“雙碳”目標(biāo)下煤炭綠色低碳發(fā)展新思路

王雙明 ， 劉 浪 ， 朱夢(mèng)博 ， 申艷軍 ， 師慶民 ， 孫 強(qiáng) ， 方治余 ， 阮仕山 ， 何 偉 ，楊 潘 ， 王建友

(1.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院, 陜西 西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054；4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054；5.西安弗爾綠創(chuàng)礦業(yè)科技有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710024)

我國(guó)能源資源具有“缺油、少氣、相對(duì)富煤”的稟賦特點(diǎn)。據(jù)自然資源部2023 年發(fā)布的《全國(guó)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)表》顯示[1]，煤炭資源儲(chǔ)量占我國(guó)主要能源礦產(chǎn)儲(chǔ)量的91.2%，在全世界煤炭?jī)?chǔ)量排名中僅次于美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞[2]。結(jié)合非化石能源的可靠替代進(jìn)程，我國(guó)“煤為主體”的基本國(guó)情短時(shí)期不會(huì)改變，且近年來(lái)消費(fèi)需求總量仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030 年碳達(dá)峰時(shí)煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比仍高于43%[3]。因此，高質(zhì)量發(fā)揮煤炭在“雙碳”目標(biāo)進(jìn)程中的能源主體地位和兜底保障作用至關(guān)重要。

近10 a 間，我國(guó)煤炭工業(yè)戰(zhàn)略重心加速西移，煤炭主產(chǎn)區(qū)向晉、陜、蒙、新等中西部地區(qū)集中趨勢(shì)逐漸加大。2022 年，4 省區(qū)原煤產(chǎn)量占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的81%。然而，中西部煤炭資源開發(fā)與利用過(guò)程仍普遍面臨著諸多亟待攻克的技術(shù)難題。如：受現(xiàn)有煤炭開采工藝制約，在開采過(guò)程中存在大量煤炭被遺留井下。目前，我國(guó)大型礦區(qū)煤炭采出率均值為30%～40%，低采出率造成了大量資源浪費(fèi)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)礦井遺煤資源量高達(dá)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(guò)程中形成大量矸石等固廢，而礦區(qū)煤基固廢占用土地空間、存在自燃風(fēng)險(xiǎn)、破壞生態(tài)環(huán)境和排放溫室氣體，已成為制約煤炭行業(yè)綠色低碳發(fā)展的突出問(wèn)題[6-7]。高效處理礦業(yè)固廢是現(xiàn)階段中西部煤炭企業(yè)面臨的共性難題[8-9]。同時(shí)，中西部處于干旱-半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤層采動(dòng)導(dǎo)致覆巖損傷乃至導(dǎo)通含水層，誘發(fā)礦井突水、生態(tài)水位下降，進(jìn)而引起土地荒漠化和生態(tài)受損，煤炭開采與生態(tài)保護(hù)矛盾問(wèn)題尖銳[10-12]。據(jù)此，謝和平等[13]提出了煤炭資源“科學(xué)開采”和“科學(xué)產(chǎn)能”的概念和內(nèi)涵。提出在地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)前提下最大限度地獲取煤炭資源，同時(shí)用安全、高效、環(huán)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(xué)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(xué)開采技術(shù)架構(gòu)、工藝系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，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(qū)域評(píng)價(jià)方法和采煤方法等保水采煤途徑，旨在探索西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)同發(fā)展解決方案；袁亮[16]提出煤炭精準(zhǔn)開采概念和發(fā)展路徑，提出將不同地質(zhì)條件的煤炭開采擾動(dòng)影響、致災(zāi)因素、開采引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題予以統(tǒng)籌考慮。謝和平等[13]提出了煤炭開發(fā)利用一體化、礦井建設(shè)與地下空間利用一體化、煤基多元清潔能源協(xié)同開發(fā)及煤炭潔凈低碳高效利用四大理念，為煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)革命擘畫了戰(zhàn)略藍(lán)圖。

“雙碳”目標(biāo)是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾，也是實(shí)現(xiàn)“美麗中國(guó)”的生態(tài)文明建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。而煤炭作為典型的高碳能源，在“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程中面臨著雙重考驗(yàn)，即：既要承擔(dān)能源供應(yīng)兜底作用，也要適應(yīng)綠色低碳發(fā)展大勢(shì)推動(dòng)自我革命。黨的二十大報(bào)告指出，要立足我國(guó)能源資源稟賦，堅(jiān)持先立后破，有計(jì)劃分步驟實(shí)施碳達(dá)峰行動(dòng)。2021 年我國(guó)CO2排放量超過(guò)100 億t，其中約80%來(lái)自煤炭利用過(guò)程中的排放[17]。因此，探索煤基CO2封存新方法，已成為新時(shí)代煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大課題。據(jù)此，武強(qiáng)等[18]建議構(gòu)建靈活清潔煤電+二氧化碳捕集、利用與封存和風(fēng)光+調(diào)節(jié)兩大能源供給模式，以形成“三足鼎立、雙模驅(qū)動(dòng)”的新型能源結(jié)構(gòu)體系；桑樹勛等[19]認(rèn)為推動(dòng)CO2捕集利用與封存技術(shù)、生態(tài)地質(zhì)與碳增匯技術(shù)、煤層中甲烷減排與資源化開發(fā)利用技術(shù)、化石能源低碳化開發(fā)利用地質(zhì)技術(shù)、礦化固碳地質(zhì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭源頭減碳的著力攻克的重點(diǎn)技術(shù)工作；劉浪等[20]提出基于功能性充填的CO2儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑與封存方法學(xué)術(shù)構(gòu)想，探索“功能性充填材料制備→功能性充填與CO2封存儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑→CO2物理與化學(xué)協(xié)同封存→CO2封存安全及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”的封存新途徑；又提出了協(xié)同解決CO2封存與礦山固廢消納問(wèn)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(qū)利用有機(jī)結(jié)合，提出了CO2固碳充填理念。筆者團(tuán)隊(duì)[21]探索了煤炭淺層開采擾動(dòng)空間實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)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(shí)現(xiàn)CO2淺層采空區(qū)大規(guī)模、低成本提供了實(shí)現(xiàn)路徑。同時(shí)，建議加大煤炭減損開采與生態(tài)碳匯、深部煤層與煤炭采空區(qū)CO2地質(zhì)封存和煤礦區(qū)新能源協(xié)同開發(fā)利用技術(shù)攻關(guān)力度，用技術(shù)創(chuàng)新支撐“雙碳”目標(biāo)背景下我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展。

綜上所述，在保障能源安全供應(yīng)的前提下推進(jìn)煤炭綠色低碳轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重大科學(xué)命題[22]。因此，需系統(tǒng)解決煤炭開發(fā)與利用過(guò)程中資源浪費(fèi)、生態(tài)損害、固廢處置和碳排放等問(wèn)題，探索“煤”“廢”“碳”的開發(fā)與處置的協(xié)同性實(shí)現(xiàn)路徑，尋求煤炭資源高效回收、固廢規(guī)模化處置、采空區(qū)再利用與CO2封存的有機(jī)結(jié)合，將煤炭開發(fā)與利用產(chǎn)生的固廢和CO2回歸地下，實(shí)現(xiàn)“變害為利”“從哪來(lái)到哪去”的綠色低碳發(fā)展目標(biāo)。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(fā)利用痼疾提供全方位解決方案。據(jù)此，筆者立足于“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同化綠色低碳處置思路，系統(tǒng)闡述3 者綠色低碳化發(fā)展的科學(xué)內(nèi)涵、科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，以期為“雙碳”目標(biāo)背景下煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供借鑒思路。

