從東部草原區(qū)的大型煤電基地，到黃河“幾”字灣的煤炭主產(chǎn)區(qū)，在綠水青山就是金山銀山理念指引下，一場煤炭生態(tài)保護型開采(簡稱“煤炭生態(tài)開采”)的革命，正從理念創(chuàng)新向?qū)嵺`創(chuàng)新加快推進。

曾經(jīng)，這里的開采現(xiàn)場與周邊生態(tài)仿佛處于“兩重天”，一邊是機器轟鳴的采礦作業(yè)，一邊是日漸脆弱的生態(tài)環(huán)境，而如今，這種局面正被國家能源集團李全生團隊逐步打破。

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”?

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)計劃項目首席科學家李全生博士及其團隊進行了艱苦卓絕的探索，提出了煤炭生態(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。

1錨定綠色，開創(chuàng)理念新篇

科研成功的關(guān)鍵，首先要找準方向。國家能源安全、生態(tài)安全是習近平總書記多次強調(diào)的“國之大者”。李全生始終將國家需求作為科研導向，錨定煤炭綠色開采，30多年堅守初心，矢志不渝。

李全生深深記得研究生時期的導師錢鳴高院士常說的一句話：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。

從邁進大學校園開始，李全生就做好了要為煤炭工業(yè)終身奮斗的準備，這份信念如同種子，在他心中生根發(fā)芽，支撐著他走過無數(shù)科研難關(guān)。1989年碩士畢業(yè)后，李全生被分配到煤科總院開采所從事科研工作，此后經(jīng)歷多個單位和崗位，最終進入國家能源集團工作。無論崗位如何變化，李全生始終沒有脫離煤炭行業(yè)，研究方向始終聚焦煤炭綠色開采，一直和煤礦保持“密切接觸”，不斷開發(fā)新的技術(shù)，創(chuàng)造新的突破。

對煤炭開采的多年研究，讓李全生對煤炭的重要性和面臨的問題有了更加深入的認識。他常對團隊成員說：“煤炭規(guī)模化開采對生態(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，為煤炭主產(chǎn)區(qū)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，就是我們科技工作者矢志不渝的追求。”

作為首席科學家，李全生牽頭承擔了“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)修復與綜合整治技術(shù)及示范》及“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)建設關(guān)鍵技術(shù)與示范》等項目。

翻開李全生的簡歷，發(fā)表的120多篇科技論文，出版的10部科技專著，篇篇寫盡了對“兩山”理念的認識與實踐。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)開采的核心理念是“減損開采—水位恢復—精準修復”。

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科主要奠基人之一錢鳴高教授認為，李全生團隊的研究成果開創(chuàng)了我國煤礦區(qū)生態(tài)保護修復由損傷后被動修復到主動控損與系統(tǒng)修復研究的先河。

也因此，李全生被錢鳴高、于俊崇等院士專家稱為我國煤炭生態(tài)開采的開拓者，2023年獲得孫越崎能源大獎，獲中國專利金獎1項、國家科學技術(shù)進步二等獎2項、國家科學技術(shù)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……這些榮譽，是對李全生和團隊多年辛勤付出的最佳見證。

2溯源探因，揭示損傷機理

開車進入礦區(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)。

“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)。”李全生說。無論是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。

生態(tài)開采的第一步就是創(chuàng)新煤炭開采工藝和方法，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”，首先需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、巖土層斷裂沉降有何規(guī)律，才能為下一步科學防治創(chuàng)造條件。

國家能源集團煤炭銷量占全國1/6，下轄各礦區(qū)87處煤礦的開采條件復雜多變，既有井工礦也有露天礦，既有薄煤層也有特厚煤層，非常具有典型性，正是生態(tài)開采這篇大文章的落筆之處。2016年，國家首批重點研發(fā)計劃指南發(fā)布，李全生抓住機遇，將國家科技需求與集團公司科技需求緊密結(jié)合，帶領(lǐng)團隊組織申報“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)修復與綜合整治技術(shù)及示范》，在集團公司的支持下，在團隊的努力下，在激烈的競爭中，這個團隊成功拿到了國家科技項目。該項目由國家能源集團牽頭承擔，是首個由企業(yè)承擔的煤炭開采領(lǐng)域國家級重點研發(fā)計劃項目，李全生成為該項目牽頭負責人。他廣納賢才打造一流科研團隊，構(gòu)思科研項目的頂層架構(gòu)，協(xié)調(diào)組織各方力量攻堅。

《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)》與《神東礦區(qū)采動破壞巖土的自修復及其環(huán)境效應》項目實施初期，正好趕上神東煤炭上灣煤礦四盤區(qū)首采工作面投產(chǎn)。這是我國首個8.8m超大采高一次采全高綜采工作面，屬于特厚煤層，埋藏淺，傾角小，各項條件優(yōu)越，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，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：“這是一項全盆地同時空高頻三維監(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。”

