当前，国际能源市场波动加剧，而我国立足以煤为主的基本国情，充分发挥了煤炭“压舱石”作用，能源产供储销体系运转顺畅，能源供应稳定、价格平稳。在确保安全生产、生态环保的前提下，推进煤炭安全绿色开发意义重大。那么，应该从哪些技术领域进行突破？我国目前取得了哪些创新成果？如何确保矿区煤炭开采与生态保护的协调发展？就煤炭安全绿色开发相关问题，国家能源集团科技部主任、煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室副主任李全生接受记者采访并作出解读。
目前已取得多项技术突破
记者：煤炭是我国能源安全供应的基石，也是未来我国“双碳”目标实现的兜底保障能源，您认为煤炭在未来能源结构中的基础作用体现在哪几个方面？
李全生：煤炭在未来能源结构中有三个基础作用：一是煤炭在应急条件下能源供应的兜底保障作用；二是煤电在新型电力系统中的基础调峰作用；三是煤炭在工业领域特别是在化工、钢铁、水泥领域的基础能源和原料作用。
记者：推进煤炭安全绿色开发，您认为应该从哪些技术领域进行突破？目前哪些领域已取得成绩，可否举例介绍一些？
李全生：推进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用，是煤炭工业可持续发展的必由之路，是改善民生和建设生态文明的必然要求。其中推进煤炭安全绿色开发更是实现煤炭清洁高效利用的前提和基础，意义重大，应继续围绕煤炭开采水资源保护、低损害开采与矿区生态修复两个方面进行技术攻关突破。具体如下：
在煤炭开采水资源保护技术方面，国内科研机构都为此开展了大量研究工作，相继提出了“堵截法”和“导储用”两种煤炭开采水资源保护技术思路。“堵截法”主要采用的技术包括充填开采、限高开采、保水区域划分、条带式开采等，在工程实践中取得了明显成效。针对西部干旱、半干旱区水资源保护难题，我国首先提出了“导储用”保护矿井水的技术思路，研发了分布式煤矿地下水库技术，利用煤矿井下采空区存储和利用矿井水资源，建立了煤矿地下水库理论框架和技术体系。
在低损害开采与矿区生态修复方面，我国科学家研发了东部草原区大型煤炭基地开发系统性生态减损与修复技术，提出了“系统减损与系统修复”理念，首次揭示了煤炭开发生态累积效应，创建了生态减损修复技术体系，构建了区域生态安全协调控制模式，实现了煤炭规模开发与生态修复相协调的技术突破；创建了西部矿区采动损伤修复技术体系，创建了西部矿区采动损伤空天地、井上下、全过程高精度一体化监测体系，揭示了西部矿区高强度开采覆岩及地表采动损伤规律和西部矿区高强度开采采动损伤传导机理，研发了西部矿区高强度开采减损技术。研发了条带开采、矸石固体充填、粉煤灰膏体充填和高水材料充填开采技术，大幅降低了煤炭开采地表沉陷；研发了煤与瓦斯共采技术，提高了瓦斯的抽采率和利用率，减少了温室气体排放；提出了“切顶短臂梁”理论，研发了无煤柱自成巷110工法和N00工法，实现了采（盘）区内无煤柱和无巷道掘进，形成了具有我国自主知识产权的采煤工艺和装备系统；发明了柔模支护无煤柱开采技术及其配套装备，开发了柔模支护充填开采技术和柔模充填支架，提出了锚杆与柔模混凝土碹相结合的巷道支护方法；提出了煤炭资源“采选充+X”绿色化开采技术构想，形成了煤炭“采选充+X”（控、留、抽、防、保）协同生产模式。
记者：国家能源集团在煤炭绿色开发取得了哪些重大科技创新成果？
李全生：煤炭大规模开发带来的问题是对地下水破坏和对地表生态的损伤。围绕煤炭开采地下水破坏和地表生态损伤两大难题，国家能源集团通过科技创新，取得了一批重大科技创新成果，下面就3个主要成果进行简要介绍：
一是生态脆弱区煤炭现代开采地下水和地表生态保护关键技术。针对西部矿区生态环境脆弱、水资源短缺等问题，系统研究揭示了生态脆弱区现代开采对地下水的影响规律；首创了分布式煤矿地下水库技术，创建了基于水源预测、水库选址、库容计算、坝体构建、水质控制、安全运行等六大关键技术的煤矿地下水库技术体系；揭示了西部现代开采对地表生态的影响规律；研发了地表生态自修复促进技术。研究成果成功应用到国家能源集团神东矿区，先后建成煤矿地下水库30余座，储水量最高3300万m?，每年为神东矿区供水超过7000万m?，解决了神东矿区生产、生活、生态用水的95%的需求，地表植被覆盖度由煤炭开发之前的3%-11%提升至70%以上。该技术获国家科技进步二等奖1项，中国专利金奖2项。
