2024-06-03
（1）采用“采前开采工艺参数优化与硬岩预裂−软岩注浆改性技术、采中垮落带注浆保护关键层+离层裂隙带注浆协同成拱、采后导水裂隙封堵控水”多要素减损方法，发展了煤炭开采链式系统减损技术。（2）基于覆岩损伤传导理论，提出了井工开采“覆岩−含水层−地表−生态”损伤指标体系与定量表达方法，同时结合能量守恒和空间守恒构建了采动损伤场模型。（3）围绕覆岩损伤控制、含水层水位控制、地表变形控制提出了开采工艺参数优化、覆岩承载结构稳定性维持、导水主通道发育位置控制与封堵的现代化煤炭减损开采关键技术。单位：1. 煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室; 2. 国家能源投资集团有限责任公司损伤概念源于材料力学，以损伤变量表征。损伤变量是表征材料或结构劣化程度的量度，直观上可理解为微裂纹或空洞在整个材料中所占体积的百分比。损伤会引起材料微观结构和某些宏观物理性能的变化，所以损伤变量可从微观和宏观2方面选择。微观方面，可选裂纹数目、长度、面积和体积等；宏观方面，可选弹性模量、屈服应力、拉伸强度、密度等。不同损伤过程，可以选不同的损伤变量，即使同一损伤过程，也可以选择不同的损伤变量。自1980年以来，各国学者先后定义了多种损伤变量来描述材料或结构的损伤状态，但都以Kachanov定义的损伤变量为基础。Kachanov定义的损伤变量被认为是损伤变量最早且最经典的表述，其表达的物理意义为结构有效承载面积的相对减少。笔者提出的损伤特指煤炭开采引发的生态环境效应包括采动覆岩和含水层破坏、地下水补径排关系紊乱、地表沉陷、原生土壤结构损伤和植被影响等一系列现象(简称采动损伤)。煤炭现代开采损伤常会引发大范围岩层破坏、地表沉陷、地表建(构)筑物损害以及生态系统影响，对当地生态环境保护与和谐发展带来挑战。矿区环境保护实质是建立矿山与其周围生态环境及社会经济系统的和谐关系。当前国家对生态文明建设的重视达到前所未有高度，矿山开采损害防护的内涵从以往以保护地表建(构)筑物为目的，延伸到“岩−土−水−生态”系统性和多维度保护，增加了煤炭开采的环保技术难度和保护成本。因此，生态损伤是伴随现代煤炭开采必然发生的生态问题，如何最大程度地降低煤炭开采的生态影响是煤炭界长期持续努力解决的问题，也是社会关注的焦点。为解决资源保供和开采损伤控制的协调问题，近百年来，国内外相关工程科技人员不断探索，取得一些行之有效的减损控制成果。煤炭开采减损实质上是一种系统减少煤炭开采引发的生态影响程度和缩短生态影响时间的主动行为，是基于生态影响机理和过程，创新应用现代科学技术，在开采全过程(采前−采中−采后)实施的系统行为，旨在最大限度地控制煤炭开采生态损伤影响空间范围和持续时间。为此，钱鸣高院士提出了绿色开采理念和技术方法，为矿区减损开采提供了重要科技支撑，尤其我国中东部区域，绿色开采涉及的充填开采、煤与瓦斯共采、矸石井下筛选与充填等对煤炭绿色开采发挥了重要作用。这些技术的应用均是针对某一具体问题，而煤矿区实质上是一个包含能源、水资源、土地资源和生态环境资源的复杂、开放系统。为此，笔者所述减损开采是从矿区系统视角，将开采活动引起的负面效应降到最低，保障矿区系统内各类资源功能动态稳定。因此，减损开采是在前人开采损害控制研究成果基础上的新发展，包括采前、采中和采后的减损规划布局与人工干预，为降低矿区系统的开采损伤程度和提升生态功能修复/恢复效果，开展煤炭安全高效开采与损伤程度控制相协调的系统研究。煤炭开采改变了覆岩边界条件，引起围岩应力重新分布和覆岩变形、运动、破断，造成覆岩损伤自下而上传导，引起含水层、地表附属物、矿区生态系统等损伤。现代开采在保障经济社会发展能源需求同时，也对矿区地下水资源、生态环境和建/构筑设施造成较大损伤。为解决规模化煤炭开采与矿区生态协调的问题，在系统分析国内外减损开采理论与技术以及长期实践基础上，根据“源头减损”理念和“采前源头损伤控制、采中优化减损、采后生态要素系统修复”的开采全过程减损思路，提出了以“基于开采工艺参数优化的源头减损、硬岩采前预裂−软岩注浆改性与采后导水裂隙封堵控水、采中覆岩承载结构稳定性维持减损”的采前、采中、采后3类4项技术为主导的开采全过程减损技术措施，创建了井工煤矿减损开采理论与技术体系，明确了减损开采研究的重点和方向。在开采损伤监测方面，由于监测技术时空差异大，难以实现地表变形与裂缝的同时空监测和地表生态环境多要素一体化同步监测，仍需针对性地提出煤矿井工开采损伤多源监测异步数据的同时空校正与处理方法。在损伤传导理论方面，基于覆岩损伤传导理论，从能量出发提出了采动损伤场模型，并结合岩层软硬组合、岩土层介质的差异，提出了涵盖“覆岩−含水层−地表−生态”多因素指标的煤炭井工开采覆岩损伤场量统一与跨界面传导理论。神东矿区上湾矿12401工作面采用采前开采参数优化，采中垮落带注浆等减损技术，地表最大沉降值相对减小25%，地表裂缝由台阶型裂缝调控为动态小裂缝；此外，神东矿区自2010年实施减损开采技术以来，植被覆盖度由原来平均31%上升到74.1%。
图 1 井工煤矿减损开采理论与技术体系
图 2 覆岩损伤度计算模型示意
图 3 煤炭开采全链条损伤精准表征体系构建
图 4 基于空间和能量守恒的采动损伤传动模型
图 5 损伤比与工作面开采参数的关系
图 6 相似模拟不同推进速度下裂隙扩展规律
图 7 人工注浆封堵导水裂隙带再造含水层示意
图 8 垮落带注浆护关键层+离层裂隙带注浆协同成拱技术
图 9 上湾矿 12401 工作面布置
图 10 推进速度统计 (2018 年)
图 11 不同推进速度地表裂缝发育特征
图 12 不同推进速度地表沉降与工作面来压协同特征
图 13 彩色电视观测结果
图 14 覆岩两带探测钻孔布置及发育示意
图 15 垮落带与离层裂隙带注浆减损技术
李全生，男，1965年5月生，河南洛阳人，博士，教授级高工，博士生导师。获“全国优秀科技工作者”等荣誉、入选“国家百千万人才工程”，煤炭工业技术委员会委员、中国矿业联盟理事会副理事长、《煤炭学报》等刊物编委。
研究方向
生态保护型开采
主要成果
致力于能源安全高效开发与生态保护的协调发展技术研究，先后主持“十三五”国家重点研发计划项目、“十四五”重点研发计划项目、西部煤炭主产区集约化减损开采和生态修复技术等重大项目10余项，创新提出开采源头损、水资源立体保护和生态要素系统性修复理念，形成生态脆弱区煤矿源头减损开采和生态高效修复系列成果，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95件，发表科技论文121篇（SCI/EI检索45篇），出版专著10部，编制国家标准1项、行业标准9项。
来源：
李全生. 井工煤矿减损开采理论与技术体系[J]. 煤炭学报，2024，49(2):988−1002.
责任编辑：宫在芹
