用于原位转化开采的固碳充填材料：设计、性能及CO?减排潜力

《International Journal of Mining Science and Technology》：Carbon-fixing backfill materials for in-situ conversion Mining: Design, performance and CO2 mitigation potential

　　

尽管煤炭资源丰富且技术成熟，但在传统开采和利用过程中会造成严重的环境和地质影响，包括地表沉陷、废物产生和大量CO?排放，这些挑战可持续发展。固碳充填技术（Carbon-fixing backfill technology）将矿物碳化（mineral carbonation）与胶结煤矸石充填（cemented gangue backfill）相结合，为减排、固碳、生态恢复和灾害缓解提供了一条有前景的途径。然而，固碳充填的力学性能和地质兼容性，以及胶结体系的固碳能力被忽视，限制了实际应用和发展。基于其资源禀赋，中国以煤炭为主要能源，并设定了双碳目标以确保能源安全和减排。作为世界上最大的CO?排放国之一，中国面临巨大的碳减排压力。研究人员提出了一种原位转化开采（in-situ conversion mining）和固碳充填方法，借助智能无人采矿机（intelligent unmanned mining machine, IUMM），实现CO?封存和煤基固体废物的大规模处置。针对不同煤矸石含量的定制配方可提供可调的抗压强度（1.2–24.1 MPa）、足够的流动性以及高达145 kg CO?/t的净负碳排放。生命周期评估（Life-cycle assessment, LCA）和全国情景模拟显示，封存潜力为133–315 Mt CO?/yr，并利用191 Mt废物/yr。通过瞄准核心采矿区，该框架为低碳资源转化提供了可行的解决方案，直接应对碳减排和废物处置的双重挑战。

**论文解读：原位转化开采固碳充填材料的设计、性能与CO?减排潜力**

**研究背景与问题**

煤炭作为全球关键能源资源，其传统开采和利用导致严重环境与地质问题，包括地表沉陷、废物堆积和大量CO?排放，挑战可持续发展。中国作为世界最大CO?排放国之一，设立了“双碳”目标（2030年碳达峰、2060年碳中和），但煤炭仍为能源主体，开发绿色低碳技术迫在眉睫。现有碳封存途径如地质封存（geological sequestration）存在泄漏风险，海洋封存威胁生态，生物炭（biochar）容量有限且可逆。矿物碳化（mineral carbonation）可将CO?转化为稳定碳酸盐，但碳化后固体废物缺乏有效利用途径。胶结煤矸石充填（cemented gangue backfill）虽能减少地表沉陷和矸石堆积，但水泥本身高碳排放，且煤矸石量不足以完全充填采空区。将矿物碳化与充填结合形成固碳充填技术，有潜力同时解决碳化废物利用和充填碳足迹问题。然而，现有研究仅关注材料级碳化效率，忽视工程关键性能如浆体流动性和强度，未考虑煤矸石含量调整，且未充分利用水泥固有碳化潜力。为此，研究人员提出原位转化开采（in-situ conversion mining, ICM）与固碳充填（carbon-fixing backfill, CFB）结合的方法（ICM-CFB），旨在实现原位CO?封存和大规模煤基废物处置。该研究发表于《International Journal of Mining Science and Technology》。

**主要技术方法**

研究人员采用湿法碳化（wet carbonation）对粉煤灰（fly ash, FA）、钢渣（steel slag, SS）和电石渣（carbide slag, CS）进行预处理，通过XRF、XRD、FTIR、SEM和TGA表征碳化产物。利用单轴压缩试验（UCS）、坍落度试验（DYS）和泌水率（BR）评估力学性能与工作性。针对高煤矸石含量和低煤矸石含量两种场景，分别设计单因素替换方案和单纯形格点设计（simplex-lattice design）优化配比。建立生命周期碳排模型（LCA），结合全国920个地下矿山、258个火电厂、109个钢铁厂和64个PVC工厂的空间数据库，采用MATLAB构建废物-矿山匹配网络，评估全国尺度的碳减排潜力。

**研究结果**

**3.1 原位转化开采与固碳充填（In situ conversion mining with carbon-fixing backfill）**
通过设计ICM-CFB系统，将采空区分为结构充填条带（SBS）和矿物碳化条带（MCS），实现三阶段固碳：地表湿法碳化制备低排放充填材料、井下CO?养护促进水泥水化产物进一步碳化、MCS中长期干法碳化。该框架整合了采煤、矸石分离、原位转化、储能和原位充填，实现煤基废物资源化与CO?永久矿化。

**3.2 碳化产物表征与碳化性能（Characterization and carbonation performance）**
XRD、SEM和TGA分析表明，三种废物碳化后均生成CaCO₃。电石渣（CS）碳化最完全，形成大量纳米/微米级CaCO₃，CO₂封存能力达410 kg CO₂/t；钢渣（SS）为140 kg/t；粉煤灰（FA）为80 kg/t。FTIR进一步证实Ca(OH)₂转化为CaCO₃。