1 總體思路與實(shí)施路徑

煤炭工業(yè)承擔(dān)著我國(guó)能源供應(yīng)安全兜底保障的重要使命，而立足于我國(guó)推進(jìn)能源新戰(zhàn)略和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)現(xiàn)實(shí)需求，綠色低碳化已成為新時(shí)代煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須面對(duì)和破解的重大技術(shù)難題。但煤炭綠色低碳發(fā)展進(jìn)程中仍面臨著諸多痛點(diǎn)：① 存在煤炭損失、地質(zhì)損傷與環(huán)境損害(“煤”的問(wèn)題)；② 產(chǎn)生大宗煤基固廢(“廢”的問(wèn)題)；③ 排放巨量CO2(“碳”的問(wèn)題)。“煤”“廢”“碳”構(gòu)成了煤炭發(fā)展的“不可能三角”，也是煤炭綠色可持續(xù)發(fā)展的瓶頸所在。因此，突破煤炭高效回收、減少對(duì)地質(zhì)與環(huán)境損傷、固廢規(guī)模化處置、低成本CO2封存等技術(shù)瓶頸，探索“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同發(fā)展新模式，是煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。據(jù)此，筆者團(tuán)隊(duì)建議：以煤炭減損化開采應(yīng)對(duì)“煤”的問(wèn)題、以固廢功能化利用應(yīng)對(duì)“廢”的問(wèn)題、以CO2低碳化處置應(yīng)對(duì)“碳”的問(wèn)題，最終形成“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同發(fā)展新模式(圖1)。

圖1 “煤”-“廢”-“碳”協(xié)同發(fā)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(fā)與利用，貫穿煤炭的開采、運(yùn)輸、加工、利用的全生命周期。因此，立足于“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同化發(fā)展，需基于系統(tǒng)論和聯(lián)系論觀點(diǎn)，探索3 者互為整體、耦合制約的內(nèi)在關(guān)系。具體而言，① 開采形成的煤炭資源是產(chǎn)生煤基固廢和CO2的原始母體，而開采形成的大量采空區(qū)又為后續(xù)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(guò)程產(chǎn)生的煤基固廢，可為制備充填材料與CO2礦化材料提供物質(zhì)基礎(chǔ)；同時(shí)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(shí)現(xiàn)“煤”的減損化開采提供了解決方案；③ 對(duì)煤炭利用過(guò)程中產(chǎn)生的CO2實(shí)現(xiàn)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(shí)，煤炭開采形成的淺層采空區(qū)在滿足氣密條件前提下，通過(guò)構(gòu)建功能性充填空間可實(shí)現(xiàn)CO2地下封存，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本碳封存提供了可能。

基于上述分析，筆者嘗試構(gòu)建“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同發(fā)展實(shí)施路徑(圖2)：①“功能化”利用：采出的煤炭在開發(fā)利用過(guò)程中產(chǎn)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(guò)對(duì)固廢充填材料改性處理，將煤電及煤化工行業(yè)排放的CO2固定于充填材料中形成固碳充填材料，可實(shí)現(xiàn)充填-固碳一體化，解決地表固廢處置的“功能化”利用問(wèn)題；②“低碳化”處置：在井下對(duì)適宜CO2封存的采空區(qū)進(jìn)行改造利用，構(gòu)筑形成大量的采空區(qū)功能性空間；同時(shí)，探索CO2物理與化學(xué)協(xié)同封存方式，評(píng)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(shí)現(xiàn)空區(qū)重構(gòu)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(wèn)題；③“減損化”開采：探索“三下”壓煤等重點(diǎn)遺煤回收技術(shù)難題，減少煤炭損失；探索井下開采工藝與降低巖層移動(dòng)的聯(lián)動(dòng)新技術(shù)，減少地質(zhì)損傷；優(yōu)化開采步距與空間配置方案，推進(jìn)區(qū)段煤柱與大巷合理化設(shè)計(jì)，發(fā)展地表/地下水位與采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶的阻斷技術(shù)，控制生態(tài)水位不變動(dòng)，最大幅度降低對(duì)地表脆弱生態(tài)系統(tǒng)的干擾，減少環(huán)境損害。解決煤炭開采過(guò)程中的“減損化”開采問(wèn)題。最終通過(guò)對(duì)“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同化處理方案，將為煤炭的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了系統(tǒng)化解決方案。

圖2 “煤”-“廢”-“碳”協(xié)同發(fā)展實(shí)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(xué)內(nèi)涵

“煤”的減損化開采是在充分認(rèn)識(shí)煤層覆巖結(jié)構(gòu)及開采分區(qū)基礎(chǔ)上，運(yùn)用以充填開采為核心的減損技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)減少煤炭損失、減少地質(zhì)損傷和減少環(huán)境損害的目的(圖3)，從而確保煤礦區(qū)資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益最大化。

圖3 煤炭減損化開采內(nèi)涵Fig.3 Connotation of damage-reducing coal mining

“煤”的減損化開采科學(xué)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在：通過(guò)精細(xì)地質(zhì)探查厘清覆巖-煤-水空間組合，揭示科學(xué)運(yùn)用充填減損開采技術(shù)下的采動(dòng)覆巖變化規(guī)律，提出資源減損與地質(zhì)環(huán)境減損相協(xié)調(diào)的地質(zhì)判據(jù)和開采分區(qū)，形成以充填技術(shù)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(duì)生態(tài)水位和地表生態(tài)的損害。

2.2 “煤”的減損化開采科學(xué)問(wèn)題

“煤”的減損化開采是以“減少煤炭損失、減少地質(zhì)損傷和減少環(huán)境損害”為目標(biāo)的技術(shù)思路，要求采煤工藝與減損組合技術(shù)相互匹配協(xié)調(diào)，并對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響可控，充分考慮地質(zhì)基礎(chǔ)和多場(chǎng)耦合條件下的采動(dòng)覆巖移動(dòng)損傷和地表變形，確保資源回采與生態(tài)效益最大化。其關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括：礦區(qū)含(隔)水層空間組合特征、采煤減損技術(shù)應(yīng)用下的覆巖移動(dòng)規(guī)律和覆巖采動(dòng)損傷下的地表變形規(guī)律，最終建立采煤減損技術(shù)應(yīng)用下隔水巖組穩(wěn)定與地表變形可控的地質(zhì)量化判據(jù)(圖4)。

圖4 煤炭減損化開采的科學(xué)問(wèn)題Fig.4 Scientific issues in damage-reducing coal mining

(1)礦區(qū)含(隔)水層空間組合特征。

地表生態(tài)環(huán)境對(duì)地下水位具有極強(qiáng)的依賴性，淺埋煤層開采容易通過(guò)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(duì)相鄰區(qū)域潛水流場(chǎng)造成擾動(dòng)[26-27]。筆者基于陜北榆神府礦區(qū)綜合分析確定了合理安全的生態(tài)水位埋深為1.5～5.0 m[28]。煤層采動(dòng)造成地下水位下降到安全閾值以外，不能對(duì)土壤儲(chǔ)水量進(jìn)行有效補(bǔ)給，草本植物、深根系灌木等依次會(huì)因缺水而逐漸死亡，造成生態(tài)環(huán)境破壞[29-30]。因此，充分認(rèn)識(shí)礦區(qū)含(隔)水層空間組合特征是保障煤炭減損化開采的地質(zhì)基礎(chǔ)。

