基于多源煤基固废的矿山采空区充填胶凝材料及制备方法

本发明属于矿山充填材料，具体涉及一种基于多源煤基固废的矿山采空区充填胶凝材料及制备方法。

背景技术：

1、鄂尔多斯作为国家重要能源基地之一，在煤炭开采和利用过程中产生大量煤基固废，包括煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、煤泥、气化渣等。该类固废历史存量巨大，长期堆存不仅占用土地，其含有的重金属离子易在雨水侵蚀下渗入地下，造成严重生态环境破坏，对黄河中下游和北方生态安全屏障构成威胁。煤炭开采后在地下形成未被充填的采空区，易引发顶板垮落、地表沉陷等地质灾害，造成土地资源浪费并威胁生命财产安全。目前，采空区治理最有效的方式是制备胶凝材料浆体，通过输送或泵送方式充填至采空区，浆体凝固后形成具有一定强度的充填体，以保证矿山采空区安全稳定。

2、煤炭行业既是能源生产者，也是主要碳排放来源，大宗煤基固废堆存、采空区治理压力大及大量co2排放已成为制约煤炭行业绿色可持续发展的关键瓶颈。2022年全球与能源相关的co2排放量达到368亿吨，其中煤炭相关co2排放量为177亿吨。在我国能源消费构成中，煤炭占有较高比重，煤炭开发利用贡献全国碳排放总量的80%左右，降低煤炭开发环节碳排放是行业亟待解决的技术方向。

3、煤基固废是煤炭在开采、加工、燃烧等过程中产生的附属产物，主要包括粉煤灰、脱硫石膏等高质量煤基固废，以及煤矸石、炉底渣、气化渣、煤泥等低质量煤基固废。截至2024年，我国煤基固废累计堆积量超过数百亿吨，并以每年18亿吨的规模持续增长。

4、现有研究表明，多源煤基固废所制备充填体的抗压强度受多种因素影响，料浆浓度、气化渣掺量和脱硫石膏掺量对强度的影响随养护龄期增加而逐渐增大，粉煤灰掺量和炉底渣掺量对强度的影响则随养护龄期增加呈先增后减趋势。相关技术从经济、技术、环境、政策和空间五个维度阐明了煤基固废用于充填开采的可行性，并提出煤基固废与高盐废水“固液”两废协同处理技术，采用高盐废水代替普通用水与早强剂等添加剂，以固废胶凝材料代替水泥材料，将煤基固废与高盐废水搅拌混合形成充填膏体，泵送至煤矿井下空间进行充填处置。

5、固碳矿化是co2与碱性或中性金属组分发生反应形成矿物碳酸盐的过程，相比其他固碳方式具有显著优势，且矿化生成的碳酸盐产物性质稳定，可实现co2永久封存。现有研究显示，在矿化反应时间1–2h的条件下，水泥浆体固碳率通常在5%–15%之间波动，主要受水固比、温度和压力影响。

6、相关研究在环境温度、0.5mpa、矿化2h的条件下，对不同波特兰水泥混凝土的co2矿化固碳性能及抗压、抗折等力学性能进行探究，以水泥质量为基准的固碳率约为9%–16%，且矿化2h后的抗压强度已超过水化7天强度。微观结构研究表明，氢氧化钙和硅酸钙在矿化过程中优先参与反应，c-s-h成分反应相对滞后。粉煤灰矿化研究表明，提高矿化反应压力与温度，均可有效提升粉煤灰的co2吸收特性与固碳性能。

7、尽管现有技术已在煤基固废资源化利用与co2矿化方面开展大量研究，但仍存在明显不足：一是现有煤基固废利用多以单一固废或常规胶凝体系为主，缺乏多源煤基固废协同利用方案；二是传统co2矿化多针对水泥基材料或固态物料，未实现胶凝料浆体系下的原位同步固碳矿化；三是难以将大宗固废消纳、采空区安全充填与co2封存高效耦合，无法满足矿山绿色开采与低碳发展的实际需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多源煤基固废的矿山采空区充填胶凝材料及其制备方法，以解决现有技术中煤基固废资源化利用不足、co2矿化难以与胶凝料浆原位耦合、无法实现大宗固废消纳、采空区安全充填与co2封存高效协同的技术问题，满足矿山绿色开采与低碳发展的实际需求。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明公开了一种基于多源煤基固废的矿山采空区充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：s1，选取多源煤基固废，并对多源煤基固废进行预处理；s2，将预处理后的多源煤基固废与碱激发剂混合搅拌，制成胶凝材料料浆；s3，在对胶凝材料料浆持续搅拌的过程中，向料浆内部通入co2气体，使co2与料浆充分接触并发生固碳矿化反应，制得固碳矿化胶凝材料；s4，将固碳矿化胶凝材料输送至矿山采空区固化成型，获得矿山采空区充填胶凝材料。

