CN113958365A - 短长壁间断充填开采协同碱基固废co2封存系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统及方法，其封存系统包括CO2封存结构、碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统；其封存方法包括步骤：一、准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2；二、设计好短‑长壁间断充填无煤柱开采方法；三、对开采区间采用短‑长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统；四、将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中。本发明丰富了CO2封存类型，为CO2封存储库探索提供了新思路，可安全有效封存CO2，减小CO2排放量，缓解碳排放造成温室效应对人类的影响。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采及CO2封存技术领域，具体涉及一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统及方法。
背景技术
我国作为煤炭生产与消耗大国，煤炭资源作为我国主体能源的地位在很长一段时间内不会改变。煤炭资源在生产与消耗过程中的碳排放占我国碳排放总量的70％～80％，据相关报道，2020年我国由煤炭资源消耗产生的碳排放可达76.05亿吨，为世界上最大的CO2排放国，大量CO2排放使得人类赖以生存的环境受到严重威胁。我国提出CO2排放量力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。目前，应对碳排放、碳中和已成为全球共识。因此，如何解决CO2温室气体的治理与减排等问题是一个亟待解决的难题。
现阶段，CO2的治理主要有封存、分离回收、有效转化三种途径。其中，封存主要为地质封存、海洋封存、化学固定和矿化封存等；分离回收主要包括膜分离、辅料吸附分离和吸收分离；有效转化方式主要为藻类、植被光合作用的吸收。针对以上技术也存在诸多问题，例如，(1)地质封存CO2的原理与自然界中地质封存天然气原理非常类似，具有封存CO2气体的巨大潜力，但由于受地域限制或缺乏合适的封存地层、地下容量等，存在泄漏风险以及诸多不确定因素；(2)海洋封存目前处于试验探索阶段，同时CO2一旦泄露容易导致海水酸化，会对海洋生物多样性造成破坏，另外因其与CO2气体排放源间距离较远，长距离运输成本也是限制海洋封存发展的因素之一；(3)化学试剂固定或转化，由于碳酸化反应速率缓慢，转化效率低，远达不到工业应用水平。(4)矿化封存需要高温高压条件，能耗高，工艺复杂，不容易获得高附加值产品，经济性较差，距离工业应用还有很大差距。
近年来，尤其大型燃煤电厂、化工厂使用化石燃料燃烧等产生的CO2排放量急剧增加，已远超以上现有封存技术处理的总量，需要通过其他方式进行封存或工业转化利用。为了解决以上问题，专家学者们进行了大量研究并取得了一定的研究成果。例如，
专利一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，在废弃的煤矿采空区，需要通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙、注浆堵塞缝隙进行处理以及人为设置独立封闭的封存空间来封存CO2，但存在人为留设煤柱浪费煤炭资源，注浆封堵工程量大，耗资巨大，时间周期长，成本高等问题，同时进入废弃矿井施工存在诸多风险，如：(1)废弃矿井下巷道与采空区可能存在顶板垮落等情况，人员进入废弃井下施工，需要重新维护巷道，重新进行通风以及电力等供应，增加额外成本；(2)废弃井下存在积水与瓦斯，存在潜在危险，人员施工安全保障低；(3)废弃矿井内巷道或者采空区顶板垮落容易形成贯通地面的裂隙，造成封存空间密封性差，CO2气体逃逸到含水层、土壤或空气中，容易导致地下水水质及土壤酸化等问题。(4)次生灾害，局部浓度过高，需要支护时，造成人员伤亡，；存储空间小，。
专利一种基于煤矿采空区的二氧化碳地下封存方法及系统，需要利用人工坝体连接采用传统的采矿方法留设的采空区内的残留煤柱形成地下密闭空间，通过空气与CO2混合养殖水藻来固化CO2，传统采矿方法留设煤柱浪费煤炭资源，CO2需要与空气混合，工艺复杂、封存量小，同时采空区没有支护，采空区容易垮落导致封存空间气密性差，水藻溶液容易泄露破坏地下水。藻类，生物封存，自己还要消耗，还会放出CO2，地下温度高时，藻类无法生存；地下也没有氧气，水藻需要繁殖，时间长，原料受限，并不能固化大量的CO2，且培育需要耗费大量的人力物力。
专利利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化CO2的方法，此种封存方式，利用CO2作为泡沫填充气体，需要添加发泡剂，仅可以利用泡沫混凝土对CO2气体的短暂封存，存在地面制备工艺复杂、制备成本高、封存量小等问题。同时没有处理的采空区密封性差，泡沫中CO2容易扩散到含水层以及土壤中，使地下水以及土壤酸化，对生态环境造成二次破坏，其次CO2容易扩散到回采巷道中，造成井下空气质量变差，威胁工人作业安全。
专利一种矿化封存CO2的矿用微生物胶结充填材料及其制备方法，充填材料中需要加入微生物以及钙源，微生物先将CO2转化为CO3 2-,然后与钙源反应生成碳酸盐，增加矿化反应的程序同时增加了充填成本，另外加入的钙源为氯化钙、硝酸钙或醋酸钙的水溶液，不能避免制备的充填材料在井下对地下水的影响。速度慢，存活难，封存速度慢
现有技术还不能解决以下问题：(1)采空区内安全、有效封存CO2，避免泄露对地下水、土壤以及对井下空气质量产生的影响；(2)井下采空区封存CO2需要使用传统采矿法留设的煤柱来构筑，浪费煤炭资源；(3)煤炭开采、固废处置、采空区治理与CO2封存不能协同进行，需要重新维护巷道，进行通风以及电力供应，增加额外工作与成本；(4)采空区垮落后，封存空间减小，封存量有限，需要人工构筑空间，增加额外成本，封存成本高；(5)封存的同时需要添加其它材料，不仅提高成本，还会对对环境产生新的影响；(6)封存后的状态无法监测，对于封存后CO2安全性、地下生态环境无法保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其丰富了CO2封存类型，为CO2封存储库探索提供了新思路；形成了煤炭资源高效回收—固废规模化处置—采空区再利用—CO2封存一体化的协同与绿色模式。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其特征在于：包括：
CO2封存结构：采用短-长壁间断充填无煤柱开采的方法构筑，围成多个密闭的CO2封存空间，用于存放由碱基固废及CO2管道输送系统输送到其中的碱基固废和CO2；
碱基固废及CO2管道输送系统：用于将CO2和碱基固废输送到所述CO2封存空间内，并将所述CO2封存空间内的气体排出所述CO2封存空间外；包括从外部穿过CO2封存结构进入所述CO2封存空间内的CO2输送管道和碱基固废输送管道，以及从所述CO2封存空间内穿出CO2封存结构外的排气管道；
CO2封存监控系统：用于对CO2封存过程进行监控。
上述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，所述CO2封存结构包括多个气密性充填体、多个间隔充填体、顶板、底板和密封防渗处理组件，多个气密性充填体垂直于大巷呈多列间隔布设，相邻两个气密性充填体之间的巷道为充填留巷，所述间隔充填体的设置方向与气密性充填体的设置方向相垂直，多个间隔充填体呈多排间隔布设，所述间隔充填体的两端均顶在短条带充填体上；每个所述CO2封存空间均由侧壁、顶板和底板围成，所述侧壁由相邻两个间隔充填体、位于间隔充填体一侧的气密性充填体、位于间隔充填体另一侧的气密性充填体、以及设置在气密性充填体上的密封门构成；所述密封防渗处理组件包括设置在顶板底部的顶部密封防渗处理结构、设置在所述侧壁上的侧壁密封防渗处理结构和设置在底板顶部的底部密封防渗处理结构。
上述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，每个气密性充填体均包括多个间隔布设的短条带充填体，相邻两个短条带充填体之间为联络巷，每个所述CO2封存空间均由侧壁、顶板和底板围成，所述侧壁由相邻两个间隔充填体、位于间隔充填体一侧的一个或两个短条带充填体、位于间隔充填体另一侧的一个或两个短条带充填体、以及设置在短条带充填体上或联络巷内的密封门构成。
上述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，所述顶板上悬挂有顶网，所述顶板和顶网通过锚杆进行加固，所述顶部密封防渗处理结构包括喷射在顶板和顶网上的浆体形成的顶部喷浆层，以及喷射在顶部喷浆层上的防渗材料形成的顶部防渗层；所述侧壁密封防渗处理结构包括喷射在短条带充填体和间隔充填体上的防渗材料形成的侧壁防渗层；所述底部密封防渗处理结构包括喷射在底板上的浆体形成的底部喷浆层，以及喷射在底部喷浆层上的防渗材料形成的底部防渗层。
上述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，当待封存的CO2全部为气态时，所述CO2输送管道用于输送气态的待封存的CO2，所述碱基固废输送管道用于输送浆体状态的碱基固废；所述CO2输送管道与设置在地面上的CO2储气罐连接，所述CO2输送管道上设置有CO2进气泵和CO2进气控制阀，所述碱基固废输送管道与设置在地面上的制浆站连接，所述碱基固废输送管道上设置有碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀；所述排气管道上设置有排气控制阀，所述CO2封存监控系统包括控制器和与控制器的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在CO2输送管道上的进气压力传感器、进气流量传感器和进气温度传感器，设置在排气管道上的排气CO2浓度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器，设置在碱基固废输送管道上的碱基固废流量传感器，设置在充填留巷底部排水沟内的PH传感器以及金属离子浓度传感器，以及设置在充填留巷内的巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器；所述CO2进气泵、CO2进气控制阀、排气控制阀、碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀均与控制器的输出端连接；
当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，所述CO2输送管道用于输送气态的待封存的CO2，所述碱基固废输送管道用于输送浆体状态的碱基固废和液态的待封存的CO2；所述碱基固废输送管道上连接有所述碱基固废输送管道，所述液态CO2输送管道与液态CO2储液罐相连，所述液态CO2输送管道上设置有液态CO2输送控制阀和液态CO2输送泵；所述CO2输送管道与设置在地面上的CO2储气罐连接，所述CO2输送管道上设置有CO2进气泵和CO2进气控制阀，所述碱基固废输送管道与设置在地面上的制浆站连接，所述碱基固废输送管道上设置有碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀；所述排气管道上设置有排气控制阀，所述CO2封存监控系统包括控制器和与控制器的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在CO2输送管道上的进气压力传感器、进气流量传感器和进气温度传感器，设置在排气管道上的排气CO2浓度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器，设置在碱基固废输送管道上的碱基固废流量传感器，设置在液态CO2输送管道上的液态CO2压力传感器、液态CO2温度传感器和液态CO2流量传感器，设置在充填留巷底部排水沟内的PH传感器以及金属离子浓度传感器，以及设置在充填留巷内的巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器；所述CO2进气泵、CO2进气控制阀、排气控制阀、碱基固废输送泵、碱基固废输送控制阀、液态CO2输送控制阀和液态CO2输送泵均与控制器的输出端连接；
当待封存的CO2全部为液态时，所述碱基固废输送管道用于输送浆体状态的碱基固废和液态的待封存的CO2；所述碱基固废输送管道上连接有所述碱基固废输送管道，所述液态CO2输送管道与液态CO2储液罐相连，所述液态CO2输送管道上设置有液态CO2输送控制阀和液态CO2输送泵；所述碱基固废输送管道与设置在地面上的制浆站连接，所述碱基固废输送管道上设置有碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀；所述排气管道上设置有排气控制阀，所述CO2封存监控系统包括控制器和与控制器的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在排气管道上的排气CO2浓度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器，设置在碱基固废输送管道上的碱基固废流量传感器，设置在液态CO2输送管道上的液态CO2压力传感器、液态CO2温度传感器和液态CO2流量传感器，设置在充填留巷底部排水沟内的PH传感器以及金属离子浓度传感器，以及设置在充填留巷内的巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器；所述排气控制阀、碱基固废输送泵、碱基固废输送控制阀、液态CO2输送控制阀和液态CO2输送泵均与控制器的输出端连接。
