煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO2、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO2 Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充...     

双碳目标下“煤基固废-CO2”协同充填封存技术构想

“双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO₂”双重近零排放的要求,通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源,结合现有充填开采技术,提出了以“煤基固废-CO₂”近零排放为核心的协同充填封存技术构想,以实现煤炭开采与“煤基固废-CO₂”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果,提出了三类功能性充填材料,其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体,形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界,地质盖层为最后屏障的CO₂地下封存空间;第三类充填材料可与CO₂发生化学反应,实现对CO₂的矿化封存。基于此,分析了“煤基固废-CO₂”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价;CO₂封存空间稳定性控制;CO₂封存能力估算;CO₂充注效果监测与调控;CO₂封存安全风险应急...     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

“双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO₂”双重近零排放的要求,通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源,结合现有充填开采技术,提出了以“煤基固废-CO₂”近零排放为核心的协同充填封存技术构想,以实现煤炭开采与“煤基固废-CO₂”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果,提出了三类功能性充填材料,其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体,形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界,地质盖层为最后屏障的CO₂地下封存空间;第三类充填材料可与CO₂发生化学反应,实现对CO₂的矿化封存。基于此,分析了“煤基固废-CO₂”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价;CO₂封存空间稳定性控制;CO₂封存能力估算;CO₂充注效果监测与调控;CO₂封存安全风险应急处理。该构想的提出可为我国煤炭行业低碳绿色发展提供新思路。

     

硫化钠法CCUS化学固碳技术分析和探讨

简明阐述了清洁能源制氢耦合C1化学工业的CCUS化学固碳路径,按照CO₂中的C、O元素成键变化,将化学固碳技术区分为活化法和非活化法。将金属氧化物拓展到金属硫化物,并通过还原硫酸盐制备金属硫化物,设计构思出Na₂S固碳路径,包括电解水制氢、H₂还原Na₂SO₄、Na₂S溶液吸收CO₂、NaHCO₃/Na₂CO₃处理单元、H₂S制硫酸或硫磺以及硫酸制盐酸6个工艺单元流程;可用于含氧原料气、低浓度CO₂原料气甚至大气中CO₂的捕集及固化工艺的技术开发,并具有矿化固碳效果。通过对Na₂S固碳路径及其效果进行的详细分析和探讨,从H₂消耗、投资、过程能耗、产品价值、固碳效果以及能源利用和储存等方面进行对比后,得出Na₂S法固碳与CH₃     

煤矿采空区膏体充填相关技术研究

为了强化对煤矿采空区膏体充填相关技术的理解,系统介绍了采空区膏体充填技术与充填机理,从胶凝材料、充填骨料、外加剂三方面介绍了充填材料的情况及其配比,并从泌水率、坍落度、可泵时间三方面介绍了充填料浆的输送性.最后指出煤矿采空区的膏体充填法是安全绿色的开采方法,可以提高资源的开采率,消除地表塌陷隐患,提高开采效率,从而显著...     

双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

“双碳”的确定对煤气同采发展理念提出了绿色低碳的新要求。立足我国以煤为主的能源禀赋特点,针对煤矿CH₄-CO₂双重碳减排技术难题,通过探究煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO₂捕获-封存-利用等关键技术问题,提出了以煤矿CH₄-CO₂近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系构想,从低碳融合技术与负碳技术两方面阐述了该构想体系,并简化分析了相应的碳源汇机制。煤矿瓦斯高效精准抽采涵盖瓦斯含量精准原位测定、瓦斯涌出量精准预测、瓦斯高效抽采区域精准辨识、瓦斯抽采精准施工设计、瓦斯抽采精准增透及瓦斯抽采精准调控;在瓦斯全浓度梯级利用方面,提出了高浓度瓦斯直接利用、乏风瓦斯及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系;煤层CO₂封存作为典型负碳排放技术已处于商业运行阶段,笔者及其团队则聚焦煤矿CH₄-CO₂近零碳排放核心,提出了CO₂煤矿采空区吸储与植被固碳理念。最后阐述了双碳...     

三河尖关闭煤矿煤层CO2封存潜力研究

关闭煤矿煤层CO₂地质封存是CO₂封存的重要方式之一,也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例,分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征,统计了剩余煤炭资源储量,运用模糊综合评价法,选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO₂稳定性进行评价,建立关闭煤矿煤层CO₂封存评价方法并评估CO₂封存潜力。结果表明,三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大,CO₂封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698,评价等级均为较稳定,封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO₂封存评价方法,计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO₂理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt,并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO...     

复合固结体巷式充填全采技术应用研究

针对建下不规则煤层块段开采问题,根据充填控制地表沉陷的原理,提出了高水速凝材料与矸石复合固结体巷式充填全采技术,即首先掘进煤巷,然后充填复合固结体,以多轮置换方式实现充填区域煤炭的全部开采。通过充填体强度测试,研究了复合固结体强度与高水速凝材料水灰比、矸石掺入量、龄期之间的关系。经充填体稳定性需求分析,给出了确定充填体强度的方法。工程应用结果表明,该技术既可有效控制地表沉陷,又可避免矸石升井带来的环境危害,取得了良好的技术经济效果。     