**3.3 固碳充填材料性能与优化（Performance and optimization of the carbon-fixing backfill material）**
**3.3.1 高煤矸石含量充填性能**：随着碳化废物取代水泥比例增加，UCS总体下降，但低取代量（2%）时，CSS和CCS组UCS超过对照组（8.2 MPa），归因于CaCO₃的成核和孔隙填充效应。碳化产物超过4%时UCS降至3.5 MPa以下。仅CCS含量超过6%时实现净负碳排放，但强度显著降低。所有配方满足泌水率要求，DYS呈非线性变化。
**3.3.2 低煤矸石含量充填性能**：三元混合设计（CFA、CSS、CCS）显示协同优势：CCS提供高碳封存，CSS和CFA贡献强度与流动性。通过响应面分析，确定最优配方：UCS 18.8 MPa，CO₂排放-27.5 kg/t，DYS 0.087。当CCS占100%时，CO₂封存达145 kg/t。
**3.3.3 强度-排放关系与工程意义**：高煤矸石体系曲线高度非线性，UCS超过3 MPa后排放增长减缓；低煤矸石体系呈强烈线性关系，强度提升直接牺牲碳减排效果。该关系指导不同地质条件下的配方选择。

**3.4 生命周期碳排放与经济分析（Life-cycle carbon emissions and economic analysis）**
**3.4.1 关键参数**：结构充填比（SBM）和埋深共同调控三阶段碳排。SBM比增大时，阶段1（地表碳化）排放增加，阶段3（MCS碳化）减少，阶段2（井下养护）先增后减。埋深超过1000 m时阶段1从碳汇转为碳源。
**3.4.2 生命周期碳排放对比**：长壁充填（LWB-CFB）仅实现微小减排；ICM-CFB可实现生命周期碳排放0.436 kg/kWh，减排约30%。
**3.4.3 经济可行性**：碳价75 RMB/t CO₂时，经济运输半径385 km。通过优化SBM比可在此范围内实现正净收益。

**3.5 对中国煤炭行业脱碳的贡献（Contribution to Chinese coal industry decarbonation）**
**3.5.1 全国尺度潜力与地理分布**：不考虑材料供应约束，920个矿山全部采用LWB-CFB可年减排133 Mt CO₂；其中713个矿满足ICM-CFB强度要求，可年减排315 Mt CO₂，同时利用191 Mt废物。
**3.5.2 实际约束与区域差异**：运输成本和排放限制长距离废物运输。山西、宁夏、黑龙江可消纳本地废物；内蒙古和山西因废物集群效应消纳量最高。南方沿海省份产生大量FA和SS但缺乏矿山，无法实现成本中性或碳中性处置。省际流通主要限于邻近省份，大部分矿山废物需求满足率低于40%。

**讨论总结**

讨论部分指出，碳化废物的物理化学特性（如FA的球形形态、SS的粗糙表面、CS的纳米CaCO₃）通过颗粒形态、水吸附、表面电荷等机制影响浆体工作性。强度发展受水泥替代导致的水化产物稀释与CaCO₃成核、孔隙填充、界面过渡区（ITZ）改善的双重效应控制。三元废物互补性（CSS贡献强度、CFA维持流动性、CCS提供高碳封存）实现多目标协同优化。ICM-CFB的进一步优化需开发低碳胶凝材料（如碱/硫酸盐激发）和微观结构调控（如梯度孔结构、微胶囊反应剂）。工程可行性受地质条件（厚煤层、倾斜煤层、地热、断层等）影响，需根据现场条件调整配方、SBM比和密封策略。长期耐久性需通过现场试验和数值模拟验证。全国推广面临预处理能耗、LCA边界不确定性、运输约束、区域供需错配和政策支持不足等挑战。建议优先在山西、陕西、内蒙古、宁夏等煤-废物集群地区推广，并探索跨区域“固废转移-碳配额交易”机制。

**研究结论（翻译）**

ICM-CFB为煤炭行业提供了一种技术可行且环境协同的解决方案，可实现永久CO₂封存与煤基固体废物的大规模资源化利用。通过对煤基废物进行碳化预处理，充填材料达到净负碳排放。胶凝过程与矿物碳化反应的整合进一步增强了碳封存能力并改善了长期环境稳定性。固碳充填材料的性能可通过调整碳化固体废物的用量和类型进行优化。为平衡力学强度、工作性和碳封存，三元混合设计展现出互补优势，可实现抗压强度24.1 MPa和碳排放-31 kg/t的配方。强度-排放关系在高煤矸石体系中高度非线性，强度超过3 MPa后排放增长显著减缓；低煤矸石体系则呈强烈线性关系，强度提升直接损害碳减排效果。这些发现为根据特定地质约束和废物处置需求定制充填配方提供了依据。在作为碳汇的生命周期内，固碳充填性能由SBM比和埋深共同调控。ICM-CFB方法可实现生命周期碳排放强度0.436 kg/kWh，减排约30%。在75 RMB/t CO₂碳价下，其经济运输半径为385 km，通过优化矿山布局和充填设计可在此范围内实现正收益。ICM-CFB的全国推广受废物来源与采矿区空间错配的限制。虽然全面采用理论上可年减排133–315 Mt CO₂，但长距离运输成本和排放限制了物料流通。由于固体废物供应、矿山需求和运输距离在区域间分布不均，ICM-CFB的全国实施需要有针对性的政策支持。应优先考虑北方煤-工业集群地区，如山西、陕西、内蒙古和宁夏，这些地区煤矿和碱性固体废物来源相对集中。跨区域“固废转移-碳配额交易”机制有助于补偿运输成本并促进省际废物利用。在南方和沿海地区，FA和SS丰富但矿山需求有限，高价值利用途径可能比长距离运输充填更合适。ICM-CFB是一个复杂的工程系统，整合了原位转化、碳减排、废物利用和环境保护。然而，仍有若干问题尚未解决，包括对复杂地质条件的适应性、化学-热-力学-流体耦合、充填长期稳定性、工程规模工艺优化和针对性政策支持。未来工作应结合现场试验验证、先进数值模拟和政策经济评估，进一步推动ICM-CFB的实际应用。