本发明还公开了一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2；
步骤二、设计好短-长壁间断充填无煤柱开采方法；
步骤三、对开采区间采用短-长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统；
步骤四、将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中。
上述的方法，步骤一中所述准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2时，所述碱基固废包括浆体类的碱基固废和固体类的碱基固废，待封存的气态CO2储存于CO2储气罐中、液态CO2储存于液态CO2储液罐中；
步骤二中所述短-长壁间断充填无煤柱开采方法将开采区间划分为准备工作面和连续的多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面，每个所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面均包括依次设置的一个准备工作面和一个短壁开采工作面；
步骤三中所述对开采区间采用短-长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统的具体过程为：
步骤301、对准备工作面进行开采；
步骤302、依次对多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采，对每个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采时，先开采短壁开采工作面，形成多个短条带充填体；再开采长壁开采工作面，形成多个间隔充填体；在进行长壁开采工作面开采时，每有两个间隔充填体之间形成一个空间，就加固顶板，设置顶部密封防渗处理结构、侧壁密封防渗处理结构和底部密封防渗处理结构，并在短条带充填体上或联络巷内设置密封门；相邻两个间隔充填体、位于间隔充填体一侧的一个或两个短条带充填体、位于间隔充填体另一侧的一个或两个短条带充填体、以及设置在短条带充填体上或联络巷内的密封门构成CO2封存空间的侧壁，CO2封存空间的侧壁、加固顶板和底板围成一个CO2封存空间；
步骤303、连接碱基固废及CO2管道输送系统；
步骤304、连接CO2封存监控系统。
上述的方法，所述准备工作面为五条式短壁开采工作面；
所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面为五条式短壁开采工作面；步骤302中所述依次对多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构的具体方法包括对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面和准备工作面进行开采的方法；
其中，对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面进行开采的方法与步骤301中所述对准备工作面进行开采的方法相同且均为：
步骤A1、将短壁开采工作面沿垂直于大巷的方向划分三个掘进工作面和间隔位于三个掘进工作面之间的两个条带式充填开采工作面；
步骤A2、采用窄条带充填开采的方法对条带式充填开采工作面进行开采；具体方法为：
步骤A201、将条带式充填开采工作面划分为m个窄条带，并将每个窄条带均沿平行于大巷的方向划分为n个短条带，相邻两个短条带之间的空隙为联络巷；其中，m和n的取值均为非零自然数；
步骤A202、对m个窄条带进行开采；其中，对每个窄条带进行开采的方法为：使用掘进机或连采机背离大巷掘通窄条带，再采用充填材料依次对n个短条带进行充填，形成n个短条带充填体；
步骤A3、使用掘进机或连采机背离大巷在掘进工作面掘出三条巷道，中间的一条巷道作为回采巷道或充填留巷，两边的两条巷道作为回采巷道；
其中，对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的准备工作面进行开采的方法为采用综合机械化采煤工艺对准备工作面进行开采；采用综合机械化采煤工艺对准备工作面进行开采时，每次在达到封存空间最大宽度Lmax之前，就采用充填材料进行平行于大巷方向的条带式充填，形成多个间隔充填体，直至长壁开采工作面开采完毕；
当假设基本顶为板式断裂时，根据公式
计算充填侧壁最大间隔宽度Lmax；
当假设基本顶为梁式断裂时，根据公式
计算充填侧壁最大间隔宽度Lmax；
其中，Lmax的单位为m；w为组成基本顶各岩层总厚度，单位为m；hi为基本顶往上第i层岩层厚度，单位为m，i的取值为1～n的自然数，n为基本顶往上岩层的总层数；h1为基本顶厚度，单位为m；μ为基本顶泊松比；RT为煤层基本顶岩层的抗拉强度，单位为MPa；γi为基本顶往上第i层岩层容重，单位为MN/m3；Ei为基本顶往上第i层岩层弹性模量，单位为MPa；E1为基本顶弹性模量，单位为MPa。
上述的方法，步骤303中所述连接碱基固废及CO2管道输送系统的方法包括以下三种情况：
情况一、当待封存的CO2全部为气态时，具体过程为：
步骤303A1、在位于所述CO2封存空间一侧的短条带充填体的下部插入伸入所述CO2封存空间内的CO2输送管道，并在CO2输送管道上连接CO2进气泵和CO2进气控制阀，并将CO2输送管道与设置在地面上的CO2储气罐连接；
步骤303A2、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道和碱基固废输送管道，并在CO2输送管道上连接排气控制阀，将碱基固废输送管道连接到地面上的制浆站，并在碱基固废输送管道上连接碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀；
情况二、当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，具体过程为：
步骤303B1、在位于所述CO2封存空间一侧的短条带充填体的下部插入伸入所述CO2封存空间内的CO2输送管道，并在CO2输送管道上连接CO2进气泵和CO2进气控制阀，并将CO2输送管道与设置在地面上的CO2储气罐连接；
步骤303B2、将液态CO2输送管道上连接液态CO2输送泵和液态CO2输送控制阀，并将液态CO2输送管道与液态CO2储液罐相连；
步骤303B3、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道和碱基固废输送管道，并在CO2排气管道上连接排气控制阀，将碱基固废输送管道连接到地面上的制浆站，并在碱基固废输送管道上连接碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀；
情况三、当待封存的CO2全部为液态时，具体过程为：
步骤303C1、将液态CO2输送管道上连接液态CO2输送泵和液态CO2输送控制阀，并将液态CO2输送管道与液态CO2储液罐相连；
步骤303C2、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道和碱基固废输送管道，并在CO2排气管道上连接排气控制阀，将碱基固废输送管道连接到地面上的制浆站，并在碱基固废输送管道上连接碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀；
步骤304中所述连接CO2封存监控系统的方法包括以下三种情况：
情况一、当待封存的CO2全部为气态时，具体过程为：
步骤304A1、在CO2输送管道上连接进气压力传感器、进气流量传感器和进气温度传感器；
步骤304A2、在排气管道上连接排气CO2浓度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器；
步骤304A3、在碱基固废输送管道上连接碱基固废流量传感器；
步骤304A4、在充填留巷的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器；
步骤304A5、在充填留巷的底部排水沟内设置PH传感器以及金属离子浓度传感器；
步骤304A6、将进气压力传感器、进气流量传感器、进气温度传感器、排气CO2浓度传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、碱基固废流量传感器、PH传感器、金属离子浓度传感器、巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器的输出端均与控制器的输入端连接；
步骤304A7、将CO2进气泵、CO2进气控制阀、排气控制阀、碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀均与控制器的输出端连接；
情况二、当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，具体过程为：
步骤304中所述连接CO2封存监控系统的具体过程为：
步骤304B1、在CO2输送管道上连接进气压力传感器、进气流量传感器和进气温度传感器；
步骤304B2、在液态CO2输送管道上连接液态CO2压力传感器、液态CO2温度传感器和液态CO2流量传感器；
步骤304B3、在排气管道上连接排气CO2浓度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器；
步骤304B4、在碱基固废输送管道上连接碱基固废流量传感器；
步骤304B5、在充填留巷的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器；
步骤304B6、在充填留巷的底部排水沟内设置PH传感器以及金属离子浓度传感器；
步骤304B7、将进气压力传感器、进气流量传感器、进气温度传感器、排气CO2浓度传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、碱基固废流量传感器、液态CO2压力传感器、液态CO2温度传感器和液态CO2流量传感器、PH传感器、金属离子浓度传感器、巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器的输出端均与控制器的输入端连接；
步骤304B8、将CO2进气泵、CO2进气控制阀、排气控制阀、液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀、碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀均与控制器的输出端连接；
情况三、当待封存的CO2全部为液态时，具体过程为：
步骤304C1、在液态CO2输送管道上连接液态CO2压力传感器、液态CO2温度传感器和液态CO2流量传感器；
步骤304C2、在排气管道上连接排气CO2浓度传感器、排气压力传感器和排气温度传感器；
步骤304C3、在碱基固废输送管道上连接碱基固废流量传感器；
步骤304C4、在充填留巷的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器；
步骤304C5、在充填留巷的底部排水沟内设置PH传感器以及金属离子浓度传感器，
步骤304C6、将排气CO2浓度传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、碱基固废流量传感器、液态CO2压力传感器、液态CO2温度传感器和液态CO2流量传感器、PH传感器、金属离子浓度传感器、巷道内CO2浓度传感器、巷道内CO浓度传感器、巷道内CH4浓度传感器和巷道内O2浓度传感器的输出端均与控制器的输入端连接；
步骤304C7、将排气控制阀、液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀、碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀均与控制器的输出端连接。
上述的方法，步骤四中所述将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法包括将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法和将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法，其中，将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法包括以下三种情况：
情况I、当待处置的碱基固废需要全部以固体状态存放入CO2封存结构中时，打开密封门，直接将碱基固废存放入CO2封存结构中；
情况II、当待处置的碱基固废需要全部以浆体状态存放入CO2封存结构中时，启动进浆按钮，控制器控制碱基固废输送泵、碱基固废输送控制阀，制浆站处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道进入所述CO2封存空间内；
情况III、当待处置的碱基固废需要部分以固体状态存放入CO2封存结构中，部分以浆体状态存放入CO2封存结构中时，先打开密封门，将固体状态的碱基固废存放入CO2封存结构中，再启动进浆按钮，控制器控制碱基固废输送泵和碱基固废输送控制阀打开，制浆站处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道进入所述CO2封存空间内；
