（1）综述了煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术的研究进展，评述了矿区固废矿化固定与封存CO2在矿山工程活动中协同实现减污降碳的潜力。
（2）阐述了矿区固废处置-煤基CCUS-采空区充填技术的核心内涵，提出了“煤炭生产加工-矿区固废处置-高效矿化固碳与CO2封存-地下空间充填与利用-矿区地面沉陷防治与生态修复”无废矿山循环经济模式构想，前瞻了基于无废矿山循环经济模式建设绿色低碳型煤炭产业的关键发展方向和应用前景。
（3）探讨了关于矿区固废的低碳高效利用、煤基CCUS、煤炭开采地下空间规模化利用等技术方面存在的问题挑战，展望了以“矿区固废处置-煤基CCUS-采空区充填”新技术体系为关键路径建设绿色低碳型矿山的重点研究方向。
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煤矿区固废矿化固定封存CO2与减污降碳协同处置利用的研究进展
煤炭是我国能源安全的“压舱石”，据国家统计局数据显示，2023年第1季度全国原煤产量为11.5亿t，预计到年底国内煤炭产量将达到47.5亿t。然而，在煤炭开采和利用等矿山工程活动中会产生大量矿区固废堆存、生态环境破坏及温室气体排放等问题。因此，绿色矿山建设将面临巨大挑战，寻找低碳化、无害化、资源化的矿区固废消纳路径及大型地下空间利用技术将会是矿区绿色低碳发展的重要途径。
在“双碳”背景下，深入开展矿区固废绿色、高效、负碳处置等相关理论与技术研究迫在眉睫。我国矿区固废产生量每年超过20亿t，主要包含粉煤灰、煤矸石、炉底渣和煤气化渣等，累计堆存量超过300亿t。矿区固废热值低、消纳困难，长期堆存不仅会占用大量土地资源，污染周边的水文和地质环境，还会引发山体滑坡、泥石流等灾害，对矿区生态环境造成严重影响。为此，国家出台了针对矿区固废综合利用的相关政策与指导意见。2022年6月生态环境部和国家发改委等部门印发的《减污降碳协同增效实施方案》中强调，要推进固废污染防治协同控制，推动煤矸石、粉煤灰、尾矿、冶炼渣等工业固废资源利用或替代建材生产原料，到2025年新增大宗固废综合利用率达到60%。《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》指出，要采取先进工艺对煤矸石、粉煤灰、废渣等矿区固废进行综合利用。目前，矿区固废资源化处置已实现在地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的技术突破，但仍存在利用途径单一、处置量低等问题，提出矿区固废处置新路径已成为“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展的新要求。
二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是碳减排的必要手段之一，其中，CO2矿物封存技术是通过模仿天然矿物风化并吸收CO2的过程，利用含钙镁离子的矿物与CO2产生反应转化为固态碳酸盐(如CaCO3/MgCO3)进行封存的一种模式。矿产资源经过开采、破碎及应用等方式会产生大量的废石、尾矿等矿区固废物，近年来，很多学者创新性地提出了利用矿区固废矿化封存CO2技术。相较于天然矿物，煤炭在生产与加工过程中产生的固废时常会经过高温或高压过程改变固废的矿物结构、物化特性，使其反应活性高于天然矿物。矿区固废活性较高、成本低，堆存场地接近CO2排放源，在用于固碳过程中可以节省运输及研磨等预处理工艺，且矿化CO2产物还可作为高附加值产品进行利用，固碳方式安全稳定。因此，矿区固废用于矿化CO2及其碳酸化产物利用技术将作为解决矿区固废处置与潜在碳减排途径的优势技术之一。此外，我国矿山开采过程中形成了大量的采空区，地下空间资源已超过156亿m3，目前，这些空间仍旧没有得到高效利用，如果能用来处理矿区固废并封存CO2，既能实现固废就地处置和碳减排目标，降低矿山固废堆存引起的生态环境污染，而且能够避免地表沉陷、矿震、采空区漏风等灾害，是极具潜力的矿山绿色低碳化发展方向。
笔者旨在探索煤炭低碳化开发技术新领域，在梳理矿区固废物特征、资源化利用现状与发展趋势的基础上，详细论述矿区固废CO2吸收矿化技术方法和综合资源化利用途径，从矿区固废封存燃煤电厂碳排放源到固废资源化利用的角度出发，重点开展煤矿区固废处置–煤基CCUS–固碳产物资源化利用技术体系的分析，提出以“煤炭生产加工–矿区固废处置–高效矿化固碳与CO2封存–地下空间充填与利用–矿区地面沉陷防治与生态修复”为主要研究思路的无废矿山循环经济模式，展望矿区固废处置、矿井采空区地下空间充分利用、CO2捕集利用与封存(CCUS)相融合技术的未来发展方向，以期为煤矿领域形成可复制、可推广的绿色低碳型矿山建设新模式提供战略性选择，助力实现煤炭领域绿色可持续发展和我国“30·60双碳”目标。
