在保障国家能源供应的过程中,煤炭行业扮演着关键角色。如今,煤炭行业不再仅仅是传统的能源开采行业,更在生态开采领域不断迈进,逐步实现开采与生态保护的协调发展。

  据了解,我国80%的煤炭来自于黄河流域和北方防沙带等生态脆弱的区域。近年来,随着可持续发展理念的不断深入以及对环境保护的重视,煤炭行业积极探索并推进绿色开采模式,力求在保障能源供应的同时,最大程度地保护和回复生态环境。

  2024年4月,自然资源部联合相关部门印发《关于进一步加强绿色矿山建设的通知》,提出在矿产资源开发全过程中,对矿区及周边生态环境扰动控制在可控范围内,建设矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、企业管理规范化、矿区社区和谐化的绿色矿山。

  矿区生态治理与修复工作成为煤炭开采的重点。许多煤炭企业开始注重对开采后矿区的植被恢复和生态重建。通过对矿区的土地平整、土壤改良和植被种植等措施,逐步恢复矿区的生态系统,增加植被覆盖率,减少水土流失,改善矿区的生态环境质量。

  但如何在煤炭开采的源头就实现生态友好型发展?面对煤炭行业绿色转型,国家能源集团科技与信息化部一级业务总监、煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室副主任李全生给出了他的答案,提出“生态保护型”开采理念。

  即通过“减损开采-立体保水-仿生重构”的技术路径,将传统的生态保护由“采后弥补性修复”变为利用自然规律的“开采源头主动降损”和生态主动防护。

  在开采过程中就开展生态治理,能有效减少对环境的负面影响,从而最大程度避免生态破坏,确保矿区土地和水资源得到合理保护与利用,大幅降低后期修复成本,实现能源开发与生态保护的平衡。

  “开采损伤的本质都是对煤层上覆岩土层的损伤或破坏,井工开采由下至上损伤,露天开采由上至下损伤,导致生态载体——地下水含水层、地表土层的损伤,出现地下水位下降、地表植被根系拉伤(井工)或直接挖损(露天开采)等问题。”李全生说。

  李全生介绍,“生态保护型”开采理念正是针对井工与露天两种开采形式所展开,通过掌握和利用煤炭开采生态损伤和系统演替响应规律,以最小开采扰动和生态系统全过程、全要素系统保护途径,保护修复生态系统,实现煤炭开采与生态保护相协调,实现矿区社会-经济-生态系统协同发展。

  围绕“生态保护型”开采理念,李全生团队开展了一系列基础理论研究:一是煤炭开采“覆岩—-地下水-地表—生态”损伤传导机理,二是开采损伤的量化评价,三是减损开采机制。

  并开展了一系列关键技术研发。一是井工和露天开采的减损开采技术:发明了“变采宽协调开采和超大工作面开采降低非均匀沉降面积的井工减损开采方法,试验工作面非均匀沉降面积减少45%以上(获国家科技进步二等奖)。发明了覆岩靶向动态注浆充填提高覆岩承载结构稳定性、降低地表裂缝开度与地表沉陷曲率技术,可使覆岩裂缝开度降低43.6%,裂缝带发育高度降低27.3%,地表变形控制在受护对象的I级影响以内;创建了露天煤矿剥、采、排全流程源头减损开采技术体系,建立了露天开采全生命期表土“采运储用”动态规划模型,发明了集凸形工作线快速剥离、变长工作线多工作面协同开采、软岩冻结期边坡二次靠帮设计-快速回填等节地保土减损开采、倾斜基底剥离物提前快速内排等减损开采技术,百万吨煤产量采坑土地占用减少24-26%、外排占地减少16-21%,开采影响范围减少16-30%。

