“雙碳”目標下煤炭綠色低碳發展新思路

王雙明 ， 劉 浪 ， 朱夢博 ， 申艷軍 ， 師慶民 ， 孫 強 ， 方治余 ， 阮仕山 ， 何 偉 ，楊 潘 ， 王建友

(1.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院, 陜西 西安 710054；3.長安大學 地質工程與測繪學院,陜西 西安 710054；4.西安科技大學 地質與環境學院, 陜西 西安 710054；5.西安弗爾綠創礦業科技有限責任公司, 陜西 西安 710024)

我國能源資源具有“缺油、少氣、相對富煤”的稟賦特點。據自然資源部2023 年發布的《全國礦產資源儲量統計表》顯示[1]，煤炭資源儲量占我國主要能源礦產儲量的91.2%，在全世界煤炭儲量排名中僅次于美國、俄羅斯、澳大利亞[2]。結合非化石能源的可靠替代進程，我國“煤為主體”的基本國情短時期不會改變，且近年來消費需求總量仍呈增長趨勢，預計到2030 年碳達峰時煤炭在能源消費結構中的占比仍高于43%[3]。因此，高質量發揮煤炭在“雙碳”目標進程中的能源主體地位和兜底保障作用至關重要。

近10 a 間，我國煤炭工業戰略重心加速西移，煤炭主產區向晉、陜、蒙、新等中西部地區集中趨勢逐漸加大。2022 年，4 省區原煤產量占全國煤炭總產量的81%。然而，中西部煤炭資源開發與利用過程仍普遍面臨著諸多亟待攻克的技術難題。如：受現有煤炭開采工藝制約，在開采過程中存在大量煤炭被遺留井下。目前，我國大型礦區煤炭采出率均值為30%～40%，低采出率造成了大量資源浪費[4]。據統計，我國礦井遺煤資源量高達400 億t[5]，其中“三下”壓煤量尤其大，采用充填開采方法置換邊角煤、壓覆煤炭等，提高礦井采出率尤為緊迫。此外，煤炭采洗過程中形成大量矸石等固廢，而礦區煤基固廢占用土地空間、存在自燃風險、破壞生態環境和排放溫室氣體，已成為制約煤炭行業綠色低碳發展的突出問題[6-7]。高效處理礦業固廢是現階段中西部煤炭企業面臨的共性難題[8-9]。同時，中西部處于干旱-半干旱地區，生態環境脆弱，煤層采動導致覆巖損傷乃至導通含水層，誘發礦井突水、生態水位下降，進而引起土地荒漠化和生態受損，煤炭開采與生態保護矛盾問題尖銳[10-12]。據此，謝和平等[13]提出了煤炭資源“科學開采”和“科學產能”的概念和內涵。提出在地質與生態環境相協調前提下最大限度地獲取煤炭資源，同時用安全、高效、環境友好的方法將煤炭資源最大限度采出；葛世榮[14]提出地下煤炭化學開采新思路(即地下氣化、地下熱解和生物溶解)，并梳理了煤炭化學開采技術架構、工藝系統和關鍵技術，為提高煤炭采出率提供了全新思路；范立民等[15]提出開采區域評價方法和采煤方法等保水采煤途徑，旨在探索西部生態脆弱礦區煤炭開采與生態環境保護協同發展解決方案；袁亮[16]提出煤炭精準開采概念和發展路徑，提出將不同地質條件的煤炭開采擾動影響、致災因素、開采引發生態環境破壞等問題予以統籌考慮。謝和平等[13]提出了煤炭開發利用一體化、礦井建設與地下空間利用一體化、煤基多元清潔能源協同開發及煤炭潔凈低碳高效利用四大理念，為煤炭全產業鏈技術革命擘畫了戰略藍圖。

“雙碳”目標是構建人類命運共同體的莊嚴承諾，也是實現“美麗中國”的生態文明建設的重要環節。而煤炭作為典型的高碳能源，在“雙碳”目標實現進程中面臨著雙重考驗，即：既要承擔能源供應兜底作用，也要適應綠色低碳發展大勢推動自我革命。黨的二十大報告指出，要立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動。2021 年我國CO2排放量超過100 億t，其中約80%來自煤炭利用過程中的排放[17]。因此，探索煤基CO2封存新方法，已成為新時代煤炭工業可持續發展面臨的重大課題。據此，武強等[18]建議構建靈活清潔煤電+二氧化碳捕集、利用與封存和風光+調節兩大能源供給模式，以形成“三足鼎立、雙模驅動”的新型能源結構體系；桑樹勛等[19]認為推動CO2捕集利用與封存技術、生態地質與碳增匯技術、煤層中甲烷減排與資源化開發利用技術、化石能源低碳化開發利用地質技術、礦化固碳地質技術是實現煤炭源頭減碳的著力攻克的重點技術工作；劉浪等[20]提出基于功能性充填的CO2儲庫構筑與封存方法學術構想，探索“功能性充填材料制備→功能性充填與CO2封存儲庫構筑→CO2物理與化學協同封存→CO2封存安全及環境風險評價”的封存新途徑；又提出了協同解決CO2封存與礦山固廢消納問題解決思路，將大宗固廢處置、固廢高值化利用、CO2封存、采空區利用有機結合，提出了CO2固碳充填理念。筆者團隊[21]探索了煤炭淺層開采擾動空間實現CO2大規模、低成本地下封存可行性，明確了CO2地下高效封存的必備條件，為實現CO2淺層采空區大規模、低成本提供了實現路徑。同時，建議加大煤炭減損開采與生態碳匯、深部煤層與煤炭采空區CO2地質封存和煤礦區新能源協同開發利用技術攻關力度，用技術創新支撐“雙碳”目標背景下我國煤炭工業的發展。

綜上所述，在保障能源安全供應的前提下推進煤炭綠色低碳轉型，是實現我國煤炭工業高質量發展的重大科學命題[22]。因此，需系統解決煤炭開發與利用過程中資源浪費、生態損害、固廢處置和碳排放等問題，探索“煤”“廢”“碳”的開發與處置的協同性實現路徑，尋求煤炭資源高效回收、固廢規?；幹?、采空區再利用與CO2封存的有機結合，將煤炭開發與利用產生的固廢和CO2回歸地下，實現“變害為利”“從哪來到哪去”的綠色低碳發展目標。立足于“煤”的減損化開采、“廢”的功能化利用、“碳”的低碳化處置的三維視角，為化解煤炭資源開發利用痼疾提供全方位解決方案。據此，筆者立足于“煤”-“廢”-“碳”協同化綠色低碳處置思路，系統闡述3 者綠色低碳化發展的科學內涵、科學問題和關鍵技術，以期為“雙碳”目標背景下煤炭工業可持續發展提供借鑒思路。