其中，将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法包括以下三种情况：
情况一、当待封存的CO2全部为气态时，将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中；
情况二、当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中，将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中，两种状态的CO2输送同时进行或一先一后进行；
情况三、当待封存的CO2全部为液态时，将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中；
所述将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中的方法为：启动CO2进气按钮，控制器控制CO2进气泵和CO2进气控制阀打开，并控制排气控制阀打开，CO2储气罐内的CO2气体通过CO2输送管道进入所述CO2封存空间内；进气过程中，进气压力传感器对进气压力进行实时检测，进气流量传感器对进气流量进行实时检测，进气温度传感器对进气温度进行实时检测，排气CO2浓度传感器对排气管道内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器对排气管道内的压力进行实时检测，排气温度传感器对排气温度进行实时检测；当排气管道内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器控制排气控制阀关闭，停止排气；当排气管道内的压力达到预设的上限压力值时，控制器控制CO2进气泵和CO2进气控制阀关闭，停止进气；
所述将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中的方法为：启动CO2进液按钮，控制器控制液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀及碱基固废输送控制阀打开，并控制排气控制阀打开，CO2储液罐内的CO2液体通过液态CO2输送管道和碱基固废输送管道进入所述CO2封存空间内；进液过程中，排气CO2浓度传感器对排气管道内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器对排气管道内的压力进行实时检测，排气温度传感器对排气温度进行实时检测，液态CO2压力传感器对液态CO2压力进行实时检测，液态CO2温度传感器对液态CO2温度进行实时检测，液态CO2流量传感器对液态CO2流量进行实时检测；当排气管道内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器控制排气控制阀关闭，停止排气；当液态CO2流量达到上限压力值时，控制器控制液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀及碱基固废输送控制阀关闭，停止进液态CO2；当排气管道内的压力达到预设的上限压力值时，控制器控制液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀及碱基固废输送控制阀关闭，停止进液态CO2；
进入CO2封存结构中的固体碱基固废或者浆体状态的碱基固废、短条带充填体、间隔充填体与气态CO2或者液态CO2相互发生矿化反应，如反应式(F1)、(F2)、(F3)、(F4)、(F5)：
CaO+H2O→Ca(OH)2 (F1)
MgO+H2O→Mg(OH)2 (F2)
Mg(OH)2+CO2→MgCO3+H2O (F3)
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O (F4)
2CaO·SiO2+2H2O→CaO·SiO2·H2O+Ca(OH)2 (F5)
CaO·SiO2·H2O+CO2→CaCO3+SiO2·H2O (F6)
反应初期主要是固体碱基固废或者浆体状态的碱基固废、短条带充填体、间隔充填体中β-C2S和水化产生的Ca和Mg等氧化物与CO2发生矿化反应，形成C-S-H以及CaCO3、MgCO3填于碱基固废孔隙中，快速增强充填体强度，加速充填体养护；随着反应的进一步发生，C-S-H与CO2发生反应生成无定形硅胶SiO2·H20，如反应式(F6)所示；无定形SiO2充当充填体的胶凝材料，CaCO3充当充填体的再生骨料，提高充填体的密实程度和强度，有效提高充填体的力学性能、耐久性；一方面快速矿化反应缩短充填体养护周期，间隔充填体以及短条带充填体可快速支撑顶板，保证CO2封存结构的稳定性，另一方面将CO2以无机碳酸盐的形式永久封存于碱基固废、短条带充填体及间隔充填体中；
反应使得CO2封存结构中的压力降低，当排气管道内的压力降低到预设的下限压力值时，控制器控制CO2进气泵和CO2进气控制阀打开，或控制器控制CO2进气泵、CO2进气控制阀、液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀和碱基固废输送控制阀打开，或控制器控制液态CO2输送泵、液态CO2输送控制阀和碱基固废输送控制阀打开，继续进气。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用短-长壁间隔充填开采方法，在短-长壁工作面开采过程中利用气密性充填体、间隔充填体、加固顶板以及底板构筑CO2封存空间，采空区中间隔充填体以及气密性充填体有效支护顶板，顶板保存完整；同时通过对封存空间进行防渗处理，具备气密性好、稳定性强及安全性高等优点；
2、本发明采用短-长壁间隔充填开采方法，可实现无煤柱开采，提高煤炭采出率；
3、本发明利用间隔充填体以及气密性充填体对采空区进行支护，可有效维护采空区稳定性，避免顶板垮落后引发的地表沉陷、含水层流失、矿震、滑坡、泥石流等重大地质灾害，解决地表塌陷对耕地土壤的破坏，降低经济损失；
4、本发明的充填材料为全固废充填材料，胶凝材料无需使用水泥，可大大降低充填成本；同时，在CO2封存空间内可堆存碱基固体废弃物(镁渣、粉煤灰、煤矸石等)，在充填—CO2封存的同时实现对固体废弃物的处置与资源化利用，可提供一种新型的规模化固废处置模式，降低固废堆存占用大量土地资源以及对地表生态环境产生的影响；
5、本发明中设置有CO2封存监控系统，实时检测封存空间内以及巷道内的CO2，一旦发生泄漏会立即做出应急响应，保证CO2封存的安全性；
6、本发明中封存空间内，堆存的碱基固废以及充填材料中存在较多的CaO、MgO等，与CO2发生反应形成碳酸盐与无定型硅胶，填充于碱基固废与充填体孔隙中，快速增强充填体强度，加速充填体养护。可提供一种化学固化为主，物理封存为辅的CO2封存方式，化学固化可永久封存CO2，CO2封存量大，固化率高；
7、本发明中封存的CO2的产生源地主要为煤炭加工利用相关企业，分布在煤矿周边的电厂、煤化工厂以及金属镁企等，CO2气体排放与封存地点距离近，运输成本低；将CO2封存于基于短-长壁间隔充填开采方法构筑的封存空间内，实现CO2从煤矿中来到煤矿中去的闭环绿色处理模式；
8、本发明实现对采空区治理与再利用，利用构筑的封存空间封存CO2可拓展采空区新功能，提供一种由采空区治理到采空区利用的新理念；形成了煤炭资源高效回收—固废规模化处置—采空区再利用—CO2封存一体化的协同与绿色模式；
9、本发明助力双碳目标的实现，安全、有效封存CO2，减小CO2排放量，缓解碳排放造成温室效应对人类产生的影响。
10、本发明能够助力周围企业可持续发展，例如，陕北地区煤化工、固废企业，帮助其实现可持续发展，促进当地经济可持续发展，帮助当地政府实现双碳目标。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的CO2封存结构立体图；
图2为图1的剖面图A(CO2气液混合)；
图3为图1的剖面图B(CO2气液混合)；
图4为图1的剖面图A(纯气态CO2)；
图5为图1的剖面图B(纯气态CO2)；
图6为图1的剖面图A(纯液态CO2)；
图7为图1的剖面图B(纯液态CO2)；
图8为本发明的五条式短壁开采工作面示意图；
图9为本发明的五条式短壁开采工作面开采过程示意图；
图10本发明的为CO2封存监控系统示意图。
附图标记说明:
1—CO2输送管道； 2—碱基固废及液态CO2输送管道； 3—排气管道；
4—液态CO2输送管道； 5—气密性充填体； 6—间隔充填体；
7—顶板； 8—底板； 9—密封防渗处理组件； 10—大巷；
11—充填留巷； 12—短条带充填体； 13—密封门； 14—联络巷；
15—顶网； 16—锚杆； 17—储气罐； 18—CO2进气泵；
19—CO2进气控制阀； 20—液态CO2储液罐； 21—液态CO2输送控制阀；
22—液态CO2输送泵； 23—排气控制阀； 24—制浆站；
25—碱基固废输送泵； 26—碱基固废输送控制阀； 27—控制器；
28—进气压力传感器； 29—进气流量传感器； 30—进气温度传感器；
31—排气CO2浓度传感器； 32—排气压力传感器； 33—排气温度传感器；
34—碱基固废流量传感器； 35—巷道内CO2浓度传感器；
36—巷道内CO浓度传感器； 37—巷道内CH4浓度传感器；
38—巷道内O2浓度传感器； 39—液态CO2压力传感器；
40—液态CO2温度传感器； 41—液态CO2流量传感器；
42—进浆按钮；43—CO2进气按钮； 44—准备工作面；
45—短壁开采工作面； 46—长壁开采工作面； 47—掘进工作面；
48—条带式充填开采工作面； 49—短条带； 50—回采巷道；
51—CO2进液按钮； 52—PH传感器； 53—金属离子浓度传感器。
具体实施方式
下面以实施例1-实施例12说明本发明的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统及方法。
| 实施例 | CO<sub>2</sub>封存结构 | CO<sub>2</sub>封存状态 | 固废输送状态 |
| 实施例1 | CO<sub>2</sub>以气体封存的结构 | ||
| 实施例2 | CO<sub>2</sub>以液态封存的结构 | ||
| 实施例3 | CO<sub>2</sub>以部分为气体，部分为液态封存的结构 | ||
| 实施例4 | CO<sub>2</sub>以气体封存的方法 | 气态 | 固体 |
| 实施例5 | CO<sub>2</sub>以气体封存的方法 | 气态 | 浆体 |
| 实施例6 | CO<sub>2</sub>以气体封存的方法 | 气态 | 固体+浆体 |
| 实施例7 | CO<sub>2</sub>以液态封存的方法 | 液态 | 固体 |
| 实施例8 | CO<sub>2</sub>以液态封存的方法 | 液态 | 浆体 |
| 实施例9 | CO<sub>2</sub>以液态封存的方法 | 液态 | 固体+浆体 |
| 实施例10 | CO<sub>2</sub>以部分为气体，部分为液态封存的方法 | 气态+液态 | 固体 |
| 实施例11 | CO<sub>2</sub>以部分为气体，部分为液态封存的方法 | 气态+液态 | 浆体 |
| 实施例12 | CO<sub>2</sub>以部分为气体，部分为液态封存的方法 | 气态+液态 | 固体+浆体 |
如图1～图10所示：
实施例1
本实施例的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，包括：
CO2封存结构：采用短-长壁间断充填无煤柱开采的方法构筑，围成多个密闭的CO2封存空间，用于存放由碱基固废及CO2管道输送系统输送到其中的碱基固废和CO2；
碱基固废及CO2管道输送系统：用于将CO2和碱基固废输送到所述CO2封存空间内，并将所述CO2封存空间内的气体排出所述CO2封存空间外；包括从外部穿过CO2封存结构进入所述CO2封存空间内的CO2输送管道1和碱基固废输送管道2，以及从所述CO2封存空间内穿出CO2封存结构外的排气管道3；
CO2封存监控系统：用于对CO2封存过程进行监控。
本实施例中，所述CO2封存结构包括多个气密性充填体5、多个间隔充填体6、顶板7、底板8和密封防渗处理组件，多个气密性充填体5垂直于大巷10呈多列间隔布设，相邻两个气密性充填体5之间的巷道为充填留巷11，所述间隔充填体6的设置方向与气密性充填体5的设置方向相垂直，多个间隔充填体6呈多排间隔布设，所述间隔充填体6的两端均顶在短条带充填体12上；每个所述CO2封存空间均由侧壁、顶板7和底板8围成，所述侧壁由相邻两个间隔充填体6、位于间隔充填体6一侧的气密性充填体5、位于间隔充填体6另一侧的气密性充填体5、以及设置在气密性充填体5上的密封门13构成；所述密封防渗处理组件包括设置在顶板7底部的顶部密封防渗处理结构、设置在所述侧壁外上的侧壁密封防渗处理结构和设置在底板8顶部的底部密封防渗处理结构。
本实施例中，每个气密性充填体5均包括多个间隔布设的短条带充填体12，相邻两个短条带充填体12之间为联络巷14，每个所述CO2封存空间均由侧壁、顶板7和底板8围成，所述侧壁由相邻两个间隔充填体6、位于间隔充填体6一侧的一个或两个短条带充填体12、位于间隔充填体6另一侧的一个或两个短条带充填体12、以及设置在短条带充填体12上或联络巷14内的密封门13构成。
本实施例中，所述顶板7上悬挂有顶网15，所述顶板7和顶网15通过锚杆16进行加固，所述顶部密封防渗处理结构包括喷射在顶板7和顶网15上的浆体形成的顶部喷浆层，以及喷射在顶部喷浆层上的防渗材料形成的顶部防渗层；所述侧壁密封防渗处理结构包括喷射在短条带充填体12和间隔充填体6上的防渗材料形成的侧壁防渗层；所述底部密封防渗处理结构包括喷射在底板8上的浆体形成的底部喷浆层，以及喷射在底部喷浆层上的防渗材料形成的底部防渗层。
具体实施时，所述锚杆16的间距不大于1500mm，排距不大于1500mm。
