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《中國煤化工》
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謝和平院士:煤炭開(kāi)發(fā)利用有望實(shí)現“自身碳中和”
作者: | 來(lái)源:國家煤化工網(wǎng) | 時(shí)間:2023-07-04

6月21日,在新疆烏魯木齊召開(kāi)的第二十二屆全國科學(xué)采礦與礦壓理論會(huì )議上,中國工程院謝和平院士首次提出“負碳高效充填開(kāi)采”全新技術(shù)構想,構建了負碳矸石快速高效膠結高孔隙混合物充填體、多面并采的負碳高效充填開(kāi)采技術(shù)與工藝等全新理念與技術(shù)方案路徑,構建了基于CO2、矸石與快速膠結劑混合物“CGIF”充填體的“近零生態(tài)損害、近零沖擊地壓及負碳開(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,當前仍面臨一系列挑戰。煤炭開(kāi)采過(guò)程中如何實(shí)現近零沖擊地壓發(fā)生的安全開(kāi)采?如何實(shí)現近零生態(tài)損害以及低碳、零碳、負碳的綠色開(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碳高效充填開(kāi)采全新理念和技術(shù)體系是實(shí)現千米深井和千萬(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,大規模充填開(kāi)采所需矸石量嚴重不足;充填作業(yè)成本高;也不能實(shí)現低碳、零碳、負碳的綠色開(kāi)采要求。為此,謝和平院士提出“負碳高效充填開(kāi)采”全新技術(shù)構想,及實(shí)現“兩個(gè)一千、兩個(gè)近零、一個(gè)負碳(負碳開(kāi)采)、兩個(gè)解放(生態(tài)薄弱區煤炭資源解放、沖擊危險地區煤炭資源解放)”的技術(shù)路線(xiàn)和戰略目標,構建出了“近零生態(tài)損害、近零沖擊地壓及負碳煤炭開(kāi)采”的礦山充填4大全新技術(shù)體系:

一是研究攻關(guān)矸石快速高效膠結高孔隙充填體,破解大規模充填開(kāi)采充填材料不足的難題。采用復雜系統科學(xué)方法,精確描述復雜結構力學(xué)系統中的應力、位移和變形,建立數學(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撲結構,研究出新型高孔隙度矸石-膠體復合材料,實(shí)現充填材料低密度、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)強度與密實(shí)充填體相當。

二是研究攻關(guān)負碳矸石快速高效膠結高孔隙混合物“GCIF”充填體,破解大規模CO2封存固化的負碳開(kāi)采難題。高孔隙材料用于儲氫儲能是國際科研熱點(diǎn),據SCIENCE報道利用化學(xué)原理設計了原子排列十分精確的多孔材料(金屬有機框架化合物MOF),1克材料可以鋪滿(mǎn)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高孔隙充填體來(lái)構建CO2與矸石及快速膠結劑混合物“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力充填,又能大規模固化CO2,其中CO2還能起到支撐承壓作用;是一個(gè)負碳高效充填開(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)現碳中和新路徑。

三是研究攻關(guān)快速粘凝膠結材料,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理,在膠結材料中添加無(wú)機類(lèi)早強劑/納米晶體材料,提供更多形核點(diǎn)位,降低凝膠成核勢壘,極大提高水化凝固反應速率;引入擾動(dòng)場(chǎng)加速分子反應速度,添加交聯(lián)劑促進(jìn)聚合反應,攻克膠體凝膠化的分子動(dòng)力學(xué)調控方法,最終開(kāi)發(fā)出粘結強度高、固化速度快、固結強度大的快速粘凝膠結材料。

四是研究攻關(guān)多面并采的負碳高效充填開(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 )新負碳高效膠結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)。在此基礎上,構建實(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)現千萬(wàn)噸級礦井負碳高效充填開(kāi)采。同時(shí)探索攻關(guān)單層采區多面并采和立體空間多面并采的負碳高效開(kāi)采工藝和相應的負碳高效充填技術(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)現千萬(wàn)噸級以上產(chǎn)能的礦山負碳高效充填開(kāi)采。

常規充填開(kāi)采技術(shù)

多面并采的負碳高效充填開(kāi)采技術(shù)

該技術(shù)體系顛覆性地實(shí)現了煤炭負碳開(kāi)采。如果在此基礎上,能夠實(shí)現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)現碳中和。


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