立足陜北地區(qū)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(wú)黏土隔水層含水盆地型煤-水組合、隔水層連續(xù)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(guī)模小，隔水巖組發(fā)生破壞會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成整個(gè)盆地迅速疏干；無(wú)黏土隔水層含水盆地由于含水層分布面積廣且無(wú)土層隔水層，覆巖損傷易造成區(qū)域性水位下降，甚至影響河川徑流和流域生態(tài)；隔水層連續(xù)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(guò)程會(huì)造成覆巖損傷和地表變形，但由于土層隔水層的保護(hù)作用使地下水位不會(huì)明顯下降；燒變巖型煤-水組合則需防范采動(dòng)過(guò)程中燒變巖水體及其補(bǔ)給區(qū)水位下降。

控制生態(tài)水位是減少煤炭開采過(guò)程中環(huán)境損害的核心，范立民等[32]對(duì)1994 年、2015 年榆神礦區(qū)長(zhǎng)期采動(dòng)條件下泉點(diǎn)分布進(jìn)行對(duì)比，泉數(shù)量由2 580 處減少到376 處，衰減率達(dá)84%；泉流量由4 997.059 L/s下降到966.392 L/s，衰減率達(dá)76%，泉點(diǎn)銳減區(qū)域與煤礦開采強(qiáng)度最大區(qū)域重疊，含隔水層結(jié)構(gòu)破壞和側(cè)向補(bǔ)給截?cái)嗍侨c(diǎn)大量衰減的主要原因。因此，厘清不同采煤區(qū)的煤-水組合特點(diǎn)，因地制宜的提出減損技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源最大限度開采的必要條件

(2)采煤減損技術(shù)應(yīng)用下的覆巖移動(dòng)規(guī)律。

煤層采動(dòng)引起覆巖移動(dòng)破壞，并形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，產(chǎn)生縱向和橫向?qū)娱g導(dǎo)水裂隙。從而不可避免造成地下流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，極易誘發(fā)突水、潰砂等事故[33-34]。導(dǎo)水裂隙帶高度受開采方法、采厚、埋深、覆巖結(jié)構(gòu)、工作面幾何參數(shù)、時(shí)間及斷層影響的規(guī)律[35]。有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示軟弱頂板時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為8～12 倍采高，中硬巖層為12～18倍采高，堅(jiān)硬巖層為18～28 倍采高[31]。導(dǎo)水裂隙帶高度總體隨開采厚度呈分布函數(shù)增長(zhǎng)，隨采深呈冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系[36]。錢鳴高院士[37]提出破壞巖塊相互咬合限制，呈現(xiàn)“砌體梁”結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉變形，且覆巖結(jié)構(gòu)中存在關(guān)鍵層(主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層)。當(dāng)主關(guān)鍵層位于7～10 倍采高以內(nèi)，導(dǎo)水裂隙帶貫穿基巖；反之，導(dǎo)水裂隙帶高度僅到達(dá)關(guān)鍵層底部[38]。筆者基于保護(hù)西部生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)水位，提出確保隔水層穩(wěn)定的地質(zhì)判據(jù)[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(dǎo)水裂隙帶，下行裂隙帶系隔水層下沉產(chǎn)生的自上而下的張裂隙[40]，即隔水層的穩(wěn)定性是由上行裂隙帶和下行裂隙帶導(dǎo)通條件決定的(圖5)。

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

減損組合技術(shù)的應(yīng)用改變煤炭開采過(guò)程中的圍巖應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)和流體場(chǎng)演變尚缺乏深入探討，科學(xué)認(rèn)識(shí)不同減損工藝技術(shù)下的覆巖移動(dòng)和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，并提出隔水層穩(wěn)定的地質(zhì)判識(shí)量化依據(jù)，是基于減損技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤炭資源最大限度開采的關(guān)鍵之一。其核心是在充分認(rèn)識(shí)覆巖關(guān)鍵層、含隔水層組合特點(diǎn)基礎(chǔ)上，基于覆巖移動(dòng)理論建立與資源回收和環(huán)境效益最大化相協(xié)調(diào)的減損技術(shù)組合，分析分析減損技術(shù)實(shí)施下的導(dǎo)水裂隙帶高度及其演化過(guò)程，判識(shí)隔水巖組安全穩(wěn)定性等級(jí)，從而確保上覆含水層水位處于合理安全閾值以內(nèi)。

(3)覆巖采動(dòng)損傷下的地表變形規(guī)律。

煤炭資源與環(huán)境效應(yīng)最大化要求采煤工藝與減損組合技術(shù)相互協(xié)調(diào)，傳統(tǒng)淺埋煤層的采煤工藝直接導(dǎo)致地表移動(dòng)變形[41]，筆者調(diào)查總結(jié)神木北部礦區(qū)地表移動(dòng)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(duì)應(yīng)的地表裂縫發(fā)育特征及程度存在顯著差別[42-43]。

地表移動(dòng)變形通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)造成生態(tài)植被損害[44]。采煤沉陷區(qū)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(fā)生動(dòng)態(tài)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(guò)調(diào)查鄂爾多斯盆地北部采煤塌陷區(qū)，發(fā)現(xiàn)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(yōu)勢(shì)種和植物群落多樣性發(fā)生顯著變化。

基于減損組合技術(shù)置換煤柱和“三下”壓煤以減少煤炭資源損失，面臨地質(zhì)損傷和地表變形聯(lián)動(dòng)的新規(guī)律、新問(wèn)題，精準(zhǔn)探查地表變形特點(diǎn)及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，研究新規(guī)律下的地表生態(tài)自修復(fù)能力和人工修復(fù)條件，是提高煤炭采出率的關(guān)鍵地質(zhì)保障技術(shù)。

2.3 “煤”的減損化充填開采關(guān)鍵技術(shù)

“煤”的減損化開采的核心之一是充填開采，充填開采的關(guān)鍵則是將性質(zhì)穩(wěn)定的充填材料輸送至采空區(qū)置換資源并減少地質(zhì)和環(huán)境損害。鑒于井工開采區(qū)段煤柱、邊角煤和“三下”壓煤等或多或少存在煤炭丟失問(wèn)題，筆者分別提出了回收區(qū)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(shù)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(lái)隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的逐步提高，我國(guó)科研技術(shù)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(shù)。

2.3.1 區(qū)段煤柱“掘-充-留”一體化技術(shù)

井工煤礦普遍采用長(zhǎng)壁綜采法采煤，其突出優(yōu)勢(shì)是安全高效，工作面布置形式多為“一面兩巷”(進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷各1 條)，陜北等地的“大采長(zhǎng)、長(zhǎng)走向、大儲(chǔ)量”工作面布置形式為“一面三巷”(1 條進(jìn)風(fēng)巷、2條回風(fēng)巷)，相鄰工作面之間留設(shè)15～40 m 的煤柱，用于隔絕相鄰采空區(qū)和支撐頂板載荷，區(qū)段煤柱一般都無(wú)法回收，相當(dāng)于丟失綜采工作面5%～20%的煤炭資源。長(zhǎng)壁綜采的優(yōu)化方向是減少或不留設(shè)區(qū)段煤柱，同時(shí)提高回采巷道掘進(jìn)效率，為此提出了區(qū)段煤柱“掘-充-留”一體化技術(shù)。

如圖6 所示，區(qū)段煤柱“掘-充-留”一體化技術(shù)的核心是前進(jìn)式掘進(jìn)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(gòu)筑充填帶，同步沿兩側(cè)煤壁留設(shè)回采巷道。區(qū)段煤柱“掘-充-留”一體化技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容包括：寬巷掘進(jìn)與充填留巷協(xié)同方法與裝備，速凝功能性充填材料制備理論與技術(shù)，架后全域一次性充填與密實(shí)接頂方法，寬巷掘進(jìn)通風(fēng)優(yōu)化及充填留巷防滅火，擾動(dòng)區(qū)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及調(diào)控方法，覆巖移動(dòng)及損傷協(xié)同控制理論與技術(shù)。

