一种基于采空区固废充填的二氧化碳吸附-固化封存方法

1.本发明属于矿山采空区充填技术领域，具体涉及一种基于采空区固废充填的二氧化碳吸附-固化封存方法。


背景技术：

2.针对煤矿采空区，已有多种充填方法报道，按照充填量划分包括部分充填和全部充填，按照充填材料划分包括矸石充填、水砂充填、膏体充填、高水充填等等。通过不同形式的充填，最终的目的都是把采煤形成的地下空间充填密实，从而避免或减少地表沉陷问题。
3.就现有的采空区充填技术而言，理论基础和工艺方法已经相对成熟，主要问题在于工程成本较高，二氧化碳封存效果差。在充填材料方面，以煤矸石为代表的矸石浆充填所引起的矸石内重金属污染地下水资源难以避免。粉煤灰处理面临的问题主要在于其产量极大，而现有的用于制造建材等利用方式所能处理的粉煤灰量远不及其产量。建筑材料方面面临同样的问题，除了少量的建筑垃圾被再生利用以外，还有大量的建筑垃圾通过填埋的方式处理。对于二氧化碳封存，无论是深部还是浅部，目前均未形成规模化效益，尤其是浅部采空区封存，由于浅部地层密封性问题，现有的填充方法难以得到有效应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种co2封存效果好、可以对固废处理的煤矿采空区填充方法。
5.为达上述目的，本发明提供了一种基于采空区固废充填的二氧化碳吸附-固化封存方法，包括如下步骤：
6.s1：在采空区进行施工填充孔，填充孔穿透采空区上覆岩层；并对煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾进行粉碎处理得到填充干料；
7.s2：将填充干料混合均匀，然后加水搅拌制成填充浆液；
8.s3：将制成的浆液通过所述填充孔注入采空区，在注浆的同时，向注浆管路内通入co2，对co2封存。
9.进一步的，在步骤s3之前对co2封存量m进行计算，步骤s3根据co2封存量m在注浆时注入。
10.进一步的，所述co2封存量m包括化学固化封存量mc，化学固化封存量mc计算过程如下：
11.a1：检测采空区温度，并取充填干料m1g制成测试浆液；
12.a2：将测试浆液恒温于采空区温度条件下，并在测试浆液内放入搅拌器进行搅拌，搅拌的同时，向测试浆液内通入co2；
13.a3：co2与测试浆液内物质充分反应后停止搅拌、停止通入co2；
14.a4：将反应后的测试浆液自然风干至恒重得到充填块，然后称重得到质量m2；
15.a5：单位质量充填料能够化学固化的co2质量mc＝m
2-m1；
16.a6：充填料总量为m1时，化学固化封存总量为mc＝m1×
(m
2-m1)。
17.进一步的，所述co2封存量m还包括物理吸附封存量mq，物理吸附分为充填料吸附和残余煤吸附，分别以充填块、采空区内残余煤的饱和水样品进行采空区温度和流体压力条件下的co2等温吸附实验，得到单位质量的充填料吸附量ma与单位质量的残余煤吸附量mb，当采空区能够充填料总量为m1，残余煤为m2时，物理吸附总量mq＝m1×
ma m2×
mb。
18.进一步的，co2封存量m＝mc mq。
19.进一步的，所述填充浆液与测试浆液在中水与填充干料的比值相同，水与填充干料的重量比为3∶7。
20.进一步的，所述填充干料的粒径小于3mm。
21.本发明的优点是：本发明提供这种基于采空区固废充填的二氧化碳吸附-固化封存方法，利用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等固废进行粉碎制浆充填至采空区，并在充填管道内通入一定压力的二氧化碳，以此增加浆液流动动力，提升充填效率，不仅实现了地层支护目的，避免地表沉陷，而且利用井下残留煤及固体废弃物的吸附作用和固体废弃物与二氧化碳反应产生碳酸盐的原理，对二氧化碳实现封存，同时实现了固废处理、二氧化碳封存、采空区治理等多个目的，而且工程成本较低，综合效益显著。
22.下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
23.图1是固废充填与二氧化碳封存方法的流程图。
具体实施方式
24.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.实施例1
29.如图1所示，本实施例提供了一种基于采空区固废充填的二氧化碳吸附-固化封存方法，包括如下步骤：
30.s1：在采空区进行施工填充孔，填充孔穿透采空区上覆岩层；
31.根据实际地质情况，确定充填总量和残余煤总量之后，将充填所需矸石、粉煤灰、建筑垃圾运输至固废仓库，经过破碎、筛分系统之后，制成粒径小于3mm的填充干料(颗粒和粉末混合物)；
32.计算co2封存量m，所述co2封存量m包括化学固化封存量mc，化学固化封存原理为：co2与浆液内的水结合形成碳酸进而与固体组分中的金属氧化物发生反应，生成碳酸盐，化学固化封存量mc计算过程如下：
33.a1：检测采空区温度，并取充填干料m1g制成测试浆液；
34.a2：将测试浆液恒温于采空区温度条件下，并在测试浆液内放入搅拌器进行搅拌，搅拌的同时，向测试浆液内通入co2；
35.a3：co2与测试浆液内物质充分反应后停止搅拌、停止通入co2；
36.a4：将反应后的测试浆液自然风干至恒重得到充填块，然后称重得到质量m2；
37.a5：单位质量充填料能够化学固化的co2质量mc＝m
2-m1；
38.a6：充填料总量为m1时，化学固化封存总量为mc＝m1×
(m
2-m1)。
39.所述co2封存量m还包括物理吸附封存量mq，物理吸附分为充填料吸附和残余煤吸附，分别以充填块、采空区内残余煤的饱和水样品进行采空区温度和流体压力条件下的co2等温吸附实验，得到单位质量的充填料吸附量ma与单位质量的残余煤吸附量mb，当采空区能够充填料总量为m1，残余煤为m2时，物理吸附总量mq＝m1×
ma m2×
mb。从而得到co2封存量m＝mc mq。
40.s2：将填充干料混合均匀，然后加水搅拌制成填充浆液；
41.s3：将制成的浆液利用浆体泵送入加压泵站加压至目标注浆压力后输入填充孔，通过填充孔注入采空区，在浆体泵出口处接三通阀，并向其中通入一定压力的co2，该co2通过捕获燃煤电厂或其他来源获得,为避免浆体进入输气管路，co2气压应当大于浆体泵出口压力，co2注入量安装计算得到co2封存量m进行通入，在co2的作用下，可以增加浆液流动动力，提升填充效率，同时在注浆过程中，co2与浆液内的水结合形成碳酸进而与固体组分中的金属氧化物发生反应，生成碳酸盐，在这一过程中，实现二氧化碳由气态向固态的转化，注入过程中，除了化学变化以外，co2可以吸附态滞留于采空区残余煤、煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等介质表面，此过程为物理吸附封存。
42.进一步的，所述填充浆液与测试浆液在中水与填充干料的比值相同，水与填充干料的重量比为3∶7。
43.综上所述，本发明提供这种基于采空区固废充填的二氧化碳吸附-固化封存方法，利用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾等固废进行粉碎制浆充填至采空区，并在充填管道内通入一定压力的二氧化碳，以此增加浆液流动动力，提升充填效率，不仅实现了地层支护目的，避免地表沉陷，而且利用井下残留煤及固体废弃物的吸附作用和固体废弃物与二氧化碳反应产生碳酸盐的原理，对二氧化碳实现封存，同时实现了固废处理、二氧化碳封存、采空区治理等多个目的，而且工程成本较低，综合效益显著。
44.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的
保护范围。