本实施例中，待封存的CO2全部为气态，所述CO2输送管道1用于输送气态的待封存的CO2，所述碱基固废输送管道2用于输送浆体状态的碱基固废；所述CO2输送管道1与设置在地面上的CO2储气罐17连接，所述CO2输送管道1上设置有CO2进气泵18和CO2进气控制阀19，所述碱基固废输送管道2与设置在地面上的制浆站24连接，所述碱基固废输送管道2上设置有碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26；所述排气管道3上设置有排气控制阀23，所述CO2封存监控系统包括控制器27和与控制器27的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在CO2输送管道1上的进气压力传感器28、进气流量传感器29和进气温度传感器30，设置在排气管道3上的排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32和排气温度传感器33，设置在碱基固废输送管道2上的碱基固废流量传感器34，设置在充填留巷11底部排水沟内的PH传感器52以及金属离子浓度传感器53，以及设置在充填留巷11内的巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38；所述CO2进气泵18、CO2进气控制阀19、排气控制阀23、碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26均与控制器27的输出端连接。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：待封存的CO2部分为气态、部分为液态，所述CO2输送管道1用于输送气态的待封存的CO2，所述碱基固废输送管道2用于输送浆体状态的碱基固废和液态的待封存的CO2；所述碱基固废输送管道2上连接有所述碱基固废输送管道2，所述液态CO2输送管道4与液态CO2储液罐20相连，所述液态CO2输送管道4上设置有液态CO2输送控制阀21和液态CO2输送泵22；所述CO2输送管道1与设置在地面上的CO2储气罐17连接，所述CO2输送管道1上设置有CO2进气泵18和CO2进气控制阀19，所述碱基固废输送管道2与设置在地面上的制浆站24连接，所述碱基固废输送管道2上设置有碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26；所述排气管道3上设置有排气控制阀23，所述CO2封存监控系统包括控制器27和与控制器27的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在CO2输送管道1上的进气压力传感器28、进气流量传感器29和进气温度传感器30，设置在排气管道3上的排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32和排气温度传感器33，设置在碱基固废输送管道2上的碱基固废流量传感器34，设置在液态CO2输送管道4上的液态CO2压力传感器39、液态CO2温度传感器40和液态CO2流量传感器41，设置在充填留巷11底部排水沟内的PH传感器52以及金属离子浓度传感器53，以及设置在充填留巷11内的巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38；所述CO2进气泵18、CO2进气控制阀19、排气控制阀23、碱基固废输送泵25、碱基固废输送控制阀26、液态CO2输送控制阀21和液态CO2输送泵22均与控制器27的输出端连接。
其余结构均与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是：待封存的CO2全部为液态，所述碱基固废输送管道2用于输送浆体状态的碱基固废和液态的待封存的CO2；所述碱基固废输送管道2上连接有所述碱基固废输送管道2，所述液态CO2输送管道4与液态CO2储液罐20相连，所述液态CO2输送管道4上设置有液态CO2输送控制阀21和液态CO2输送泵22；所述碱基固废输送管道2与设置在地面上的制浆站24连接，所述碱基固废输送管道2上设置有碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26；所述排气管道3上设置有排气控制阀23，所述CO2封存监控系统包括控制器27和与控制器27的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在排气管道3上的排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32和排气温度传感器33，设置在碱基固废输送管道2上的碱基固废流量传感器34，设置在液态CO2输送管道4上的液态CO2压力传感器39、液态CO2温度传感器40和液态CO2流量传感器41，设置在充填留巷11底部排水沟内的PH传感器52以及金属离子浓度传感器53，以及设置在充填留巷11内的巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38；所述排气控制阀23、碱基固废输送泵25、碱基固废输送控制阀26、液态CO2输送控制阀21和液态CO2输送泵22均与控制器27的输出端连接。
其余结构均与实施例1相同。
实施例4
本实施例为采用实施例1中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2；
步骤二、设计好短-长壁间断充填无煤柱开采方法；
步骤三、对开采区间采用短-长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统；
步骤四、将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中。
本实施例中，步骤一中所述准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2时，所述碱基固废包括浆体类的碱基固废和固体类的碱基固废，待封存的气态CO2储存于CO2储气罐17中、液态CO2储存于液态CO2储液罐20中；
步骤二中所述短-长壁间断充填无煤柱开采方法将开采区间划分为准备工作面44和连续的多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面，每个所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面均包括依次设置的一个准备工作面44和一个短壁开采工作面45；
步骤三中所述对开采区间采用短-长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统的具体过程为：
步骤301、对准备工作面37进行开采；
步骤302、依次对多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采，对每个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采时，先开采短壁开采工作面45，形成多个短条带充填体12；再开采长壁开采工作面46，形成多个间隔充填体6；在进行长壁开采工作面46开采时，每有两个间隔充填体6之间形成一个空间，就加固顶板7，设置顶部密封防渗处理结构、侧壁密封防渗处理结构和底部密封防渗处理结构，并在短条带充填体12上或联络巷14内设置密封门13；相邻两个间隔充填体6、位于间隔充填体6一侧的一个或两个短条带充填体12、位于间隔充填体6另一侧的一个或两个短条带充填体12、以及设置在短条带充填体12上或联络巷14内的密封门13构成CO2封存空间的侧壁，CO2封存空间的侧壁、加固顶板7和底板8围成一个CO2封存空间；
具体实施时，所述顶板7上悬挂有顶网15，所述顶板7和顶网15通过锚杆16进行加固，所述锚杆16的间距不大于1500mm，排距不大于1500mm。设置顶部密封防渗处理结构时，先在顶板7和顶网15上喷射浆体，形成顶部喷浆层，用于封堵开采后存在的裂隙、孔隙等，再在顶部喷浆层上喷射防渗材料，形成顶部防渗层。设置侧壁密封防渗处理结构时，在短条带充填体12和间隔充填体6上喷射防渗材料，形成侧壁防渗层。设置底部密封防渗处理结构时，先在底板8上喷射浆体，形成底部喷浆层，再在底部喷浆层上喷射防渗材料，形成底部防渗层。
步骤303、连接碱基固废及CO2管道输送系统；
步骤304、连接CO2封存监控系统。
本实施例中，所述准备工作面44为五条式短壁开采工作面；
所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面45为五条式短壁开采工作面；步骤302中所述依次对多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构的具体方法包括对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面45和准备工作面44进行开采的方法；
其中，对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面45进行开采的方法与步骤301中所述对准备工作面37进行开采的方法相同且均为：
步骤A1、将短壁开采工作面45沿垂直于大巷10的方向划分三个掘进工作面47和间隔位于三个掘进工作面47之间的两个条带式充填开采工作面48；
步骤A2、采用窄条带充填开采的方法对条带式充填开采工作面48进行开采；具体方法为：
步骤A201、将条带式充填开采工作面48划分为m个窄条带，并将每个窄条带均沿平行于大巷10的方向划分为n个短条带49，相邻两个短条带49之间的空隙为联络巷14；其中，m和n的取值均为非零自然数；
步骤A202、对m个窄条带进行开采；其中，对每个窄条带进行开采的方法为：使用掘进机或连采机背离大巷掘通窄条带，再采用充填材料依次对n个短条带49进行充填，形成n个短条带充填体12；
步骤A3、使用掘进机或连采机背离大巷在掘进工作面47掘出三条巷道，中间的一条巷道作为回采巷道50或充填留巷11，两边的两条巷道作为回采巷道50；
其中，对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的准备工作面44进行开采的方法为采用综合机械化采煤工艺对准备工作面44进行开采；采用综合机械化采煤工艺对准备工作面44进行开采时，每次在达到封存空间最大宽度Lmax之前，就采用充填材料进行平行于大巷10方向的条带式充填，形成多个间隔充填体6，直至长壁开采工作面2开采完毕。
所述封存空间最大宽度的确定方法分以下两种情况确定：
假设基本顶为板式断裂时，所述封存空间最大宽度的确定方法为：根据公式
计算封存空间最大宽度Lmax；
其中，Lmax为封存空间最大宽度，单位为m；w为组成基本顶各岩层总厚度，单位为m；hi为基本顶往上(含基本顶)第i层岩层厚度，单位为m，其中i为非零自然数；μ为基本顶泊松比；RT为基本顶岩层抗拉强度，单位为MPa；γi为基本顶往上(含基本顶)第i层岩层容重，单位为MN/m3；Ei为基本顶往上(含基本顶)第i层岩层弹性模量，单位为MPa。
假设基本顶梁式断裂时，所述封存空间最大宽度的确定方法为：根据公式
计算封存空间最大宽度Lmax；
其中，Lmax为封存空间最大宽度，单位为m；w为组成基本顶各岩层总厚度，单位为m；hi为基本顶往上(含基本顶)第i层岩层厚度，单位为m；μ为基本顶泊松比；RT为基本顶岩层抗拉强度，单位为MPa；γi为基本顶往上(含基本顶)第i层岩层容重，单位为MN/m3；Ei为基本顶往上(含基本顶)第i层岩层弹性模量，单位为MPa。
本实施例中，步骤303中所述连接碱基固废及CO2管道输送系统的方法的具体过程为：
步骤303A1、在位于所述CO2封存空间一侧的短条带充填体12的下部插入伸入所述CO2封存空间内的CO2输送管道1，并在CO2输送管道1上连接CO2进气泵18和CO2进气控制阀19，并将CO2输送管道1与设置在地面上的CO2储气罐17连接；
步骤303A2、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体12的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道3和碱基固废输送管道2，并在CO2输送管道1上连接排气控制阀23，将碱基固废输送管道2连接到地面上的制浆站24，并在碱基固废输送管道2上连接碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26；
具体实施时，充填形成短条带充填体12时，就设置CO2输送管道预留孔、排气管道预留孔和碱基固废输送管道预留孔，CO2输送管道1通过穿入CO2输送管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料，以保证气密性；排气管道3通过穿入排气管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料，以保证气密性；碱基固废输送管道2通过穿入碱基固废输送管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料。
本实施例中，步骤304中所述连接CO2封存监控系统的方法的具体过程为：
步骤304A1、在CO2输送管道1上连接进气压力传感器28、进气流量传感器29和进气温度传感器30；
步骤304A 2、在排气管道3上连接排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32和排气温度传感器33；
步骤304A3、在碱基固废输送管道2上连接碱基固废流量传感器34；
