6月21日，在新疆烏魯木齊召開(kāi)的第二十二屆全國(guó)科學(xué)采礦與礦壓理論會(huì)議上，中國(guó)工程院謝和平院士首次提出“負(fù)碳高效充填開(kāi)采”全新技術(shù)構(gòu)想，構(gòu)建了負(fù)碳矸石快速高效膠結(jié)高孔隙混合物充填體、多面并采的負(fù)碳高效充填開(kāi)采技術(shù)與工藝等全新理念與技術(shù)方案路徑，構(gòu)建了基于CO2、矸石與快速膠結(jié)劑混合物“CGIF”充填體的“近零生態(tài)損害、近零沖擊地壓及負(fù)碳開(kāi)采”的礦山充填全新技術(shù)體系，可望在全球率先形成“煤炭負(fù)碳開(kāi)采、低碳利用”的煤炭開(kāi)發(fā)利用全過(guò)程“自身就實(shí)現(xiàn)碳中和”的新格局。
礦山安全高效低碳開(kāi)采是永恒的主題，當(dāng)前仍面臨一系列挑戰(zhàn)。煤炭開(kāi)采過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)近零沖擊地壓發(fā)生的安全開(kāi)采?如何實(shí)現(xiàn)近零生態(tài)損害以及低碳、零碳、負(fù)碳的綠色開(kāi)采?一直是全球采礦界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。破解這些難題，謝和平院士提出的負(fù)碳高效充填開(kāi)采全新理念和技術(shù)體系是實(shí)現(xiàn)千米深井和千萬(wàn)噸產(chǎn)能礦井高效開(kāi)采(“兩個(gè)一千”)，同時(shí)保障“近零生態(tài)損害和近零沖擊地壓”(“兩個(gè)近零”)唯一根本途徑。
我國(guó)目前的充填開(kāi)采技術(shù)推廣還存在很多阻力和難處，主要挑戰(zhàn)是：充填作業(yè)影響采煤速度、影響出煤量、影響煤炭生產(chǎn)效益;充填材料不夠，大規(guī)模充填開(kāi)采所需矸石量嚴(yán)重不足;充填作業(yè)成本高;也不能實(shí)現(xiàn)低碳、零碳、負(fù)碳的綠色開(kāi)采要求。為此，謝和平院士提出“負(fù)碳高效充填開(kāi)采”全新技術(shù)構(gòu)想，及實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一千、兩個(gè)近零、一個(gè)負(fù)碳(負(fù)碳開(kāi)采)、兩個(gè)解放(生態(tài)薄弱區(qū)煤炭資源解放、沖擊危險(xiǎn)地區(qū)煤炭資源解放)”的技術(shù)路線和戰(zhàn)略目標(biāo)，構(gòu)建出了“近零生態(tài)損害、近零沖擊地壓及負(fù)碳煤炭開(kāi)采”的礦山充填4大全新技術(shù)體系：
一是研究攻關(guān)矸石快速高效膠結(jié)高孔隙充填體，破解大規(guī)模充填開(kāi)采充填材料不足的難題。采用復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)方法，精確描述復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)力、位移和變形，建立數(shù)學(xué)模型。采用分形幾何方法，定量表征三維高孔隙材料幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究出新型高孔隙度矸石-膠體復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)充填材料低密度、高孔隙率框架式承載，高孔隙充填體矸石用量將減少20%~40%，力學(xué)強(qiáng)度與密實(shí)充填體相當(dāng)。
二是研究攻關(guān)負(fù)碳矸石快速高效膠結(jié)高孔隙混合物“GCIF”充填體，破解大規(guī)模CO2封存固化的負(fù)碳開(kāi)采難題。高孔隙材料用于儲(chǔ)氫儲(chǔ)能是國(guó)際科研熱點(diǎn)，據(jù)SCIENCE報(bào)道利用化學(xué)原理設(shè)計(jì)了原子排列十分精確的多孔材料(金屬有機(jī)框架化合物MOF)，1克材料可以鋪滿1.3個(gè)足球場(chǎng)。如果我們以常態(tài)或超臨界的CO2作為氣體或液體，與矸石快速高效膠結(jié)高孔隙充填體來(lái)構(gòu)建CO2與矸石及快速膠結(jié)劑混合物“CGIF(CO2 Gangue Inorganic Framework)”，這樣就形成一個(gè)全新的混合充填體理念，既能快速高孔隙低密度強(qiáng)力充填，又能大規(guī)模固化CO2，其中CO2還能起到支撐承壓作用;是一個(gè)負(fù)碳高效充填開(kāi)采全新的技術(shù)路徑，可望在全球率先創(chuàng)造煤炭負(fù)碳開(kāi)采、低碳利用，在煤炭開(kāi)發(fā)利用全過(guò)程自身實(shí)現(xiàn)碳中和新路徑。
三是研究攻關(guān)快速粘凝膠結(jié)材料，破解礦山充填開(kāi)采影響開(kāi)采速度的難題。研究快速膠凝作用機(jī)理，在膠結(jié)材料中添加無(wú)機(jī)類早強(qiáng)劑/納米晶體材料，提供更多形核點(diǎn)位，降低凝膠成核勢(shì)壘，極大提高水化凝固反應(yīng)速率;引入擾動(dòng)場(chǎng)加速分子反應(yīng)速度，添加交聯(lián)劑促進(jìn)聚合反應(yīng)，攻克膠體凝膠化的分子動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法，最終開(kāi)發(fā)出粘結(jié)強(qiáng)度高、固化速度快、固結(jié)強(qiáng)度大的快速粘凝膠結(jié)材料。
四是研究攻關(guān)多面并采的負(fù)碳高效充填開(kāi)采技術(shù)與工藝，破解礦山充填開(kāi)采影響煤炭產(chǎn)能的難題。攻關(guān)新型充填開(kāi)采技術(shù)，創(chuàng)新負(fù)碳高效膠結(jié)高孔隙充填體工藝方法，來(lái)提高單面充填開(kāi)采產(chǎn)能(100~500萬(wàn)t/a)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建實(shí)施2~3個(gè)工作面同時(shí)并采的技術(shù)方案思路，就可實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)噸級(jí)礦井負(fù)碳高效充填開(kāi)采。同時(shí)探索攻關(guān)單層采區(qū)多面并采和立體空間多面并采的負(fù)碳高效開(kāi)采工藝和相應(yīng)的負(fù)碳高效充填技術(shù)及裝備，突破充填開(kāi)采影響煤炭生產(chǎn)效率的瓶頸，可望實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)噸級(jí)以上產(chǎn)能的礦山負(fù)碳高效充填開(kāi)采。
常規(guī)充填開(kāi)采技術(shù)
多面并采的負(fù)碳高效充填開(kāi)采技術(shù)
該技術(shù)體系顛覆性地實(shí)現(xiàn)了煤炭負(fù)碳開(kāi)采。如果在此基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔煤電的低碳利用，就有望使煤炭開(kāi)發(fā)利用全過(guò)程自身實(shí)現(xiàn)碳中和。( 倪珺 )
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