  二是立体保水和地下水位恢复技术:发明了井工矿含水层生态功能恢复技术,基于水-气-岩相互作用产生化学沉淀在裂隙通道中吸附-固结的自修复机制,发明了导水裂隙诱导化学结垢封堵的降渗技术,裂隙渗透率降低2个数量级以上,地下水流失量减少36%-59%;实现了含水层生态功能保护和水位恢复;首创了露天煤矿立体保水与地下水位恢复技术体系,揭示了露天开采孔隙裂隙多重介质地下水运移规律,发明了内排土场含/隔水层构建快速恢复地下水位的生态型地层重构方法;突破传统露天开采倒序合排造成地下水系紊乱和水位下降的技术难题,实现了含水层水力联通,胜利露天煤矿内排土场水位于2023年恢复到采前水平。发明了浅地表大气降水分布式储水单元构建技术,排土场水土流失量减少59%;首创了露天煤矿地下水库技术,建立了露天开采水资源转化与地下水运移渗流模型,发明了采动影响下地下水库选址技术;发明了排弃物料颗粒级配增加储水空间和自净化的露天煤矿地下水库构筑技术;发明了上部楔形密封顶梁+下部坝体基座嵌入底板的装配式防渗人工坝体及施工方法(获二十三届中国专利金奖);研发了地下水库储水立体调配技术,建成122万方的世界首座露天矿地下水库;形成了浅地表储水单元-近地表储水层-重构含水层-地下水库的储水和调水体系。

  三是仿生重构(近自然生态重构)技术:发明了地表损伤近自然生态修复技术,基于煤炭开采地表沉陷、裂缝分布预测和红外遥感裂缝识别定位,建立了地表裂缝三维数字模型和动态主裂缝充填量计算模型,研发了沉陷边缘裂缝区采前预垫高与实时平整、次生裂缝自恢复、动态主裂缝填埋保安全与保生态两阶段分区修复技术;发明了钻孔抽取矿井水+孔内分段净化+水质自动监测的矿井水智能生态灌溉的土壤水分保持技术(获行业科技一等奖),神东示范区利用矿井水5.1万m3/d,灌溉面积30 km2,1年内土壤水分提高了1.5-2.3倍,矿井水利用率由55.67%提升至80%以上,生态修复效率提高40%以上;发明了露天开采排土场地貌-土壤-植被仿自然生态重构技术,提出了气候、地形、土质、灌溉量和微生物群落多因素排土场生态恢复力评价方法,发明了露天矿全生命周期近自然地貌重塑和排土场台阶坡面“S型”近自然整形和方法,建立了地表水力联系分布式模型,研发了以“潜流湿地”-“植物塘”-“植物沟”为核心的大型排土场分布式保水控蚀技术,形成了导水、集水、用水多目标综合的排土场景观生态功能提升新模式,修复后边坡土壤侵蚀率降低60%、示范露天矿修复区土壤含水率提高52%、生物量提高30%、植被覆盖度提高40%以上。

  四是创建了露天矿区生态修复智能决策技术,创建了长时序高频次开采与生态参数高精度监测处理系统,创建了基于数字孪生技术的植被修复全周期智能决策技术体系和系统平台,实现了生态修复过程智能决策。应用成果,节约生态建设费用3.7亿元,北方典型露天矿生态修复一次成功率由66%提升至89%。预测了北方典型露天矿500-4000万t不同开采强度和不同修复强度下的生态质量变化,预警了生态退化风险。

  在实践中验证了这一理论,应用这些成果建成蒙东露天生态保护型煤炭开采示范工程、宝日希勒和胜利国家级绿色矿山。自应用以来,宝日希勒植被盖度提升87%,胜利能源植被盖度平均提升41%,胜利矿产能由1200万吨/年提升到2800万吨/年……种种实践为煤炭行业的发展提供了成功经验与有力支撑。

  当前,煤炭行业的绿色转型正不断加码,绿色开采技术的研发和应用不断完善,推动矿区生态治理和修复体系,实现煤炭资源的高效利用与生态环境保护的协同发展,为我国能源产业可持续发展奠定坚实基础。(张昊哲)