二是东部草原区大型煤炭基地开发系统性生态减损与修复技术。聚焦东部草原区酷寒、干旱半干旱、土壤瘠薄等脆弱生态环境特征及煤电基地开发引起的生态损伤问题，提出了“系统减损与系统修复”理念，创建生态监测体系，首次量化揭示了区域煤炭开发生态累积效应，表明露天开采生态影响范围（植被约2km，地下水位降幅5m的影响半径4-12km）；创建了生态减损型采-排-复一体化技术，年减少占用土地120亩，排土场水土流失降低53.5%；研发了水资源保护利用技术，首创了“地面水库-近地表含水层-地下水库”立体储水技术，建成67万立方米地面水库和122万立方米露天矿地下水库，实现了矿坑水的冬储夏用，提升了水资源利用率；创建了土壤-植物-景观生态一体化修复技术体系，优选培育6种植物微生物组合，植被盖度、植物多样性增加81%、38%；构建了区域生态稳定性提升和安全协调控制模式，集成矿区生态修复技术、矿城风险识别防范和区域适应性管理，提出了矿区、城矿和区域三个尺度的生态安全保障模式，为大型煤炭基地可持续开发区域生态安全保障提供解决方案。
三是西部矿区高强度开采损伤监测与控制及修复关键技术。针对西部矿区规模化高强度开采引起的采动损伤问题，秉持绿色开采理念，按照采动损伤“空天地”立体监测与全过程控制的技术思路，揭示西部矿区采动损伤规律与传导机理，研发采动损伤控制技术，提升生态修复效率。首次创建了自井下煤炭开采-矿压显现-覆岩运移-地表移动-地表裂缝“空天地”一体化监测体系，系统揭示了煤炭开采-覆岩运移-地表变形规律和采动损伤传导机理，开发了开采源头减损-开采过程控制-末端治理的规模化开采地表生态减损与修复关键技术，并通过工程应用，成功解决了制约西部矿区高强度煤炭开采的地表生态减损与修复技术难题，为生态矿区建设提供了科技支撑。成果已在神东矿区大柳塔、上湾、补连塔和石圪台等煤矿30多个工作面推广应用，通过采动损伤监测、采动损伤控制及治理等技术应用，减少对覆岩及地表生态的影响，节约了生态治理费用；优化开采工艺参数，降低了开采对生态的损伤程度，提高了煤炭产量。2016年~2018年，累计节约生态治理费用1.05亿元，煤炭增产利润16.81亿元，矿区植被覆盖度提高了25%，有效保障了两亿吨级矿区生态修复和可持续开发。研究成果获煤炭工业协会科技进步一等奖。
提出“源头减损与系统修复”理念 首创地下水库技术
记者：您率先提出了煤炭开采“源头减损与系统修复”理念，这一理念的提出背景和内涵是什么？
李全生：煤炭开采主要有露天和井工两种开采模式。露天开采对生态环境的影响分为直接影响和间接影响。直接影响是指开采对土地的挖损和外排压占，比如内蒙古露天煤矿开采土地挖损率一般为0.5亩/万吨左右。间接影响主要由地下水流失和粉尘扩散等造成，影响范围为采场周边数公里。井工开采引起岩层变形和破断运动，并逐步向上传导，产生采动裂隙，破坏隔水层，引起地下水流失；引起地表沉陷，形成的地裂缝、土层拉伸/挤压等变形会恶化植被生境，造成植被根系损伤、土壤退化、生态水位下降等生态影响。总之，煤炭开采（露天、井工）引起的岩土层破坏及其传导是生态损伤的源头。
为此，我们提出了“源头减损与系统修复”的理念，以“源头减损”为核心，优化和动态调整开采布局与工艺参数，实现采矿源头主动减损；以“过程控制”为主线，露天煤矿采用采排复一体化、水资源保护利用、土地整治与土壤重构等技术，井工煤矿采用覆岩注浆充填、导水裂隙引导修复等技术；以“采后治理”为综合，研发生态全要素（水、土、植物）的系统修复技术，实现煤炭开采生态环境损伤最小化和修复效果最大化。
记者：国家能源集团首创了煤矿地下水库技术，经济社会效益如何？应用推广前景如何？
李全生：针对西部矿区煤炭开采矿井水外排损失的问题，经过三十余年技术研发与探索，我们提出了煤矿地下水库井下储存利用矿井水的理念，首创了煤矿地下水库技术，实现矿井水的抽采利用与回灌储存，有效保护和利用了矿井水资源。并在神东矿区建成32座地下水库，最大储水量约3300万立方米，为矿区生产、生活、灌溉及周边产业供水占矿区年用水量的95%以上，给矿区外（周边电厂和煤制油长夜）供水占7.6%，实现了煤矿水资源良性立体循环，每年可节约购水、污水处理及矿井水外排等直接经济费用超过10亿元。
