地层生态型重构技术，胜利露天煤矿开采影响区地下水位恢复速度提高70%，构建了近地表含水层—隔水层结构（厚度为2米至5米），土壤含水率提高52%。

为了减少露天开采水资源流失，李全生团队提出了矿坑水立体储存的5种模式，由上至下包括地表蓄水池、第四系松散含水层储水、排土场再造生态含水层储水、露天煤矿地下水库以及煤层底板深部基岩含水层储水等。

应用研发的露天煤矿地下水库建设与安全运行成套技术，李全生团队在宝日希勒露天煤矿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。

露天煤矿如何建地下水库？水的利用如何实现？

李全生介绍道，露天煤矿地下水库分4层，矿坑底部为人造隔水层；隔水层上方是人造（重塑）含水层，主要由不同颗粒级配的岩石等组成，岩石缝隙中可以储水；人造（重塑）含水层上部铺设滤水层；还可以在顶部做种植及汇水层。经过处理后的水，通过管道注入人造（重塑）含水层。雨水在地表汇集后，经过滤水层净化，储存在人造（重塑）含水层中。人造（重塑）含水层底部设有集水凹槽，使用时可用管道从这里取水，实现矿坑水高效储用。

李全生团队将生态保护型开发与信息技术相结合，研发了生态修复决策系统。该系统可对生态影响范围进行量化，智能优化植被修复方案，实施精准管护，开展修复效果评价，实行生态演变推演预测，提供矿区生态修复全生命周期智能决策。

“未来，生态保护型开采将形成‘实时监测—源头减损—过程控损—系统修复—资源循环’的全链条体系，结合智能化、低碳化趋势，实现资源开发与生态保护的深度协同。”李全生表示。