在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原深處，國家能源集團雁寶能源公司寶日希勒露天礦建成世界首座露天煤礦地下水庫，儲水面積達150萬平方米，儲水容量122萬立方米，開辟北方草原蓄水新途徑。

在毛烏素沙地東南緣，國家能源集團神東煤炭公司35座地下水庫穩(wěn)定運行，可供應神東礦區(qū)95％以上的用水，年供水量約7000萬立方米；累計創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益逾100億元。

看著自己的心血轉(zhuǎn)化為煤炭開采與生態(tài)保護雙輪驅(qū)動的生動實踐，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李全生的幸福感油然而生。

“依靠科技創(chuàng)新，打破開采與保護‘兩重天’魔咒，是我矢志不渝的追求?！崩钊f。

李全生還是“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。他以30多年的研究成果為基礎(chǔ)，提出生態(tài)開采的核心理念，即減損開采—水位恢復—精準修復，開創(chuàng)了我國煤炭礦區(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。

從理論創(chuàng)新到技術(shù)突圍

“煤炭開采的問題必須從源頭上解決，以創(chuàng)新為動力、技術(shù)為支撐。”李全生說。

國家能源集團煤炭銷量約占全國的1/6，在不同礦區(qū)擁有87處煤礦，開采條件復雜多變，既有井工礦又有露天礦，既有薄煤層又有特厚煤層，非常具有典型性。

神東煤炭公司上灣煤礦四盤區(qū)首采工作面是我國首個8.8米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。

在這個工作面投產(chǎn)之際，李全生及其團隊搶抓機遇，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。他們開展“空天地”一體化采動損傷監(jiān)測，僅在開切眼和停采線處就布設(shè)了2000多個地面測量點，監(jiān)測數(shù)據(jù)量是以往的數(shù)十倍。

為盡量多采集第一手數(shù)據(jù)，李全生及其團隊連續(xù)兩年扎根在神東礦區(qū)，天不亮上山、看不清下山、中午在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。但他們準確測出的地層三維變化情況，為揭示覆巖運移、裂隙發(fā)育等規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

煤炭開采過后巖土層沉降是個持續(xù)過程，且多煤層分層開采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，時間長、成本高。

李全生及其團隊另辟蹊徑，自主研制了開采損傷傳導三維大尺寸模擬試驗平臺。

“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。”李全生說。

目前，針對井工礦，李全生及其團隊創(chuàng)新“變采寬協(xié)調(diào)開采”技術(shù)，通過調(diào)整工作面布置和開采工藝，使采動影響不超過地層極限變形能力，實現(xiàn)高效開采與生態(tài)控損平衡；針對露天礦，則首創(chuàng)“采排復一體化”模式，應用凸形工作線快速剝離等技術(shù)，將百萬噸產(chǎn)能采坑占地減少24%至26%。勝利露天礦年產(chǎn)能從1200萬噸躍升至2800萬噸的同時，生態(tài)擾動顯著減小。

從精準修復到系統(tǒng)協(xié)同

“生態(tài)修復要有系統(tǒng)思維，通過一個點解決一個領(lǐng)域的問題?！崩钊f。

李全生及其團隊不僅攻克了單項技術(shù)，還構(gòu)建了涵蓋減損開采、監(jiān)測、決策、修復、評價的煤炭生態(tài)開采標準體系。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)修復效果逐漸顯現(xiàn)。

在神東礦區(qū)，李全生發(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)。

“就像古老建筑中的榫卯結(jié)構(gòu)一樣，很好地利用凹凸之間的巧妙組合，有效限制頂梁與底座的變形，把地下水庫中水的側(cè)向壓力由破壞力變?yōu)榧庸塘?，有效解決了采動或礦震誘發(fā)的壩體滲漏難題?！崩钊f。

露天礦的修復更像一場仿生手術(shù)。李全生及其團隊研發(fā)仿原始地層生態(tài)型重構(gòu)技術(shù)，讓排土場從下至上依次恢復底板巖層、重建含水層等功能，如同給傷疤重新連接“血管”和“神經(jīng)”，不僅實現(xiàn)地表綠化，還恢復了地下水資源的連通性與土壤持水能力。應用這一技術(shù)，寶日希勒露天礦水土流失減少23%，土壤含水率提升約10%；勝利露天礦地下水位提升了70%。

目前，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)，形成了大型煤電基地生態(tài)修復模式。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。神東礦區(qū)植被覆蓋率由最初的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)的21座大型露天礦、55座井工礦推廣應用，推動生態(tài)修復決策科學化、成本大幅降低，提升了煤炭產(chǎn)能與資源回收率。

如今，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》，正在國家能源集團準能礦區(qū)、平莊礦區(qū)實施。

作者謝吉東 版面編輯：謝吉東

編輯：張瑩

來源：中國煤炭報

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