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

區(qū)段煤柱“掘-充-留”一體化技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)可以歸納為3 個(gè)方面：① 實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采，大幅度提高煤炭資源回收率；② 以礦井矸石產(chǎn)量計(jì)算大斷面巷道掘進(jìn)寬度和中部充填寬度，實(shí)現(xiàn)中部充填區(qū)對(duì)礦井采掘矸石的完全處置；③ 掘進(jìn)工作面為全風(fēng)壓通風(fēng)，避免了長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)，同時(shí)一次留設(shè)2 條巷道，掘進(jìn)效率高。

2.3.2 短壁連采連充

短壁連采連充是采用連采機(jī)以掘巷的方式進(jìn)行采煤，目前逐步應(yīng)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(zhǎng)度一般50～120 m，寬度一般6～8 m。短壁連采連充技術(shù)顯著延長(zhǎng)了我國(guó)地方與鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的服務(wù)年限，提高了采出率[52]。此外，筆者團(tuán)隊(duì)針對(duì)區(qū)段煤柱回收問(wèn)題，在短壁連采連充研究的基礎(chǔ)上，提出了短-長(zhǎng)壁工作面充填無(wú)煤柱開采方法[53]。

合理的充填體強(qiáng)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(tuán)隊(duì)研究提出了短壁連采連充的1 倍基準(zhǔn)、2 倍基準(zhǔn)和3 倍基準(zhǔn)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(zhǔn)短壁連采連充工藝，垂直切眼方向?qū)⒐ぷ髅婷簩用?2 m 劃分為一組，每組均分為4 個(gè)條帶，條帶寬度8 m，分4個(gè)循環(huán)進(jìn)行短壁連采連充開采[54]。3 倍基準(zhǔn)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(zhǔn)降低20%～25%。

圖7 3 倍基準(zhǔn)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(zhì)量直接影響覆巖及地表的保護(hù)效果和安全開采[55]。對(duì)此，確定了條帶巷頂多通道分布式導(dǎo)氣管的接頂方法，研制了排水/氣-補(bǔ)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(bǔ)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(xiàn)階段，我國(guó)千萬(wàn)噸級(jí)礦井井田面積達(dá)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(zhǎng)石油集團(tuán)魏墻煤礦，井田勘探報(bào)告(2010 年6 月)數(shù)據(jù)顯示，3、4 號(hào)煤層探明的(331)+控制的(332)+推斷的(333)內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì)資源量433.88 Mt，而壓覆的3、4 號(hào)煤層3 類資源量高達(dá)111.67 Mt，占井田資源量的25.7%。壓覆區(qū)煤炭資源的安全高效開采事關(guān)礦井的服務(wù)年限、經(jīng)濟(jì)效益和資源高效回收。

短壁連采連充生產(chǎn)能力一般30 萬(wàn)～60 萬(wàn)t/a，不能匹配大型礦井大范圍壓煤區(qū)的產(chǎn)能要求，同時(shí)現(xiàn)行政策對(duì)礦井的采掘工作面數(shù)量有嚴(yán)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?jiǎn)栴}。綜采架后充填開采技術(shù)兼具了綜采的安全高效和充填對(duì)采空區(qū)的安全處置優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)壁工作面布置形式，采用充填液壓支架支護(hù)，每推進(jìn)一個(gè)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(jié)膏體充填材料注滿充填空間，充填材料養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)早期強(qiáng)度后，采煤機(jī)向前推采，充填支架前移，達(dá)到充填步距后再進(jìn)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(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，充填支架才能向前移動(dòng)，支撐采煤機(jī)前向采煤。然而目前采煤機(jī)割煤速率遠(yuǎn)高于充填體養(yǎng)護(hù)速率，充填體早期強(qiáng)度低是制約架后充填開采效率的關(guān)鍵所在。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)研制了弗爾早強(qiáng)劑，以14% P.O 425 水泥、30%粉煤灰、56%風(fēng)積沙為原材料制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)78%的充填材料，加入不同比例(相對(duì)水泥)的弗爾早強(qiáng)劑，不同養(yǎng)護(hù)齡期下充填材料強(qiáng)度如圖10 所示，加入弗爾早強(qiáng)劑后試樣3 d 抗壓強(qiáng)度增幅為85%～320%、7 d抗壓強(qiáng)度增幅為44%～156%、28 d 抗壓強(qiáng)度增幅為48%～65%。

圖10 早強(qiáng)型充填材料Fig.10 Early strength backfilling material

2.3.4 煤矸石注漿充填技術(shù)

現(xiàn)階段，受采煤工作面數(shù)量限制、產(chǎn)能任務(wù)和煤矸石處置要求等因素影響，越來(lái)越多的大型礦井采用矸石注漿充填技術(shù)處置煤矸石，同時(shí)減緩地面沉陷，如陜北地區(qū)的曹家灘煤礦、小保當(dāng)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(gè)步驟：① 矸石破碎，采用破碎機(jī)或球磨機(jī)等設(shè)備將煤矸石破碎至一定粒徑級(jí)配下；② 矸石粉調(diào)漿，將水與矸石粉進(jìn)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(qū)。

如圖11 所示，根據(jù)充填空間位置不同，煤矸石注漿充填技術(shù)可以分為采空區(qū)注漿和離層注漿，根據(jù)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(shù)Fig.11 Coal gangue slurry backfilling technology

結(jié)合當(dāng)前有關(guān)于煤矸石注漿充填工程示范應(yīng)用情況，煤矸石注漿充填技術(shù)下一步研究重點(diǎn)：采空區(qū)精細(xì)探測(cè)與可充空間分析技術(shù)，煤矸石漿體材料長(zhǎng)距離可靠輸運(yùn)技術(shù)，輸送管道結(jié)垢堵塞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

3 “廢”的功能化利用

3.1 “廢”的功能化利用科學(xué)內(nèi)涵

“廢”的功能化利用是在明晰多元煤基固廢基礎(chǔ)物理化學(xué)特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行固廢材料改性，使其滿足安全、環(huán)境、穩(wěn)定等性能要求，再基于固廢協(xié)同處置理論制備固廢基膠凝材料，膠結(jié)煤矸石、氣化渣等固廢骨料制備全固廢充填材料，實(shí)現(xiàn)大宗固廢的規(guī)模化、無(wú)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(xué)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在：通過(guò)原材料測(cè)試明晰固廢基礎(chǔ)物化特性，確定固廢改性優(yōu)化的方向、方法，揭示固廢改性機(jī)理，建立煤基固廢協(xié)同水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，形成固廢分級(jí)分質(zhì)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(guī)模地處置地面排放的固廢，保護(hù)地面生態(tài)環(huán)境，同時(shí)控制固廢充填對(duì)井下地質(zhì)環(huán)境的影響。

3.2 “廢”的功能化利用科學(xué)問(wèn)題

“廢”的功能化利用是以“固廢原材料改性→煤基固廢協(xié)同處置→煤礦全固廢充填”為技術(shù)思路，使煤基固廢具備煤礦充填所需的安全性、環(huán)境性、流動(dòng)性、水化活性、經(jīng)濟(jì)性等特性，在充分考慮井下地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的前提下，最大化消納地面固廢，實(shí)現(xiàn)井上、下環(huán)境的雙向優(yōu)化和充填礦井及固廢企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題在圖12 中體現(xiàn)，包括：煤基固廢原材料改性方法與機(jī)理、多元固廢協(xié)同作用機(jī)理、全固廢充填材料性能調(diào)控理論，最終形成基于改性煤基固廢協(xié)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(xué)問(wèn)題Fig.12 Scientific essence of functional utilization of solid

