基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统及方法

本发明涉及充填开采与碳封存领域，尤其涉及基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统及方法。

背景技术：

1、在煤炭等矿产资源开采过程中，采用胶结充填技术对采空区进行回填，是控制地表沉陷、实现安全开采的重要手段。将co2引入充填材料体系，通过矿化反应实现co2的长期稳定封存，已成为促进矿山绿色发展的重要研究方向和工程需求。

2、然而，在实际工程应用中矿化反应普遍存在反应不均、不完全等问题，比如随着矿化反应的进行，生成的碳酸盐产物会迅速包裹在未反应的颗粒表面，形成一层致密的“钝化层”，ca2+、co32-等离子的迁移主要依赖扩散与对流，当局部区域发生过早沉淀后，充填材料孔隙连通性下降，离子迁移路径被切断，影响后续反应的进行，极大地限制了充填材料的矿化效率与强度。

3、现有研究多采用提高co2浓度、调节水灰比或引入化学激发剂等方式促进矿化反应，但上述方法难以从根本上解决矿化过程中的离子迁移受限问题，且在实际工程中调控精度有限，易引发强度不均、局部脆化等风险。因此提出一种基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统及方法，通过调控离子迁移行为，协同改善矿化反应均匀性与充填材料强度，满足co2高效、安全固存的实际需求。

技术实现思路

1、本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统及方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

2、本发明的一个目的在于提出一种基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统，包括：用于输送充填料浆的输浆管和用于输送co2气体的注气管，还包括：

3、支架，配置为能够调节形状与采空区形态相匹配；

4、柔性石墨烯电极网，在所述支架的纵向方向延伸并在所述支架的横向方向间隔设置；

5、分层阻抗传感器，在所述支架的横向方向延伸并在所述支架的纵向方向间隔设置，且所述分层阻抗传感器的两端分别与两侧的柔性石墨烯电极网相耦接，所述分层阻抗传感器配置为用于监测充填料浆的电阻率；

6、控制器组件，其与所述柔性石墨烯电极网相耦接，配置为基于充填料浆的电阻率反演推算充填料浆的孔隙率和密实度，并基于充填料浆的密实度偏差动态调整对应层位柔性石墨烯电极网的电势梯度、电场强度和作用时间；

7、其中，所述横向方向和所述纵向方向彼此相互垂直。

8、另外，根据本发明的基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统，还可以具有如下技术特征：

9、在本发明的一个示例中，所述支架配置为通过调节横向方向尺寸、纵向方向尺寸和倾斜角度以改变自身形状用于适配采空区的结构。

10、在本发明的一个示例中，还包括：声磁螺旋搅拌杆，其可枢转地连接在所述分层阻抗传感器上，配置为通过旋转辅助离子穿越初期生成的矿化产物层。

11、在本发明的一个示例中，所述声磁螺旋搅拌杆包括多个，沿着每个所述分层阻抗传感器的横向方向间隔设置，其中，在纵向方向上相邻的两个分层阻抗传感器中，其中一个分层传感器上的声磁螺旋搅拌杆在纵向方向另一个分层传感器上的投影位于其上相邻两个声磁螺旋搅拌杆之间。

12、在本发明的一个示例中，还包括：微型压电超声换能器，其连接在所述支架在横向方向的两侧上，并与所述控制器组件相耦接，其包括：压电陶瓷，所述压电陶瓷配置为接收控制器组件输出的高频交流电压信号，被驱动产生周期性伸缩形变，并经变幅杆放大后转化为高频机械振动，从而在浆料内部诱发剧烈的声空化效应，进而剥离在电极表面的矿化产物。

13、在本发明的一个示例中，所述柔性石墨烯电极网由高纯度石墨烯纤维编织而成，且通过聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸改性涂层包裹在其外侧。

14、在本发明的一个示例中，所述分层阻抗传感器包括：载体和安装在载体内的激励电极和测量电极，所述激励电极和测量电极均包括两个，其中，两个激励电极位于所述载体的两侧，配置为通过控制器组件提供的高频交流恒流源，在充填材料内建立稳定的交变电场；两个测量电极位于两个激励电极之间，配置为用于监测由于充填材料浆阻抗产生的电势差，利用欧姆定律实时监测电阻率。

