我国煤炭资源和产煤基地主要分布在北方生态环境脆弱地区，煤炭开采就会扰动和损伤生态环境，然而国家发展离不开煤炭，新型能源体系建设更需要煤炭来支撑，如何突破资源与环境的困局，做到既要又要还要？
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、“十三五”“十四五”煤炭生态开采领域国家重点研发计划项目首席科学家李全生告诉记者：“开创煤炭生态开采理念并实现工程化示范，让煤炭开采与生态保护从一对矛盾变为双轮驱动，协同推进高质量发展，实现既开采金山银山，又再造绿水青山。”
“我一直忘不掉我的导师导师钱鸣高院士经常说的一句话——一切源于采矿。采矿事业是伟大的，人类只要生存就离不开原料、材料、燃料，采矿是获取原料、燃料的一把金钥匙。”李全生表示，在选择这一行业之时就做好了要为煤炭工业终身奋斗的准备。带着这一理念，李全生始终将国家需求作为科研导向，锚定煤炭绿色开采，30多年坚守初心，矢志不移。
作为首席科学家，李全生牵头承担了“十三五”国家重点研发计划项目《东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范》、“十四五”国家重点研发计划项目《北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术及示范》。作为研发骨干，李全生参加了“十二五”科技支撑计划《晋陕蒙接壤区煤炭基地生态建设关键技术与示范》等项目。
李全生常对团队成员说，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，对煤炭主产区脆弱的生态保护带来巨大挑战，依靠科技创新打破开采与保护“两重天”魔咒，这是科技工作者始至不渝的追求。
李全生把多年研究的理论与实践相结合，将30多年的研究总结为煤炭生态开采，核心理念是“减损开采—水位恢复—精准修复”。我国著名采矿工程专家、中国工程院院士、中国矿山压力与岩层控制学科主要奠基人之一钱鸣高教授认为，李全生团队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。
被誉为我国“煤炭生态开采开拓者”的李全生，2023年获得孙越崎能源大奖，获中国专利金奖1项、国家科技进步二等奖2项、国家科技进步三等奖1项、省部级科技一等奖14项，获授权发明专利97件。
“过去，一提起煤炭开采，就会说对环境破坏很大。但煤炭开采对环境的影响范围到底如何？一直没有量化数据。”李全生告诉记者，走进矿区，时常会看到有指示牌提醒，前方经过采煤塌陷区，很快道路就会颠簸起来，这就是采空区上方岩土层破裂沉降的直观表现。
无论露天开采还是井工开采，煤炭开采生态损伤的根源都是由于开采造成岩土层损伤及其传导。生态开采的第一步就是创新煤炭开采工艺或方法，从煤炭开采生态损伤的源头最大程度减少开采对生态的损伤-即“源头减损开采”，首先要揭示煤炭开采生态损伤的机理，搞清楚煤炭开采损伤如何传导、岩土层断裂沉降有何规律、才能为下一步科学防治创造条件。
《基于开采工艺参数优化的西部矿区地表生态减损基础理论和关键技术开发》（SHJT-17-41）、《神东矿区采动破坏岩土的自修复及其环境效应》（GJNY-18-77）项目实施初期，正好赶上我国首个8.8米超大采高一次采全高综采工作面投产，是监测采动后覆岩运移、裂隙发育与地表生态损伤全过程的绝佳之地。
李全生团队为抢抓机遇，不等项目经费到位，就克服各种困难提前入驻现场，开展沉陷区网状监测。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：“这是一项前无古人的全盆地三维移动监测工作，我们开展‘空天地’一体化采动损伤监测，仅在开切眼和停采线共布设2000多个地面测量点，监测数据量较以往多了数十倍倍。”
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。”为尽量多采集第一手数据，李全生团队成员扎根在神东矿区连续二年，天不亮上山、看不清下山、中午沙柳旁吃点盒饭喝口水就接着工作，特别是夏天，个个变得又黑又瘦，但他们准确测出地层三维变化的情况，为揭示规律掌握了奠定了信息和数据基础。
煤炭开采过后岩土层沉降是个持续的过程，而且多煤层分层开采，还会导致上覆岩层反复断裂、沉降，如果都依靠在矿区实地监测，不仅成本高昂，而且时间也耗不起。李全生团队另辟蹊径，自主研制了开采损伤传导三维大尺寸模拟试验平台。团队成员刘新杰博士介绍说：“利用模拟试验平台，我们实现了覆岩运移、裂隙发育与地表生态损伤全过程模拟与监测，解决了二维模拟边界条件过于简化和现场覆岩变化内部难以监测与可视化的难题。”
通过系统实验与理论分析，李全生团队首次明确了岩层破断的主要影响因素，发现覆岩极限破断距与采高、埋深呈负相关—即采高越大、埋深越深，覆岩极限破断距越小；而与岩层自身的强度、厚度呈正相关，意味着岩层强度越高、厚度越大，覆岩极限破断距相应增加。这一规律的揭示为精准预判岩层稳定性、优化工程设计参数提供了量化依据。
李全生不仅是生态开采理念的开拓者，更是实践的先行者，把论文真正写在祖国大地上。
基于提出的采动损伤机理，李全生团队提出了生态损伤治理的途径，即首先要缩减采动损伤范围与阻断开采损伤的传导。开采损伤规律与机理很专业，听起来甚至有点枯燥，但应用这些知识，从开采源头减少损伤，则很实用。李全生介绍说：“控制地表非均匀沉降是减损开采的关键，为了不影响产量，我们发明了工作面变采宽协调开采和超大工作面减少非均匀沉降范围的减损开采方法。”
在传统井工开采方式下，工作面常采用一个接一个的顺序开采煤炭，同一位置的地层反复受几个工作面采动影响，一次次被拉伸或压缩变形。变采宽协调开采则通过工作面布置、开采工艺调控，让开采影响不超过地层或地表的极限变形能力，使区域作为一个整体往下沉降，尽可能不改变岩层内部结构完整性，进而缩小开采损伤范围、减小损伤程度。如今，这项技术已经在神东煤炭多个矿井不同程度使用，在“三下压煤”严重的中东部矿区广泛采用。
李全生常常对团队成员说：“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系统工程的一部分。在项目实施过程中，李全生始终坚持系统思维，坚持开放包容合作，多次组织研讨，项目各子课题协同推进，让各项科研成果形成叠加效应。从地下到地上，从水土保持到复垦绿化，随着一项项关键技术突破进而形成生态开采技术体系，并在北方矿区进行生态开采工程示范，矿区生态系统修复的效果逐渐显现。
工程实践上，国家能源集团建设了半干旱草原区胜利露天开采示范区、酷寒草原区宝日希勒露天开采示范区、软岩富水区敏东一矿井工开采示范区，创建了大型煤电基地生态修复模式。中国工程院王双明院士评价认为，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中生态恢复工作提供了第一个范例。
宝日希勒露天矿和胜利露天矿建成国家级绿色矿山，植被盖度均提升40%以上，并建成世界首座露天煤矿地下水库，储水量达122万立方米，实现了露天煤矿矿坑水冬储夏用。神东矿区开采初期，植被覆盖率在3%至10%。经过多年的生态开采科技创新与实践，如今，神东矿区植被覆盖率达70%。
目前，由李全生牵头的“十四五”国家重点研发计划项目《北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术及示范》，正在生态脆弱的准能矿区、平庄矿区实施。该项目以推动我国生态保护型煤炭基地和北方重要生态安全屏障建设为目标，研究成果将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。
煤炭
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