科技日報記者 陸成寬　　

煤炭開采難免破壞自然環(huán)境。如何在開發(fā)資源的同時，最大限度減少資源開采產(chǎn)生的環(huán)境擾動，切實保護(hù)并修復(fù)自然生態(tài)，已成為自然資源開發(fā)行業(yè)必須解決的重大課題。

面對煤炭開采與生態(tài)保護(hù)的矛盾，有一位專家三十余年如一日扎根煤海，帶領(lǐng)團(tuán)隊將論文寫在祖國大地上。他提出“煤炭生態(tài)開采”理念并實現(xiàn)工程化示范，在生態(tài)脆弱區(qū)書寫了“既采金山銀山，又造綠水青山”的辯證答卷。

這位專家就是國家能源集團(tuán)科技與信息化部總監(jiān)、煤炭開采水資源保護(hù)與利用全國重點實驗室副主任李全生。他用科技之鑰，解開了煤炭開采與保護(hù)“兩重天”的難題。

矢志“開采光明”

“煤礦工作者是‘開采光明’的人，你們都要做好為煤礦奉獻(xiàn)50年的準(zhǔn)備?！彼膶?dǎo)師中國工程院院士錢鳴高的這句話，時時回響在李全生心中。從邁進(jìn)大學(xué)校園開始，他就做好了為煤炭工業(yè)終生奮斗的準(zhǔn)備。

1989年碩士畢業(yè)后，李全生被分配到原煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所從事科研工作，此后在多個單位的崗位上工作過，最終進(jìn)入國家能源集團(tuán)工作。但無論崗位如何變化，李全生始終沒有離開煤炭行業(yè)，一直和煤礦保持“親密接觸”，研究方向聚焦煤炭綠色開采。

多年研究煤炭開采，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(rèn)識。他常對團(tuán)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(qiáng)度高，在實現(xiàn)增產(chǎn)、提高效率、保障能源供給的同時，必須同步推進(jìn)煤炭開采與生態(tài)保護(hù)。”

然而，我國80%以上的煤炭產(chǎn)自黃河流域、北方防沙帶等生態(tài)脆弱區(qū)，這些區(qū)域干旱缺水、物種少，要想?yún)f(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)與煤炭高效開發(fā)，難度很大。

但是，國家能源集團(tuán)神東礦區(qū)的“華麗轉(zhuǎn)身”，讓李全生堅信，科技可以實現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與煤炭開發(fā)相協(xié)調(diào)?！吧駯|礦區(qū)從1985年開始開發(fā)建設(shè)。開采初期，植被覆蓋率在3%—10%之間。但我們依靠科技手段進(jìn)行了保護(hù)開采。經(jīng)過幾十年的保護(hù)開采與生態(tài)修復(fù)，如今的神東礦區(qū)植被覆蓋率達(dá)70%，降雨量也明顯增加。在向大地借煤的同時，成功還自然以春?！崩钊榻B。

基于30多年的研究積累，李全生凝練提出煤炭生態(tài)開采理念，核心理念是“減損開采—水位恢復(fù)—精準(zhǔn)修復(fù)”。錢鳴高認(rèn)為，李全生團(tuán)隊的研究成果，開創(chuàng)了我國煤礦區(qū)生態(tài)保護(hù)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。

揭示損傷機(jī)理

開車駛過礦區(qū)，顛簸的塌陷路面是大地?zé)o聲的傷疤?！斑^去總說采礦破壞環(huán)境，但具體破壞范圍有多大？這一度缺乏量化數(shù)據(jù)。”李全生道出了曾經(jīng)的行業(yè)痛點。

不管是露天挖煤還是井工采煤，破壞生態(tài)的根源都是開采時損傷了地下巖土層，而且這種損傷會向上傳導(dǎo)到地表。所以，生態(tài)開采的第一步就是要改進(jìn)采煤方法，從源頭上最大程度減少對地層的破壞，也就是“源頭減損開采”。

