CN115095387A - 一种利用充填料封存井下回风巷co2的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，通过将不同类型、比例的工/矿业固体废弃物作为充填骨料，添加适当的胶结剂，并以一定比例与水混合形成均质充填料浆后，泵送或自流至井下采空区，同时通过压缩机将上游含有CO2的污风引入充填区并使其保持较高CO2浓度的状态，在此过程中采用分层充填方法，使充填料浆与CO2反应实现高效、安全的矿化封存CO2。本发明的原理简单，普适性强，通过优化骨料、胶凝材料配比以及改善力学性能的辅料，制备各龄期强度满足充填要求同时具有高效吸收CO2性能的充填体，从而在综合处理工业固废和处理井下采空区的同时，为资源回收利用、减少矿山碳排放和绿色矿山发展提供新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及固废综合利用及矿山井下充填和CO2矿物封存一体化技术领域，具体涉及一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法。
背景技术
矿物碳酸化(MC)封存二氧化碳作为一种碳捕集与封存(CCS)的替代方法，该技术被认为在不久的将来具有减少温室气体排放、缓解全球气候变暖具有重大开发潜力。矿物碳酸化模拟天然硅酸盐岩石的风化过程，主要是利用矿石中金属氧化物与二氧化碳在一定条件下反应生成极其稳定的碳酸盐，具有低污染、永久性和无泄漏性的特点。矿物碳酸化所需的原料除了天然碱基硅酸盐岩石外，矿石开采带来的采掘废石、选矿产生的尾砂及冶炼排出的矿渣、石膏等大宗工/矿业固废赋存的高碳酸化活性对提高二氧化碳矿物封存具有一定的竞争力。
目前有助于减少二氧化碳排放的矿物封存技术包括原位矿物封存和异位矿物封存。例如，公开号为CN101190743的中国发明专利公开了一种基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，将含有CO2的混合流体注入深部卤水层进行地质封存；公开号为CN102120588B的中国发明专利公开了一种矿物碳化吸收固定二氧化碳的方法，将矿物碳化吸收固定二氧化碳与含方英石杂质的钙基膨润土矿深加工相结合；公开号为CN106904616A的中国发明专利公开了一种二氧化碳地质封存结构和封存方法，集中回收二氧化碳并将其与地下废弃油田、气田的水生成固态的二氧化碳水合物。上述相关技术，其工艺流程涉及CO2捕获、运输、注入、监测等阶段，对CO2气源捕获的较高势必导致封存成本的提高。而矿山行业作为高能耗和高碳排放的代表，上述相关技术尚未得到广泛推广。本发明将具有碳吸附潜力的工/矿业固废材料与矿物封存结合可以更好地协助矿山实现零碳排放目标，促进绿色矿山发展。
发明内容
本发明针对以上问题提供了一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，将工/矿业产生的固废回收处理形成复合充填材料，制备成均质充填料浆后输送至井下采空区，再将井下工作面开采、活动产生的污风引入采空区，同时采用分层充填方法，建立复合充填材料矿化过程与充填工艺时空协同技术。在实现固废回收充填与矿物封存减少二氧化碳排放相结合的基础上，达到实现绿色、安全矿山建设的目标。
为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，包括以下步骤：
(1)沿矿体走向或垂直矿体走向布置矿房和矿柱，其中，矿房和矿柱为多个，每一矿房位于两个矿柱之间；开采顺序从下风向开始，先对矿房进行回采充填，再对矿柱进行回采充填，其中，所述矿房和矿柱回采完成后形成采空区；
(2)在采空区的上下分段联络道处，靠近中段大巷的上风向一侧安装压缩机和CO2注入管，在下风向一侧安装CO2排放管；
(3)将不同工/矿业固体废弃物按一定比例配置成一定浓度的充填料浆；
(4)利用自流或充填工业泵将制备好的料浆通过充填管道经充填钻孔输送至中段大巷，进而输送至采空区；
(5)利用压缩机持续地将井下污风通过CO2注入管注入采空区，待充满采空区后通过CO2排放管释放吸收过后的回风，期间保持采空区处于一定的CO2浓度；
(6)CO2充注过程中，采用分层充填方法进行井下采空区充填；
(7)重复步骤(2)至步骤(6)对其他矿房进行回采和充填，然后待矿房充填体达到强度要求后，再按照和矿房一样的方法对矿柱进行回采与充填。
优选地，所述步骤(3)包括以下步骤：
①将矿山选厂排尾点排出的低浓度全粒级尾砂浆通过水力输送运输至浓密设备进行深度浓缩处理，然后将浓缩后的上层澄清液排至选厂或充填搅拌桶进行循环利用，选取下层一定质量浓度的全尾砂料浆作为充填骨料；选取部分一定质量浓度的全尾砂料浆样品，将其充分搅拌均匀，多次取样测量样品含水率后取平均值，得到充填骨料的平均含水率；