科研從來不是一帆風順的，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，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數(shù)據(jù)，李全生團隊成員連續(xù)兩年扎根在神東礦區(qū)，天不亮上山、天黑了下山、中午在沙柳旁吃點盒飯喝口水就接著工作，特別是在夏天，陽光炙烤著大地，團隊成員個個都變得又黑又瘦，但他們毫無怨言，準確測出地層三維變化的情況，為揭示規(guī)律奠定了信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

煤炭開采過后的巖土層沉降是個持續(xù)的過程，而且多煤層分層開采，還會導致上覆巖層反復斷裂、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。對此，李全生團隊另辟蹊徑，自主研制了開采損傷傳導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、埋深呈負相關(guān)，即采高越大、埋深越深，覆巖極限破斷距越小;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增加。這一規(guī)律的揭示為精準預判巖層穩(wěn)定性、優(yōu)化工程設計參數(shù)提供了量化依據(jù)。

更值得關(guān)注的是，研究團隊證實，覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是導致地表出現(xiàn)臺階型裂縫的根本原因。這一研究結(jié)論為預防地質(zhì)災害、保護地表生態(tài)與工程安全指明了關(guān)鍵防控方向，對礦產(chǎn)資源安全高效綠色開發(fā)具有重要指導意義。同時，研究團隊還揭示了露天“開挖卸荷及外排堆載—引起應力場和滲流場重布—邊坡巖土變形滑移—地下水位下降—導致周邊生態(tài)退化”的開采生態(tài)損傷傳導機理。露天開采巖土剝離形成的自由面和空間是損傷傳導的源頭，應力釋放、巖土位移、水土流失、水位下降，是露天開采生態(tài)損傷傳導的主要途徑。

3主動減損，變革開采方式

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。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廣泛使用，就像給礦區(qū)裝上了“保護盾”，有效減少了開采對生態(tài)的損傷。

針對露天煤礦實施采排復一體化減損開采問題，李全生團隊抓住露天開采挖損和外排壓占土地這一控制開采損傷范圍和程度的關(guān)鍵，發(fā)明了集凸形工作線快速剝離、變長工作線多工作面協(xié)同開采、傾斜基底剝離物提前快速內(nèi)排等節(jié)地減損開采方法，實現(xiàn)了露天開采“少挖損、快內(nèi)排、少外排”。

露天礦百萬噸煤產(chǎn)量采坑土地占用減少24%-26%、外排占地減少16%-21%，開采影響范圍減少約20%。勝利露天礦在減損開采的同時，產(chǎn)能由1200萬t/a提升到2800萬t/a，實現(xiàn)了生態(tài)保護與產(chǎn)量提升的雙贏。

不僅是開采工藝設計，開采過程中也需要控制損傷傳導、減少沉降，最好的方式是充填。李全生說：“理論上，將采空區(qū)全部充填，效果最好，但這在經(jīng)濟上一般難以承受，且與開采工藝相互影響，開采效率低，無法滿足高產(chǎn)高效礦井的實際需求，我們還需要更加精準地掌握煤炭開采上覆巖層運動和地表沉降規(guī)律，從充填材料、工藝等方面進行科技攻關(guān)、降低成本，用最小的成本取得最優(yōu)的充填效果，為企業(yè)大規(guī)模推廣應用奠定基礎(chǔ)。”為此，李全生團隊研發(fā)了靶向動態(tài)注漿充填過程控損技術(shù)，可使覆巖裂隙開度降低43.6%，裂隙帶發(fā)育高度降低27.3%。目前，該技術(shù)已應用于神東煤炭等多個礦區(qū)，日均處理矸石5000噸。下一步，李全生團隊還將探索進一步降低充填成本、提高減損效果的技術(shù)方法，為企業(yè)大規(guī)模推廣應用提供科技支撐。

4仿生重構(gòu)，再造生態(tài)功能

在井工煤礦采空區(qū)和露天煤礦排土場，綠化復墾已經(jīng)成為國內(nèi)外廣泛采用的生態(tài)保護模式，該模式主要是對地表進行土地整治、土壤改良，但無法保護和修復地下幾百米甚至上千米煤層之上采動損傷破裂的巖土層和地下含水層，水土流失、水位下降、土壤退化、植被退化等問題無法根本解決。李全生考慮得更加長遠，他說：“如果只是簡單的表面修復不可持久，對于井工開采我們要采用新技術(shù)實現(xiàn)含水層近自然修復，減少地下水的滲漏，恢復地下水位;對于露天開采我們要實現(xiàn)內(nèi)排土場地層的近自然層序重構(gòu)，再造含/隔水層，實現(xiàn)地下水系連通，恢復地下水位，再造地表土壤層，恢復土地的生態(tài)功能，確保今后即使離開人為干預，土地也能恢復自然生長的能力，提升生態(tài)系統(tǒng)自維持能力。”

