科技日报记者 陆成宽
煤炭开采难免破坏自然环境。如何在开发资源的同时，最大限度减少资源开采产生的环境扰动，切实保护并修复自然生态，已成为自然资源开发行业必须解决的重大课题。
面对煤炭开采与生态保护的矛盾，有一位专家三十余年如一日扎根煤海，带领团队将论文写在祖国大地上。他提出“煤炭生态开采”理念并实现工程化示范，在生态脆弱区书写了“既采金山银山，又造绿水青山”的辩证答卷。
这位专家就是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。他用科技之钥，解开了煤炭开采与保护“两重天”的难题。
矢志“开采光明”
“煤矿工作者是‘开采光明’的人，你们都要做好为煤矿奉献50年的准备。”他的导师中国工程院院士钱鸣高的这句话，时时回响在李全生心中。从迈进大学校园开始，他就做好了为煤炭工业终生奋斗的准备。
1989年硕士毕业后，李全生被分配到原煤炭科学研究总院北京开采研究所从事科研工作，此后在多个单位的岗位上工作过，最终进入国家能源集团工作。但无论岗位如何变化，李全生始终没有离开煤炭行业，一直和煤矿保持“亲密接触”，研究方向聚焦煤炭绿色开采。
多年研究煤炭开采，让李全生对煤炭的重要性和面临的问题有了更加深入的认识。他常对团队成员说：“煤炭规模化开采对生态影响范围大、周期长、强度高，在实现增产、提高效率、保障能源供给的同时，必须同步推进煤炭开采与生态保护。”
然而，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，这些区域干旱缺水、物种少，要想协调生态保护与煤炭高效开发，难度很大。
但是，国家能源集团神东矿区的“华丽转身”，让李全生坚信，科技可以实现生态保护与煤炭开发相协调。“神东矿区从1985年开始开发建设。开采初期，植被覆盖率在3%—10%之间。但我们依靠科技手段进行了保护开采。经过几十年的保护开采与生态修复，如今的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，成功还自然以春。”李全生介绍。
基于30多年的研究积累，李全生凝练提出煤炭生态开采理念，核心理念是“减损开采—水位恢复—精准修复”。钱鸣高认为，李全生团队的研究成果，开创了我国煤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。
揭示损伤机理
开车驶过矿区，颠簸的塌陷路面是大地无声的伤疤。“过去总说采矿破坏环境，但具体破坏范围有多大？这一度缺乏量化数据。”李全生道出了曾经的行业痛点。
不管是露天挖煤还是井工采煤，破坏生态的根源都是开采时损伤了地下岩土层，而且这种损伤会向上传导到地表。所以，生态开采的第一步就是要改进采煤方法，从源头上最大程度减少对地层的破坏，也就是“源头减损开采”。
但要做到这点，必须先搞明白两个关键问题：一是开采造成的损伤是怎么一步步传到地表的？二是岩土层断裂沉降有什么规律？
为此，李全生带领团队，基于67个大型井工煤矿的生态扰动数据，首次量化分析了矿区植被盖度与开采扰动源的距离关系。
科研从来不是一帆风顺，想做成前无古人的事情，必然会面临一个又一个难题。白天要开会、处理行政事务，晚上与科研团队一起交流，商讨解决各种难题。李全生说：“做煤炭研究，我是忙并快乐着、忙并幸福着、忙并充实着。”为多采集第一手数据，李全生团队成员连续两年扎根在神东矿区，天不亮上山、看不清路时才下山，中午在沙柳旁吃点盒饭喝口水就接着工作，特别是夏天，他们个个变得又黑又瘦。但他们准确测出地层三维变化的情况，为揭示其规律奠定了信息和数据基础。
“这是一项前无古人的全盆地三维移动监测工作。我们自主研发了大尺寸三维模拟平台，开展了‘空天地’一体化采动损伤监测，仅在开切眼和停采线就布设2000多个地面测量点，监测数据量较以往多了数十倍。”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。
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，基于对30年的区域生态遥感、地下水实地监测数据深入分析，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。
通过这些研究，李全生团队首次明确了影响岩层断裂的关键因素：煤层采高越大、埋得越深，岩层越容易破断；反之，岩层本身越坚硬、越厚实，就越不容易断。这为预测地面稳定性、优化工程设计提供了科学依据。
更重要的发现是，关键岩层结构的垮塌是导致地表出现大裂缝的“元凶”。这指明了预防地质灾害和保护生态的关键方向。团队还揭示了露天开采“开挖卸荷—应力渗流场重构—边坡变形—水土流失—生态退化”的损伤传导机理。这些发现为煤炭生态开采提供了坚实的理论基础。
坚持系统思维
李全生不仅是生态开采理念的开拓者，更是实践者。他常对团队成员说：“我们的工作要有系统思维，通过一个点解决一个领域的问题。”
生态开采本身就是构筑我国北方生态屏障的重要实践。他们先后在半干旱草原区建设了胜利露天开采示范区，在酷寒草原区建设了宝日希勒露天开采示范区，在软岩富水区建设了敏东一矿井工开采示范区，成功创建大型煤电基地生态修复模式。
其中，宝日希勒露天矿建成了世界首座露天煤矿地下水库，储水量达122万立方米，实现矿坑水冬储夏用；宝日希勒露天矿和胜利露天矿均建成国家级绿色矿山，植被盖度提升40%以上。
对此，中国工程院院士王双明评价说，“大型煤电基地开展的生态修复系统性集成示范应用创新性理念、针对性关键技术和系统性解决方案获得了积极和有效的实践成果，为我国大型煤电基地科学开发过程中的生态恢复工作提供了范例。”
此外，李全生团队还研究制定了涵盖减损开采、监测、决策、修复、评价的煤炭生态开采标准体系，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21座大型露天矿、55座井工矿推广应用，提升了生态修复决策科学化水平，大幅降低了生态修复费，提高了煤炭产能和资源回收率，实现煤炭开采与生态保护相协调、矿区土地与水资源保护。”李全生自豪地说。
目前，李全生牵头的项目正在生态脆弱的准能矿区、平庄矿区实施生态保护与修复技术示范研究，相关成果为我国煤炭主产地规模化开发、能源保供与区域生态安全相协调及打赢“三北”工程攻坚战提供科技支撑。
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