(1)煤基固廢原材料的改性基礎(chǔ)。

煤基固廢功能化利用的前提是使其具備穩(wěn)定的性能和良好的環(huán)境相容性。然而，目前煤基固廢種類繁多，品質(zhì)低劣，且受上游工藝及生產(chǎn)條件影響，性質(zhì)波動(dòng)大，從而嚴(yán)重影響固廢基產(chǎn)品的穩(wěn)定性，極大地限制了固廢的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化利用。因此，為了解決該問(wèn)題則引出了固廢改性的概念，顧名思義，改性是通過(guò)改善固廢的特性使其具備功能化利用的基礎(chǔ)。

明確固廢改性的必要性后，必須分析固廢的功能目標(biāo)以評(píng)估固廢能否進(jìn)行改性，這是實(shí)現(xiàn)煤基固廢能功能化利用的前提。然而，固廢是復(fù)雜的混合體，往往具備多元的回收途徑，目前最大的難點(diǎn)在于建立固廢的功能性目標(biāo)和物質(zhì)基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)固廢的最高效率和最高價(jià)值利用。因此，必須充分認(rèn)識(shí)煤基固廢的基礎(chǔ)特性，基于特性分別進(jìn)行物理和化學(xué)水平的分質(zhì)分級(jí)，揭示各類各級(jí)固廢的功能化目標(biāo)和缺陷，明確基于何種用途進(jìn)行何種特性的改良以建立固廢的改性基礎(chǔ)。

例如，表征部分煤基固廢發(fā)現(xiàn)其含有一定的活性成分，具有優(yōu)異的物理性能，可用于研發(fā)膠凝材料以實(shí)現(xiàn)高值化利用。然而，目前高值化利用過(guò)程中仍存在以下問(wèn)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(jí)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(qiáng)堿激發(fā)。② 固廢穩(wěn)定性差。例如，固廢品質(zhì)與其原料特性和工藝密切相關(guān)，性能波動(dòng)較大；冶煉鎂渣具有膨脹性，且f-CaO、f-MgO 含量波動(dòng)大，影響基體安定性。③ 其他特殊問(wèn)題。例如，粉煤灰遇水釋放氨氣，對(duì)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(tài)環(huán)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(guī)模，這與實(shí)現(xiàn)“無(wú)廢化”建設(shè)愿景相悖。因此，煤基固廢功能化利用還需拔丁抽楔，對(duì)各類固廢進(jìn)行針對(duì)性源頭改性，穩(wěn)定品質(zhì)、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(chǔ)條件。

未來(lái)，基于煤基固廢不同特性拓展其功能化利用方式，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)固廢潛在新問(wèn)題和新缺陷，厘清問(wèn)題、缺陷的來(lái)源和發(fā)生機(jī)制，探究改性方式對(duì)煤基固廢性質(zhì)改良的效果和規(guī)律，形成配套的煤基固廢改性方案，是促進(jìn)其功能化利用的前提，也是保證目標(biāo)功能穩(wěn)定的關(guān)鍵保障。

(2)多元固廢協(xié)同作用機(jī)制。

協(xié)同作用一詞的經(jīng)典定義將其描述為2 個(gè)或多個(gè)因素之間的相互作用，使它們的綜合效應(yīng)大于其單個(gè)效應(yīng)的總和[60]。協(xié)同作用理論常用于固廢資源化利用和膠凝材料研發(fā)領(lǐng)域，多元固廢協(xié)同作用是提高固廢利用率的有效途徑，通過(guò)深入了解不同類型固廢的相互作用機(jī)理，可以更好地實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源循環(huán)利用，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域固廢一體化處置的有效途徑。通常來(lái)講，多元固廢的協(xié)同作用，是以優(yōu)異的和易性和力學(xué)特性為目標(biāo)，通過(guò)化學(xué)和物理協(xié)同為實(shí)現(xiàn)路徑，最終以提高水化反應(yīng)產(chǎn)物含量和基質(zhì)密實(shí)度為表現(xiàn)形式。

多元固廢的化學(xué)協(xié)同作用主要針對(duì)多元固廢膠凝材料，其協(xié)同作用機(jī)理涉及固體廢棄物的物化特性和它們之間的相互作用機(jī)制[61]。化學(xué)協(xié)同作用是不同固廢原料中化學(xué)元素互補(bǔ)引起的，主要由Ca、Si、Al、S 等化學(xué)元素間的協(xié)同反應(yīng)而產(chǎn)生。基于此，研究人員往往選擇化學(xué)成分互補(bǔ)的工業(yè)固廢作為生產(chǎn)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(zhì)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(xié)同作用，利用上述固廢中Ca、Si、Al、S 等化學(xué)元素間的互補(bǔ)原理，實(shí)現(xiàn)堿基固廢活化鋁硅質(zhì)固廢，并使其與硫酸鹽類固廢發(fā)生協(xié)同反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多種反應(yīng)途徑相互促進(jìn)反應(yīng)產(chǎn)物生成的增效作用。

多元固廢的物理協(xié)同則需要統(tǒng)籌考慮，主要針對(duì)整個(gè)多元固廢復(fù)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(xié)同作用使多元固廢復(fù)合體系具有更高的堆積密度，通過(guò)增加其密實(shí)程度來(lái)提高復(fù)合體系的和易性和力學(xué)特性。當(dāng)下多元固廢復(fù)合體系的級(jí)配優(yōu)化已然成為研究熱點(diǎn)[62-63]，F(xiàn)uller和Bolomy 等理想級(jí)配理論被廣泛應(yīng)用，通過(guò)統(tǒng)籌考慮膠凝材料和骨料的粒徑級(jí)配，利用人為控制固廢骨料級(jí)配來(lái)實(shí)現(xiàn)多元固廢復(fù)合體系的理想粒徑級(jí)配，從而優(yōu)化多元固廢復(fù)合體系的目標(biāo)性能。此外，為解決人為控制骨料級(jí)配成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，多元固廢骨料被復(fù)合應(yīng)用的工程案例已不勝枚舉，通過(guò)多元固廢骨料級(jí)配互補(bǔ)，可實(shí)現(xiàn)多元固廢復(fù)合體系的物理協(xié)同作用[64-65]。