②根据充填工艺所需均质充填料浆的水泥含量和质量浓度要求，以及充填骨料的平均含水率和预设质量，得出尾水和普通硅酸盐水泥的质量；将充填骨料、尾水和普通硅酸盐水泥作为充填胶结剂，通过大流量搅拌装置混合均匀，形成均质充填料浆。
优选地，所述得出尾水和普通硅酸盐水泥的质量的计算公式如下：
其中，m％为均质充填料浆的水泥含量，n％为均质充填料浆的质量浓度，x％为充填骨料的平均含水率，a为充填骨料的预设质量，c为普通硅酸盐水泥的质量，b为尾水的质量，其中，m取5～15，n取71以上。
优选地，称取对CO2吸附性强的工/矿业固废，按照一定比例替换尾砂作为充填骨料。
优选地，所述对CO2吸附性强的工/矿业固废包括磷石膏。
优选地，将矿渣替换部分普通硅酸盐水泥。
优选地，所述浓密设备包括深锥浓密机、立式/卧式砂仓或陶瓷过滤机。
优选地，所述步骤(6)包括：
在CO2充注过程中，将采空区1沿高度划分3-5部分，料浆充填至采空区1每一部分完成后间隔3-7天，同时随着料浆高度的增加，降低所配制的料浆的水泥含量。
本发明的有益技术效果是：
1)本发明提供的方法，适用于CO2矿物封存领域，将工/矿业固废综合利用及矿山井下充填和CO2矿物封存相结合；该方法体现充填工艺与矿物封存一体化技术，是CO2矿物封存的延伸和突破。
2)本发明提供的方法，降低地质封存对CO2的浓度要求，缩减成本，减少碳捕集过程带来的工艺复杂性。
3)本发明提供的方法，通过优化复合充填材料的种类及配比提升碳吸收能力、弥补强度的部分丢失，不仅减少了环境污染，也有利于未来降低逐渐增长的碳税成本，进一步推动绿色矿山建设。
附图说明
图1为本发明方法的CO2封存示意图；
图2为本发明实施例1的井下通风结构示意图；
图3为本发明方法实施例1的CO2封存示意图。
图中标号说明如下：
1、压入式主要通风机，3、主井，4、-230m中段，5、-270m中段，6、-330m中段，7、-380m中段，8、风门，9、料浆泵站，10、充填钻孔，11、中段大巷，12、矿脉进巷，14、CO2注入管，15、压缩机，16、CO2排放管，18、辅助斜坡道，19、采准斜坡道，20、中段回风井，21、回风井，22、回风口，23、工作面，24、矿房(回采后形成采空区)，25、矿柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
请参照图1，本发明提出的一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，包括以下步骤：
(1)沿矿体走向布置矿房24和矿柱25，其中，矿房24和矿柱25为多个，每一矿房24位于矿柱25之间；开采顺序从下风向开始，先对矿房24进行回采充填，再对矿柱25进行回采充填，其中，所述矿房24和矿柱25采空后形成采空区；
(2)在采空区的上下分段联络道处，靠近中段大巷11的上风向一侧安装压缩机15和CO2注入管14，在下风向一侧安装CO2排放管16；
(3)将不同工/矿业固体废弃物按一定比例配置成一定浓度的充填料浆；
(4)利用自流或充填工业泵将制备好的料浆通过充填管道经充填钻孔10输送至中段大巷11，进而输送至采空区；
(5)利用压缩机15持续地将井下污风通过CO2注入管14注入采空区，待充满采空区后通过CO2排放管16释放吸收过后的回风，期间保持采空区处于一定的CO2浓度；
(6)CO2充注过程中，采用分层充填方法进行井下采空区充填；
(7)重复步骤(2)至步骤(6)对其他矿房24进行回采和充填，然后待矿房24充填体达到强度要求后，再按照和矿房24一样的方法对矿柱25进行回采与充填。
请参照图2，通风方式为：将新风主要由压入式主要通风机1经主井3输送至各中段(比如-230m中段4，-270m中段5，-330m中段6，-380m中段7)，或通过辅助斜坡道18输送至-380m中段7，通过风门8确保工作中段风流流向，再通过中段大巷11输送至井下工作面23(也即施工区域)等，产生的污风经处理后形成回风，各中段回风从中段回风井20经回风井21抵达回风口22后排放到地表。
实施例1
本发明实施例1提出的一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，包括以下步骤：
(1)划分采场，沿矿体走向布置如图3所示的矿房24、矿柱25；矿房的开采顺序沿逆风流方向，矿房24和矿柱25依次相连(隔一采一)；所述矿房24采空后形成的采空区即为CO2封存区域；
