内蒙古呼伦贝尔草原深处，国家能源集团宝日希勒露天矿的地表之下，一座储水面积相当于210个标准足球场、储水容量接近500个标准游泳池的地下储水库正在静静运转；雁宝能源下属的另一座特大型露天煤矿——扎尼河露天矿外围，一道全长近6000m、深逾20层楼高的截水帷幕，将矿坑与外部水源有效阻断，帷幕外侧地下水位埋深从16m回升到了5~6m；与之相隔近700km的锡林浩特市外，应用重构隔水层和水资源优化调配技术的胜利露天矿，内部排土场地下水位在短短7年内便恢复到了开采前的水平。

这些变化，源于一项刚刚荣获2025年度国家技术发明奖二等奖的成果——“露天煤矿开采地下水资源保护关键技术及应用”，该成果是2025年度煤炭开采领域唯一的国家技术发明奖。项目第一完成人李全生，带领团队历经十余年攻关，以“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”和企业相关项目为依托，系统攻克了“矿坑水存不住、地下水回不来、周边水保不住、含水边坡稳不住”四大难题，为煤炭资源露天开采与水资源保护协同提供了科技支撑。

被“浪费”的矿区地下水

我国是世界第一露天采煤大国，年产量超12亿吨。但全国超过八成的露天煤矿都集中在内蒙古、新疆等干旱缺水地区，该区域降雨少、蒸发量大，煤炭开采和水资源保护的矛盾十分突出。

内蒙古自治区是我国防治沙化和荒漠化的关键地带，也是“三北”工程的核心区，区内风沙大、水土侵蚀严重、土壤贫瘠、干旱缺水、植被稀少、生态恢复力低。内蒙古同样也是我国重要的煤炭产区，露天煤矿产量超5.3亿吨/年，约占自治区煤炭总产量的一半。构建能源基地和北方重要生态安全屏障，成为自治区的重要使命任务。大型露天煤矿开采就像剥洋葱一样，要把上面的土石煤一层层挖开，剥采过程挖断地下含水层，造成地下水流失、水位下降。

位于蒙东呼伦贝尔草原的宝日希勒矿区，是呼伦贝尔市和黑龙江省能源保供主力。该区属大陆性亚寒带气候，平均年降水量315mm，平均年蒸发量1345mm，地下水资源是酷寒草甸草原生态的重要支撑。矿区疏干排水系统主要由外围地面疏干井和采场内疏干强排两部分组成，煤炭开发对地下水的扰动按照矿区采掘与疏排水强度大概可分为排水初期、排水加剧期和排水稳定期3个阶段。

“过去，露天矿的地下水来了就抽、就排。”李全生说，“地下水资源变成地表径流外排，矿区水资源缺乏有效补给，地下水位降了就很难恢复。因为这些地区的年降雨量只有两三百毫米，蒸发量却是降雨量的好几倍，依靠大气降水自然恢复地下水位根本等不起。”

抽排出来的矿坑水想存到地面上也不行——占地面积大、蒸发强度大。常规的地面储水池存储矿坑水，储水100万立方米需要占地300亩以上，尤其是太阳一晒一部分水就蒸发掉了，一年就要损失几十万立方米。宝贵的地下水资源，就这么白白蒸发而得不到有效利用，对干旱缺水的矿区生态而言无疑是雪上加霜。

把矿坑水“存”回地下去

既然地上存不住水，能不能把水再存回地下去？

李全生团队把目光投向了矿区的排土场——那里堆满了露天矿挖出来的碎石和岩土，岩石颗粒之间有大大小小的空隙，是天然的储水空间。但要在这堆松散的土石里安全存水，难度不小。

团队研发了一整套排土场地下储水库建设技术：利用采煤留下的空间做库盆，在底部以露天矿剥离物为主要材料构造一层隔水层防止漏水，用排弃的碎石空隙来存水，地下水在岩石空隙运移过程中具有过滤、沉淀、吸附、离子交换等水质自净化作用，周围筑起坝体挡水形成独立的地下储水空间，上面再建一层防渗层阻断储水蒸发，最后通过抽水井和注水井实现水的调配使用。这就是充分利用煤炭开采形成的地下空间，揭示并利用自然规律，将原本存于地下含水层中因开采活动而渗漏出来的水又存回地下空间，形成了一个天然的地下储水场和天然的水处理场。

图为露天煤矿地下储水库建设剖面图

坝体是地下储水库建设的关键，它既要承受复杂的排弃岩土应力，又要保证建设速度适应露天矿剥采排工程正常推进需要。团队发明了一种楔形结构的装配式坝体——上面的楔形顶梁巧妙地把水的侧向压力转化成了压紧坝体的推力，水压越大楔形装配式坝体压得越紧越密实，解决了碾压坝体连接处渗漏密封问题。这项技术获得了中国专利金奖。