(3)全固廢充填材料性能調(diào)控理論。

煤礦充填過(guò)程中，全固廢充填材料必須具備良好的流動(dòng)性、力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性，但流動(dòng)性、力學(xué)性能在一定程度相互制約，需要深入研究材料水化膠結(jié)、物質(zhì)遷移等化學(xué)機(jī)理和微觀顆粒級(jí)配、漿體流變學(xué)等物理機(jī)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(dòng)性直接決定了泵送及自流的可靠性，流動(dòng)性差必將導(dǎo)致堵管事故頻發(fā)。全固廢充填材料流動(dòng)性主要受原材料理化特征、配合比、質(zhì)量濃度、充填倍線、充填泵等因素的影響。如煤矸石做骨料時(shí)，破碎設(shè)備及矸石巖性差異會(huì)使得矸石顆粒中粉料占比存在顯著差異，同時(shí)泥巖具有遇水泥化的特性，當(dāng)粉料、泥巖占比較高時(shí)，需要降低充填材料的質(zhì)量濃度，以維持全固廢充填材料的流動(dòng)性。榆林麻黃梁煤礦需要從外運(yùn)煤矸石進(jìn)行充填，當(dāng)煤矸石泥巖組分小于10%時(shí)，充填材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)可控制在79%，當(dāng)矸石中泥巖較大于30%時(shí)，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)需降至74%。此外，粉煤灰對(duì)全固廢充填材料的泵送具備一定的潤(rùn)滑作用，主要源于粉煤灰的“滾珠效應(yīng)”，摻加10%～30%粉煤灰可顯著提高料漿的流動(dòng)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(dòng)性的前提下，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)81%。總的來(lái)說(shuō)，全固廢充填材料的塌落度為255 mm 和屈服應(yīng)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(xué)性能是其能否安全支撐上覆巖層的重要指標(biāo)，其力學(xué)性能主要受骨料的級(jí)配效應(yīng)、膠凝材料的摻量和水化程度等因素的影響。其中，研究學(xué)者針對(duì)尾砂基充填材料展開研究，骨料的Talbot 級(jí)配系數(shù)與其動(dòng)態(tài)峰值抗壓強(qiáng)度的關(guān)系近似為二次函數(shù)，級(jí)配系數(shù)為0.5 時(shí)，尾砂基充填材料具備最優(yōu)的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)[69]。此外，膠凝材料的水化反應(yīng)是充填材料力學(xué)性能形成的基礎(chǔ)，水化產(chǎn)物數(shù)量與膠凝材料的摻量呈正相關(guān)，大量水化產(chǎn)物對(duì)其微觀孔隙進(jìn)行充填，提高了充填材料的微觀致密程度，這對(duì)其力學(xué)性能的發(fā)展具有促進(jìn)作用[70]。

全固廢充填材料的環(huán)境問(wèn)題主要是重金屬元素浸出及遷移。部分學(xué)者對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，且煤氣化渣的浸出風(fēng)險(xiǎn)大于煤矸石，這也證實(shí)了地面堆放或填埋處置是存在較大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[71]。此外，固廢基充填材料的毒性浸出相關(guān)研究表明：水化產(chǎn)物可以通過(guò)化學(xué)鍵和物理吸附/封存等方式實(shí)現(xiàn)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(qiáng)大的重金屬固結(jié)能力，膠結(jié)多源煤基固廢制備全固廢充填材料可實(shí)現(xiàn)綠色、低碳和低成本充填。

3.3 “廢”的功能化利用關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 煤基固廢的改性技術(shù)

大量煤基固廢自身缺陷難以克服，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)煤基固廢的減量化、無(wú)害化與資源化處置產(chǎn)業(yè)發(fā)展阻力重重。如何解決固廢自身問(wèn)題使其具備功能化利用條件以擴(kuò)大固廢的無(wú)害化處理規(guī)模，成為了當(dāng)前研究的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)施煤基固廢改性技術(shù)，對(duì)各類固廢進(jìn)行改性，消除缺陷，提升性能，是實(shí)現(xiàn)“廢的功能化利用關(guān)鍵技術(shù)”的前提，是拓展固廢其他功能化利用的基礎(chǔ)。

改性方式按照改性環(huán)節(jié)可分為源頭改性和后端改性。源頭改性是通過(guò)調(diào)整上游工藝，生產(chǎn)條件或配套專用改性技術(shù)改善下游固廢性質(zhì)，使其具備應(yīng)用潛力。源頭改性同樣包含物理方法和化學(xué)方法，筆者團(tuán)隊(duì)[68]在煉鎂原料中加入化學(xué)優(yōu)化劑來(lái)抑制Ca2SiO4的晶型轉(zhuǎn)變，最終通過(guò)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(shù)。

后端改性是通過(guò)物理、化學(xué)等手段對(duì)已經(jīng)排放的鎂-煤基固廢進(jìn)行改性，使其具備利用的條件或進(jìn)一步強(qiáng)化性能。后端改性一般可分為物理[75-76]和化學(xué)[77-79]方法，一般可根據(jù)功能化利用目標(biāo)進(jìn)行合理選擇。物理改性包含物理精準(zhǔn)分離和研磨活化等，其中，精準(zhǔn)分離可以最大限度的提升固廢的利用率和利用價(jià)值。筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)篩析法和重力法精準(zhǔn)分選出煤氣化粗渣中的高活性物質(zhì)，然后進(jìn)一步利用化學(xué)(硫酸鹽、氯鹽、堿等)激發(fā)劑侵蝕顆粒表面，加速內(nèi)部活性物質(zhì)溶解或破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了煤氣化渣的改性[80]。該類煤氣化渣可用于高價(jià)值膠凝材料的開發(fā)，而分離的低/無(wú)活性物質(zhì)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(fā)劑均存在自身優(yōu)勢(shì)和不足，采用復(fù)合激發(fā)方式可以實(shí)現(xiàn)性能上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)并彌補(bǔ)不足，具有更好的激發(fā)效果。復(fù)合激發(fā)既包含物理和化學(xué)層面的耦合，還包含多種化學(xué)激發(fā)劑的耦合。不論選擇何種激發(fā)方式，在保證一定的激發(fā)效果同時(shí)，都要綜合考慮各種激發(fā)方法的相互關(guān)聯(lián)。除此之外，由于功能化目標(biāo)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(xì)度可分為Ⅰ～Ⅲ級(jí)，按照氧化鈣含量可分為C 和F 類，其中Ⅰ、Ⅱ級(jí)或C 類可直接利用，而Ⅲ級(jí)或F 類粉煤灰在必須經(jīng)過(guò)不同程度的改性或活化方可實(shí)現(xiàn)高值化利用[76,82]。因此，對(duì)于不同的鎂-煤基固廢特性，選用合理的改性方式對(duì)實(shí)現(xiàn)其功能性利用至關(guān)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(guān)鍵則是將性質(zhì)穩(wěn)定的充填材料輸送至采空區(qū)置換資源并減少地質(zhì)和環(huán)境損害。但是，當(dāng)前充填開采總是面臨成本過(guò)高的困擾，實(shí)際充填成本主要取決于膠凝材料的類型及用量，傳統(tǒng)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(yè)的傳統(tǒng)標(biāo)簽，在“雙碳”和“深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)”的相關(guān)目標(biāo)背景下，水泥價(jià)格和充填成本還將不斷上漲。因此，尋找新型低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的膠凝材料替代水泥至關(guān)重要。

目前廣泛采取的策略是，通過(guò)混合多種具有潛在活性或協(xié)同效應(yīng)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(guān)聯(lián)行業(yè)(冶煉行業(yè)等)中，都會(huì)伴生系列大宗固廢(統(tǒng)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(shù)有效、生產(chǎn)可行的煤基固廢原材料，最大限度激發(fā)材料活性，是開發(fā)固廢基膠凝材料的基礎(chǔ)。

大量研究發(fā)現(xiàn)，具有潛在活性的固廢材料在單一作用時(shí)其活性難以完全被激發(fā)[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(jīng)過(guò)一定方式的活化后才能表現(xiàn)出來(lái)[84]。因此，在基于鎂-煤基固廢改性技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多元固廢協(xié)同作用機(jī)制開發(fā)新型膠凝材料。綜合地域因素和經(jīng)濟(jì)性考慮，采用機(jī)械研磨-堿性固廢(周邊關(guān)聯(lián)行業(yè)固廢：鎂渣、電石渣等)-鹽(脫硫石膏等)復(fù)合激發(fā)的方式。與此同時(shí)，在明確膠凝體中各組分的協(xié)同效應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行膠凝材料配比優(yōu)化。但是，不可忽略的是，全固廢基膠凝材料的原料均為工業(yè)固廢，上游生產(chǎn)原料、工藝等條件的改變即會(huì)影響下游固廢的特性。此外，不同的配比或不同質(zhì)量的固廢原料會(huì)導(dǎo)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(yīng)用環(huán)境，但是如何保證膠凝材料質(zhì)量穩(wěn)定或避免混淆等是保證下游安全應(yīng)用的前提。因此，必須規(guī)范固廢基膠凝材料的原料選取、生產(chǎn)、等級(jí)分類、儲(chǔ)運(yùn)等過(guò)程，并形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