1 總體思路與實施路徑

煤炭工業承擔著我國能源供應安全兜底保障的重要使命，而立足于我國推進能源新戰略和實現“雙碳”目標現實需求，綠色低碳化已成為新時代煤炭工業高質量發展必須面對和破解的重大技術難題。但煤炭綠色低碳發展進程中仍面臨著諸多痛點：① 存在煤炭損失、地質損傷與環境損害(“煤”的問題)；② 產生大宗煤基固廢(“廢”的問題)；③ 排放巨量CO2(“碳”的問題)?！懊骸薄皬U”“碳”構成了煤炭發展的“不可能三角”，也是煤炭綠色可持續發展的瓶頸所在。因此，突破煤炭高效回收、減少對地質與環境損傷、固廢規?；幹?、低成本CO2封存等技術瓶頸，探索“煤”-“廢”-“碳”協同發展新模式，是煤炭工業可持續發展的必由之路。據此，筆者團隊建議：以煤炭減損化開采應對“煤”的問題、以固廢功能化利用應對“廢”的問題、以CO2低碳化處置應對“碳”的問題，最終形成“煤”-“廢”-“碳”協同發展新模式(圖1)。

圖1 “煤”-“廢”-“碳”協同發展總體思路Fig.1 Overall idea of coal-waste-carbon collaborative development

“煤”“廢”“碳”均源于煤炭資源開發與利用，貫穿煤炭的開采、運輸、加工、利用的全生命周期。因此，立足于“煤”-“廢”-“碳”協同化發展，需基于系統論和聯系論觀點，探索3 者互為整體、耦合制約的內在關系。具體而言，① 開采形成的煤炭資源是產生煤基固廢和CO2的原始母體，而開采形成的大量采空區又為后續固廢處置與CO2封存提供了物理空間；② 煤炭在開采與加工過程產生的煤基固廢，可為制備充填材料與CO2礦化材料提供物質基礎；同時利用制備的CO2充填材料置于井下，又可提高煤炭采出率，為實現“煤”的減損化開采提供了解決方案；③ 對煤炭利用過程中產生的CO2實現回收，需選擇適宜的固碳材料，而多孔疏松的煤基固廢是潛在的理想選擇之一；同時，煤炭開采形成的淺層采空區在滿足氣密條件前提下，通過構建功能性充填空間可實現CO2地下封存，為實現大規模、低成本碳封存提供了可能。

基于上述分析，筆者嘗試構建“煤”-“廢”-“碳”協同發展實施路徑(圖2)：①“功能化”利用：采出的煤炭在開發利用過程中產生的煤矸石、煤電固廢，可分別作為井下固廢充填的骨料、膠凝材料，解決了井下充填用料難題；而通過對固廢充填材料改性處理，將煤電及煤化工行業排放的CO2固定于充填材料中形成固碳充填材料，可實現充填-固碳一體化，解決地表固廢處置的“功能化”利用問題；②“低碳化”處置：在井下對適宜CO2封存的采空區進行改造利用，構筑形成大量的采空區功能性空間；同時，探索CO2物理與化學協同封存方式，評估功能性充填體圍限的碎裂巖體、氣化煤灰及熱解半焦等封存載體封存能力與安全性，實現空區重構與碎脹空間再利用，解決井下空間與碳封存的“低碳化”處置問題；③“減損化”開采：探索“三下”壓煤等重點遺煤回收技術難題，減少煤炭損失；探索井下開采工藝與降低巖層移動的聯動新技術，減少地質損傷；優化開采步距與空間配置方案，推進區段煤柱與大巷合理化設計，發展地表/地下水位與采動導水裂隙帶的阻斷技術，控制生態水位不變動，最大幅度降低對地表脆弱生態系統的干擾，減少環境損害。解決煤炭開采過程中的“減損化”開采問題。最終通過對“煤”-“廢”-“碳”協同化處理方案，將為煤炭的綠色低碳轉型提供了系統化解決方案。

圖2 “煤”-“廢”-“碳”協同發展實施路徑Fig.2 Implementation path of coal-waste-carbon collaborative development

2 “煤”的減損化開采

2.1 “煤”的減損化開采科學內涵

“煤”的減損化開采是在充分認識煤層覆巖結構及開采分區基礎上，運用以充填開采為核心的減損技術組合，實現減少煤炭損失、減少地質損傷和減少環境損害的目的(圖3)，從而確保煤礦區資源、經濟、環境效益最大化。

圖3 煤炭減損化開采內涵Fig.3 Connotation of damage-reducing coal mining

“煤”的減損化開采科學內涵主要體現在：通過精細地質探查厘清覆巖-煤-水空間組合，揭示科學運用充填減損開采技術下的采動覆巖變化規律，提出資源減損與地質環境減損相協調的地質判據和開采分區，形成以充填技術為核心的減損工藝組合方案。從而最大限度采出地下煤炭資源，減少遺煤量，并削弱對生態水位和地表生態的損害。

2.2 “煤”的減損化開采科學問題

“煤”的減損化開采是以“減少煤炭損失、減少地質損傷和減少環境損害”為目標的技術思路，要求采煤工藝與減損組合技術相互匹配協調，并對地質環境影響可控，充分考慮地質基礎和多場耦合條件下的采動覆巖移動損傷和地表變形，確保資源回采與生態效益最大化。其關鍵科學問題包括：礦區含(隔)水層空間組合特征、采煤減損技術應用下的覆巖移動規律和覆巖采動損傷下的地表變形規律，最終建立采煤減損技術應用下隔水巖組穩定與地表變形可控的地質量化判據(圖4)。

圖4 煤炭減損化開采的科學問題Fig.4 Scientific issues in damage-reducing coal mining

(1)礦區含(隔)水層空間組合特征。

地表生態環境對地下水位具有極強的依賴性，淺埋煤層開采容易通過破壞隔水巖組造成地下水位迅速下降[23-25]或隔水層之上的潛水含水層消失，甚至對相鄰區域潛水流場造成擾動[26-27]。筆者基于陜北榆神府礦區綜合分析確定了合理安全的生態水位埋深為1.5～5.0 m[28]。煤層采動造成地下水位下降到安全閾值以外，不能對土壤儲水量進行有效補給，草本植物、深根系灌木等依次會因缺水而逐漸死亡，造成生態環境破壞[29-30]。因此，充分認識礦區含(隔)水層空間組合特征是保障煤炭減損化開采的地質基礎。

立足陜北地區含(隔)水層空間組合，可將其劃分為4 種類型[31]：孤立含水盆地型煤-水組合、無黏土隔水層含水盆地型煤-水組合、隔水層連續分布的含水盆地型煤-水組合、燒變巖型煤-水組合。其中孤立型含水盆地規模小，隔水巖組發生破壞會在短時間內造成整個盆地迅速疏干；無黏土隔水層含水盆地由于含水層分布面積廣且無土層隔水層，覆巖損傷易造成區域性水位下降，甚至影響河川徑流和流域生態；隔水層連續分布的含水盆地大面積分布含水層和土層隔水層，盡管采煤過程會造成覆巖損傷和地表變形，但由于土層隔水層的保護作用使地下水位不會明顯下降；燒變巖型煤-水組合則需防范采動過程中燒變巖水體及其補給區水位下降。

