粉煤灰由于含有钙镁等碱土金属氧化物导致其浆液呈碱性,直接充填井下采空区易污染地下水源。利用陕北矿区府谷电厂粉煤灰开展组分测试、浆液pH值特性测试及固碳降碱试验,基于浆液pH值与OH-浓度理论关系对粉煤灰固碳降碱反应过程进行阶段划分并提出两级耦合的粉煤灰高效矿化方法。研究结果表明:(1)粉煤灰含CaO、MgO、K2O等碱土金属氧化物,溶于水浆液呈高碱特性,浆液pH值随浆液浓度增大而增大,当粉煤灰浆液质量分数≥30%时,浆液pH值不受质量分数影响且粉煤灰碱土金属氧化物与水反应生成OH-速率较快,溶于水20 min,OH-浓度饱和;(2)粉煤灰与CO2发生矿化反应生成方解石型CaCO3,每1kg粉煤灰可矿化封存29.57 g CO2;(3)粉煤灰与CO2发生矿化粉煤灰固碳降碱过程中pH变化曲线呈“倒S”型,按降pH速率分为慢速(Ⅰ)、快速(Ⅱ)、慢速(Ⅲ)3个阶段,3个阶段的pH值分界点分别为11.39、7～8且第Ⅰ阶段无法消除;(4)降pH与降碱不是同一概念,降碱指的是降浆液中OH-浓度,降pH第Ⅰ阶段对应快速降碱阶段,降pH第Ⅱ、Ⅲ阶段对应深度降碱阶段;(5)决定粉煤灰固碳量的主要为降pH第Ⅰ阶段,而非pH下降速率较大的第Ⅱ阶段,第Ⅰ阶段CO2利用率约为30.78%,第Ⅱ、Ⅲ阶段CO2总利用率约为9.04%;(6)基于粉煤灰固碳降碱过程阶段划分及反应装置降碱速率、容积的差异性,提出两级耦合的粉煤灰高效矿化方法。研究结果对分析粉煤灰固碳降碱机理,提高粉煤灰固碳降碱效率,促进粉煤灰处置工业化应用具有重要意义。