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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，当前仍面临一系列挑战。2023年7月，习近平总书记在全国生态环境保护大会上强调“生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计”，并指出“我国生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力尚未根本缓解。必须以更高站位、更宽视野、更大力度来谋划和推进新征程生态环境保护工作，要加强科技支撑，推进绿色低碳科技自立自强”。同时，习近平总书记系统部署了全面推进美丽中国建设的战略任务和重大举措，指出“坚持把绿色低碳发展作为解决生态环境问题的治本之策”。因此，为保障能源稳定供应，推进煤炭资源绿色低碳发展，破解煤矿安全高效绿色低碳开采的现实难题，必须要有煤炭低碳高效开采新思维，构建煤炭低碳高效开采新原理，推进煤炭低碳高效开采新技术创新，实现煤炭资源从传统利用方式向低碳高效开发的根本转变。
煤炭资源从地下岩层中大量开采剥离必然导致岩层失稳而引发地质及环境灾害，世界上还没有一个神奇的理论能够实现在地下煤炭资源被挖空后，维持上覆岩层不变形、不破断、不垮塌与不发生冲击地压。充填开采技术在地表沉陷控制、生态环境保护、矿山固废处置与利用等方面具有显著的技术优势，能够从煤炭资源开采源头上解决地表沉陷、地下水流失、瓦斯排放、土地占用损害等难题。历经20余年产学研用联合攻关，我国充填开采技术历经了5代研发创新，已基本形成体系的典型充填技术包括综合机械化固体充填技术、膏体充填技术、长壁逐巷胶结充填技术、覆岩隔离注浆充填技术、井下采选充＋X技术、功能充填开采技术。然而，这些充填开采方法广泛应用于我国各大矿区，工程实施效果良好的同时也在实践中暴露了一些发展的阻力与难处，例如充填影响煤炭生产效率、大规模充填所需矸石量不足、充填作业成本高等问题，面临着不能实现“低碳、零碳、负碳”的绿色发展要求等严峻挑战。因此，为实现从源头消除冲击地压灾害和地表生态损害，以近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采为最终目标，必须着力于创新现有的充填开采原理与技术。
基于此，笔者认为，充填开采是实现千米深井和千万吨产能矿井高效开采(两个一千)，同时保障“近零生态损害和近零冲击地压”(两个近零)，以及低碳、零碳、负碳绿色开采(一个负碳)的唯一根本途径，并能实现生态薄弱区煤炭资源解放、冲击危险地区煤炭资源解放的目标(两个解放)。提出“近零生态损害和近零冲击地压”的负碳高效充填开采全新技术构想，实现井下矸石快速高效高孔隙充填与CO2大规模封存，提高充填开采效率与效益，推进煤炭绿色低碳高效开采，破解传统充填开采方法理论与技术瓶颈，明晰实现“两个一千、两个近零、一个负碳、两个解放(生态薄弱区煤炭资源解放、冲击危险地区煤炭资源解放)”的技术路线和战略目标，构建“近零生态损害、近零冲击地压及负碳煤炭开采”的矿山充填全新技术体系。笔者提出了负碳高效充填开采理论与技术研究总体框架，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)，并对高孔隙充填材料结构拓扑构型与强度理论、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理论、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、多工作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进行了概述，明确了负碳高效充填开采的战略路线与最终目标。
负碳高效充填开采是指利用高孔隙率、高力学强度、高储碳能力的新型充填材料，在井下将CO2、矸石与快速胶结材料混合，构建CGIF混合结构物充填材料并将其充入采空区，形成全新的矸石快速高效胶结高孔隙混合物负碳充填体，在实现快速高孔隙充填的同时形成CO2封存体，以此构建全新的“煤矿负碳高效充填开采构想”。
“煤矿负碳高效充填开采构想”的实现对充填材料的孔隙度、力学性能、储碳能力提出了新要求。Science期刊2020年报道的金属有机框架材料(MOFs)以其高孔隙等特性，实现了作为吸附剂对清洁燃料气体的高密度储能。其构建方法为负碳高效充填材料的高孔隙度要求提供了研发思路。因此，基于金属有机框架(MOF)的网络方法，笔者提出利用矸石构建高孔隙率、可调孔隙结构的高孔隙充填材料的构想(图1)，具体特征为结构功能稳定、环境影响较低、力学性能与储碳性能优异。
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负碳高效充填开采技术采用的关键材料是矸石快速高效胶结高孔隙充填体。其通过改变充填材料宏观结构，将传统矸石密实充填体转变为高孔隙充填体的思路进行研制。
