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            《中國煤化工》
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            謝和平院士:煤炭開發利用有望實現“自身碳中和”
            作者: | 來源:國家煤化工網 | 時間:2023-07-04

            6月21日,在新疆烏魯木齊召開的第二十二屆全國科學采礦與礦壓理論會議上,中國工程院謝和平院士首次提出“負碳高效充填開采”全新技術構想,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采技術與工藝等全新理念與技術方案路徑,構建了基于CO2、矸石與快速膠結劑混合物“CGIF”充填體的“近零生態損害、近零沖擊地壓及負碳開采”的礦山充填全新技術體系,可望在全球率先形成“煤炭負碳開采、低碳利用”的煤炭開發利用全過程“自身就實現碳中和”的新格局。

            礦山安全高效低碳開采是永恒的主題,當前仍面臨一系列挑戰。煤炭開采過程中如何實現近零沖擊地壓發生的安全開采?如何實現近零生態損害以及低碳、零碳、負碳的綠色開采?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碳高效充填開采全新理念和技術體系是實現千米深井和千萬噸產能礦井高效開采(“兩個一千”),同時保障“近零生態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推廣還存在很多阻力和難處,主要挑戰是:充填作業影響采煤速度、影響出煤量、影響煤炭生產效益;充填材料不夠,大規模充填開采所需矸石量嚴重不足;充填作業成本高;也不能實現低碳、零碳、負碳的綠色開采要求。為此,謝和平院士提出“負碳高效充填開采”全新技術構想,及實現“兩個一千、兩個近零、一個負碳(負碳開采)、兩個解放(生態薄弱區煤炭資源解放、沖擊危險地區煤炭資源解放)”的技術路線和戰略目標,構建出了“近零生態損害、近零沖擊地壓及負碳煤炭開采”的礦山充填4大全新技術體系:

            一是研究攻關矸石快速高效膠結高孔隙充填體,破解大規模充填開采充填材料不足的難題。采用復雜系統科學方法,精確描述復雜結構力學系統中的應力、位移和變形,建立數學模型。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%,力學強度與密實充填體相當。

            二是研究攻關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封存固化的負碳開采難題。高孔隙材料用于儲氫儲能是國際科研熱點,據SCIENCE報道利用化學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1.3個足球場。如果我們以常態或超臨界的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;是一個負碳高效充填開采全新的技術路徑,可望在全球率先創造煤炭負碳開采、低碳利用,在煤炭開發利用全過程自身實現碳中和新路徑。

            三是研究攻關快速粘凝膠結材料,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理,在膠結材料中添加無機類早強劑/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速率;引入擾動場加速分子反應速度,添加交聯劑促進聚合反應,攻克膠體凝膠化的分子動力學調控方法,最終開發出粘結強度高、固化速度快、固結強度大的快速粘凝膠結材料。

            四是研究攻關多面并采的負碳高效充填開采技術與工藝,破解礦山充填開采影響煤炭產能的難題。攻關新型充填開采技術,創新負碳高效膠結高孔隙充填體工藝方法,來提高單面充填開采產能(100~500萬t/a)。在此基礎上,構建實施2~3個工作面同時并采的技術方案思路,就可實現千萬噸級礦井負碳高效充填開采。同時探索攻關單層采區多面并采和立體空間多面并采的負碳高效開采工藝和相應的負碳高效充填技術及裝備,突破充填開采影響煤炭生產效率的瓶頸,可望實現千萬噸級以上產能的礦山負碳高效充填開采。

            常規充填開采技術

            多面并采的負碳高效充填開采技術

            該技術體系顛覆性地實現了煤炭負碳開采。如果在此基礎上,能夠實現清潔煤電的低碳利用,就有望使煤炭開發利用全過程自身實現碳中和。


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