陕西省生态系统固碳量与固碳价值的测度及其时空格局演变

生态系统固碳功能强大,是实现碳中和最重要的途径之一。论文从土地利用视角,运用固碳速率法分别对2000年和2020年陕西省县域森林、草地和湿地生态系统固碳量及固碳价值进行估算,并采用空间统计分析方法揭示其时空演变特征。结果表明：1)2000—2020年陕西省森林、草地和湿地生态系统固碳量均实现了不同程度的增长,其中森林固碳量增长最为显著,是对陕西省生态系统固碳增量贡献最大的类型;2)陕西省县域森林、草地的固碳量分布具有显著的空间集聚特征,森林固碳热点区集中在秦岭山区,草地固碳热点区集中在陕北长城沿线风沙区,冷点区都集中在关中平原中部地区;3)陕南秦巴山区是陕西省固碳能力最强的区域,而陕北黄土丘陵沟壑区则是固碳量增加最多的区域,各地级市中除西安市固碳能力下降外,其余城市固碳量均实现了增加,其中延安和榆林是增长最快的两个城市;4)陕西省生态系统固碳价值最高的前5位城市依次是汉中、延安、安康、宝鸡和商洛,总计占全省固碳价值总量的78.33%。     

我国煤矿充填开采技术及其发展趋势

基于煤矿可持续发展与环境保护的要求,阐述了煤矿充填开采的必要性,通过收集分析我国20个典型充填开采应用实例,系统论述了巷道掘进抛矸充填、长壁普采矸石充填、长壁综采矸石充填、膏体充填和高水充填等技术特点,得出了巷道掘进矸石充填适用于配采和重要保护场合,长壁综采矸石和膏体充填适用于主采和普通保护场合,高水充填适用于缺少充填材料和单一煤层场合;提出了采煤量、充填量、采出率、吨煤成本、充满率、移近量、下沉量、减沉率、变形量和保护面积可作为充填开采效果的评价指标。最后,建议对高效充填和充填空间密闭做深入研究。     

我国化石能源固碳利用新途径探索及研究

分析了目前我国实现碳中和的主要技术途径,提出一种化石能源固碳利用的新途径,即将化石能源在利用过程所产生的CO₂直接转化为CO₂固定量最高的稳定固体产物1,3,5均三嗪三醇(C₃H₃N₃O₃,简称三嗪醇)。阐明这种固碳新途径的技术优势,该转化过程中释放的能量和剩余氢可作为清洁能源利用,从而实现化石能源能量和元素成分的同时高效利用。认为该技术路线不仅减排了二氧化碳,还可提高化石能源总的利用效率,可以成为实现我国碳中和新目标经济可行的技术途径之一。     

采空区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望

煤矸石浆体充填是一种低干扰条件下矸石无害化规模处置的重要技术手段,是实现煤炭绿色开采的重要途径之一,符合国家绿色发展理念。但针对浆体充填材料制备缓存、浆体长距离输送及采空区充填处置等方面的研究仍不完善,部分问题的研究尚属空白,严重制约浆体充填技术在煤矸石固废处置领域的发展。通过近年来研究,煤矸石浆体充填在基础理论及关键技术均取得了大量的成果。文章系统性地梳理了多种煤矸石充填固废处置技术及其发展历程,总结了其适用性及优缺点,阐述了浆体充填诞生的技术背景及科学内涵,明确了浆体充填关键技术与工艺原理。从大规模推广应用角度出发,总结了浆体材料精准制备与流变特性、矸石浆体长距离管输特征、采空区空隙空间浆体介入规律3项关键科学问题,围绕以上关键科学问题,重点开展了精准制浆技术、管道输送技术、浆体多位充填技术等方面的研究。分析了多因素耦合条件矸石浆体流变特性,揭示了矸石浆体成浆机理,构建了矸石浆体精准制备模型,提出了矸石浆体管道输送关键参数确定方法,总结了高位、低位、邻位3种形式的浆体流动扩散规律,进而指导浆体充填工程实践。在以上研究基础上,分析了浆体充填技术当前研究的不足及未来研究的重点难度,并对...     

我国煤矿绿色充填开采技术应用与展望

常规井工煤矿开采会造成地面沉（塌）陷、生态环境破坏、建（构）筑物损害等问题，煤矿绿色充填开采实践表明：实施绿色充填开采，能够有效减小地表沉（塌）陷，保护地表和井下水系，消除地面矸石山对矿区生态环境的破坏，避免建（构）筑物的损害，降低采空区瓦斯的积聚，减少采空区积水，降低遗弃煤炭自燃的几率等，社会、经济和生态效益显著。分析了制约我国煤矿绿色充填开采应用的主要因素是国家政策支持力度不够，煤矿绿色充填开采技术初期建设投资大、充填成本高、建设周期长，煤企对生态环保的认识不足等。提出了要在“采、选、充、留”一体化精准充填开采技术和新型绿色充填材料的研发上加大力度，以发挥出我国煤矿绿色充填开采技术的更大作用。     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...     

我国煤矿充填开采技术现状与发展

通过介绍我国煤矿目前常用的三种充填开采技术特点与应用情况,详细阐述了我国煤矿充填开采技术的现状,并从煤炭开采对安全、环保、经济和高效等方面的要求,分析了我国煤矿充填开采技术的发展趋势。     

煤矿固体废弃物流态化浆体充填技术

煤炭资源为我国工业和经济社会的发展提供了基础动力,但是其大规模的开采和利用带来了一系列环境问题。为解决我国煤炭行业普遍面临的固体废弃物排放、环境污染等难题,通过总结传统固体废弃物处理技术的发展历程和技术瓶颈,明确了新型处理技术的具体要求,并创新性地提出了流态化浆体充填技术构想,阐述了其内涵和优势,详细介绍了流态化浆体充填技术包含的6项核心技术:智慧管道输送、四维协同充填、高效精准制浆、采动覆岩钻进、全息远程控制和安全生产保障技术。在此基础上,提出了井下智能分选+就地制浆充填和智能化浆体充填2大技术发展方向,初步形成了煤矿固体废弃物流态化浆体充填技术架构,并结合实际案例予以说明。流态化浆体充填技术的提出为我国矿山企业提供了全新的固废处理方法,丰富了我国煤炭行业固体废弃物处理技术体系,为实现煤炭资源绿色开采、清洁利用和零废排放奠定了基础。