控制生態水位是減少煤炭開采過程中環境損害的核心，范立民等[32]對1994 年、2015 年榆神礦區長期采動條件下泉點分布進行對比，泉數量由2 580 處減少到376 處，衰減率達84%；泉流量由4 997.059 L/s下降到966.392 L/s，衰減率達76%，泉點銳減區域與煤礦開采強度最大區域重疊，含隔水層結構破壞和側向補給截斷是泉點大量衰減的主要原因。因此，厘清不同采煤區的煤-水組合特點，因地制宜的提出減損技術，是實現煤炭資源最大限度開采的必要條件

(2)采煤減損技術應用下的覆巖移動規律。

煤層采動引起覆巖移動破壞，并形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，產生縱向和橫向層間導水裂隙。從而不可避免造成地下流場和應力場發生擾動，極易誘發突水、潰砂等事故[33-34]。導水裂隙帶高度受開采方法、采厚、埋深、覆巖結構、工作面幾何參數、時間及斷層影響的規律[35]。有實測數據顯示軟弱頂板時導水裂隙帶高度為8～12 倍采高，中硬巖層為12～18倍采高，堅硬巖層為18～28 倍采高[31]。導水裂隙帶高度總體隨開采厚度呈分布函數增長，隨采深呈冪函數增長關系[36]。錢鳴高院士[37]提出破壞巖塊相互咬合限制，呈現“砌體梁”結構發生下沉變形，且覆巖結構中存在關鍵層(主關鍵層和亞關鍵層)。當主關鍵層位于7～10 倍采高以內，導水裂隙帶貫穿基巖；反之，導水裂隙帶高度僅到達關鍵層底部[38]。筆者基于保護西部生態脆弱區生態水位，提出確保隔水層穩定的地質判據[39]：

其中，H為隔水層厚度，m；Hl為上行裂隙帶侵入隔水層高度，m；Hlx為下行裂隙帶侵入隔水層高度，m；M為采高，m。上行裂隙帶系前述導水裂隙帶，下行裂隙帶系隔水層下沉產生的自上而下的張裂隙[40]，即隔水層的穩定性是由上行裂隙帶和下行裂隙帶導通條件決定的(圖5)。

圖5 覆巖隔水層采動損害條件Fig.5 Mining damage conditions of overburden aquiclude

減損組合技術的應用改變煤炭開采過程中的圍巖應力場、變形場和流體場演變尚缺乏深入探討，科學認識不同減損工藝技術下的覆巖移動和導水裂隙帶發育規律，并提出隔水層穩定的地質判識量化依據，是基于減損技術實現煤炭資源最大限度開采的關鍵之一。其核心是在充分認識覆巖關鍵層、含隔水層組合特點基礎上，基于覆巖移動理論建立與資源回收和環境效益最大化相協調的減損技術組合，分析分析減損技術實施下的導水裂隙帶高度及其演化過程，判識隔水巖組安全穩定性等級，從而確保上覆含水層水位處于合理安全閾值以內。

(3)覆巖采動損傷下的地表變形規律。

煤炭資源與環境效應最大化要求采煤工藝與減損組合技術相互協調，傳統淺埋煤層的采煤工藝直接導致地表移動變形[41]，筆者調查總結神木北部礦區地表移動變形特征包括塌陷坑、塌陷槽、裂縫、塌陷盆地、黃土崩塌和黃土崩滑[39]，且不同工作面位置、地面坡向所對應的地表裂縫發育特征及程度存在顯著差別[42-43]。

地表移動變形通過改變土壤理化性質造成生態植被損害[44]。采煤沉陷區地裂縫造成土壤含水量下降，且裂縫密度和寬度越大、土壤水分損失量越大[45]，從而使土壤中砂性顆粒增多[46]，土壤密度、毛管孔隙度等發生動態變化[47]，加速了土壤侵蝕、氮和磷流失、土壤總碳下降[48-50]。葉瑤等[51]通過調查鄂爾多斯盆地北部采煤塌陷區，發現植物種類減少了31.03%～44.83%，植株密度下降了58.62%～68.00%、物種豐富度下降了17.43%～27.00%，優勢種和植物群落多樣性發生顯著變化。

基于減損組合技術置換煤柱和“三下”壓煤以減少煤炭資源損失，面臨地質損傷和地表變形聯動的新規律、新問題，精準探查地表變形特點及其對生態系統的影響，研究新規律下的地表生態自修復能力和人工修復條件，是提高煤炭采出率的關鍵地質保障技術。

2.3 “煤”的減損化充填開采關鍵技術

“煤”的減損化開采的核心之一是充填開采，充填開采的關鍵則是將性質穩定的充填材料輸送至采空區置換資源并減少地質和環境損害。鑒于井工開采區段煤柱、邊角煤和“三下”壓煤等或多或少存在煤炭丟失問題，筆者分別提出了回收區段煤柱的“掘-充-留”一體化方法、回收邊角煤及小范圍壓煤的窄條帶式充填開采方法和回收大范圍壓覆煤炭的架后充填開采方法，以期為煤炭減損化開采提供技術支撐。

此外，除了上述以置換不可采煤炭為目的的充填開采方法之外，近年來隨著我國對環境保護要求的逐步提高，我國科研技術人員提出了系列以處置巨量煤矸石為目的的矸石注漿充填方法與技術。

2.3.1 區段煤柱“掘-充-留”一體化技術

井工煤礦普遍采用長壁綜采法采煤，其突出優勢是安全高效，工作面布置形式多為“一面兩巷”(進風巷和回風巷各1 條)，陜北等地的“大采長、長走向、大儲量”工作面布置形式為“一面三巷”(1 條進風巷、2條回風巷)，相鄰工作面之間留設15～40 m 的煤柱，用于隔絕相鄰采空區和支撐頂板載荷，區段煤柱一般都無法回收，相當于丟失綜采工作面5%～20%的煤炭資源。長壁綜采的優化方向是減少或不留設區段煤柱，同時提高回采巷道掘進效率，為此提出了區段煤柱“掘-充-留”一體化技術。

如圖6 所示，區段煤柱“掘-充-留”一體化技術的核心是前進式掘進超大斷面巷道，使用煤矸石膏體充填材料在超大斷面巷道中部構筑充填帶，同步沿兩側煤壁留設回采巷道。區段煤柱“掘-充-留”一體化技術的主要研究內容包括：寬巷掘進與充填留巷協同方法與裝備，速凝功能性充填材料制備理論與技術，架后全域一次性充填與密實接頂方法，寬巷掘進通風優化及充填留巷防滅火，擾動區礦山壓力顯現規律及調控方法，覆巖移動及損傷協同控制理論與技術。

圖6 面間煤柱“掘-充-留”一體化技術原理Fig.6 Technical principle of interface coal pillar excavation-charging-retaining integration

區段煤柱“掘-充-留”一體化技術的突出優勢可以歸納為3 個方面：① 實現無煤柱開采，大幅度提高煤炭資源回收率；② 以礦井矸石產量計算大斷面巷道掘進寬度和中部充填寬度，實現中部充填區對礦井采掘矸石的完全處置；③ 掘進工作面為全風壓通風，避免了長距離獨頭通風，同時一次留設2 條巷道，掘進效率高。