宝日希勒露天矿率先用上了这套技术，建成了世界首座露天煤矿地下储水库，库容达到122万m3。项目组首先建立了宝日希勒完整的三维地质模型，优选出适宜建库的位置，根据工程进度选择露天开采境界西南角作为首库建设区，再结合煤层底板起伏将建设高程确定为535-560m。建库过程中，除了利用煤层底板本身的隔水性能外，进一步利用矿区上部的黏土剥离物分层压实构建加强阻渗层；为了提高后续抽蓄水效率，集中矿山开采中有限的块石资源，在底板上构建了两横三纵集水石陇，加快注水井向外渗透和抽水井集水效率。在上述工作基础上，从+570水平向下集中排弃砂砾岩作为储水库的储水介质，利用物料滚落过程中的自然分级和上部台阶分级物料的人工掺配，提高储水介质的有效空隙率，实验室模拟和现场实测均证明，有效储水系数可达6%以上。利用剥离的泥岩在+570水平构建隔水盖层，连接西南侧露天采坑边坡揭露的隔水层和东北侧抬高的煤层底板，形成连续的隔水盖层，避免库内储水不可控上升浸润物料影响边坡安全。整个储水库建设过程，工程难度最大的是抽注水井钻进，经过数年的自然压实，排弃物料虽然已经形成了一定的结构，但仍然是松散体，在厚超百米的排弃松散体上钻进大口径抽注水井，在全球都极为罕见，项目也经历了一年的艰苦探索。在广泛查询资料、总结施工经验的基础上，重新优化提出了“早期预判选址、加稠泥浆快打、分段缩径钻进、及时跟管护壁”的施工方法，技术、矿山、现场施工等多方联动，克服低温约束、夜间施工等因素影响，顺利完成了4口注水井和1口抽水井施工，总进尺超700m，确保了地下储水库的顺利建成和运行。

矿坑水隐蔽储存于排土场的地下储水库，无需开挖地面储水池新增占地。对比宝日希勒露天煤矿原有储水方式和参数，形成122万m3的储水空间，可减少新占土地超400亩，与地面水库蓄水相比，每年少蒸发掉近30万m3的水——相当于节省了约120个标准游泳池的水量。矿坑水不再白白排走，而是变成了藏在地下的“水银行”。

图为国家能源集团宝日希勒露天矿水资源保护地表

给大地“接血管”

水有了地方存，但露天开采把地下的含水层挖断了，就像血管被切断一样，水即使存进去也流不通、用不上，整个地下水系统和生态水位恢复不了，直接影响地表生态系统稳定。

团队改变了单纯追求效率的传统排土思路，发明了一套近自然生态型地层重构技术——把挖出来的黏土、泥岩和砂石等剥离物按照一定规律重新铺排，一层一层地复原出含水层和隔水层。把黏土和泥岩等物料就地改造，做成能适应排土场沉降的柔性隔水层；把砂岩、砾石、砂砾岩、砂等物料优选出来分层分区堆放，形成储水透水的含水层。在此基础上，他们还发明了通过临时挡水墙实现含水层可控连通的技术，让新构建的含水层和周边的原始含水层重新建立水力联系。修复地下水力联系，是件“深耕一隅、惠及广域”“功在当代、利在千秋”的事，为矿区长期的水资源平衡和生态保护完成隐形保护。

位于内蒙古高原东北部的锡林浩特胜利矿区，平均年降水量295mm，平均年蒸发量1759mm，矿区水资源更加珍贵。为了保护矿区地下水资源、修复地下水力联系、促进生态系统自维持，项目组基于矿区精准地质建模和地下水流场分析，研发了阻断跨层水力联系的隔水层构建和恢复地下水系统连通的含水层重构与渗流通道连接技术。团队开发了露天矿剥采运排规划模型，优化确定了各含水层的合理厚度和构建方法，提出了铺设土工膜、临时挡水墙、岩土体改性等提高揭露台阶坡面阻渗性能的方法，减少了含水层断面揭露后的地下水渗漏量和影响范围；内排地层重构过程中，通过阻渗系统高度设计、临时挡水墙分段连通、重构含水层边界增厚等方式，控制矿区含水层有效连通时间，实现了含水层水位和水量原位保护。

图为重构含/隔水层与地下水位恢复

胜利露天矿内排推进区自2017年7月以来的地下水观测发现，随着露天矿剥采排工作面推进和内排土场生态型地层立体重构，地下水位逐渐恢复。其中与矿区地表生态最直接相关的第四系潜水水位恢复明显，2019年9月至2020年8月间最大水位抬升达4.90m，现排土场部分区域地下水位埋深已恢复至开采前水平。

给草原筑起“地下隐形隔水屏障”

露天矿坑深达百米甚至数百米，生产过程中的疏干排水和挖断含水层导致开采区域外的地下水位下降，且下降深度和影响范围随疏排持续时间不断扩大，长期以来依靠第四系地下水作为水源的周边农牧业生产和居民生活都受到影响。

针对部分矿区第四系含水层地下水丰富、渗透性强、水位影响范围大的特点，团队决定在采区外围筑一道“防水屏障”，局部切断矿坑和外部地下水的联系，实现含水层水位和地下水资源的原位保护。