最終，形成了集“固廢特性表征—材料改性和分級(jí)—膠凝材料開發(fā)和配比優(yōu)化—工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用”的研發(fā)及生產(chǎn)規(guī)范路線，如圖13 所示。通過(guò)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(lǐng)域，極大降低了礦山充填成本，還能推動(dòng)多種工業(yè)固廢資源化協(xié)同利用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程接近零污染物排放，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。

3.3.3 全固廢充填材料制備

在生態(tài)文明建設(shè)持續(xù)推進(jìn)、高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)的時(shí)代背景下，固廢處置與煤礦充填越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)日趨壯大。膠結(jié)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(tǒng)的充填膠凝材料為水泥，上節(jié)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(jīng)過(guò)分級(jí)篩選后可用于開發(fā)膠凝材料進(jìn)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(zhì)波動(dòng)大，難以規(guī)模化處理。

此外，部分礦區(qū)煤礦充填基礎(chǔ)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(chǎn)量占原煤產(chǎn)量的10% ～ 20%，部分有意愿實(shí)施充填開采的礦井面臨充填原材料不足的困境。要實(shí)現(xiàn)煤礦充填開采技術(shù)的大規(guī)模推廣，拓展充填骨料的來(lái)源。

針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，在大規(guī)模推廣煤基全固廢充填技術(shù)過(guò)程中，開發(fā)了以低品質(zhì)煤基固廢為骨料，性能可控、環(huán)境友好的全固廢充填材料，形成了可消納低品質(zhì)固廢的充填材料制備技術(shù)。此外，如何解決全固廢充填料漿長(zhǎng)距離輸運(yùn)難題，如何根據(jù)輸運(yùn)距離動(dòng)態(tài)調(diào)整充填料漿流動(dòng)性能，如何優(yōu)化配比參數(shù)以滿足不同采空區(qū)充填力學(xué)性能需求，如何制備滿足環(huán)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(shù)體系是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。

因此，以大宗煤基全固廢充填材料成本和性能為優(yōu)化目標(biāo)，以充填料漿的流動(dòng)性、充填材料的穩(wěn)定性和環(huán)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(tǒng)研究各類煤基全固廢充填材料的抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性和環(huán)境性能，并結(jié)合礦山充填理論給出各全固廢充填材料對(duì)應(yīng)的配比設(shè)計(jì)依據(jù)。最終建立全固廢充填材料流動(dòng)、力學(xué)和環(huán)境性能理論體系，明確固廢特性、材料配比、環(huán)境條件和時(shí)間空間等因素對(duì)充填材料性能的影響，形成相應(yīng)的技術(shù)路徑和工業(yè)化生產(chǎn)工藝，保障全固廢充填技術(shù)落地轉(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)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(duì)煤矸石全固廢充填材料強(qiáng)度發(fā)展的影響。充填材料的強(qiáng)度隨著膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)度較膠凝材料添量為16%的試樣強(qiáng)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(jié)煤矸石全固廢充填材料的單軸抗壓強(qiáng)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(xué)內(nèi)涵

“碳”的低碳化處置(Negative Carbon Disposal,NCD)是在考慮地質(zhì)條件和煤炭開發(fā)工藝的條件下，充分利用采空區(qū)形成的地下空間，通過(guò)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(xué)反應(yīng)固化和物理吸附等方式將CO2封存在采空區(qū)內(nèi)，在采空區(qū)充填的同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2的封存。

“碳”的低碳化處置科學(xué)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在：以煤炭開發(fā)過(guò)程采空區(qū)充填和CO2封存為背景，采取理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐相結(jié)合的方法，揭示采空區(qū)礦化充填和CO2封存中物理、力學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，闡明低碳化處置的科學(xué)原理和地質(zhì)適宜性，提出低碳化處置的科學(xué)實(shí)踐框架和實(shí)施路徑，構(gòu)建包含經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、地質(zhì)等因素的低碳化處置綜合評(píng)價(jià)模型，形成低碳化處置保障策略和實(shí)施方案，為煤礦采空區(qū)處置和低碳化利用提供基礎(chǔ)理論支撐。

4.2 “碳”的低碳處置科學(xué)問(wèn)題

“碳”的低碳化處置是基于“功能性充填的CO2儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑與封存”學(xué)術(shù)構(gòu)想，采用功能性充填技術(shù)在煤炭開采過(guò)程中同步構(gòu)筑CO2封存儲(chǔ)庫(kù)，用控制功能性充填材料的方式，以滿足充填體強(qiáng)度、防滲等CO2封存條件；用控制儲(chǔ)庫(kù)單元與儲(chǔ)庫(kù)群結(jié)構(gòu)的方式，以保障CO2封存空間的穩(wěn)定性與安全性；用高富含Ca/Mg 固廢礦化反應(yīng)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(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑→CO2物理與化學(xué)協(xié)同封存→CO2封存安全及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”的CO2封存新模式，其涉及的科學(xué)問(wèn)題如圖16 所示。

圖16 “碳”的低碳處置科學(xué)問(wèn)題Fig.16 Scientific issues of low-carbon disposal

(1) CO2礦化封存材料制備與封存儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑。

礦化封存材料是CO2封存的重要載體，如何研發(fā)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(shù)與工藝方法是實(shí)現(xiàn)井下CO2物理-化學(xué)封存的前提。首先，研究礦化材料固碳效能隨CO2礦化反應(yīng)的演化機(jī)理，明晰不同堿基固廢對(duì)CO2化學(xué)封存的固碳特性，建立CO2礦化材料固碳效能評(píng)價(jià)方法，形成堿基固廢礦化反應(yīng)的調(diào)控技術(shù)，從而最大程度地封存CO2。其次，建立CO2礦化材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，明晰骨料與礦化材料性能的匹配關(guān)系。最后，以提高礦化材料力學(xué)性能為目標(biāo)，研究CO2礦化體微觀結(jié)構(gòu)、硬度和孔隙率，設(shè)計(jì)滿足礦化材料流動(dòng)性、可泵時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、環(huán)境性等多種性能指標(biāo)的CO2礦化材料配比，該科學(xué)問(wèn)題的突破可為煤礦CO2礦化材料性能調(diào)控與配比設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。

