CO2矿化煤基固废制备保水开采负碳充填材料试验研究

作者：马立强; 翟江涛; NGO Ichhuy

来源：煤炭学报, 2022, 47(12): 4228-4236.

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2022.1049

• CO2矿化
• 煤基固废
• 常温常压
• 负碳充填材料
• 保水开采

煤炭资源开发利用过程中会产生大量的CO2以及粉煤灰等煤基固废，在“双碳”目标下，如能采用CO2矿化煤基固废制备充填材料，并将其充填在采空区里控制岩层移动，将会“变废为宝”,推动保水开采等绿色低碳技术发展。针对矿井充填现场难以满足CO2矿化所需高温高压高钙(“三高”)条件的问题，探索在常温常压条件下，采用常规低钙粉煤灰(“三常”)研制CO2矿化煤基固废负碳充填材料(Negative Carbon Filling Material, NCFM)。在NCFM反应过程中，原材料首先发生水化反应生成C—S—H凝胶、Ca(OH)2和CaCO3,再与CO2反应后生成SiO2硅胶。在此过程中，碱性激发剂加速C—S—H凝胶和硅胶的生成，使NCFM具有快速早强特征。随着NCFM进一步水化反应，碱性激发剂会促进火山灰反应的发生，进而促使更多水化产物的生成，有利NCFM长期强度的提高。在采用坍落度测试、凝结时间测试、单轴抗压强度(UCS)测试、X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)-X射线能谱仪(EDS)分析，以及热重分析(TGA)测试的基础上，研究了NCFM的力学性能和微观组织，阐明了NCFM的早期与长期强化机制。80%粉煤灰掺量的NCFM试样的UCS最大，3 d达2.70 MPa, 28 d达5.12 MPa。1 g NCFM的最大CO2吸收量为1.39 mg。NCFM的研制提供了保水开采负碳充填材料，可推进形成CO2资源化利用、固废规模化处置、采空区再利用，以及保水开采等煤炭资源绿色化开采的协同技术途径，促进实现“碳炭置换”,助力加快能源资源领域“双碳”战略目标实现。

• 单位
  中国矿业大学（北京）; 中国矿业大学