常规的阻水方法难以适配矿区厚度超50m、高渗透、持续性补给的第四系巨厚松散含水层水文地质条件，同时无法抵御露天采掘扰动引发的边坡岩土体形变与地表沉降变形，工程防渗长效性与结构适配性存在技术难题。针对传统混凝土防渗帷幕存在的问题，团队换了一条新路径——改用一种特制的柔性防渗膜。这种膜渗透性极低，比常规材料密实十万倍，因此阻渗所需材料厚度由米级降至毫米级，变形率可达10%以上，能更好地适应露天矿边坡变形特征；同时给其加上特制磁性密封边条，在充满泥浆的深槽里，通过强电流磁场磁化后，两片防渗膜就能像磁铁一样牢牢吸在一起，形成连续的柔性防渗屏障。

扎尼河露天矿率先建成了世界首个防渗膜截水帷幕，全长5815m，深度约60m，矿区排水量减少了七成以上。该矿疏排水量主要由北侧海拉尔河水通过第四系强渗透砂卵石层沿煤层隐伏露头动态补给，为阻隔矿坑与外侧强渗砂卵石层的水力联系，在矿坑北侧煤层隐伏露头位置开挖一幅幅宽度0.6m、深度约60m的深窄槽段，采用泥浆动态调整维持槽壁稳定、不坍塌；为了让厚度仅1~2mm的柔性防渗膜垂向铺到几十米深的地下，团队还专门发明了防渗膜铺设与连接设备，实现了深窄泥浆槽段内防渗膜的自动平整铺设和连接，防渗膜连续铺设宽度突破了22m，铺设效率提高6成；再通过强电流磁场磁化将各幅防渗膜粘接为一体，形成一条连续的防渗膜截水帷幕，最后在槽段内灌注无污染的煤基固废胶凝材料，形成刚柔相济、兼具防渗和抗变形双重功能的复合截水帷幕体。帷幕建成后，外侧的地下水埋深从16m回升到了5~6m，地下水降落漏斗缩小了65%，周边牧民的用水和草原生态得到了有效保障。

元宝山露天矿的截水帷幕一期工程已经完成见效，二期工程现正在紧张施工中，该技术为这座长期受水困扰的露天矿带来扩能提效的希望。

图为露天煤矿截水帷幕应用示意图

地下水存起来了，水位也回升了，但新的风险随之而来——水会让边坡变得不稳定、难控制。

“过去监测边坡主要看它有没有位移，但等看到位移的时候，其实已经离滑坡不远了。”团队成员介绍，“单纯位移监测留给预警和撤离的时间太短了，有时无法控制造成重大经济损失甚至灾难。”

团队发明了一种叫“微芯桩”的智能传感器，它能像听诊器一样，连续不断地监测边坡内部微小的振动变化。这些振动信号就像边坡的“脉搏”和“心跳”，一旦出现异常，系统能在几秒内发出预警，预报不仅及时而且准确。与传统方法相比，扎泥河矿从过去每年近80次预警降低为5-6次，误报率降低了近九成，预警时间也从“秒到分钟级”提前到了“数小时到数天级”。宝日希勒露天矿的滑坡预警更是从24年的77次降低为0次，实际边坡也没发生滑坡事件。

这套设备首创边坡失稳动力学解决方案，已在国内外5000多个边坡上成功应用，并推广到日本、澳大利亚、印尼等国家，为含水边坡的实时安全保驾护航。

从“水害”到“水利”

十余年攻关，李全生团队形成了“矿内水位恢复、矿坑水储用、周边水位保护、边坡安全保障”一体化的露天煤矿开采地下水资源保护成套技术。

成果获得授权发明专利107件，其中美国、澳大利亚等国外专利5件，核心专利转化率超过90%；制定行业标准3项，出版专著8部，发表论文97篇。多位院士鉴定认为，这套技术达到了国际领先水平。著名采矿科学家钱鸣高院士评价，该成果为露天科学开采提供了科技支撑和示范。世界采矿大会主席HuaGuo评价，该成果首创了能源开发与生态保护相协调的模式。

成果已应用于国家能源集团宝日希勒、胜利能源和中煤平朔等27个大型露天煤矿，为我国露天煤炭产量由6亿吨增至12亿吨提供了科技支撑。减损开采、微芯桩等技术成果列入自然资源部、工业和信息化部、科技部等中央部委的先进技术推广目录、应用试点示范工程，并推广到了澳大利亚、印度尼西亚等国家。随着我国煤炭开发重心向西转移、露天开采比例不断提升，技术成果应用前景十分广阔。

“依靠科技创新，打破开采与保护‘两重天’的魔咒，实现煤炭资源生态化开采，是我矢志不渝的追求。”李全生说。

“从露天开采过程中水‘害’人到水‘利’人，从水来了就排到把水留住、用好”——这条路，李全生团队走了十多年。如今，这套技术正在为我国的能源安全和生态保护提供着实实在在的科技支撑。

【编辑：张嘉琪】