步骤304A4、在充填留巷11的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38；
步骤304A5、在充填留巷11的底部排水沟内设置PH传感器52以及金属离子浓度传感器53；
具体实施时，在充填留巷11内，每间隔在充填留巷11内50m～100m的距离，就布置一组巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38和一组PH传感器52、金属离子浓度传感器53；用以监测充填留巷11内O2、CO、CO2、CH4浓度以及地下水的PH，以及金属离子浓度，防止CO2泄露以及确保充填留巷11内人员进出的安全性；
步骤304A6、将进气压力传感器28、进气流量传感器29、进气温度传感器30、排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32、排气温度传感器33、碱基固废流量传感器34、PH传感器52、金属离子浓度传感器53、巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38的输出端均与控制器27的输入端连接；
步骤304A7、将CO2进气泵18、CO2进气控制阀19、排气控制阀23、碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26均与控制器27的输出端连接；
本实施例中，步骤四中所述将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法包括将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法和将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法，其中，将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要全部以固体状态存放入CO2封存结构中时的方法，打开密封门13，直接将碱基固废存放入CO2封存结构中；
其中，将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法为将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中的方法，具体过为：
启动CO2进气按钮43，控制器27控制CO2进气泵18和CO2进气控制阀19打开，并控制排气控制阀23打开，CO2储气罐17内的CO2气体通过CO2输送管道1进入所述CO2封存空间内；进气过程中，进气压力传感器28对进气压力进行实时检测，进气流量传感器29对进气流量进行实时检测，进气温度传感器30对进气温度进行实时检测，排气CO2浓度传感器31对排气管道3内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器32对排气管道3内的压力进行实时检测，排气温度传感器33对排气温度进行实时检测；当排气管道3内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器27控制排气控制阀23关闭，停止排气；当排气管道3内的压力达到预设的上限压力值时，控制器27控制CO2进气泵18和CO2进气控制阀19关闭，停止进气；
进入CO2封存结构中的固体碱基固废或者浆体状态的碱基固废、短条带充填体12、间隔充填体6与气态CO2或者液态CO2相互发生矿化反应，如反应式(F1)、(F2)、(F3)、(F4)、(F5)：
CaO+H2O→Ca(OH)2 (F1)
MgO+H2O→Mg(OH)2 (F2)
Mg(OH)2+CO2→MgCO3+H2O (F3)
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O (F4)
2CaO·SiO2+2H2O→CaO·SiO2·H2O+Ca(OH)2 (F5)
CaO·SiO2·H2O+CO2→CaCO3+SiO2·H2O (F6)
反应初期主要是固体碱基固废或者浆体状态的碱基固废、短条带充填体12、间隔充填体6中β-C2S和水化产生的Ca和Mg等氧化物与CO2发生矿化反应，形成C-S-H以及CaCO3、MgCO3填于碱基固废孔隙中，快速增强充填体强度，加速充填体养护；随着反应的进一步发生，C-S-H与CO2发生反应生成无定形硅胶SiO2·H20，如反应式(F6)所示；无定形SiO2充当充填体的胶凝材料，CaCO3充当充填体的再生骨料，提高充填体的密实程度和强度，有效提高充填体的力学性能、耐久性；一方面快速矿化反应缩短充填体养护周期，间隔充填体6以及短条带充填体12可快速支撑顶板，保证CO2封存结构的稳定性，另一方面将CO2以无机碳酸盐的形式永久封存于碱基固废、短条带充填体12及间隔充填体6中；
反应使得CO2封存结构中的压力降低，当排气管道3内的压力降低到预设的下限压力值时，控制器27控制CO2进气泵18和CO2进气控制阀19打开，继续进气。
实施例5
本实施例本实施例为采用实施例1中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例4不同的是：将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要全部以浆体状态存放入CO2封存结构中时的方法，启动进浆按钮42，控制器27控制碱基固废输送泵25、碱基固废输送控制阀26，制浆站24处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道2进入所述CO2封存空间内；
其余方法均与实施例4相同。
实施例6
本实施例本实施例为采用实施例1中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例4不同的是：将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要部分以固体状态存放入CO2封存结构中，部分以浆体状态存放入CO2封存结构中时的方法，先打开密封门13，将固体状态的碱基固废存放入CO2封存结构中，再启动进浆按钮42，控制器27控制碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26打开，制浆站24处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道2进入所述CO2封存空间内；
其余方法均与实施例4相同。
实施例7
本实施例为采用实施例2中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例4不同的是：本实施例中，步骤303中所述连接碱基固废及CO2管道输送系统的方法的具体过程为：
步骤303B1、在位于所述CO2封存空间一侧的短条带充填体12的下部插入伸入所述CO2封存空间内的CO2输送管道1，并在CO2输送管道1上连接CO2进气泵18和CO2进气控制阀19，并将CO2输送管道1与设置在地面上的CO2储气罐17连接；
步骤303B2、将液态CO2输送管道4上连接液态CO2输送泵22和液态CO2输送控制阀21，并将液态CO2输送管道4与液态CO2储液罐相连；
步骤303B3、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体12的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道3和碱基固废输送管道2，并在CO2排气管道3上连接排气控制阀23，将碱基固废输送管道2连接到地面上的制浆站24，并在碱基固废输送管道2上连接碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26；
具体实施时，充填形成短条带充填体12时，就设置CO2输送管道预留孔、排气管道预留孔和碱基固废输送管道预留孔，CO2输送管道1通过穿入CO2输送管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料，以保证气密性；排气管道3通过穿入排气管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料，以保证气密性；碱基固废输送管道2通过穿入碱基固废输送管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料。
本实施例中，步骤304中所述连接CO2封存监控系统的方法的具体过程为：
步骤304B1、在CO2输送管道1上连接进气压力传感器28、进气流量传感器29和进气温度传感器30；
步骤304B2、在液态CO2输送管道4上连接液态CO2压力传感器39、液态CO2温度传感器40和液态CO2流量传感器41；
步骤304B3、在排气管道3上连接排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32和排气温度传感器33；
步骤304B4、在碱基固废输送管道2上连接碱基固废流量传感器34；
步骤304B5、在充填留巷11的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38；
步骤304B6、在充填留巷11的底部排水沟内设置PH传感器52以及金属离子浓度传感器53；
具体实施时，在充填留巷11内，每间隔在充填留巷11内50m～100m的距离，就布置一组巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38和一组PH传感器52、金属离子浓度传感器53；用以监测充填留巷11内O2、CO、CO2、CH4浓度以及地下水的PH，以及金属离子浓度，防止CO2泄露以及确保充填留巷11内人员进出的安全性；
步骤304B7、将进气压力传感器28、进气流量传感器29、进气温度传感器30、排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32、排气温度传感器33、碱基固废流量传感器34、液态CO2压力传感器39、液态CO2温度传感器40和液态CO2流量传感器41、PH传感器52、金属离子浓度传感器53、巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38的输出端均与控制器27的输入端连接；
步骤304B8、将CO2进气泵18、CO2进气控制阀19、排气控制阀23、液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21、碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26均与控制器27的输出端连接；
本实施例中，步骤四中将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法不仅包括将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中的方法，还包括将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中的方法，其中，所述将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中的方法为：启动CO2进液按钮51，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21及碱基固废输送控制阀26打开，并控制排气控制阀23打开，CO2储液罐17内的CO2液体通过液态CO2输送管道和碱基固废输送管道1进入所述CO2封存空间内；进液过程中，排气CO2浓度传感器31对排气管道3内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器32对排气管道3内的压力进行实时检测，排气温度传感器33对排气温度进行实时检测，液态CO2压力传感器39对液态CO2压力进行实时检测，液态CO2温度传感器40对液态CO2温度进行实时检测，液态CO2流量传感器41对液态CO2流量进行实时检测；当排气管道3内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器27控制排气控制阀23关闭，停止排气；当液态CO2流量达到上限压力值时，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21及碱基固废输送控制阀26关闭，停止进液态CO2；当排气管道3内的压力达到预设的上限压力值时，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21及碱基固废输送控制阀26关闭，停止进液态CO2；
反应使得CO2封存结构中的压力降低，当排气管道3内的压力降低到预设的下限压力值时，控制器27控制CO2进气泵18、CO2进气控制阀19、液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21和碱基固废输送控制阀26打开，继续进气。
其余方法均与实施例4相同。
实施例8
本实施例本实施例为采用实施例2中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例7不同的是：将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要全部以浆体状态存放入CO2封存结构中时的方法，启动进浆按钮42，控制器27控制碱基固废输送泵25、碱基固废输送控制阀26，制浆站24处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道2进入所述CO2封存空间内；
其余方法均与实施例7相同。
实施例9
