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首次发现神东上湾煤矿“基本顶破断－关键层断裂－地表主裂缝”呈“331”周期性传导规律，得出西部煤炭集约化开采覆岩及地表损伤具有周期性对应传导关系。揭示了覆岩损伤逐层上传、分区耗散的机理；提出了采动损伤能及极限损伤能临界值计算方法；建立了覆岩“三带”不同分区损伤系数与开采空间关系的损伤耗散模型，得出源头减损是控制开采损伤的主要途径。兼顾集约化开采特征，分别围绕覆岩损伤控制、地表变形控制等不同目的，提出了开采工艺参数优化、覆岩承载结构稳定性维持和变形调控减损的集约化开采源头减损关键技术。作者：李全生1,4，郭俊廷1,3，张 凯1,4，阎跃观２，张 村２，徐祝贺1,2 单位：1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室；2.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院；3.北京低碳清洁能源研究院；4.国家能源投资集团有限责任公司 集约化开采是相对粗放开采而言，指集高素质人才、先进装备、高水平管理等为一体，以节约、高效为目标的现代化开采方式，包含规模与效率２个方面。西部煤炭集约化开采实质是由新技术投入带来的生产成本的降低、生产效率与煤炭产量以及管理水平的提高。西部矿区具有煤层埋藏浅、瓦斯涌出量较低、水文地质条件相对简单等独特赋存特征，给集约化开采提供了有利条件，奠定了我国西部能源“金三角”煤炭开发在国民经济发展中的地位，为国家能源安全提供了保障。同时，西部浅埋、高效开采也引起了覆岩含水层、地表建（构）筑设施或地表生态环境的损伤。为协调煤炭资源开发与矿区和谐可持续发展，我国科技工作者针对西部高强度开采进行了一系列研究，包括：①地表移动变形规律；②地表采动裂缝发育规律；③覆岩破坏形式与裂隙特征；④顶板结构及稳定性；⑤对水土植被的影响；⑥开采损伤预测预报；⑦开采损伤监测；⑧开采损害防治技术等。 西部高强度开采在覆岩与地表移动方面的研究，主要以现场实测或试验模拟的方式开展，其中非连续变形发育、地表下沉速度快和地表移动持续时间短为其主要特征。地表采动裂缝主要分布在采空区边界对应地表位置附近，工作面上方地表以几何特征动态变化的裂缝为主，因松散层性质差异，工作面中部地表裂缝一般在工作面推过一段距离后闭合，部分条件下不完全闭合；且对裂缝附近土壤含水量、氮磷钾含量、有机质含量及根际生物活性均产生影响，是造成生态损害的主要原因之一。在覆岩破坏方面，着力解决采场矿压和覆岩含水层的保护问题，主要围绕“横三区”、“竖三带”理论开展覆岩破坏范围和高度的相关研究，其中西部浅埋高强度开采，因开采深厚比与覆岩性质的差异，覆岩破坏以“两带”和“三带”模式并存，限于研究手段和探测技术水平，岩层分区仅为定性或经验性判断方法，缺少分区范围的准确判定方法；针对采场矿压显现与岩层控制，有学者提出并研究了基本顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型。顶板结构稳定性也是围绕解决安全生产开展的相关工作，如工作面压架、片帮等问题。顶板结构稳定性主要围绕传统砌体梁或台阶岩梁进行分析和研究，对于浅埋煤层开采顶板结构，许多学者进行了有益探索，提出了诸如关键块理论、岩块滑落失稳和回转失稳以及基于突变理论的相关理论与判定方法，对工作面安全控制与评价提供了理论依据。此外，有学者对西部集约化开采矿区含水层影响、土壤参数及植被的影响也进行了研究。研究表明，开采引起含水层水位降低后，一定时间后基本恢复到采前水平；沉陷区土壤含水量、氮磷钾及有机质含量开采过程中会降低，采后12～18个月基本恢复至采前状态；因采动影响的时间效应，在开采影响区内植被变化稍滞后于开采时间，从植被覆盖度来看，开采影响区内植被盖度会低于周边未开采区域，表明开采对植被产生了一定影响，具体影响程度和影响时间仍在进一步研究。为分析开采的影响情况，许多学者对覆岩导水裂隙及地表移动变形预测进行了研究，但因浅埋高强度开采覆岩破坏形式和地表移动状态与其他开采条件的差异，致使预测机理认识不足，其预测方法尚需进一步研究。