但要做到這點，必須先搞明白兩個關(guān)鍵問題：一是開采造成的損傷是怎么一步步傳到地表的？二是巖土層斷裂沉降有什么規(guī)律？

為此，李全生帶領(lǐng)團(tuán)隊，基于67個大型井工煤礦的生態(tài)擾動數(shù)據(jù)，首次量化分析了礦區(qū)植被蓋度與開采擾動源的距離關(guān)系。

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(tuán)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?！睘槎嗖杉谝皇?jǐn)?shù)據(jù)，李全生團(tuán)隊成員連續(xù)兩年扎根在神東礦區(qū)，天不亮上山、看不清路時才下山，中午在沙柳旁吃點盒飯喝口水就接著工作，特別是夏天，他們個個變得又黑又瘦。但他們準(zhǔn)確測出地層三維變化的情況，為揭示其規(guī)律奠定了信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

“這是一項前無古人的全盆地三維移動監(jiān)測工作。我們自主研發(fā)了大尺寸三維模擬平臺，開展了‘空天地’一體化采動損傷監(jiān)測，僅在開切眼和停采線就布設(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。”煤炭開采水資源保護(hù)與利用全國重點實驗室教授級高級工程師郭俊廷說。

在露天開采方面，李全生團(tuán)隊建立了露天開采影響邊界識別方法，基于對30年的區(qū)域生態(tài)遙感、地下水實地監(jiān)測數(shù)據(jù)深入分析，量化了東部草原區(qū)、北方防沙帶等不同類型區(qū)域露天開采生態(tài)影響范圍。

通過這些研究，李全生團(tuán)隊首次明確了影響巖層斷裂的關(guān)鍵因素：煤層采高越大、埋得越深，巖層越容易破斷；反之，巖層本身越堅硬、越厚實，就越不容易斷。這為預(yù)測地面穩(wěn)定性、優(yōu)化工程設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

更重要的發(fā)現(xiàn)是，關(guān)鍵巖層結(jié)構(gòu)的垮塌是導(dǎo)致地表出現(xiàn)大裂縫的“元兇”。這指明了預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害和保護(hù)生態(tài)的關(guān)鍵方向。團(tuán)隊還揭示了露天開采“開挖卸荷—應(yīng)力滲流場重構(gòu)—邊坡變形—水土流失—生態(tài)退化”的損傷傳導(dǎo)機(jī)理。這些發(fā)現(xiàn)為煤炭生態(tài)開采提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

堅持系統(tǒng)思維

李全生不僅是生態(tài)開采理念的開拓者，更是實踐者。他常對團(tuán)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?！?/p>

生態(tài)開采本身就是構(gòu)筑我國北方生態(tài)屏障的重要實踐。他們先后在半干旱草原區(qū)建設(shè)了勝利露天開采示范區(qū)，在酷寒草原區(qū)建設(shè)了寶日希勒露天開采示范區(qū)，在軟巖富水區(qū)建設(shè)了敏東一礦井工開采示范區(qū)，成功創(chuàng)建大型煤電基地生態(tài)修復(fù)模式。

其中，寶日希勒露天礦建成了世界首座露天煤礦地下水庫，儲水量達(dá)122萬立方米，實現(xiàn)礦坑水冬儲夏用；寶日希勒露天礦和勝利露天礦均建成國家級綠色礦山，植被蓋度提升40%以上。

對此，中國工程院院士王雙明評價說，“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)過程中的生態(tài)恢復(fù)工作提供了范例?！?/p>

此外，李全生團(tuán)隊還研究制定了涵蓋減損開采、監(jiān)測、決策、修復(fù)、評價的煤炭生態(tài)開采標(biāo)準(zhǔn)體系，提出了基于數(shù)字孿生的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)方案智能優(yōu)化方法，研發(fā)了“信息采集—定量建?！獙\生仿真—輔助決策”的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)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(yīng)用，提升了生態(tài)修復(fù)決策科學(xué)化水平，大幅降低了生態(tài)修復(fù)費(fèi)，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(hù)相協(xié)調(diào)、礦區(qū)土地與水資源保護(hù)。”李全生自豪地說。

目前，李全生牽頭的項目正在生態(tài)脆弱的準(zhǔn)能礦區(qū)、平莊礦區(qū)實施生態(tài)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)示范研究，相關(guān)成果為我國煤炭主產(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。