封存儲(chǔ)庫(kù)是保障CO2封存的重要結(jié)構(gòu)，研究?jī)?chǔ)庫(kù)材料力學(xué)性能、礦山壓力和儲(chǔ)庫(kù)安全跨距間的約束關(guān)系，建立儲(chǔ)庫(kù)安全跨距的計(jì)算模型；構(gòu)建井下CO2封存泄漏擴(kuò)散的數(shù)值仿真模型，研究礦井風(fēng)量、風(fēng)速等因素對(duì)CO2擴(kuò)散稀釋的影響規(guī)律，結(jié)合礦井充填開采工藝工序、礦井安全要求和CO2封存環(huán)境，提出礦井充填開采-封存儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑一體化方法是實(shí)現(xiàn)CO2安全封存的關(guān)鍵基礎(chǔ)。(2) 多相-多場(chǎng)耦合下CO2封存機(jī)理與調(diào)控機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)CO2充注流量和CO2驅(qū)替效率協(xié)同最大化，促進(jìn)CO2封存效能的提高，首先需要研究CO2驅(qū)替關(guān)鍵技術(shù)，封存空間原始?xì)怏w(空氣)會(huì)占據(jù)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(xié)同充注CO2關(guān)鍵技術(shù)，充注流量與穩(wěn)定性、充注口數(shù)量與相對(duì)位置、不同階段多源-阱協(xié)同充注的流量協(xié)同等均會(huì)影響CO2氣體在礦化封存材料孔隙和碎脹空間中的流動(dòng)與擴(kuò)散特性，對(duì)CO2有效驅(qū)替原始?xì)怏w有顯著影響。為保障CO2封存效能，應(yīng)深入揭示CO2擴(kuò)散與運(yùn)移規(guī)律，明確CO2在礦化材料孔隙中的擴(kuò)散與遷移，通過(guò)測(cè)定礦化材料的細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，建立滲流-應(yīng)力-化學(xué)-溫度多場(chǎng)耦合下CO2氣-液兩相運(yùn)移模型，獲知CO2在礦化材料中的時(shí)空分布規(guī)律與運(yùn)移機(jī)制；由礦化材料細(xì)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(yīng)試驗(yàn)，研究鈣CO2溶解-鈣/鎂離子浸出-碳酸鹽生成的傳質(zhì)過(guò)程，分析多相多場(chǎng)耦合下礦化材料水化-礦化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，探索CO2物理-化學(xué)協(xié)同封存機(jī)理；引入表征礦化材料固碳性能的定量化指標(biāo)，建立固碳效能預(yù)測(cè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥牡V化材料、封存條件、封存工藝等方面提出CO2封存效能優(yōu)化調(diào)控方法，從而為礦化材料鋪設(shè)、注入管布置、注入壓力等封存參數(shù)提供指導(dǎo)。

(3) CO2封存長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)及儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性。

封存后的CO2能否長(zhǎng)期穩(wěn)定地賦存于封存材料及儲(chǔ)庫(kù)中是評(píng)價(jià)CO2封存性能的重要依據(jù)。首先，開展系列充填體耦合損傷演化特性試驗(yàn)，研究多相(氣-液-固)多場(chǎng)(滲流-應(yīng)力-化學(xué)-溫度)耦合作用下充填體流變-損傷-破壞時(shí)空演化過(guò)程，建立充填體損傷本構(gòu)模型和滲流模型；建立煤礦功能性充填開采筑庫(kù)物理相似模型與力學(xué)模型，研究CO2封存期周期性內(nèi)壓加-卸載作用下儲(chǔ)庫(kù)(群)結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力分布規(guī)律，明晰CO2儲(chǔ)庫(kù)(群)的損傷演化機(jī)理與失穩(wěn)破壞機(jī)制，提出儲(chǔ)庫(kù)(群)結(jié)構(gòu)及封存工藝優(yōu)化方法；分析CO2封存儲(chǔ)庫(kù)群穩(wěn)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(chǔ)庫(kù)群長(zhǎng)期穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及預(yù)測(cè)方法。其次，開展礦井水-CO2-充填體-礦化體反應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，研究長(zhǎng)期封存狀態(tài)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(duì)充填體/礦化體溶蝕及CO2運(yùn)移的影響規(guī)律；研究CO2封存環(huán)境下礦化體中重金屬元素析出-遷移機(jī)理，分析礦化體-礦井水-充填體中重金屬元素賦存形式及時(shí)空分布特征；研究多相-多場(chǎng)耦合作用下固碳礦化材料的長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)，提出CO2封存儲(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)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(guān)鍵技術(shù)

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(píng)價(jià)蓋層氣密性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，為避免封存區(qū)CO2逸散至井下作業(yè)環(huán)境，需要將封存區(qū)與井下作業(yè)空間隔絕開來(lái)，基于提出的封存區(qū)回字形充填密封的技術(shù)路線，即采用功能性充填的方法在封存區(qū)周圍構(gòu)筑回字形高強(qiáng)度、低滲透、充分接頂?shù)墓δ苄猿涮铙w。從而由頂部低滲透的蓋層、功能性充填體和底板構(gòu)成密閉的碎脹空間，為CO2物理封存提供空間基礎(chǔ)。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(shí)現(xiàn)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(shù)在開采的同時(shí)間斷構(gòu)筑出氣密性好、穩(wěn)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?jǐn)?shù)煙氣CO2，與礦化材料發(fā)生礦化反應(yīng)，形成穩(wěn)定的碳酸鹽；另外CO2與隔離墻充填體內(nèi)部的堿性物質(zhì)與水化產(chǎn)物等同樣發(fā)生碳化反應(yīng)，生成碳酸鈣填充于充填體孔隙內(nèi)部，一方面可增強(qiáng)充填體強(qiáng)度；另一方面可降低充填體的滲透率，增強(qiáng)氣密性[85]，以上2 方面實(shí)現(xiàn)CO2化學(xué)封存。同時(shí)部分CO2氣體吸附于礦化材料表面或者孔隙中，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)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(guò)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。基于功能性充填的CO2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(bǔ)骨料短缺的問(wèn)題[83,86]，并可實(shí)現(xiàn)一定的固碳。即將堿性固廢與外加劑、水和CO2充分?jǐn)嚢瑁谕饧觿┖退庾饔孟挛龀鲡}/鎂離子，堿基固廢中鈣/鎂離子與CO2發(fā)生礦化反應(yīng)并在充填骨料顆粒表面形成堅(jiān)硬的碳酸鈣[87]。通過(guò)控制礦化反應(yīng)效能與碳化堿基固廢顆粒粒徑，將堿基固廢經(jīng)過(guò)在高效礦化反應(yīng)攪拌裝備內(nèi)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(dòng)性和力學(xué)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(qū)，實(shí)現(xiàn)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(jié) 論

(1) 煤炭減損化開采是以“減少煤炭損失、減少地質(zhì)損傷和減少環(huán)境損害”為目標(biāo)，在充分認(rèn)識(shí)地層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)匹配采煤工藝與減損組合技術(shù)，建立采煤減損技術(shù)應(yīng)用下隔水巖組穩(wěn)定與地表變形可控的地質(zhì)量化判據(jù)，論述了充填減損化開采關(guān)鍵技術(shù)體系，包括區(qū)段煤柱“掘-充-留”一體化技術(shù)、斷壁連采連充、架后充填開采等關(guān)鍵技術(shù)和煤矸石注漿充填技術(shù)，確保資源回收與生態(tài)效益最大化。

(2) 基于多元煤基固廢基礎(chǔ)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(xué)內(nèi)涵和科學(xué)問(wèn)題，提出了煤基固廢源頭改性方法、物理活化和化學(xué)激發(fā)制備固廢基膠凝材料方法，綜合制備固廢基膠凝材料、膠結(jié)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(shù)路徑和工業(yè)化生產(chǎn)工藝，為大宗煤基固廢的規(guī)模化、無(wú)害化、功能化利用提供了新思路。

(3) 綜合地質(zhì)條件和煤炭開發(fā)工藝，提出了以化學(xué)反應(yīng)固化和物理吸附的方式封存CO2與礦井充填開采-封存儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑一體化方法。確定了固廢基CO2礦化封存材料制備與儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)筑、多相-多場(chǎng)耦合下CO2封存機(jī)理與調(diào)控機(jī)制與CO2封存長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)及儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性等關(guān)鍵問(wèn)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(guān)鍵技術(shù)，為CO2封存提供新的模式。