该材料具有孔隙和孔径可控、形状稳定、力学性能优异等特点，且其内部的大量孔隙空间使材料具备可设计性，并可根据不同充填场景进行优化设计，实现多功能集成。同时因其具备大量孔隙的特点而破解大规模充填材料不足的难题。
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3.1 矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术
矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术是实现负碳高效充填开采的关键基础，其核心是高孔隙充填材料的设计流程与制备工艺(图6)。
3.2 快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术
快速黏凝胶结材料绿色高效制备的原材料为煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、煤气化渣和炉底渣等煤基固废。快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术主要流程为分析测试原材料的化学成分与矿物组成，测定潜在胶凝活性，利用机械激发、化学激发、热活化激发和物相重构等方法激发材料活性，将设计配比的原材料进行破碎、粉磨、高温煅烧、激发剂添加、均化等工艺，最终得到快速黏凝胶结材料。通过开展不同活性材料粉磨细度、激发剂种类与掺量的胶凝材料初终凝时间、抗压强度、抗折强度和耐久性等因素影响下的正交试验来优化胶结材料配比。同时，为加快水化反应速率，快速黏凝胶结材料制备过程中添加纳米晶体材料与有机交联剂，采用X射线衍射、热重−差热分析、傅里叶红外光谱分析等测试表征方法，测试分析水化产物与凝结时间，为胶结材料的快速粘凝特性提供理论依据，最终形成一套快速黏凝胶结材料的绿色高效制备方法(图7)，实现开发黏结强度高、固化速度快、固结强度大的快速黏凝胶结材料的目标。
3.3 CGIF充填体负碳高效充填开采技术
CGIF充填体负碳高效充填开采技术是指利用CGIF充填体对二氧化碳的物理−化学封存作用，建立成套充填开采系统与工艺，在充填开采作业的同时将捕集的CO2封存至充填体中，在快速高孔隙充填过程中形成CO2封存体，实现全新的负碳充填开采，打造负碳充填开采全新技术。如图8所示，CGIF充填体负碳高效充填开采技术在地面制备快速黏凝胶结材料并捕集CO2，同时分别采用充填材料输送系统与注气管路将充填材料与CO2输送至充填开采工作面完成负碳充填。其技术内涵主要包括CGIF充填体制备与输送系统开发、CGIF充填体负碳高效充填开采工艺设计、CGIF充填体负碳高效充填开采装备研发、CGIF充填封存二氧化碳全周期监测技术与负碳高效充填开采碳减排评估技术。该技术将突破充填开采材料不足、效率低、能耗大的技术瓶颈，解放生态薄弱区、冲击危险区煤炭资源，实现煤炭负碳开采的战略目标。
3.4 多工作面并采高效充填开采技术
针对千万吨矿井充填的战略目标，提出多工作面并采高效充填开采技术。该技术通过设计单层多工作面并采(图9)和立体空间多工作面并采(图10)的高效开采工艺并形成相应高效充填技术及装备体系，在提高工作单面充填开采产能(100万～300万t/a)基础上，通过多工作面并采实现千万吨级矿井高效充填开采的目标。
3.5 全周期立体高效充填开采防冲技术
基于矿区充填开采防治冲击地压原理，研发全周期立体高效充填开采防冲技术，实现采前−采中−采后的全周期区域防冲与高效充填，解决治理冲击地压与解放矿井产能的难题。
全周期立体高效充填开采防冲技术针对矿区防冲要求，构建采前(老采空区预充)−采中(立体协同充填)−采后(嗣后空间补充)的全周期充填模式(图11)，形成区域煤炭开采与充填防冲时空协调方法。其中，采前预充采用中位或高位充填垮落带与裂隙带，节约充填工序并实现大范围的应力调整，防止采前顶板岩层能量积聚；采中充填基于防冲需求与采充协调原则，采用低位、中位与高位协同立体充填，避免应力集中与能量积聚；采后补充采用高位地面孔注充嗣后空间，提高充填体接顶效果，强化矿区防冲能力。
图1 负碳高效充填开采技术
图2 负碳高效充填工艺
图3 负碳高效充填开采理论与技术研究框架
图4 CO2与矸石及快速胶结剂混合物充填体CGIF示意
图5 矿区充填开采防治冲击地压理论
图6 矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术
图7 快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术
图8 CGIF充填体负碳高效充填开采技术
图9 单层多工作面并采的高效开采方案示意
图10 立体空间多工作面并采的高效开采方案示意
图11 全周期立体充填开采模式
图12 负碳高效充填开采“三阶段”发展规划
来源：
谢和平，张吉雄，高峰，等. 煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想[J]. 煤炭学报，2024，49(1)：36−46. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1091
