我國煤炭資源和產(chǎn)煤基地主要分布在北方生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，煤炭開采就會擾動和損傷生態(tài)環(huán)境，然而國家發(fā)展離不開煤炭，新型能源體系建設(shè)更需要煤炭來支撐，如何突破資源與環(huán)境的困局，做到既要又要還要？
國家能源集團科技與信息化部總監(jiān)、煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室副主任、“十三五”“十四五”煤炭生態(tài)開采領(lǐng)域國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家李全生告訴記者：“開創(chuàng)煤炭生態(tài)開采理念并實現(xiàn)工程化示范，讓煤炭開采與生態(tài)保護從一對矛盾變?yōu)殡p輪驅(qū)動，協(xié)同推進高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)既開采金山銀山，又再造綠水青山。”
“我一直忘不掉我的導(dǎo)師導(dǎo)師錢鳴高院士經(jīng)常說的一句話——一切源于采礦。采礦事業(yè)是偉大的，人類只要生存就離不開原料、材料、燃料，采礦是獲取原料、燃料的一把金鑰匙。”李全生表示，在選擇這一行業(yè)之時就做好了要為煤炭工業(yè)終身奮斗的準(zhǔn)備。帶著這一理念，李全生始終將國家需求作為科研導(dǎo)向，錨定煤炭綠色開采，30多年堅守初心，矢志不移。
作為首席科學(xué)家，李全生牽頭承擔(dān)了“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目《東部草原區(qū)大型煤電基地生態(tài)修復(fù)與綜合整治技術(shù)及示范》、“十四五”國家重點研發(fā)計劃項目《北方防沙帶大型露天煤礦區(qū)生態(tài)保護與修復(fù)技術(shù)及示范》。作為研發(fā)骨干，李全生參加了“十二五”科技支撐計劃《晉陜蒙接壤區(qū)煤炭基地生態(tài)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與示范》等項目。
李全生常對團隊成員說，煤炭規(guī)?；_采對生態(tài)影響范圍大、周期長、強度高，在實現(xiàn)增產(chǎn)、提高效率、保障能源供給的同時，對煤炭主產(chǎn)區(qū)脆弱的生態(tài)保護帶來巨大挑戰(zhàn)，依靠科技創(chuàng)新打破開采與保護“兩重天”魔咒，這是科技工作者始至不渝的追求。
李全生把多年研究的理論與實踐相結(jié)合，將30多年的研究總結(jié)為煤炭生態(tài)開采，核心理念是“減損開采—水位恢復(fù)—精準(zhǔn)修復(fù)”。我國著名采礦工程專家、中國工程院院士、中國礦山壓力與巖層控制學(xué)科主要奠基人之一錢鳴高教授認(rèn)為，李全生團隊研究成果開創(chuàng)了我國煤礦區(qū)生態(tài)保護修復(fù)由損傷后被動修復(fù)到主動控?fù)p與系統(tǒng)修復(fù)研究的先河。
被譽為我國“煤炭生態(tài)開采開拓者”的李全生，2023年獲得孫越崎能源大獎，獲中國專利金獎1項、國家科技進步二等獎2項、國家科技進步三等獎1項、省部級科技一等獎14項，獲授權(quán)發(fā)明專利97件。
“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)。”李全生告訴記者，走進礦區(qū)，時常會看到有指示牌提醒，前方經(jīng)過采煤塌陷區(qū)，很快道路就會顛簸起來，這就是采空區(qū)上方巖土層破裂沉降的直觀表現(xiàn)。
無論露天開采還是井工開采，煤炭開采生態(tài)損傷的根源都是由于開采造成巖土層損傷及其傳導(dǎo)。生態(tài)開采的第一步就是創(chuàng)新煤炭開采工藝或方法，從煤炭開采生態(tài)損傷的源頭最大程度減少開采對生態(tài)的損傷-即“源頭減損開采”，首先要揭示煤炭開采生態(tài)損傷的機理，搞清楚煤炭開采損傷如何傳導(dǎo)、巖土層斷裂沉降有何規(guī)律、才能為下一步科學(xué)防治創(chuàng)造條件。
《基于開采工藝參數(shù)優(yōu)化的西部礦區(qū)地表生態(tài)減損基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)》（SHJT-17-41）、《神東礦區(qū)采動破壞巖土的自修復(fù)及其環(huán)境效應(yīng)》（GJNY-18-77）項目實施初期，正好趕上我國首個8.8米超大采高一次采全高綜采工作面投產(chǎn)，是監(jiān)測采動后覆巖運移、裂隙發(fā)育與地表生態(tài)損傷全過程的絕佳之地。
李全生團隊為搶抓機遇，不等項目經(jīng)費到位，就克服各種困難提前入駐現(xiàn)場，開展沉陷區(qū)網(wǎng)狀監(jiān)測。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：“這是一項前無古人的全盆地三維移動監(jiān)測工作，我們開展‘空天地’一體化采動損傷監(jiān)測，僅在開切眼和停采線共布設(shè)2000多個地面測量點，監(jiān)測數(shù)據(jù)量較以往多了數(shù)十倍倍。”