水是生態(tài)之基，在礦區(qū)生態(tài)修復中，含水層功能修復、水資源保護利用占據(jù)重要地位。井工礦傳統(tǒng)的“限高降損”方式雖然能有效避免含水層被破壞，卻難以適應大型井工礦高效采煤需求。考慮到含水層流失水體主要沿導水裂隙主通道漏失，李全生團隊從人工干預角度采取措施，著重對覆巖導水裂隙主通道進行干預修復，探索形成了人工灌注化學試劑促進鐵/鈣質(zhì)化學沉淀封堵采動巖體孔隙和裂隙的含水層修復方法。簡而言之，和浴室花灑用久了出水孔會被水垢堵死是一個原理。試驗礦應用后，導水裂隙主通道滲透率降低2個數(shù)量級以上，含水層失水流量降低36%-59%，有力促進了地下水位恢復。

露天礦開發(fā)剝離的巖土無序堆存，使得排土場內(nèi)部存在很多孔隙甚至裂隙，水分子滲入時會沿著優(yōu)先路徑快速下滲，極少留存在土壤中，導致排土場土壤持水能力通常較自然土壤差，不利于后期綠化復墾。李全生團隊選擇仿原始地層生態(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。通過這種方式，再造含水層，使礦區(qū)地下水系連接起來。“就像身上有塊傷口，不僅要讓傷口愈合，還要讓血管與神經(jīng)重新連接起來。”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。

此外，團隊首創(chuàng)了內(nèi)排土場構(gòu)建近地表儲水層(蓄積大氣降水)、再造含水層(恢復地下水位)、地下儲水構(gòu)筑物構(gòu)建(儲存礦坑水)的立體保水技術(shù)體系，研發(fā)了與采排相協(xié)調(diào)的地下儲水構(gòu)筑物選址、排棄顆粒物級配的儲水空間構(gòu)建方法，研發(fā)了統(tǒng)籌露天礦全生命周期采排土方平衡的排土場技術(shù)，研發(fā)了深層補水的節(jié)水灌溉、基于原生種子庫的植被修復等排土場生態(tài)重建技術(shù)，創(chuàng)建了排土場地貌—土壤—植被一體化修復技術(shù)體系，實現(xiàn)了排土場地貌保水控蝕和土壤生態(tài)水位控制的近自然重塑。

實施后，寶日希勒露天礦水土流失率降低23%，土壤含水率提升約10%，勝利能源露天礦地下水位提升70%。在神東煤炭礦區(qū)，李全生團隊發(fā)明了上部楔形密封頂梁、下部嵌入底板“主動防滲、系統(tǒng)安全”的壩體結(jié)構(gòu)及裝配式施工技術(shù)，把地下水庫中水的側(cè)向壓力由破壞力變?yōu)榧庸塘Γ行Ы鉀Q了因采動或礦震誘發(fā)的壩體滲漏難題，獲第二十三屆中國專利金獎，這項技術(shù)為礦區(qū)水資源的儲存和利用提供了堅實保障。

5系統(tǒng)修復，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。從地下到地上，從水土保持到復墾綠化，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)修復的效果逐漸顯現(xiàn)，曾經(jīng)的“傷口”正在慢慢愈合。

工程實踐上，國家能源集團建設了半干旱草原區(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)的系統(tǒng)保護與開采減損模式。中國工程院王雙明院士評價認為，大型煤電基地開展的生態(tài)修復系統(tǒng)性集成示范，應用創(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有效的實踐成果，為我國大型煤電基地科學開發(fā)中的生態(tài)恢復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。神東煤炭礦區(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，神東煤炭礦區(qū)植被覆蓋率達65%，呈現(xiàn)出一片生機勃勃的景象。

此外，項目實施團隊研究制定了涵蓋減損開采、監(jiān)測、決策、修復、評價的煤炭生態(tài)開采標準體系，提出了基于數(shù)字孿生的礦區(qū)生態(tài)修復方案智能優(yōu)化方法，研發(fā)了“信息采集—定量建模—孿生仿真—輔助決策”的礦區(qū)生態(tài)修復智能決策系統(tǒng)。

這一系列成果已經(jīng)在我國生態(tài)脆弱區(qū)21座大型露天礦、55座井工礦推廣應用，提升了生態(tài)修復決策科學化水平，大幅降低了生態(tài)修復費用，提高了煤炭產(chǎn)能和資源回收率，實現(xiàn)煤炭開采與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)、礦區(qū)土地與水資源保護。中國工程院彭蘇萍院士表示，李全生團隊研究形成的一系列先進理念和關(guān)鍵技術(shù)，豐富和發(fā)展了煤炭開采和礦區(qū)生態(tài)修復理論與技術(shù)，實現(xiàn)了從“礦區(qū)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)”向“大型煤電基地開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)同”的跨越提升，為我國大型煤電基地科學開發(fā)提供了重要支撐。

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)保護與修復技術(shù)及示范》，正在生態(tài)脆弱的準能集團礦區(qū)、平莊煤業(yè)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)安全屏障建設為目標，研究成果將為我國煤炭主產(chǎn)地規(guī)模化開發(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。我們有理由相信，在李全生團隊的努力下，煤炭開采與生態(tài)保護的和諧共生將在更多地方成為現(xiàn)實。