4、本发明采用预处理、碱激发制浆、原位同步固碳矿化、采空区固化成型的一体化工艺，流程简洁连贯，既可实现多源煤基固废的规模化消纳与资源化利用，又可实现胶凝料浆体系下的原位固碳矿化，将固废处置、采空区治理与co2封存三者有机结合，有效弥补了现有技术难以高效协同耦合的不足。

5、进一步地，步骤s1中，多源煤基固废包括煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、煤泥、气化渣、炉底渣中的至少两种。

6、通过选用至少两种煤基固废复配使用，可充分发挥不同固废的组分互补与协同胶凝优势，克服现有技术单一固废利用模式局限、资源化效率低的问题，扩大矿区固废消纳种类与规模，提升固废整体利用率，缓解固废长期堆存造成的土地占用与生态环境污染问题。

7、进一步地，步骤s1中，预处理包括对多源煤基固废依次进行研磨和筛分。

8、通过研磨、筛分对固废进行粒径调控与均质化处理，可优化物料颗粒活性与分散均匀性，促进固废与碱激发剂充分反应，提升胶凝料浆稳定性，保证固碳矿化反应均匀充分进行，为充填体稳定固化成型提供良好的物料基础。

9、进一步地，步骤s2中，碱激发剂为水玻璃。

10、水玻璃能够有效激活多源煤基固废的潜在胶凝活性，无需大量添加水泥、早强剂等传统辅料，简化制备体系、降低材料成本，适配矿山大规模充填工程的应用需求。

11、进一步地，步骤s3中，固碳矿化反应在固碳矿化反应装置中进行，固碳矿化反应装置能够在持续搅拌胶凝材料料浆的同时通入co2气体。

12、采用可同步搅拌、通气的专用反应装置，能够保证co2与流动态胶凝料浆充分均匀接触，实现制浆与固碳矿化同步原位进行，克服传统固态、水泥基物料矿化不充分、效果不均的缺陷，显著提升矿化效率与碳封存稳定性。

13、本发明还公开了一种基于多源煤基固废的矿山采空区充填胶凝材料，由本发明所公开的制备方法制得。

14、本发明基于上述工艺制备得到的充填胶凝材料，兼具稳定的固化支护性能与可靠的固碳能力，既可满足采空区充填加固需求，有效防控顶板垮落、地表沉陷等地质灾害，保障矿山安全，又可实现大宗煤基固废资源化消纳，契合绿色矿山建设与低碳发展理念。

15、进一步地，充填胶凝材料通过固碳矿化反应封存有co2。

16、该充填胶凝材料可通过矿化反应稳定生成并封存碳酸盐产物，实现co2永久固存，有效降低煤炭开发环节的碳排放，助力煤炭行业绿色低碳转型。

17、现有co2矿化技术大多针对水泥基材料或固态粉体实施，难以直接适用于流动态胶凝料浆体系。本领域通常认为，在胶凝料浆阶段通入co2易导致体系过早碳化、水化进程受抑及力学性能劣化，相关技术认知也使得本领域难以产生将co2矿化应用于胶凝料浆体系的技术动机。本发明突破相关技术认知局限，在胶凝料浆持续搅拌状态下原位通入co2实现可控固碳矿化，可规避过早局部碳化干扰，同时改善反应不均与体系稳定性不足等问题，获得更为优异的矿化效果与材料性能，解决了胶凝料浆体系难以同步实施固碳矿化的技术难题。

18、本发明相较于现有技术的有益效果如下：

19、（1）本发明对多源煤基固废进行预处理后配合碱激发剂制浆，实现了多类煤基固废协同资源化利用，突破了现有技术单一固废利用模式的局限性，可规模化消纳煤矸石、粉煤灰、气化渣等大宗煤基固废，有效缓解固废堆存引发的土地占用与生态污染问题。

20、（2）本发明在胶凝料浆持续搅拌过程中同步通入co2开展原位固碳矿化，区别于传统针对水泥基或固态物料的矿化方式，实现制浆、搅拌、固碳矿化一体化作业，气液接触充分、矿化均匀性好，大幅提升co2封存稳定性，实现co2永久固存，契合煤炭行业降碳与绿色发展的技术需求。

21、（3）本发明将固废资源化、采空区治理与co2矿化封存高度耦合，工艺简洁连贯，无需依赖高盐废水及大量水泥、早强剂类外加辅料，制备成本低；制得的胶凝材料可在采空区稳定固化成型，有效防控地质灾害、保障矿山安全，实现固废消纳、采空区治理与碳封存的协同统一，满足矿山绿色开采与低碳发展的实际需求。

22、下面结合附图中所示的实施例详细公开本发明基于多源煤基固废的矿山采空区充填胶凝材料及制备方法。