(2)隔离采空区，施工充填体隔离挡墙和脱水管；构建CO2充注管井，选择靠近中段大巷11的上风向一侧，在上下分段联络道处安装压缩机15和CO2注入管14，在下风向安装CO2排放管16；
(3)将铜矿选厂排尾点排出的低浓度全粒级尾砂浆通过水力输送运输至深锥浓密机、立式/卧式砂仓或陶瓷过滤机等浓密设备进行深度浓缩处理，然后将浓缩后的上层澄清液排至选厂或充填搅拌桶进行循环利用，选取下层较高质量浓度的全尾砂料浆作为充填骨料；选取部分高质量浓度全尾砂料浆样品，将其充分搅拌均匀，多次测量样品含水率后取平均值，即为样品平均含水率18.84％；其中，全尾砂的主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O及K2O等；
(4)根据充填工艺要求，制备普通硅酸盐水泥(标号42.5)含量10％，质量浓度75％的均质充填料浆；
(5)制备好的料浆通过料浆泵站9(或自流)经充填钻孔10输送进入中段大巷11，再通过充填管道将料浆输入采空区；
(6)根据通风设计，将上流风向的污风引入并充满采空区，保持采空区整体较高浓度的CO2状态，回风由CO2排放管16排出；
(7)CO2充注过程中，将不同水泥含量的料浆实施分层充填，将充填区域(也即采空区)沿高度划分为3-5部分，料浆充填至充填区域每一部分完成后间隔3-7天，同时随着料浆高度的增加，所配制的料浆水泥含量可适当降低(底部较高水泥含量，顶部较低水泥含量)。在充填的过程中，为提高充填体的强度和对矸石的利用，还可以用铲运机向采空区内充填生产过程中产生的矸石；
(8)由于充填料浆的充填及养护周期为3个月，因此，回采和充填矿房24时先对偶数/奇数矿房进行回采和充填，然后待偶数/奇数矿房24充填体达到强度要求后，再对奇数/偶数矿房进行回采与充填；待所有矿房24充填体达到强度要求后，再按照和矿房24一样的方法对矿柱25进行回采与充填；
(9)分别在充填至井下的3天、7天及28天时，对井下充填体进行钻孔取样，并将其制作成表面平整的充填体试块；每个龄期钻孔3次，每个钻孔制作3组充填体试块，合计9组充填体试块，取其平均值作为该龄期充填体抗压强度；
(10)对上述获得的试块进行热重分析得出样品中碳酸钙产物含量，以此来表征吸收CO2的量，计算方法如下：
其中，ΔW105℃表示样品在105℃时的干重，ΔW600-800℃表示在600-800℃温度范围内，CO2矿化后的干重之差。
实施例2
按照实施例1的方法，将步骤(4)修改为制备水泥含量15％，质量浓度75％的均质充填料浆，其他步骤不变。
实施例3
按照实施例1的方法，将已知铜矿尾砂替换为含水率14.89％的磷石膏，其他步骤不变，制备水泥含量15％，质量浓度71％的均质充填料浆；其中，磷石膏的主要化学成分为CaO、SiO2、P2O5、Al2O3、F、MgO、K2O等。
实施例4
按照实施例3的方法，将矿渣替换部分普通硅酸盐水泥(标号42.5)，其他步骤不变，制备胶结材料含量15％，质量浓度71％的均质充填料浆；其中，矿渣的主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O及Fe2O3等。
对比例1
按照实施例1的方法，将步骤(2)、(6)、(7)省去，制备相同的均质充填料浆，其他步骤不变。
对比例2
按照实施例2的方法，将步骤(2)、(6)、(7)省去，制备相同的均质充填料浆，其他步骤不变。
对比例3
按照实施例3的方法，将步骤(2)、(6)、(7)省去，制备相同的均质充填料浆，其他步骤不变。
对比例4
按照实施例4的方法，将步骤(2)、(6)、(7)省去，制备相同的均质充填料浆，其他步骤不变。
将实施例及对比例所制备的充填体进行不同龄期的抗压强度测试，结果如表1。
表1实施例1-4及对比例1-4所制备的充填体在不同龄期的抗压强度
| 实例 | 3天抗压强度(MPa) | 7天抗压强度(MPa) | 28天抗压强度(MPa) |
| 实施例1 | 0.72 | 0.89 | 1.22 |
| 实施例2 | 1.13 | 1.60 | 1.89 |
| 实施例3 | 0.28 | 0.66 | 1.01 |
| 实施例4 | 0.14 | 0.70 | 1.94 |
| 对比例1 | 0.61 | 0.82 | 1.58 |
| 对比例2 | 0.98 | 1.27 | 2.05 |
| 对比例3 | 0.41 | 0.52 | 0.98 |
| 对比例4 | 0.13 | 1.0 | 2.03 |
大多矿山要求28天的充填体强度为0.7-3.0MPa。由上表可以看出，实施例1-4的28天强度均满足矿山空区处理的强度要求。通过对比实施例1、实施例2与对比例1、对比例2，发现碳化对于充填体前期强度有所提高，对于较高水泥含量前期强度增长较大，但碳化后期强度增长变缓。对比实施例3、实施例4和对比例3、对比例4，磷石膏作为骨料强度稍低，添加矿渣部分替换水泥后，虽然前期强度形成较慢，但后期强度增长较大。