2.3.2 短壁連采連充

短壁連采連充是采用連采機以掘巷的方式進行采煤，目前逐步應用于“三下”采煤、保水開采、邊角煤(煤柱)回收等。窄條帶工作面長度一般50～120 m，寬度一般6～8 m。短壁連采連充技術顯著延長了我國地方與鄉鎮煤礦的服務年限，提高了采出率[52]。此外，筆者團隊針對區段煤柱回收問題，在短壁連采連充研究的基礎上，提出了短-長壁工作面充填無煤柱開采方法[53]。

合理的充填體強度可以平衡頂板安全性與充填成本。以陜北保水充填開采礦井為工程背景，筆者團隊研究提出了短壁連采連充的1 倍基準、2 倍基準和3 倍基準3 種工藝類型，為條帶煤柱安全高效置換開采提供了保障。圖7 為麻黃梁煤礦三倍基準短壁連采連充工藝，垂直切眼方向將工作面煤層每32 m 劃分為一組，每組均分為4 個條帶，條帶寬度8 m，分4個循環進行短壁連采連充開采[54]。3 倍基準工藝下，第4 輪充填體承載較小，可弱充填，充填成本較單倍基準降低20%～25%。

圖7 3 倍基準短壁連采連充開采工藝Fig.7 Three-times short-wall continuous mining and backfilling technology

接頂充填質量直接影響覆巖及地表的保護效果和安全開采[55]。對此，確定了條帶巷頂多通道分布式導氣管的接頂方法，研制了排水/氣-補漿一體化充填管，如圖8 所示，提高了充填接頂率。

圖8 排水/氣-補漿多功能充填管Fig.8 Multi-functional backfilling pipe for drainage/gas and slurry replenishing

2.3.3 綜采架后充填開采

現階段，我國千萬噸級礦井井田面積達到了100 km2，大井田地表普遍存在大量壓覆體，不可避免地壓覆大范圍煤炭資源。如延長石油集團魏墻煤礦，井田勘探報告(2010 年6 月)數據顯示，3、4 號煤層探明的(331)+控制的(332)+推斷的(333)內蘊經濟資源量433.88 Mt，而壓覆的3、4 號煤層3 類資源量高達111.67 Mt，占井田資源量的25.7%。壓覆區煤炭資源的安全高效開采事關礦井的服務年限、經濟效益和資源高效回收。

短壁連采連充生產能力一般30 萬～60 萬t/a，不能匹配大型礦井大范圍壓煤區的產能要求，同時現行政策對礦井的采掘工作面數量有嚴格限制。因此，短壁連采連充難以有效解決大井田的大范圍壓煤問題。綜采架后充填開采技術兼具了綜采的安全高效和充填對采空區的安全處置優勢，是回收大范圍“三下”壓覆煤炭和保水采煤的重要方法。

如圖9 所示，綜采架后充填是基于長壁工作面布置形式，采用充填液壓支架支護，每推進一個充填步距，沿充填支架后體做隔離，在工作面后方搭建充填空間，使用膠結膏體充填材料注滿充填空間，充填材料養護至設計早期強度后，采煤機向前推采，充填支架前移，達到充填步距后再進行下一步距充填。

圖9 綜采架后充填采煤工作面平面Fig.9 Plan of backfilling coal face after fully mechanized mining

充填體養護至設計強度后，充填支架才能向前移動，支撐采煤機前向采煤。然而目前采煤機割煤速率遠高于充填體養護速率，充填體早期強度低是制約架后充填開采效率的關鍵所在。針對這一問題，筆者團隊研制了弗爾早強劑，以14% P.O 425 水泥、30%粉煤灰、56%風積沙為原材料制備質量分數78%的充填材料，加入不同比例(相對水泥)的弗爾早強劑，不同養護齡期下充填材料強度如圖10 所示，加入弗爾早強劑后試樣3 d 抗壓強度增幅為85%～320%、7 d抗壓強度增幅為44%～156%、28 d 抗壓強度增幅為48%～65%。

圖10 早強型充填材料Fig.10 Early strength backfilling material

2.3.4 煤矸石注漿充填技術

現階段，受采煤工作面數量限制、產能任務和煤矸石處置要求等因素影響，越來越多的大型礦井采用矸石注漿充填技術處置煤矸石，同時減緩地面沉陷，如陜北地區的曹家灘煤礦、小保當煤礦和張家峁煤礦等。煤矸石注漿充填的主要工藝流程包括以下幾個步驟：① 矸石破碎，采用破碎機或球磨機等設備將煤矸石破碎至一定粒徑級配下；② 矸石粉調漿，將水與矸石粉進行均勻拌和，制備不離析、低泌水的矸石漿體材料；③ 泵送，采用充填泵將矸石漿體材料沿管道和鉆孔輸送至注漿充填區。

如圖11 所示，根據充填空間位置不同，煤矸石注漿充填技術可以分為采空區注漿和離層注漿，根據注漿鉆孔空間位置不同可以分為地面高位注漿充填、巷道鄰位注漿充填[56-59]。

圖11 煤矸石漿體充填技術Fig.11 Coal gangue slurry backfilling technology

結合當前有關于煤矸石注漿充填工程示范應用情況，煤矸石注漿充填技術下一步研究重點：采空區精細探測與可充空間分析技術，煤矸石漿體材料長距離可靠輸運技術，輸送管道結垢堵塞實時監測預警技術。

3 “廢”的功能化利用

3.1 “廢”的功能化利用科學內涵

“廢”的功能化利用是在明晰多元煤基固廢基礎物理化學特性的基礎上，進行固廢材料改性，使其滿足安全、環境、穩定等性能要求，再基于固廢協同處置理論制備固廢基膠凝材料，膠結煤矸石、氣化渣等固廢骨料制備全固廢充填材料，實現大宗固廢的規?；?、無害化、功能化利用，為煤的綠色低碳利用提供保障。

“廢”的功能化利用科學內涵主要體現在：通過原材料測試明晰固廢基礎物化特性，確定固廢改性優化的方向、方法，揭示固廢改性機理，建立煤基固廢協同水化反應動力學模型，形成固廢分級分質利用、制備全固廢充填材料的工藝組合方案。從而一方面最大規模地處置地面排放的固廢，保護地面生態環境，同時控制固廢充填對井下地質環境的影響。

3.2 “廢”的功能化利用科學問題

“廢”的功能化利用是以“固廢原材料改性→煤基固廢協同處置→煤礦全固廢充填”為技術思路，使煤基固廢具備煤礦充填所需的安全性、環境性、流動性、水化活性、經濟性等特性，在充分考慮井下地質環境保護的前提下，最大化消納地面固廢，實現井上、下環境的雙向優化和充填礦井及固廢企業的可持續發展。其關鍵科學問題在圖12 中體現，包括：煤基固廢原材料改性方法與機理、多元固廢協同作用機理、全固廢充填材料性能調控理論，最終形成基于改性煤基固廢協同處置的煤礦全固廢充填處置模式。

圖12 “廢”的功能化利用科學問題Fig.12 Scientific essence of functional utilization of solid

(1)煤基固廢原材料的改性基礎。

煤基固廢功能化利用的前提是使其具備穩定的性能和良好的環境相容性。然而，目前煤基固廢種類繁多，品質低劣，且受上游工藝及生產條件影響，性質波動大，從而嚴重影響固廢基產品的穩定性，極大地限制了固廢的規?；?、產業化利用。因此，為了解決該問題則引出了固廢改性的概念，顧名思義，改性是通過改善固廢的特性使其具備功能化利用的基礎。