科研從來不是一帆風(fēng)順，想做成前無古人的事情，必然會面臨一個又一個難題。白天要開會、處理行政事務(wù)，晚上與科研團隊一起交流，商討解決各種難題。李全生說：“做煤炭研究，我是忙并快樂著、忙并幸福著、忙并充實著。”為盡量多采集第一手?jǐn)?shù)據(jù)，李全生團隊成員扎根在神東礦區(qū)連續(xù)二年，天不亮上山、看不清下山、中午沙柳旁吃點盒飯喝口水就接著工作，特別是夏天，個個變得又黑又瘦，但他們準(zhǔn)確測出地層三維變化的情況，為揭示規(guī)律掌握了奠定了信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
煤炭開采過后巖土層沉降是個持續(xù)的過程，而且多煤層分層開采，還會導(dǎo)致上覆巖層反復(fù)斷裂、沉降，如果都依靠在礦區(qū)實地監(jiān)測，不僅成本高昂，而且時間也耗不起。李全生團隊另辟蹊徑，自主研制了開采損傷傳導(dǎo)三維大尺寸模擬試驗平臺。團隊成員劉新杰博士介紹說：“利用模擬試驗平臺，我們實現(xiàn)了覆巖運移、裂隙發(fā)育與地表生態(tài)損傷全過程模擬與監(jiān)測，解決了二維模擬邊界條件過于簡化和現(xiàn)場覆巖變化內(nèi)部難以監(jiān)測與可視化的難題。”
通過系統(tǒng)實驗與理論分析，李全生團隊首次明確了巖層破斷的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)覆巖極限破斷距與采高、埋深呈負(fù)相關(guān)—即采高越大、埋深越深，覆巖極限破斷距越??；而與巖層自身的強度、厚度呈正相關(guān)，意味著巖層強度越高、厚度越大，覆巖極限破斷距相應(yīng)增加。這一規(guī)律的揭示為精準(zhǔn)預(yù)判巖層穩(wěn)定性、優(yōu)化工程設(shè)計參數(shù)提供了量化依據(jù)。
李全生不僅是生態(tài)開采理念的開拓者，更是實踐的先行者，把論文真正寫在祖國大地上。
基于提出的采動損傷機理，李全生團隊提出了生態(tài)損傷治理的途徑，即首先要縮減采動損傷范圍與阻斷開采損傷的傳導(dǎo)。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(yīng)用這些知識，從開采源頭減少損傷，則很實用。李全生介紹說：“控制地表非均勻沉降是減損開采的關(guān)鍵，為了不影響產(chǎn)量，我們發(fā)明了工作面變采寬協(xié)調(diào)開采和超大工作面減少非均勻沉降范圍的減損開采方法。”
在傳統(tǒng)井工開采方式下，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(fù)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極限變形能力，使區(qū)域作為一個整體往下沉降，盡可能不改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性，進而縮小開采損傷范圍、減小損傷程度。如今，這項技術(shù)已經(jīng)在神東煤炭多個礦井不同程度使用，在“三下壓煤”嚴(yán)重的中東部礦區(qū)廣泛采用。
系統(tǒng)修復(fù)，構(gòu)筑生態(tài)屏障
李全生常常對團隊成員說：“我們的工作要有系統(tǒng)思維，通過一個點解決一個領(lǐng)域的問題。”
生態(tài)開采本身就是構(gòu)筑我國北方生態(tài)屏障系統(tǒng)工程的一部分。在項目實施過程中，李全生始終堅持系統(tǒng)思維，堅持開放包容合作，多次組織研討，項目各子課題協(xié)同推進，讓各項科研成果形成疊加效應(yīng)。從地下到地上，從水土保持到復(fù)墾綠化，隨著一項項關(guān)鍵技術(shù)突破進而形成生態(tài)開采技術(shù)體系，并在北方礦區(qū)進行生態(tài)開采工程示范，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的效果逐漸顯現(xiàn)。
工程實踐上，國家能源集團建設(shè)了半干旱草原區(qū)勝利露天開采示范區(qū)、酷寒草原區(qū)寶日希勒露天開采示范區(qū)、軟巖富水區(qū)敏東一礦井工開采示范區(qū)，創(chuàng)建了大型煤電基地生態(tài)修復(fù)模式。中國工程院王雙明院士評價認(rèn)為，大型煤電基地開展的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)性集成示范，應(yīng)用創(chuàng)新性理念、針對性關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)性解決方案獲得了積極和有效的實踐成果，為我國大型煤電基地科學(xué)開發(fā)中生態(tài)恢復(fù)工作提供了第一個范例。
寶日希勒露天礦和勝利露天礦建成國家級綠色礦山，植被蓋度均提升40%以上，并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。神東礦區(qū)開采初期，植被覆蓋率在3%至10%。經(jīng)過多年的生態(tài)開采科技創(chuàng)新與實踐，如今，神東礦區(qū)植被覆蓋率達70%。
目前，由李全生牽頭的“十四五”國家重點研發(fā)計劃項目《北方防沙帶大型露天煤礦區(qū)生態(tài)保護與修復(fù)技術(shù)及示范》，正在生態(tài)脆弱的準(zhǔn)能礦區(qū)、平莊礦區(qū)實施。該項目以推動我國生態(tài)保護型煤炭基地和北方重要生態(tài)安全屏障建設(shè)為目標(biāo)，研究成果將為我國煤炭主產(chǎn)地規(guī)?；_發(fā)、能源保供與區(qū)域生態(tài)安全相協(xié)調(diào)及打贏“三北”工程攻堅戰(zhàn)提供科技支撐。
煤炭
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