为准确进行开采损害的预测预警，开采损伤现场监测是其必要手段，目前覆岩损伤监测常用的有瞬变电磁法或大地电磁方法、地面钻孔漏失液法、钻孔电视监测法、微震监测分析法以及井下仰孔的相关观测方法，这些都是较为准确和可靠的研究方法，目前《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中所用“三带”计算方法来自实测统计成果。随着现代监测技术的进步，除传统的水准仪、全站仪监测外，针对不同监测条件和精度要求GNSS、InSAR、三维激光扫描和无人机变形监测均在矿区得到了普遍使用，并在监测方式上进行了集成应用，克服了单一仪器在监测精度或效率方面的不足，可更加准确地把握地表移动的基本规律。许多学者利用上述研究结果，提出了一些高强度开采的损伤防治的技术途径，如开采工艺选择（综采工艺、综放工艺和分层开采工艺）、工艺参数优化（采高、工作面长度、采放比、支架阻力等）、长壁机械化快速推进、风积沙充填以及“短充长采”等技术思路，对损害防治进行了积极有益的探索。从研究内容看，目前主要集中在采场、覆岩、地表或地表的水土植被影响与规律的某一方面，缺乏从损伤源头至地表影响整个过程的系统研究，尤其在损伤传导机理方面，还需进行深入系统研究。从研究手段看，目前的单点监测，虽具有较高的可靠性和精度，但效率低，不适于大范围开展，成本高也是一显著弊端。非接触、高效率、高精度的观测方法应是发展趋势。科学认识开采损伤传导机理是井下安全生产、含水层保护及地表附属物减损理论发展及减损关键技术提出与实践的核心问题，研究西部煤炭集约化开采损伤传导机理与源头减损关键技术，对协调我国能源需求保障和矿区生态保护具有重要意义。 通过分析集约化开采特征和现有减损技术特点，基于神东矿区集约化开采现场实测与模拟，研究了西部集约化开采损伤规律，揭示覆岩损伤传导机理。研究表明，神东矿区集约化开采具有矿压显现强烈、覆岩损伤严重、移动周期短、地表变形剧烈、地表裂缝发育等规律；发现神东上湾煤矿“基本顶破断－关键层断裂－地表主裂缝” 呈“331”周期性传导规律，得出西部煤炭集约化开采覆岩及地表损伤具有周期性对应传导关系。揭示了覆岩损伤逐层上传、分区耗散的机理；提出了采动损伤能及极限损伤能临界值计算方法；建立了覆岩“三带”不同分区损伤系数与开采空间关系的损伤耗散模型，得出源头减损是控制开采损伤的主要途径。兼顾集约化开采特征，分别围绕覆岩损伤控制、地表变形控制等不同目的，提出了开采工艺参数优化、覆岩承载结构稳定性维持和变形调控减损的集约化开采源头减损关键技术，并给出工作面采高、面长及推进速度的合理区间。运用该方法对上湾煤矿12402工作面进行了开采优化，并用数值计算方法对比分析了优化前后覆岩损伤程度和控制效果。李全生，男，1965年5月出生，河南洛阳人，教授级高工，国际商务师，博士生导师，国家百千万人才，政府特殊津贴获得者，“十三五”重点研发计划项目首席科学家，现任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。长期从事煤炭绿色开发技术与能源发展战略研究，主持完成“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”、“碳约束条件下我国能源结构优化研究”等10余项国家级及省部级科研项目。获国家科技进步奖3项、省部级科技奖13项，出版专著3部，授权发明专利50余项，发表论文63篇（SCI/EI检索19篇），以第一作者发表论文20篇（SCI/EI检索7篇），主编行业标准7项。曾获全国优秀科技工作者、中国煤炭工业科技管理先进个人等。 研究方向 煤炭绿色开发技术 主要成果 致力于煤矿绿色开发与生态保护基础理论与成套技术的研究，取得了多项创新性成果。提出了依托自然物质抗损伤及自修复能力，进行源头的开采减损理念，形成了煤矿开采源头减损与生态系统性修复技术体系；在开采工艺优化、源头减损技术、生态系统性修复、空天地一体化监测、寒旱区地层重构-表土改良-植被优选-用水保障等技术方法方面，获授权发明专利50余项，取得了明显创新性成果，为矿区安全高效生产、煤炭资源开采损害与区域可持续发展矛盾问题解决，提供了有力的技术保障。 李全生，郭俊廷，张凯，等． 西部煤炭集约化开采损伤传导机理与源头减损关键技术[J]． 煤炭学报，2021,46(11)：3636-3644．
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