明確固廢改性的必要性后，必須分析固廢的功能目標以評估固廢能否進行改性，這是實現煤基固廢能功能化利用的前提。然而，固廢是復雜的混合體，往往具備多元的回收途徑，目前最大的難點在于建立固廢的功能性目標和物質基礎的關聯關系，以實現固廢的最高效率和最高價值利用。因此，必須充分認識煤基固廢的基礎特性，基于特性分別進行物理和化學水平的分質分級，揭示各類各級固廢的功能化目標和缺陷，明確基于何種用途進行何種特性的改良以建立固廢的改性基礎。

例如，表征部分煤基固廢發現其含有一定的活性成分，具有優異的物理性能，可用于研發膠凝材料以實現高值化利用。然而，目前高值化利用過程中仍存在以下問題：① 固廢自身活性低。例如，冶煉鎂渣活性源于β-Ca2SiO4的水化，但鎂渣中該相含量較低；分級脫碳的煤氣化渣中含有活性玻璃體組分，但該組分含量少且需要強堿激發。② 固廢穩定性差。例如，固廢品質與其原料特性和工藝密切相關，性能波動較大；冶煉鎂渣具有膨脹性，且f-CaO、f-MgO 含量波動大，影響基體安定性。③ 其他特殊問題。例如，粉煤灰遇水釋放氨氣，對井下安全造成一定威脅；部分重金屬易富集于煤基固廢中，重金屬遷移污染土壤、水體等，威脅生態環境安全。此外，受固廢自身缺陷影響，煤基固廢的功能化利用總是難以兼顧性能、效率和規模，這與實現“無廢化”建設愿景相悖。因此，煤基固廢功能化利用還需拔丁抽楔，對各類固廢進行針對性源頭改性，穩定品質、提高水化活性、脫除有害組分，使其具備可功能性利用的基礎條件。

未來，基于煤基固廢不同特性拓展其功能化利用方式，必然會發現固廢潛在新問題和新缺陷，厘清問題、缺陷的來源和發生機制，探究改性方式對煤基固廢性質改良的效果和規律，形成配套的煤基固廢改性方案，是促進其功能化利用的前提，也是保證目標功能穩定的關鍵保障。

(2)多元固廢協同作用機制。

協同作用一詞的經典定義將其描述為2 個或多個因素之間的相互作用，使它們的綜合效應大于其單個效應的總和[60]。協同作用理論常用于固廢資源化利用和膠凝材料研發領域，多元固廢協同作用是提高固廢利用率的有效途徑，通過深入了解不同類型固廢的相互作用機理，可以更好地實現固體廢棄物的資源循環利用，具有較好的經濟和環境效益，是實現區域固廢一體化處置的有效途徑。通常來講，多元固廢的協同作用，是以優異的和易性和力學特性為目標，通過化學和物理協同為實現路徑，最終以提高水化反應產物含量和基質密實度為表現形式。

多元固廢的化學協同作用主要針對多元固廢膠凝材料，其協同作用機理涉及固體廢棄物的物化特性和它們之間的相互作用機制[61]?；瘜W協同作用是不同固廢原料中化學元素互補引起的，主要由Ca、Si、Al、S 等化學元素間的協同反應而產生?；诖?，研究人員往往選擇化學成分互補的工業固廢作為生產多元固廢膠凝材料的原料，例如：堿基固廢(改性鎂渣、電石渣等)、硅鋁質固廢(爐渣、礦渣和粉煤灰等)與硫酸鹽類固廢(脫硫石膏)相互間的協同作用，利用上述固廢中Ca、Si、Al、S 等化學元素間的互補原理，實現堿基固廢活化鋁硅質固廢，并使其與硫酸鹽類固廢發生協同反應，從而實現多種反應途徑相互促進反應產物生成的增效作用。

多元固廢的物理協同則需要統籌考慮，主要針對整個多元固廢復合體系(如：多元固廢充填材料、多元固廢注漿材料等)，通常利用物理協同作用使多元固廢復合體系具有更高的堆積密度，通過增加其密實程度來提高復合體系的和易性和力學特性。當下多元固廢復合體系的級配優化已然成為研究熱點[62-63]，Fuller和Bolomy 等理想級配理論被廣泛應用，通過統籌考慮膠凝材料和骨料的粒徑級配，利用人為控制固廢骨料級配來實現多元固廢復合體系的理想粒徑級配，從而優化多元固廢復合體系的目標性能。此外，為解決人為控制骨料級配成本高、費時費力等問題，多元固廢骨料被復合應用的工程案例已不勝枚舉，通過多元固廢骨料級配互補，可實現多元固廢復合體系的物理協同作用[64-65]。

(3)全固廢充填材料性能調控理論。

煤礦充填過程中，全固廢充填材料必須具備良好的流動性、力學性能和環境穩定性，但流動性、力學性能在一定程度相互制約，需要深入研究材料水化膠結、物質遷移等化學機理和微觀顆粒級配、漿體流變學等物理機理，為制備滿足多約束條件下的全固廢充填材料提供理論支撐。

全固廢充填材料的流動性直接決定了泵送及自流的可靠性，流動性差必將導致堵管事故頻發。全固廢充填材料流動性主要受原材料理化特征、配合比、質量濃度、充填倍線、充填泵等因素的影響。如煤矸石做骨料時，破碎設備及矸石巖性差異會使得矸石顆粒中粉料占比存在顯著差異，同時泥巖具有遇水泥化的特性，當粉料、泥巖占比較高時，需要降低充填材料的質量濃度，以維持全固廢充填材料的流動性。榆林麻黃梁煤礦需要從外運煤矸石進行充填，當煤矸石泥巖組分小于10%時，充填材料質量分數可控制在79%，當矸石中泥巖較大于30%時，料漿質量分數需降至74%。此外，粉煤灰對全固廢充填材料的泵送具備一定的潤滑作用，主要源于粉煤灰的“滾珠效應”，摻加10%～30%粉煤灰可顯著提高料漿的流動性[66]。如鄂爾多斯察哈素煤礦矸石泥巖組分少、矸石顆粒大(-15 mm)，添加20%～30%的粉煤灰，在保證流動性的前提下，料漿質量分數可高達81%?？偟膩碚f，全固廢充填材料的塌落度為255 mm 和屈服應力為200 Pa 是礦用充填料漿可泵性的最低要求[66-68]。

全固廢充填材料的力學性能是其能否安全支撐上覆巖層的重要指標，其力學性能主要受骨料的級配效應、膠凝材料的摻量和水化程度等因素的影響。其中，研究學者針對尾砂基充填材料展開研究，骨料的Talbot 級配系數與其動態峰值抗壓強度的關系近似為二次函數，級配系數為0.5 時，尾砂基充填材料具備最優的力學性能和微觀結構[69]。此外，膠凝材料的水化反應是充填材料力學性能形成的基礎，水化產物數量與膠凝材料的摻量呈正相關，大量水化產物對其微觀孔隙進行充填，提高了充填材料的微觀致密程度，這對其力學性能的發展具有促進作用[70]。