本实施例本实施例为采用实施例2中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例7不同的是：将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要部分以固体状态存放入CO2封存结构中，部分以浆体状态存放入CO2封存结构中时的方法，先打开密封门13，将固体状态的碱基固废存放入CO2封存结构中，再启动进浆按钮42，控制器27控制碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26打开，制浆站24处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道2进入所述CO2封存空间内；
其余方法均与实施例7相同。
实施例10
本实施例本实施例本实施例为采用实施例3中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例4不同的是：本实施例中，步骤303中所述连接碱基固废及CO2管道输送系统的方法的具体过程为：
步骤303C1、将液态CO2输送管道4上连接液态CO2输送泵22和液态CO2输送控制阀21，并将液态CO2输送管道4与液态CO2储液罐相连；
步骤303C2、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体12的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道3和碱基固废输送管道2，并在CO2排气管道3上连接排气控制阀23，将碱基固废输送管道2连接到地面上的制浆站24，并在碱基固废输送管道2上连接碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26；
具体实施时，充填形成短条带充填体12时，就设置排气管道预留孔和碱基固废输送管道预留孔，排气管道3通过穿入排气管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料，以保证气密性；碱基固废输送管道2通过穿入碱基固废输送管道预留孔内的方式伸入所述CO2封存空间内，并在间隙内浇筑胶凝材料。
本实施例中，步骤304中所述连接CO2封存监控系统的方法的具体过程为：
步骤304C1、在液态CO2输送管道4上连接液态CO2压力传感器39、液态CO2温度传感器40和液态CO2流量传感器41；
步骤304C2、在排气管道3上连接排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32和排气温度传感器33；
步骤304C3、在碱基固废输送管道2上连接碱基固废流量传感器34；
步骤304C4、在充填留巷11的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38；
步骤304C5、在充填留巷11的底部排水沟内设置PH传感器52以及金属离子浓度传感器53，
具体实施时，在充填留巷11内，每间隔在充填留巷11内50m～100m的距离，就布置一组巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38和一组PH传感器52、金属离子浓度传感器53；用以监测充填留巷11内O2、CO、CO2、CH4浓度以及地下水的PH，以及金属离子浓度，防止CO2泄露以及确保充填留巷11内人员进出的安全性；
步骤304C6、将排气CO2浓度传感器31、排气压力传感器32、排气温度传感器33、碱基固废流量传感器34、液态CO2压力传感器39、液态CO2温度传感器40和液态CO2流量传感器41、PH传感器52、金属离子浓度传感器53、巷道内CO2浓度传感器35、巷道内CO浓度传感器36、巷道内CH4浓度传感器37和巷道内O2浓度传感器38的输出端均与控制器27的输入端连接；
步骤304C7、将排气控制阀23、液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21、碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26均与控制器27的输出端连接。
本实施例中，步骤四中将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法为将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中的方法，具体过为：
启动CO2进液按钮51，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21及碱基固废输送控制阀26打开，并控制排气控制阀23打开，CO2储液罐17内的CO2液体通过液态CO2输送管道和碱基固废输送管道1进入所述CO2封存空间内；进液过程中，排气CO2浓度传感器31对排气管道3内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器32对排气管道3内的压力进行实时检测，排气温度传感器33对排气温度进行实时检测，液态CO2压力传感器39对液态CO2压力进行实时检测，液态CO2温度传感器40对液态CO2温度进行实时检测，液态CO2流量传感器41对液态CO2流量进行实时检测；当排气管道3内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器27控制排气控制阀23关闭，停止排气；当液态CO2流量达到上限压力值时，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21及碱基固废输送控制阀26关闭，停止进液态CO2；当排气管道3内的压力达到预设的上限压力值时，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21及碱基固废输送控制阀26关闭，停止进液态CO2；
反应使得CO2封存结构中的压力降低，当排气管道3内的压力降低到预设的下限压力值时，控制器27控制液态CO2输送泵22、液态CO2输送控制阀21和碱基固废输送控制阀26打开，继续进气。
其余方法均与实施例4相同。
实施例11
本实施例为采用实施例3中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例10不同的是：将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要全部以浆体状态存放入CO2封存结构中时的方法，启动进浆按钮42，控制器27控制碱基固废输送泵25、碱基固废输送控制阀26，制浆站24处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道2进入所述CO2封存空间内；
其余方法均与实施例10相同。
实施例12
本实施例本实施例为采用实施例3中的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，与实施例10不同的是：将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法为当待处置的碱基固废需要部分以固体状态存放入CO2封存结构中，部分以浆体状态存放入CO2封存结构中时的方法，先打开密封门13，将固体状态的碱基固废存放入CO2封存结构中，再启动进浆按钮42，控制器27控制碱基固废输送泵25和碱基固废输送控制阀26打开，制浆站24处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道2进入所述CO2封存空间内；
其余方法均与实施例10相同。
综上所述，本发明提供了一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统及方法，在短壁工作面采用条带式充填，长壁工作面采用间隔充填，短长壁开采工作面开采形成的空间作为CO2封存空间。采用改性镁渣、粉煤灰等碱基固废作为充填材料，在封存空间内存入碱基固废和CO2。CO2在封存空间内发生矿化反应，以无机碳酸盐的形式永久封存于碱基固废、以及充填体中，同时部分CO2封存于空间内，形成以化学封存为主，物理封存为辅的封存模式。
其理论与实践意义在于：(1)提出了利用短长壁间断充填开采构筑的封存空间进行CO2封存，丰富了CO2封存类型，为CO2封存储库探索提供了新思路；(2)形成了煤炭资源高效回收—固废规模化处置—采空区再利用—CO2封存一体化的协同与绿色模式；(3)助力双碳目标的实现，可安全、有效封存CO2，减小CO2排放量，缓解碳排放造成温室效应对人类产生的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其特征在于：包括：
CO2封存结构：采用短-长壁间断充填无煤柱开采的方法构筑，围成多个密闭的CO2封存空间，用于存放由碱基固废及CO2管道输送系统输送到其中的碱基固废和CO2；
碱基固废及CO2管道输送系统：用于将CO2和碱基固废输送到所述CO2封存空间内，并将所述CO2封存空间内的气体排出所述CO2封存空间外；包括从外部穿过CO2封存结构进入所述CO2封存空间内的CO2输送管道(1)和碱基固废输送管道(2)，以及从所述CO2封存空间内穿出CO2封存结构外的排气管道(3)；
CO2封存监控系统：用于对CO2封存过程进行监控。
2.按照权利要求1所述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其特征在于：所述CO2封存结构包括多个气密性充填体(5)、多个间隔充填体(6)、顶板(7)、底板(8)和密封防渗处理组件，多个气密性充填体(5)垂直于大巷(10)呈多列间隔布设，相邻两个气密性充填体(5)之间的巷道为充填留巷(11)，所述间隔充填体(6)的设置方向与气密性充填体(5)的设置方向相垂直，多个间隔充填体(6)呈多排间隔布设，所述间隔充填体(6)的两端均顶在短条带充填体(12)上；每个所述CO2封存空间均由侧壁、顶板(7)和底板(8)围成，所述侧壁由相邻两个间隔充填体(6)、位于间隔充填体(6)一侧的气密性充填体(5)、位于间隔充填体(6)另一侧的气密性充填体(5)、以及设置在气密性充填体(5)上的密封门(13)构成；所述密封防渗处理组件包括设置在顶板(7)底部的顶部密封防渗处理结构、设置在所述侧壁上的侧壁密封防渗处理结构和设置在底板(8)顶部的底部密封防渗处理结构。
3.按照权利要求2所述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其特征在于：每个气密性充填体(5)均包括多个间隔布设的短条带充填体(12)，相邻两个短条带充填体(12)之间为联络巷(14)，每个所述CO2封存空间均由侧壁、顶板(7)和底板(8)围成，所述侧壁由相邻两个间隔充填体(6)、位于间隔充填体(6)一侧的一个或两个短条带充填体(12)、位于间隔充填体(6)另一侧的一个或两个短条带充填体(12)、以及设置在短条带充填体(12)上或联络巷(14)内的密封门(13)构成。
4.按照权利要求2所述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其特征在于：所述顶板(7)上悬挂有顶网(15)，所述顶板(7)和顶网(15)通过锚杆(16)进行加固，所述顶部密封防渗处理结构包括喷射在顶板(7)和顶网(15)上的浆体形成的顶部喷浆层，以及喷射在顶部喷浆层上的防渗材料形成的顶部防渗层；所述侧壁密封防渗处理结构包括喷射在短条带充填体(12)和间隔充填体(6)上的防渗材料形成的侧壁防渗层；所述底部密封防渗处理结构包括喷射在底板(8)上的浆体形成的底部喷浆层，以及喷射在底部喷浆层上的防渗材料形成的底部防渗层。
5.按照权利要求2～4中任一权利要求所述的短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统，其特征在于：当待封存的CO2全部为气态时，所述CO2输送管道(1)用于输送气态的待封存的CO2，所述碱基固废输送管道(2)用于输送浆体状态的碱基固废；所述CO2输送管道(1)与设置在地面上的CO2储气罐(17)连接，所述CO2输送管道(1)上设置有CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)，所述碱基固废输送管道(2)与设置在地面上的制浆站(24)连接，所述碱基固废输送管道(2)上设置有碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)；所述排气管道(3)上设置有排气控制阀(23)，所述CO2封存监控系统包括控制器(27)和与控制器(27)的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在CO2输送管道(1)上的进气压力传感器(28)、进气流量传感器(29)和进气温度传感器(30)，设置在排气管道(3)上的排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)和排气温度传感器(33)，设置在碱基固废输送管道(2)上的碱基固废流量传感器(34)，设置在充填留巷(11)底部排水沟内的PH传感器(52)以及金属离子浓度传感器(53)，以及设置在充填留巷(11)内的巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)；所述CO2进气泵(18)、CO2进气控制阀(19)、排气控制阀(23)、碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)均与控制器(27)的输出端连接；