围绕煤矿地下水库技术，国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室坚持自主创新，研制了7个模拟试验平台，其中，煤炭开采地下水运移与保护智能试验装置是本领域模拟尺度最大（10m×3m×3m）、智能化程度最高的试验平台；多煤层开采地下水运移、水库坝体结构参数设计、水处理净化、生态减损试验等平台均为本领域首次研制。
我国中西部的晋陕蒙宁甘5个省份，煤炭产量约占全国的70%，但水资源量仅占3.9%。如果将地下水库这项技术在西部适宜的地区推广应用，预计每年能够保护利用20亿吨矿井水，可有效支撑矿区周边的生态修复和煤电、煤制油、煤化工等产业发展，带动工业增加值4000亿左右。到2035年，西部矿区每年可多利用23亿立方米矿井水，按每立方米水价格3元计算，可创造直接经济效益115亿元，能够支撑32万公顷的生态复垦、1亿吨煤制油和2000万吨煤制烯烃生产。
东部草原区煤田将逐步推广这项关键技术
记者：“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”经济社会效益显著。可否请您简单介绍一下该项目的关键技术，应用推广前景如何？
李全生：依托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”，我们团队一是研发并创建了生态减损型采-排-复一体化技术体系。发明了基于“生态修复窗口期”采排复优化方法，研发条带式靠帮和不等量露煤组合台阶开采技术，年减少占用土地120亩，发明了近自然地貌重塑方法，排土场水土流失降低53.5%；二是研发了水资源保护利用技术体系。研发了“保水控蚀单元-植物塘-植物沟”分布式控制技术，年侵蚀率降低59.6%；首创“地面水库-近地表含水层-地下水库”立体储水技术，建成67万立方米地面水库和122万立方米露天矿地下水库，实现了矿井水“冬储夏用”；研发导水裂隙修复技术，裂隙渗透能力降低2-3个数量级；三是首创了土壤-植物-景观生态一体化修复技术体系。研发土壤提质和表土替代、草原生境保护和阻尘植物廊道构建技术，植被盖度、植物多样性增加81%、38%。
项目研究成果已在呼伦贝尔煤炭基地的伊敏、东明等露天矿，鄂尔多斯煤炭基地的黑岱沟露天矿、哈尔乌素露天矿，赤峰地区的元宝山露天矿等推广应用。生态减损型采排复一体化、地貌-土壤-植物系统性修复等技术在鄂尔多斯煤炭基地的两露天矿应用，进行排土场系统性生态修复6440亩，缩小露天矿采场占地面积750亩，降低露天矿生产和生态修复费用3070万元。露天矿排土场生态稳定性评价方法与安全调控技术在伊敏露天矿和东明露天矿应用，确定了生物群落组成、结构的空间分异特征，得到了不同恢复年限排土场边坡生物群落的演替发展规律，提出了土壤-植物协调促进修复的工程、生物建议。
项目将基于工程示范效果和应用案例，按照国家和区域“山水林田湖草沙”生态建设的总体指导思想和绿色矿山建设模式，依托地方和国家能源集团煤炭生产体系，通过广泛宣传、经验交流和技术交流等途径，在东部草原区15个煤田的20余个大型露天矿区逐步推广，确保我国生态约束下大型煤炭基地可持续开发与区域生态安全。
从源头解决西部矿区规模化高强度开采引起的生态损伤问题
记者：西部矿区是我国能源安全保障的重要基地，规模化高强度开采引起的采动损伤（覆岩破坏、地下水流失和地表生态退化），是矿区绿色发展面临的实践难题和重大科学问题。您认为应该采用哪些关键技术，确保西部矿区煤炭开采与生态保护的协调发展？
李全生：西部矿区规模化高强度开采引起的生态损伤问题必须从开采源头解决，我们要秉承“源头减损-过程控制-末端修复-自然演替”全生命周期的生态减损型煤炭开采理念，将生态保护修复与煤炭开采岩层运动控制紧密结合起来，围绕煤炭开采岩层运动、损伤传导、减损开采、生态修复等开展系统的理论与技术研究，系统揭示煤炭开采-覆岩运移-地表变形规律和采动损伤传导机理，研发源头减损-开采过程控制-末端治理的规模化开采地表生态减损关键技术，开发开采参数优化源头减损、采动覆岩注浆减损、构建柔性隔水层保持生态水位、地表裂缝分时分区修复等生态保护性开采技术，切实提升生态保护与与修复效率，为西部矿区煤炭绿色开发提供科技支撑。
来源：光明日报
