李全生：破解采煤與環(huán)保的“兩難命題”

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生的環(huán)境擾動，切實保護并修復自然生態(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)保護的矛盾，有一位專家三十余年如一日扎根煤海，帶領團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。他用科技之鑰，解開了煤炭開采與保護“兩重天”的難題。

“煤礦工作者是‘開采光明’的人，你們都要做好為煤礦奉獻50年的準備。”他的導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。從邁進大學校園開始，他就做好了為煤炭工業(yè)終生奮斗的準備。

1989年碩士畢業(yè)后，李全生被分配到原煤炭科學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，最終進入國家能源集團工作。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、提高效率、保障能源供給的同時，必須同步推進煤炭開采與生態(tài)保護。”

然而，我國80%以上的煤炭產自黃河流域、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，要想協(xié)調生態(tài)保護與煤炭高效開發(fā)，難度很大。

但是，國家能源集團神東礦區(qū)的“華麗轉身”，讓李全生堅信，科技可以實現(xiàn)生態(tài)保護與煤炭開發(fā)相協(xié)調。“神東礦區(qū)從1985年開始開發(fā)建設。開采初期，植被覆蓋率在3%～10%之間。但我們依靠科技手段進行了保護開采。經過幾十年的保護開采與生態(tài)修復，如今的神東礦區(qū)植被覆蓋率達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。”李全生介紹。

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—精準修復”。錢鳴高認為，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。

開車駛過礦區(qū)，顛簸的塌陷路面是大地無聲的傷疤。“過去總說采礦破壞環(huán)境，但具體破壞范圍有多大？這一度缺乏量化數(shù)據。”李全生道出了曾經的行業(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到地表。所以，生態(tài)開采的第一步就是要改進采煤方法，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，李全生帶領團隊，基于67個大型井工煤礦的生態(tài)擾動數(shù)據，首次量化分析了礦區(qū)植被蓋度與開采擾動源的距離關系。

科研從來不是一帆風順，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，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。”為多采集第一手數(shù)據，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、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)據基礎。

“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2000多個地面測量點，監(jiān)測數(shù)據量較以往多了數(shù)十倍。”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。

在露天開采方面，李全生團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，李全生團隊首次明確了影響巖層斷裂的關鍵因素：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。這為預測地面穩(wěn)定性、優(yōu)化工程設計提供了科學依據。

更重要的發(fā)現(xiàn)是，關鍵巖層結構的垮塌是導致地表出現(xiàn)大裂縫的“元兇”。這指明了預防地質災害和保護生態(tài)的關鍵方向。團隊還揭示了露天開采“開挖卸荷—應力滲流場重構—邊坡變形—水土流失—生態(tài)退化”的損傷傳導機理。這些發(fā)現(xiàn)為煤炭生態(tài)開采提供了堅實的理論基礎。

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域的問題。”

生態(tài)開采本身就是構筑我國北方生態(tài)屏障的重要實踐。他們先后在半干旱草原區(qū)建設了勝利露天開采示范區(qū)，在酷寒草原區(qū)建設了寶日希勒露天開采示范區(qū)，在軟巖富水區(qū)建設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)修復系統(tǒng)性集成示范應用創(chuàng)新性理念、針對性關鍵技術和系統(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開發(fā)過程中的生態(tài)恢復工作提供了范例。”

此外，李全生團隊還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)。

目前，李全生牽頭的項目正在生態(tài)脆弱的準能礦區(qū)、平莊礦區(qū)實施生態(tài)保護與修復技術示范研究，相關成果為我國煤炭主產地規(guī)模化開發(fā)、能源保供與區(qū)域生態(tài)安全相協(xié)調及打贏“三北”工程攻堅戰(zhàn)提供科技支撐。