6月21日,在新疆烏魯木齊召開的第二十二屆全國科學(xué)采礦與礦壓理論會議上,中國工程院謝和平院士首次提出“負(fù)碳高效充填開采”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)碳開采、低碳利用”的煤炭開發(fā)利用全過程“自身就實現(xiàn)碳中和”的新格局。
礦山安全高效低碳開采是永恒的主題,當(dāng)前仍面臨一系列挑戰(zhàn)。煤炭開采過程中如何實現(xiàn)近零沖擊地壓發(fā)生的安全開采?如何實現(xiàn)近零生態(tài)損害以及低碳、零碳、負(fù)碳的綠色開采?一直是全球采礦界的熱點和難點。破解這些難題,謝和平院士提出的負(fù)碳高效充填開采全新理念和技術(shù)體系是實現(xiàn)千米深井和千萬噸產(chǎn)能礦井高效開采(“兩個一千”),同時保障“近零生態(tài)損害和近零沖擊地壓”(“兩個近零”)唯一根本途徑。
我國目前的充填開采技術(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)模充填開采所需矸石量嚴(yán)重不足;充填作業(yè)成本高;也不能實現(xiàn)低碳、零碳、負(fù)碳的綠色開采要求。為此,謝和平院士提出“負(fù)碳高效充填開采”全新技術(shù)構(gòu)想,及實現(xiàn)“兩個一千、兩個近零、一個負(fù)碳(負(fù)碳開采)、兩個解放(生態(tài)薄弱區(qū)煤炭資源解放、沖擊危險地區(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)碳開采難題。高孔隙材料用于儲氫儲能是國際科研熱點,據(jù)SCIENCE報道利用化學(xué)原理設(shè)計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個足球場。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;是一個負(fù)碳高效充填開采全新的技術(shù)路徑,可望在全球率先創(chuàng)造煤炭負(fù)碳開采、低碳利用,在煤炭開發(fā)利用全過程自身實現(xiàn)碳中和新路徑。
三是研究攻關(guān)快速粘凝膠結(jié)材料,破解礦山充填開采影響開采速度的難題。研究快速膠凝作用機(jī)理,在膠結(jié)材料中添加無機(jī)類早強(qiáng)劑/納米晶體材料,提供更多形核點位,降低凝膠成核勢壘,極大提高水化凝固反應(yīng)速率;引入擾動場加速分子反應(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力學(xué)調(diào)控方法,最終開發(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)碳高效充填開采技術(shù)與工藝,破解礦山充填開采影響煤炭產(chǎn)能的難題。攻關(guān)新型充填開采技術(shù),創(chuàng)新負(fù)碳高效膠結(jié)高孔隙充填體工藝方法,來提高單面充填開采產(chǎn)能(100~500萬t/a)。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建實施2~3個工作面同時并采的技術(shù)方案思路,就可實現(xiàn)千萬噸級礦井負(fù)碳高效充填開采。同時探索攻關(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,突破充填開采影響煤炭生產(chǎn)效率的瓶頸,可望實現(xiàn)千萬噸級以上產(chǎn)能的礦山負(fù)碳高效充填開采。
常規(guī)充填開采技術(shù)
多面并采的負(fù)碳高效充填開采技術(shù)
該技術(shù)體系顛覆性地實現(xiàn)了煤炭負(fù)碳開采。如果在此基礎(chǔ)上,能夠?qū)崿F(xiàn)清潔煤電的低碳利用,就有望使煤炭開發(fā)利用全過程自身實現(xiàn)碳中和。