全固廢充填材料的環境問題主要是重金屬元素浸出及遷移。部分學者對煤基 固廢的毒性浸出展開了研究，煤矸石和煤氣化渣中Pb 和Cd 元素具有一定的浸出風險，且煤氣化渣的浸出風險大于煤矸石，這也證實了地面堆放或填埋處置是存在較大的環境風險[71]。此外，固廢基充填材料的毒性浸出相關研究表明：水化產物可以通過化學鍵和物理吸附/封存等方式實現重金屬元素的固化[72-73]，Mg2+和Ca2+形成的層狀氫氧化物可以固定大量的重金屬元素，從而降低重金屬元素的浸出濃度[74]。改性鎂渣基膠凝材料具備強大的重金屬固結能力，膠結多源煤基固廢制備全固廢充填材料可實現綠色、低碳和低成本充填。

3.3 “廢”的功能化利用關鍵技術

3.3.1 煤基固廢的改性技術

大量煤基固廢自身缺陷難以克服，導致區域內煤基固廢的減量化、無害化與資源化處置產業發展阻力重重。如何解決固廢自身問題使其具備功能化利用條件以擴大固廢的無害化處理規模，成為了當前研究的關鍵。通過實施煤基固廢改性技術，對各類固廢進行改性，消除缺陷，提升性能，是實現“廢的功能化利用關鍵技術”的前提，是拓展固廢其他功能化利用的基礎。

改性方式按照改性環節可分為源頭改性和后端改性。源頭改性是通過調整上游工藝，生產條件或配套專用改性技術改善下游固廢性質，使其具備應用潛力。源頭改性同樣包含物理方法和化學方法，筆者團隊[68]在煉鎂原料中加入化學優化劑來抑制Ca2SiO4的晶型轉變，最終通過提高冶煉鎂渣中β-Ca2SiO4的含量從而大幅提高其水化活性，這是源頭改性的代表技術。

后端改性是通過物理、化學等手段對已經排放的鎂-煤基固廢進行改性，使其具備利用的條件或進一步強化性能。后端改性一般可分為物理[75-76]和化學[77-79]方法，一般可根據功能化利用目標進行合理選擇。物理改性包含物理精準分離和研磨活化等，其中，精準分離可以最大限度的提升固廢的利用率和利用價值。筆者團隊通過篩析法和重力法精準分選出煤氣化粗渣中的高活性物質，然后進一步利用化學(硫酸鹽、氯鹽、堿等)激發劑侵蝕顆粒表面，加速內部活性物質溶解或破壞內部結構，實現了煤氣化渣的改性[80]。該類煤氣化渣可用于高價值膠凝材料的開發，而分離的低/無活性物質則可被用作充填骨料或用作可燃碳回收等[81]。由于各類激發劑均存在自身優勢和不足，采用復合激發方式可以實現性能上的優勢互補并彌補不足，具有更好的激發效果。復合激發既包含物理和化學層面的耦合，還包含多種化學激發劑的耦合。不論選擇何種激發方式，在保證一定的激發效果同時，都要綜合考慮各種激發方法的相互關聯。除此之外，由于功能化目標不同，固廢材料的改性或活化難度天差地別。例如，粉煤灰按照細度可分為Ⅰ～Ⅲ級，按照氧化鈣含量可分為C 和F 類，其中Ⅰ、Ⅱ級或C 類可直接利用，而Ⅲ級或F 類粉煤灰在必須經過不同程度的改性或活化方可實現高值化利用[76,82]。因此，對于不同的鎂-煤基固廢特性，選用合理的改性方式對實現其功能性利用至關重要。

3.3.2 固廢基膠凝材料研制

煤炭減損化開采的核心之一是充填開采，充填開采的關鍵則是將性質穩定的充填材料輸送至采空區置換資源并減少地質和環境損害。但是，當前充填開采總是面臨成本過高的困擾，實際充填成本主要取決于膠凝材料的類型及用量，傳統充填開采通常采用水泥作為膠凝材料，其成本約占充填成本的75%以上[83]。此外，“高耗能” “高污染”一直是水泥行業的傳統標簽，在“雙碳”和“深入打好污染防治攻堅戰”的相關目標背景下，水泥價格和充填成本還將不斷上漲。因此，尋找新型低碳、環保、經濟的膠凝材料替代水泥至關重要。

目前廣泛采取的策略是，通過混合多種具有潛在活性或協同效應的固廢作為水泥的替代品[2-3]。而在煤礦開采、煤炭利用(煤電、煤化工等)以及一些高耗能的關聯行業(冶煉行業等)中，都會伴生系列大宗固廢(統稱為煤基固廢，包括煤矸石、粉煤灰、燃煤爐渣、脫硫石膏和煤氣化渣等)。秉持“取自礦山用至礦山”和“以廢治廢”的理念，尋找技術有效、生產可行的煤基固廢原材料，最大限度激發材料活性，是開發固廢基膠凝材料的基礎。

大量研究發現，具有潛在活性的固廢材料在單一作用時其活性難以完全被激發[82]。粉煤灰、燃煤爐渣和煤氣化渣中都存在活性SiO2和Al2O3等礦物，具備潛在的火山灰活性，但必須經過一定方式的活化后才能表現出來[84]。因此，在基于鎂-煤基固廢改性技術的基礎上，結合多元固廢協同作用機制開發新型膠凝材料。綜合地域因素和經濟性考慮，采用機械研磨-堿性固廢(周邊關聯行業固廢：鎂渣、電石渣等)-鹽(脫硫石膏等)復合激發的方式。與此同時，在明確膠凝體中各組分的協同效應的基礎上，進行膠凝材料配比優化。但是，不可忽略的是，全固廢基膠凝材料的原料均為工業固廢，上游生產原料、工藝等條件的改變即會影響下游固廢的特性。此外，不同的配比或不同質量的固廢原料會導致膠凝材料性能存在差異，盡管不同性能的膠凝材料可適用不同的應用環境，但是如何保證膠凝材料質量穩定或避免混淆等是保證下游安全應用的前提。因此，必須規范固廢基膠凝材料的原料選取、生產、等級分類、儲運等過程，并形成標準規范。

最終，形成了集“固廢特性表征—材料改性和分級—膠凝材料開發和配比優化—工業生產及應用”的研發及生產規范路線，如圖13 所示。通過使用多種煤基固廢制備的新型膠凝材料替代硅酸鹽水泥用于礦山充填等領域，極大降低了礦山充填成本，還能推動多種工業固廢資源化協同利用，實現生產過程接近零污染物排放，具有廣闊的應用前景和社會效益。

3.3.3 全固廢充填材料制備

在生態文明建設持續推進、高質量發展轉型升級的時代背景下，固廢處置與煤礦充填越來越受到社會各界的廣泛關注，相關技術快速發展、產業日趨壯大。膠結膏體充填材料的組成包括3 部分，膠凝材料、骨料和拌合水。傳統的充填膠凝材料為水泥，上節所述的固廢基膠凝材料降低了充填成本[68]。但是，只有少部分具有潛在活性的煤基固廢經過分級篩選后可用于開發膠凝材料進行高值化利用，而剩余的低性能煤基固廢堆存量較大且大多自身存在缺陷，品質波動大，難以規?；幚?。