15、本发明的另一个目的在于提出一种上述所述的基于电化学驱动的充填体二氧化碳矿化增强系统的矿化增强方法，包括如下步骤：

16、s10：在采空区内敷设矿化增强系统，通过调节支架形状使其高度与倾角与采空区形态相匹配；

17、s20：在地面料浆制备站按照设定的配比制备充填料浆，通过料浆充填泵及充填管路将其输送至采空区，与柔性石墨烯电极网形成完整的电化学反应回路；

18、s30：通过在采空区提前布置的注气管路，向料浆内注入co2，并通过控制器组件向柔性石墨烯电极网施加定向直流电场，通过电极的正负极产生电场以提供电驱动力，加速离子向电极方向定向迁移；

19、s40：利用分层阻抗传感器实时监测料浆电阻率，将信号传输至控制器组件，由控制器组件将获取到的电信号反演推算充填材料密实度，并根据密实度偏差动态调整对应层位柔性石墨烯电极网的电势梯度、电场强度和作用时间，增强该区域的电动力学效应，诱导矿化产物在目标区域内定向结晶并填充孔隙；

20、s50：当分层阻抗传感器监测到的电阻率的变化率趋于平稳，且孔隙率达到预设的固结指标阈值时，判定充填材料已进入固结状态，此时，控制器组件切断输出电源，停止直流电场、磁耦合搅拌及超声换能器的运行。

21、在本发明的一个示例中，在步骤s40中，由控制器组件将获取到的电信号反演推算充填材料密实度，具体包括如下步骤：

22、s41：利用修正模型推算出充填材料的孔隙率，其中孔隙率的计算公式如下：

23、

24、式中，为分层阻抗传感器测得的实时电阻率，；为充填材料孔隙率，%；为矿化产物在孔隙中的饱和度，%；为充填材料内部游离电解质溶液电阻率，；a为岩性系数；m为胶结指数；n为饱和度指数；

25、s42：根据孔隙率与密实度之间的关系得到密实度d，计算公式如下：

26、

27、s43：由控制器组件获取的密实度进行判定，当判定某个位置的密实度未达到预设指标时，控制器组件通过计算密实度偏差量并发送功率调节指令，通过动态调整对应层位柔性石墨烯电极网的输出电势梯度，利用增强的电动力学效应加速离子迁移并诱导碳酸钙定向结晶填充孔隙。

28、在本发明的一个示例中，在步骤s30中，定向直流电场为连续直流电场、分段直流电场和脉冲直流电场三者中的任意一种，且不同层位的柔性石墨烯电极网能够施加不同的电势梯度，以在充填材料内部形成分层或梯度电场结构；利用电驱动力加速溶于液相的co32-与ca2+运移，并快速碰撞结晶。

29、相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

30、1、本发明在采空区两侧布设柔性石墨烯电极网，在充填材料内部构建稳定、可控的定向直流电场，利用电迁移与电动力学效应驱动ca2+、co32-等离子迁移，有效突破传统依赖扩散传质所导致的矿化反应不均问题，显著提升矿化反应效率及其均匀性。

31、2、本发明通过声磁螺旋搅拌杆和微型压电超声换能器产生的扰动作用，能够有效避免充填材料内部局部高饱和区的碳酸盐过快沉淀现象，维持孔隙结构的有效连通性，防止矿化产物堵塞离子迁移通道，从而提高整体矿化效率。

32、3、本发明通过布设分层阻抗传感器，实时监测充填材料不同层位的电阻率变化，并结合修正模型反演充填材料的密实度，利用智能监测终端和多通道智能功率控制柜对电场参数进行动态反馈调节，实现对矿化反应过程的分区化精细控制，提高系统运行的稳定性与适应性。

33、4、本发明通过在柔性石墨烯电极网上集成微型压电超声换能器，利用逆压电效应对电极表面矿化沉积层进行剥离，可有效减缓电极极化和钝化现象，保持电场作用效率，延长电极和系统的连续工作时间。

34、5、本发明的可伸缩式一体化支架采用剪式扩张结构，其高度与倾角可调，能够适应不同形态、不同尺度的采空区空间结构，系统整体安装方式灵活，不依赖对原有巷道结构的大规模改造，适用于工程推广应用。

35、下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。