当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，所述CO2输送管道(1)用于输送气态的待封存的CO2，所述碱基固废输送管道(2)用于输送浆体状态的碱基固废和液态的待封存的CO2；所述碱基固废输送管道(2)上连接有所述碱基固废输送管道(2)，所述液态CO2输送管道(4)与液态CO2储液罐(20)相连，所述液态CO2输送管道(4)上设置有液态CO2输送控制阀(21)和液态CO2输送泵(22)；所述CO2输送管道(1)与设置在地面上的CO2储气罐(17)连接，所述CO2输送管道(1)上设置有CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)，所述碱基固废输送管道(2)与设置在地面上的制浆站(24)连接，所述碱基固废输送管道(2)上设置有碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)；所述排气管道(3)上设置有排气控制阀(23)，所述CO2封存监控系统包括控制器(27)和与控制器(27)的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在CO2输送管道(1)上的进气压力传感器(28)、进气流量传感器(29)和进气温度传感器(30)，设置在排气管道(3)上的排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)和排气温度传感器(33)，设置在碱基固废输送管道(2)上的碱基固废流量传感器(34)，设置在液态CO2输送管道(4)上的液态CO2压力传感器(39)、液态CO2温度传感器(40)和液态CO2流量传感器(41)，设置在充填留巷(11)底部排水沟内的PH传感器(52)以及金属离子浓度传感器(53)，以及设置在充填留巷(11)内的巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)；所述CO2进气泵(18)、CO2进气控制阀(19)、排气控制阀(23)、碱基固废输送泵(25)、碱基固废输送控制阀(26)、液态CO2输送控制阀(21)和液态CO2输送泵(22)均与控制器(27)的输出端连接；
当待封存的CO2全部为液态时，所述碱基固废输送管道(2)用于输送浆体状态的碱基固废和液态的待封存的CO2；所述碱基固废输送管道(2)上连接有所述碱基固废输送管道(2)，所述液态CO2输送管道(4)与液态CO2储液罐(20)相连，所述液态CO2输送管道(4)上设置有液态CO2输送控制阀(21)和液态CO2输送泵(22)；所述碱基固废输送管道(2)与设置在地面上的制浆站(24)连接，所述碱基固废输送管道(2)上设置有碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)；所述排气管道(3)上设置有排气控制阀(23)，所述CO2封存监控系统包括控制器(27)和与控制器(27)的输入端连接的传感器组，所述传感器组包括设置在排气管道(3)上的排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)和排气温度传感器(33)，设置在碱基固废输送管道(2)上的碱基固废流量传感器(34)，设置在液态CO2输送管道(4)上的液态CO2压力传感器(39)、液态CO2温度传感器(40)和液态CO2流量传感器(41)，设置在充填留巷(11)底部排水沟内的PH传感器(52)以及金属离子浓度传感器(53)，以及设置在充填留巷(11)内的巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)；所述排气控制阀(23)、碱基固废输送泵(25)、碱基固废输送控制阀(26)、液态CO2输送控制阀(21)和液态CO2输送泵(22)均与控制器(27)的输出端连接。
6.一种采用如权利要求1所述短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存系统进行短长壁间断充填开采协同碱基固废CO2封存的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2；
步骤二、设计好短-长壁间断充填无煤柱开采方法；
步骤三、对开采区间采用短-长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统；
步骤四、将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤一中所述准备好待处置的碱基固废和待封存的CO2时，所述碱基固废包括浆体类的碱基固废和固体类的碱基固废，待封存的气态CO2储存于CO2储气罐(17)中、液态CO2储存于液态CO2储液罐(20)中；
步骤二中所述短-长壁间断充填无煤柱开采方法将开采区间划分为准备工作面(44)和连续的多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面，每个所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面均包括依次设置的一个准备工作面(44)和一个短壁开采工作面(45)；
步骤三中所述对开采区间采用短-长壁间断充填无煤柱开采方法进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构，连接碱基固废及CO2管道输送系统和CO2封存监控系统的具体过程为：
步骤301、对准备工作面(37)进行开采；
步骤302、依次对多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采，对每个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采时，先开采短壁开采工作面(45)，形成多个短条带充填体(12)；再开采长壁开采工作面(46)，形成多个间隔充填体(6)；在进行长壁开采工作面(46)开采时，每有两个间隔充填体(6)之间形成一个空间，就加固顶板(7)，设置顶部密封防渗处理结构、侧壁密封防渗处理结构和底部密封防渗处理结构，并在短条带充填体(12)上或联络巷(14)内设置密封门(13)；相邻两个间隔充填体(6)、位于间隔充填体(6)一侧的一个或两个短条带充填体(12)、位于间隔充填体(6)另一侧的一个或两个短条带充填体(12)、以及设置在短条带充填体(12)上或联络巷(14)内的密封门(13)构成CO2封存空间的侧壁，CO2封存空间的侧壁、加固顶板(7)和底板(8)围成一个CO2封存空间；
步骤303、连接碱基固废及CO2管道输送系统；
步骤304、连接CO2封存监控系统。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述准备工作面(44)为五条式短壁开采工作面；
所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面(45)为五条式短壁开采工作面；步骤302中所述依次对多个短-长壁间断充填无煤柱开采工作面进行开采，并在开采过程中构筑CO2封存结构的具体方法包括对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面(45)和准备工作面(44)进行开采的方法；
其中，对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的短壁开采工作面(45)进行开采的方法与步骤301中所述对准备工作面(37)进行开采的方法相同且均为：
步骤A1、将短壁开采工作面(45)沿垂直于大巷(10)的方向划分三个掘进工作面(47)和间隔位于三个掘进工作面(47)之间的两个条带式充填开采工作面(48)；
步骤A2、采用窄条带充填开采的方法对条带式充填开采工作面(48)进行开采；具体方法为：
步骤A201、将条带式充填开采工作面(48)划分为m个窄条带，并将每个窄条带均沿平行于大巷(10)的方向划分为n个短条带(49)，相邻两个短条带(49)之间的空隙为联络巷(14)；其中，m和n的取值均为非零自然数；
步骤A202、对m个窄条带进行开采；其中，对每个窄条带进行开采的方法为：使用掘进机或连采机背离大巷掘通窄条带，再采用充填材料依次对n个短条带(49)进行充填，形成n个短条带充填体(12)；
步骤A3、使用掘进机或连采机背离大巷在掘进工作面(47)掘出三条巷道，中间的一条巷道作为回采巷道(50)或充填留巷(11)，两边的两条巷道作为回采巷道(50)；
其中，对所述短-长壁间断充填无煤柱开采工作面中的准备工作面(44)进行开采的方法为采用综合机械化采煤工艺对准备工作面(44)进行开采；采用综合机械化采煤工艺对准备工作面(44)进行开采时，每次在达到封存空间最大宽度Lmax之前，就采用充填材料进行平行于大巷(10)方向的条带式充填，形成多个间隔充填体(6)，直至长壁开采工作面(2)开采完毕；
当假设基本顶为板式断裂时，根据公式
计算充填侧壁最大间隔宽度Lmax；
当假设基本顶为梁式断裂时，根据公式
计算充填侧壁最大间隔宽度Lmax；
其中，Lmax的单位为m；w为组成基本顶各岩层总厚度，单位为m；hi为基本顶往上第i层岩层厚度，单位为m，i的取值为1～n的自然数，n为基本顶往上岩层的总层数；h1为基本顶厚度，单位为m；μ为基本顶泊松比；RT为煤层基本顶岩层的抗拉强度，单位为MPa；γi为基本顶往上第i层岩层容重，单位为MN/m3；Ei为基本顶往上第i层岩层弹性模量，单位为MPa；E1为基本顶弹性模量，单位为MPa。
9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤303中所述连接碱基固废及CO2管道输送系统的方法包括以下三种情况：
情况一、当待封存的CO2全部为气态时，具体过程为：
步骤303A1、在位于所述CO2封存空间一侧的短条带充填体(12)的下部插入伸入所述CO2封存空间内的CO2输送管道(1)，并在CO2输送管道(1)上连接CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)，并将CO2输送管道(1)与设置在地面上的CO2储气罐(17)连接；
步骤303A2、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体(12)的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道(3)和碱基固废输送管道(2)，并在CO2输送管道(1)上连接排气控制阀(23)，将碱基固废输送管道(2)连接到地面上的制浆站(24)，并在碱基固废输送管道(2)上连接碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)；
情况二、当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，具体过程为：
步骤303B1、在位于所述CO2封存空间一侧的短条带充填体(12)的下部插入伸入所述CO2封存空间内的CO2输送管道(1)，并在CO2输送管道(1)上连接CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)，并将CO2输送管道(1)与设置在地面上的CO2储气罐(17)连接；
步骤303B2、将液态CO2输送管道(4)上连接液态CO2输送泵(22)和液态CO2输送控制阀(21)，并将液态CO2输送管道(4)与液态CO2储液罐相连；
步骤303B3、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体(12)的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道(3)和碱基固废输送管道(2)，并在CO2排气管道(3)上连接排气控制阀(23)，将碱基固废输送管道(2)连接到地面上的制浆站(24)，并在碱基固废输送管道(2)上连接碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)；
情况三、当待封存的CO2全部为液态时，具体过程为：
步骤303C1、将液态CO2输送管道(4)上连接液态CO2输送泵(22)和液态CO2输送控制阀(21)，并将液态CO2输送管道(4)与液态CO2储液罐相连；
步骤303C2、在位于所述CO2封存空间另一侧的短条带充填体(12)的上部插入伸入所述CO2封存空间内的排气管道(3)和碱基固废输送管道(2)，并在CO2排气管道(3)上连接排气控制阀(23)，将碱基固废输送管道(2)连接到地面上的制浆站(24)，并在碱基固废输送管道(2)上连接碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)；
步骤304中所述连接CO2封存监控系统的方法包括以下三种情况：
情况一、当待封存的CO2全部为气态时，具体过程为：
步骤304A1、在CO2输送管道(1)上连接进气压力传感器(28)、进气流量传感器(29)和进气温度传感器(30)；
步骤304A2、在排气管道(3)上连接排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)和排气温度传感器(33)；
步骤304A3、在碱基固废输送管道(2)上连接碱基固废流量传感器(34)；
步骤304A4、在充填留巷(11)的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)；
步骤304A5、在充填留巷(11)的底部排水沟内设置PH传感器(52)以及金属离子浓度传感器(53)；