此外，部分礦區煤礦充填基礎原材料不足。目前，煤礦充填大多采用煤矸石作為骨料，但是煤矸石產量占原煤產量的10% ～ 20%，部分有意愿實施充填開采的礦井面臨充填原材料不足的困境。要實現煤礦充填開采技術的大規模推廣，拓展充填骨料的來源。

針對上述關鍵問題，在大規模推廣煤基全固廢充填技術過程中，開發了以低品質煤基固廢為骨料，性能可控、環境友好的全固廢充填材料，形成了可消納低品質固廢的充填材料制備技術。此外，如何解決全固廢充填料漿長距離輸運難題，如何根據輸運距離動態調整充填料漿流動性能，如何優化配比參數以滿足不同采空區充填力學性能需求，如何制備滿足環保要求的全固廢充填材料，建立成套全固廢充填理論與技術體系是解決上述問題的關鍵。

因此，以大宗煤基全固廢充填材料成本和性能為優化目標，以充填料漿的流動性、充填材料的穩定性和環保性為約束條件，制備多種不同類型的全固廢充填材料。系統研究各類煤基全固廢充填材料的抗壓強度、流動性和環境性能，并結合礦山充填理論給出各全固廢充填材料對應的配比設計依據。最終建立全固廢充填材料流動、力學和環境性能理論體系，明確固廢特性、材料配比、環境條件和時間空間等因素對充填材料性能的影響，形成相應的技術路徑和工業化生產工藝，保障全固廢充填技術落地轉化，如圖14所示。

圖14 全固廢充填材料制備及充填工藝Fig.14 Preparation and filling process of solid waste filling materials

筆者團隊致力于利用改性鎂煤渣基膠凝材料制備全固廢充填材料的研究，圖15 顯示了不同改性鎂煤渣基膠凝材料含量對煤矸石全固廢充填材料強度發展的影響。充填材料的強度隨著膠凝材料的質量分數增加而增加，以28 d 含20%的FA 系列試樣為例，膠凝材料添量分別為18%、20%、22%和24%的試樣強度較膠凝材料添量為16%的試樣強度分別增加了1%(0.04 MPa)、35.8%(1.36 MPa)、43.8%(1.66 MPa)和88.7%(3.36 MPa)。

圖15 MF·C 膠結煤矸石全固廢充填材料的單軸抗壓強度Fig.15 Uniaxial compressive strength of MF·C cemented coal gangue backfilling material

4 “碳”的低碳化處置

4.1 “碳”的低碳處置科學內涵

“碳”的低碳化處置(Negative Carbon Disposal,NCD)是在考慮地質條件和煤炭開發工藝的條件下，充分利用采空區形成的地下空間，通過充填可以礦化CO2的固體廢棄物(如粉煤灰、氣化渣、鋼渣、赤泥等)和廢水(高礦化度、難處理污染水或廢水)，以化學反應固化和物理吸附等方式將CO2封存在采空區內，在采空區充填的同時實現CO2的封存。

“碳”的低碳化處置科學內涵主要體現在：以煤炭開發過程采空區充填和CO2封存為背景，采取理論研究、室內實驗和工程實踐相結合的方法，揭示采空區礦化充填和CO2封存中物理、力學、化學、地質等基礎科學問題，闡明低碳化處置的科學原理和地質適宜性，提出低碳化處置的科學實踐框架和實施路徑，構建包含經濟、環境、地質等因素的低碳化處置綜合評價模型，形成低碳化處置保障策略和實施方案，為煤礦采空區處置和低碳化利用提供基礎理論支撐。

4.2 “碳”的低碳處置科學問題

“碳”的低碳化處置是基于“功能性充填的CO2儲庫構筑與封存”學術構想，采用功能性充填技術在煤炭開采過程中同步構筑CO2封存儲庫，用控制功能性充填材料的方式，以滿足充填體強度、防滲等CO2封存條件；用控制儲庫單元與儲庫群結構的方式，以保障CO2封存空間的穩定性與安全性；用高富含Ca/Mg 固廢礦化反應的方式，以確保CO2安全封存；形成“功能性充填材料制備→功能性充填與CO2封存儲庫構筑→CO2物理與化學協同封存→CO2封存安全及環境風險評價”的CO2封存新模式，其涉及的科學問題如圖16 所示。

圖16 “碳”的低碳處置科學問題Fig.16 Scientific issues of low-carbon disposal

(1) CO2礦化封存材料制備與封存儲庫構筑。

礦化封存材料是CO2封存的重要載體，如何研發出低成本、高固碳、高性能的新型固廢基CO2礦化封存材料，并形成礦化材料制備技術與工藝方法是實現井下CO2物理-化學封存的前提。首先，研究礦化材料固碳效能隨CO2礦化反應的演化機理，明晰不同堿基固廢對CO2化學封存的固碳特性，建立CO2礦化材料固碳效能評價方法，形成堿基固廢礦化反應的調控技術，從而最大程度地封存CO2。其次，建立CO2礦化材料力學性能評價方法，明晰骨料與礦化材料性能的匹配關系。最后，以提高礦化材料力學性能為目標，研究CO2礦化體微觀結構、硬度和孔隙率，設計滿足礦化材料流動性、可泵時間、抗壓強度、環境性等多種性能指標的CO2礦化材料配比，該科學問題的突破可為煤礦CO2礦化材料性能調控與配比設計提供關鍵依據。

封存儲庫是保障CO2封存的重要結構，研究儲庫材料力學性能、礦山壓力和儲庫安全跨距間的約束關系，建立儲庫安全跨距的計算模型；構建井下CO2封存泄漏擴散的數值仿真模型，研究礦井風量、風速等因素對CO2擴散稀釋的影響規律，結合礦井充填開采工藝工序、礦井安全要求和CO2封存環境，提出礦井充填開采-封存儲庫構筑一體化方法是實現CO2安全封存的關鍵基礎。(2) 多相-多場耦合下CO2封存機理與調控機制。為了實現CO2充注流量和CO2驅替效率協同最大化，促進CO2封存效能的提高，首先需要研究CO2驅替關鍵技術，封存空間原始氣體(空氣)會占據物理封存空間，降低CO2濃度，減小CO2與礦化封存材料的接觸面積，影響CO2封存量、封存速度、礦化度等，最終降低CO2的綜合封存效能。其次需要研究多源-阱協同充注CO2關鍵技術，充注流量與穩定性、充注口數量與相對位置、不同階段多源-阱協同充注的流量協同等均會影響CO2氣體在礦化封存材料孔隙和碎脹空間中的流動與擴散特性，對CO2有效驅替原始氣體有顯著影響。為保障CO2封存效能，應深入揭示CO2擴散與運移規律，明確CO2在礦化材料孔隙中的擴散與遷移，通過測定礦化材料的細觀孔隙結構特征，建立滲流-應力-化學-溫度多場耦合下CO2氣-液兩相運移模型，獲知CO2在礦化材料中的時空分布規律與運移機制；由礦化材料細觀孔隙及微觀形貌特征，建立礦化材料吸附-解析CO2模型，開展系列水化-礦化反應試驗，研究鈣CO2溶解-鈣/鎂離子浸出-碳酸鹽生成的傳質過程，分析多相多場耦合下礦化材料水化-礦化反應動力學過程，探索CO2物理-化學協同封存機理；引入表征礦化材料固碳性能的定量化指標，建立固碳效能預測半經驗模型，從礦化材料、封存條件、封存工藝等方面提出CO2封存效能優化調控方法，從而為礦化材料鋪設、注入管布置、注入壓力等封存參數提供指導。