将实施例1-4所制备的充填体进行不同龄期的热重结果测试，计算CO2吸收量，结果如表2。
表2实施例1-4所制备的充填体在28天的CO2吸收量
| 实例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| CO<sub>2</sub>吸收量(％) | 7.23 | 7.84 | 13.80 | 10.28 |
由上表可以看出，以磷石膏作为充填骨料的充填体在井下环境能够吸收更多的二氧化碳，这主要由于所选骨料的碱性金属氧化物CaO、MgO含量较高，其制备的每吨充填体在28天龄期便可以大约吸收138.0kg CO2，按照井下污风二氧化碳浓度1.5％计算，相当于处理约4600m3的污风，说明井下充填体具有矿物封存二氧化碳的潜力。因此，可以在具体实施过程中，通过优化充填不同骨料的配比方案，来降低水泥成本，提高CO2吸收能力的同时达到满足井下采空区处理的强度要求。
以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)沿矿体走向或垂直矿体走向布置矿房和矿柱，其中，矿房和矿柱为多个，每一矿房位于两个矿柱之间；开采顺序从下风向开始，先对矿房进行回采充填，再对矿柱进行回采充填，其中，所述矿房和矿柱回采完成后形成采空区；
(2)在采空区的上下分段联络道处，靠近中段大巷的上风向一侧安装压缩机和CO2注入管，在下风向一侧安装CO2排放管；
(3)将不同工/矿业固体废弃物按一定比例配置成一定浓度的充填料浆；
(4)利用自流或充填工业泵将制备好的料浆通过充填管道经充填钻孔输送至中段大巷，进而输送至采空区；
(5)利用压缩机持续地将井下污风通过CO2注入管注入采空区，待充满采空区后通过CO2排放管释放吸收过后的回风，期间保持采空区处于一定的CO2浓度；
(6)CO2充注过程中，采用分层充填方法进行井下采空区充填；
(7)重复步骤(2)至步骤(6)对其他矿房进行回采和充填，然后待矿房充填体达到强度要求后，再按照和矿房一样的方法对矿柱进行回采与充填。
2.根据权利要求1所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
①将矿山选厂排尾点排出的低浓度全粒级尾砂浆通过水力输送运输至浓密设备进行深度浓缩处理，然后将浓缩后的上层澄清液排至选厂或充填搅拌桶进行循环利用，选取下层一定质量浓度的全尾砂料浆作为充填骨料；选取部分一定质量浓度的全尾砂料浆样品，将其充分搅拌均匀，多次取样测量样品含水率后取平均值，得到充填骨料的平均含水率；
②根据充填工艺所需均质充填料浆的水泥含量和质量浓度要求，以及充填骨料的平均含水率和预设质量，得出尾水和普通硅酸盐水泥的质量；将充填骨料、尾水和普通硅酸盐水泥作为充填胶结剂，通过大流量搅拌装置混合均匀，形成均质充填料浆。
3.根据权利要求2所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，所述得出尾水和普通硅酸盐水泥的质量的计算公式如下：
其中，m％为均质充填料浆的水泥含量，n％为均质充填料浆的质量浓度，x％为充填骨料的平均含水率，a为充填骨料的预设质量，c为普通硅酸盐水泥的质量，b为尾水的质量，其中，m取5～15，n取71以上。
4.根据权利要求2所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，称取对CO2吸附性强的工/矿业固废，按照一定比例替换尾砂作为充填骨料。
5.根据权利要求2所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，所述对CO2吸附性强的工/矿业固废包括磷石膏。
6.根据权利要求2所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，将矿渣替换部分普通硅酸盐水泥。
7.根据权利要求2所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，所述浓密设备包括深锥浓密机、立式/卧式砂仓或陶瓷过滤机。
8.根据权利要求1所述的利用充填料封存井下回风巷CO2的方法，其特征在于，所述步骤(6)包括：
在CO2充注过程中，将采空区1沿高度划分3-5部分，料浆充填至采空区1每一部分完成后间隔3-7天，同时随着料浆高度的增加，降低所配制的料浆的水泥含量。
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