步骤304A6、将进气压力传感器(28)、进气流量传感器(29)、进气温度传感器(30)、排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)、排气温度传感器(33)、碱基固废流量传感器(34)、PH传感器(52)、金属离子浓度传感器(53)、巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)的输出端均与控制器(27)的输入端连接；
步骤304A7、将CO2进气泵(18)、CO2进气控制阀(19)、排气控制阀(23)、碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)均与控制器(27)的输出端连接；
情况二、当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，具体过程为：
步骤304中所述连接CO2封存监控系统的具体过程为：
步骤304B1、在CO2输送管道(1)上连接进气压力传感器(28)、进气流量传感器(29)和进气温度传感器(30)；
步骤304B2、在液态CO2输送管道(4)上连接液态CO2压力传感器(39)、液态CO2温度传感器(40)和液态CO2流量传感器(41)；
步骤304B3、在排气管道(3)上连接排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)和排气温度传感器(33)；
步骤304B4、在碱基固废输送管道(2)上连接碱基固废流量传感器(34)；
步骤304B5、在充填留巷(11)的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)；
步骤304B6、在充填留巷(11)的底部排水沟内设置PH传感器(52)以及金属离子浓度传感器(53)；
步骤304B7、将进气压力传感器(28)、进气流量传感器(29)、进气温度传感器(30)、排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)、排气温度传感器(33)、碱基固废流量传感器(34)、液态CO2压力传感器(39)、液态CO2温度传感器(40)和液态CO2流量传感器(41)、PH传感器(52)、金属离子浓度传感器(53)、巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)的输出端均与控制器(27)的输入端连接；
步骤304B8、将CO2进气泵(18)、CO2进气控制阀(19)、排气控制阀(23)、液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)、碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)均与控制器(27)的输出端连接；
情况三、当待封存的CO2全部为液态时，具体过程为：
步骤304C1、在液态CO2输送管道(4)上连接液态CO2压力传感器(39)、液态CO2温度传感器(40)和液态CO2流量传感器(41)；
步骤304C2、在排气管道(3)上连接排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)和排气温度传感器(33)；
步骤304C3、在碱基固废输送管道(2)上连接碱基固废流量传感器(34)；
步骤304C4、在充填留巷(11)的巷道内设置巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)；
步骤304C5、在充填留巷(11)的底部排水沟内设置PH传感器(52)以及金属离子浓度传感器(53)，
步骤304C6、将排气CO2浓度传感器(31)、排气压力传感器(32)、排气温度传感器(33)、碱基固废流量传感器(34)、液态CO2压力传感器(39)、液态CO2温度传感器(40)和液态CO2流量传感器(41)、PH传感器(52)、金属离子浓度传感器(53)、巷道内CO2浓度传感器(35)、巷道内CO浓度传感器(36)、巷道内CH4浓度传感器(37)和巷道内O2浓度传感器(38)的输出端均与控制器(27)的输入端连接；
步骤304C7、将排气控制阀(23)、液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)、碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)均与控制器(27)的输出端连接。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤四中所述将待处置的碱基固废和待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法包括将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法和将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法，其中，将待处置的碱基固废输送到CO2封存结构中的方法包括以下三种情况：
情况I、当待处置的碱基固废需要全部以固体状态存放入CO2封存结构中时，打开密封门(13)，直接将碱基固废存放入CO2封存结构中；
情况II、当待处置的碱基固废需要全部以浆体状态存放入CO2封存结构中时，启动进浆按钮(42)，控制器(27)控制碱基固废输送泵(25)、碱基固废输送控制阀(26)，制浆站(24)处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道(2)进入所述CO2封存空间内；
情况III、当待处置的碱基固废需要部分以固体状态存放入CO2封存结构中，部分以浆体状态存放入CO2封存结构中时，先打开密封门(13)，将固体状态的碱基固废存放入CO2封存结构中，再启动进浆按钮(42)，控制器(27)控制碱基固废输送泵(25)和碱基固废输送控制阀(26)打开，制浆站(24)处理后的浆体状态的碱基固废通过碱基固废输送管道(2)进入所述CO2封存空间内；
其中，将待封存的CO2输送到CO2封存结构中的方法包括以下三种情况：
情况一、当待封存的CO2全部为气态时，将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中；
情况二、当待封存的CO2部分为气态、部分为液态时，将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中，将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中，两种状态的CO2输送同时进行或一先一后进行；
情况三、当待封存的CO2全部为液态时，将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中；
所述将气态的待封存的CO2以气态的形式输送到CO2封存结构中的方法为：启动CO2进气按钮(43)，控制器(27)控制CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)打开，并控制排气控制阀(23)打开，CO2储气罐(17)内的CO2气体通过CO2输送管道(1)进入所述CO2封存空间内；进气过程中，进气压力传感器(28)对进气压力进行实时检测，进气流量传感器(29)对进气流量进行实时检测，进气温度传感器(30)对进气温度进行实时检测，排气CO2浓度传感器(31)对排气管道(3)内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器(32)对排气管道(3)内的压力进行实时检测，排气温度传感器(33)对排气温度进行实时检测；当排气管道(3)内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器(27)控制排气控制阀(23)关闭，停止排气；当排气管道(3)内的压力达到预设的上限压力值时，控制器(27)控制CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)关闭，停止进气；
所述将液态的待封存的CO2以液态的形式输送到CO2封存结构中的方法为：启动CO2进液按钮(51)，控制器(27)控制液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)及碱基固废输送控制阀(26)打开，并控制排气控制阀(23)打开，CO2储液罐(17)内的CO2液体通过液态CO2输送管道和碱基固废输送管道(1)进入所述CO2封存空间内；进液过程中，排气CO2浓度传感器(31)对排气管道(3)内的CO2浓度进行实时检测，排气压力传感器(32)对排气管道(3)内的压力进行实时检测，排气温度传感器(33)对排气温度进行实时检测，液态CO2压力传感器(39)对液态CO2压力进行实时检测，液态CO2温度传感器(40)对液态CO2温度进行实时检测，液态CO2流量传感器(41)对液态CO2流量进行实时检测；当排气管道(3)内的CO2浓度超过预设的CO2浓度值时，控制器(27)控制排气控制阀(23)关闭，停止排气；当液态CO2流量达到上限压力值时，控制器(27)控制液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)及碱基固废输送控制阀(26)关闭，停止进液态CO2；当排气管道(3)内的压力达到预设的上限压力值时，控制器(27)控制液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)及碱基固废输送控制阀(26)关闭，停止进液态CO2；
进入CO2封存结构中的固体碱基固废或者浆体状态的碱基固废、短条带充填体(12)、间隔充填体(6)与气态CO2或者液态CO2相互发生矿化反应，如反应式(F1)、(F2)、(F3)、(F4)、(F5)：
CaO+H2O→Ca(OH)2 (F1)
MgO+H2O→Mg(OH)2 (F2)
Mg(OH)2+CO2→MgCO3+H2O (F3)
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O (F4)
2CaO·SiO2+2H2O→CaO·SiO2·H2O+Ca(OH)2 (F5)
CaO·SiO2·H2O+CO2→CaCO3+SiO2·H2O (F6)
反应初期主要是固体碱基固废或者浆体状态的碱基固废、短条带充填体(12)、间隔充填体(6)中β-C2S和水化产生的Ca和Mg等氧化物与CO2发生矿化反应，形成C-S-H以及CaCO3、MgCO3填于碱基固废孔隙中，快速增强充填体强度，加速充填体养护；随着反应的进一步发生，C-S-H与CO2发生反应生成无定形硅胶SiO2·H20，如反应式(F6)所示；无定形SiO2充当充填体的胶凝材料，CaCO3充当充填体的再生骨料，提高充填体的密实程度和强度，有效提高充填体的力学性能、耐久性；一方面快速矿化反应缩短充填体养护周期，间隔充填体(6)以及短条带充填体(12)可快速支撑顶板，保证CO2封存结构的稳定性，另一方面将CO2以无机碳酸盐的形式永久封存于碱基固废、短条带充填体(12)及间隔充填体(6)中；
反应使得CO2封存结构中的压力降低，当排气管道(3)内的压力降低到预设的下限压力值时，控制器(27)控制CO2进气泵(18)和CO2进气控制阀(19)打开，或控制器(27)控制CO2进气泵(18)、CO2进气控制阀(19)、液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)和碱基固废输送控制阀(26)打开，或控制器(27)控制液态CO2输送泵(22)、液态CO2输送控制阀(21)和碱基固废输送控制阀(26)打开，继续进气。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN114954785A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-30 | 河南大学 | 一种基于海洋碳封存的鱼雷锚及其安装方法 |
| CN115095387A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-09-23 | 中南大学 | 一种利用充填料封存井下回风巷co2的方法 |
| WO2024041668A1 (zh) * | 2022-08-23 | 2024-02-29 | 平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司 | 一种基于废弃矿井采空区的co2区块化封存方法 |
-
2021
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114954785A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-30 | 河南大学 | 一种基于海洋碳封存的鱼雷锚及其安装方法 |
| CN114954785B (zh) * | 2022-05-19 | 2023-05-16 | 河南大学 | 一种基于海洋碳封存的鱼雷锚及其安装方法 |
| CN115095387A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-09-23 | 中南大学 | 一种利用充填料封存井下回风巷co2的方法 |
| WO2024041668A1 (zh) * | 2022-08-23 | 2024-02-29 | 平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司 | 一种基于废弃矿井采空区的co2区块化封存方法 |
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