(3) CO2封存長期環境效應及儲庫穩定性。

封存后的CO2能否長期穩定地賦存于封存材料及儲庫中是評價CO2封存性能的重要依據。首先，開展系列充填體耦合損傷演化特性試驗，研究多相(氣-液-固)多場(滲流-應力-化學-溫度)耦合作用下充填體流變-損傷-破壞時空演化過程，建立充填體損傷本構模型和滲流模型；建立煤礦功能性充填開采筑庫物理相似模型與力學模型，研究CO2封存期周期性內壓加-卸載作用下儲庫(群)結構變形與應力分布規律，明晰CO2儲庫(群)的損傷演化機理與失穩破壞機制，提出儲庫(群)結構及封存工藝優化方法；分析CO2封存儲庫群穩定性、密封性、耐久性和可用性的基本要求，建立適于礦山CO2儲庫群長期穩定性的評價指標、評價準則及預測方法。其次，開展礦井水-CO2-充填體-礦化體反應模擬實驗，研究長期封存狀態下礦井水-CO2-充填體-礦化體間的相互作用，分析封存期CO2解析對充填體/礦化體溶蝕及CO2運移的影響規律；研究CO2封存環境下礦化體中重金屬元素析出-遷移機理，分析礦化體-礦井水-充填體中重金屬元素賦存形式及時空分布特征；研究多相-多場耦合作用下固碳礦化材料的長期環境效應，提出CO2封存儲庫長期環境效應評價方法及重金屬元素析出-遷移控制方法。

4.3 “碳”的低碳處置關鍵技術

4.3.1 碎脹空間CO2封存

煤層開采后上覆巖層垮落后形成的碎脹空間為CO2物理封存提供了巨大的物理空間[21]。在綜合評價蓋層氣密性與穩定性的基礎上，為避免封存區CO2逸散至井下作業環境，需要將封存區與井下作業空間隔絕開來，基于提出的封存區回字形充填密封的技術路線，即采用功能性充填的方法在封存區周圍構筑回字形高強度、低滲透、充分接頂的功能性充填體。從而由頂部低滲透的蓋層、功能性充填體和底板構成密閉的碎脹空間，為CO2物理封存提供空間基礎。將低濃度的CO2注入密閉的碎脹空間，一部分CO2氣體游離在垮落巖石間的間隙中，另一部分吸附與巖石表面或者巖石孔隙中，實現CO2物理封存，具有較大的封存潛力。碎脹空間CO2封存示意如圖17 所示。

圖17 碎脹空間CO2 封存Fig.17 CO2 sequestration in fragmented space

4.3.2 基于功能性充填的CO2封存

基于功能性充填技術在開采的同時間斷構筑出氣密性好、穩定性高的CO2封存空間[20]，將CO2礦化封存材料裝填至封存空間，通入低體積分數煙氣CO2，與礦化材料發生礦化反應，形成穩定的碳酸鹽；另外CO2與隔離墻充填體內部的堿性物質與水化產物等同樣發生碳化反應，生成碳酸鈣填充于充填體孔隙內部，一方面可增強充填體強度；另一方面可降低充填體的滲透率，增強氣密性[85]，以上2 方面實現CO2化學封存。同時部分CO2氣體吸附于礦化材料表面或者孔隙中，從而實現化學封存為主，物理封存為輔的封存方式。值得一提的是礦化材料起到過濾器的作用，將低濃度的煙氣CO2封存在空間中，而不需要提純CO2，大大降低了CO2捕集與提純成本?；诠δ苄猿涮畹腃O2封存示意如圖18 所示。

圖18 基于功能性充填的CO2 封存Fig.18 CO2 sequestration based on functional backfill

4.3.3 煤礦CO2固碳充填

煤礦CO2固碳充填的基本思路是利用堿基固廢礦化后形成的固體顆粒用于充填骨料，彌補骨料短缺的問題[83,86]，并可實現一定的固碳。即將堿性固廢與外加劑、水和CO2充分攪拌，在外加劑和水解作用下析出鈣/鎂離子，堿基固廢中鈣/鎂離子與CO2發生礦化反應并在充填骨料顆粒表面形成堅硬的碳酸鈣[87]。通過控制礦化反應效能與碳化堿基固廢顆粒粒徑，將堿基固廢經過在高效礦化反應攪拌裝備內碳化后的固體顆粒制備成固碳充填骨料，與膠凝材料混合攪拌制備成滿足充填流動性和力學性能要求的CO2固碳充填料漿，采用充填泵輸送到煤礦采空區，實現煤礦CO2固碳充填。煤礦CO2固碳充填工藝示意如圖19 所示。

圖19 煤礦CO2 固碳充填工藝示意Fig.19 Schematic diagram of CO2 carbon sequestration backfill process in coal mines

5 結 論

(1) 煤炭減損化開采是以“減少煤炭損失、減少地質損傷和減少環境損害”為目標，在充分認識地層結構基礎上，協調匹配采煤工藝與減損組合技術，建立采煤減損技術應用下隔水巖組穩定與地表變形可控的地質量化判據，論述了充填減損化開采關鍵技術體系，包括區段煤柱“掘-充-留”一體化技術、斷壁連采連充、架后充填開采等關鍵技術和煤矸石注漿充填技術，確保資源回收與生態效益最大化。

(2) 基于多元煤基固廢基礎理化特性，從礦山充填的角度論述了“廢”的功能化利用的科學內涵和科學問題，提出了煤基固廢源頭改性方法、物理活化和化學激發制備固廢基膠凝材料方法，綜合制備固廢基膠凝材料、膠結煤矸石、氣化渣等固廢骨料制備全固廢充填材料，初步形成“煤基固廢改性→全固廢膠凝材料研制→全固廢充填材料制備”技術路徑和工業化生產工藝，為大宗煤基固廢的規?；?、無害化、功能化利用提供了新思路。

(3) 綜合地質條件和煤炭開發工藝，提出了以化學反應固化和物理吸附的方式封存CO2與礦井充填開采-封存儲庫構筑一體化方法。確定了固廢基CO2礦化封存材料制備與儲庫構筑、多相-多場耦合下CO2封存機理與調控機制與CO2封存長期環境效應及儲庫穩定性等關鍵問題，提出了碎脹空間CO2封存、基于功能性充填的CO2封存以及煤礦CO2固碳充填等碳在地下空間的低碳處置關鍵技術，為CO2封存提供新的模式。