“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体，已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念，探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径，创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO2捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术，是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明：煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展，为矿区固废固定封存CO2研究提供了基础和启示，但矿区固废固定封存CO2的工程化技术研究亟待加强；矿区固废矿化固定与封存CO2潜力大、具有工程可行性，正在形成矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填新的技术体系；矿区固废与CO2基气–液–固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO2密闭封存、采空区充填固定封存CO2潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO2环境与安全性评价等将构成固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术体系的核心内涵；矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工–矿区固废处置–高效矿化固碳与CO2封存–地下空间充填与利用–矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键，矿区固废+CO2基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。
图 1 矿区固废种类及其形成过程
图 2 矿区固废资源化利用主要途径
图 3 矿区固废充填采空区、离层的技术路线
图 4 矿区固废用于煤矿防灭火的技术路线
图 5 矿区固废生产农业营养作物
图 6 矿区固废处置与煤基CCUS技术流程
图 7 矿区固废合成沸石分子筛固定CO2
图 8 矿区固废干法矿化固定CO2
图 9 矿区固废湿法矿化固定CO2
图 10 矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术体系示意
图 11 “双碳”目标下无废矿山循环经济模式构想与技术框架
表 1 矿区固废干法碳酸化和湿法碳酸化固定CO2能力
奚弦，女，陕西渭南人，助理研究员，新加坡南洋理工大学访问学者，2022年博士毕业于中国矿业大学。主要从事CO2矿化封存与利用、固废资源化利用和矿井灾害防控等方面的科研工作研究，在Energy、《煤炭学报》等主流国际刊物发表论文20余篇，申报/授权国家发明专利20项，主持国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目等各类纵向科研项目4项，承担若干项现场横向项目，参与国家自然科学基金重点研发项目、国家自然科学基金面上项目等纵向课题3项。
研究方向
CO2温室气体矿化封存与利用、矿山绿色功能材料研发
主要成果
提出了无废矿山循环经济模式构想，为未来评价枯竭型页岩气藏封存CO2潜力提供了理论背景；封存机理方面，阐明了特征性黏土矿物和碳酸盐矿物离子溶出和沉淀动力学特征，揭示了封存条件下矿物晶体结构、微观结构和封存空间演化模式，为后期开展更为高效、稳定的CO2矿化利用工作提供了理论依据。
来源：
奚弦，桑树勋，刘世奇. 煤矿区固废矿化固定封存CO2与减污降碳协同处置利用的研究进展[J]. 煤炭学报，2024，49(8)：3619−3634.
XI Xian，SANG Shuxun，LIU Shiqi. Progress in research of CO2 fixation and sequestration by coal mine solid waste mineralization and co-disposal of pollution and carbon reduction[J]. Journal of China Coal Society，2024，49(8)：3619−3634.
