CN117365633A - 一种二氧化碳充填方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二氧化碳封存技术领域，公开了一种二氧化碳充填方法，包括：通过制备固碳充填材料，对二氧化碳进行固定，随后将二氧化碳充填材料送至井下采空区；其中，二氧化碳充填材料的制备方法，包括：直接湿法矿化法与间接矿化法；直接湿法矿化法包括：向搅拌罐中输送矿化原料、胶凝材料与煤基骨料进行搅拌混合，并向搅拌罐中泵入二氧化碳与水，制得二氧化碳充填材料，将二氧化碳充填材料通过充填工业泵送入井下采空区；间接矿化法包括：将胶凝材料、煤基骨料输送至搅拌罐，将矿化原料进行矿化后输送至搅拌罐，搅拌制得二氧化碳充填材料，将二氧化碳充填材料泵入井下采空区。本发明提供了突破煤炭可持续开发利用的重要途径。

Description

一种二氧化碳充填方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳封存技术领域，特别是涉及一种二氧化碳充填方法。
背景技术
煤炭作为我国的基础能源物质其生产和使用过程中会产生诸如煤矸石、粉煤灰、气化灰渣等大宗固体废弃物，据测算，露天、井采每采万吨煤炭排放煤矸石2.0-6.1万m3；煤转化电每万MW排放粉煤灰500t，煤转化油(气)每万t排放气化渣等固体废弃物0.25万t。煤基固废的大量堆存和填埋不仅占用大量的土地资源，而且严重污染水、空气和土壤，对人类生存环境造成威胁，是亟需治理的重大污染源。
根据我国煤炭开采总量可以预计，在2030年仅煤矿地下采空区将达到234.52亿m3左右。直接关闭这些矿井不仅造成现有资源(地下空间)巨大浪费，而且废弃矿井中采空区的遗留，很有可能诱发安全、环境以及社会问题。如何充分发挥我国已有大范围煤矿采空区的特点，以煤矿采空区作为CO2封存空间，利用煤基固废等制备CO2吸附封存材料，实现CO2安全封存，是规模化处置固废，解决固废对环境造成严重污染的重要途径。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种二氧化碳充填方法，采用如下技术方案：
通过制备固碳充填材料，对二氧化碳进行固定，随后将所述二氧化碳充填材料送至井下采空区；其中，所述二氧化碳充填材料的制备方法，包括：直接湿法矿化法与间接矿化法；
所述直接湿法矿化法包括：向搅拌罐中输送矿化原料、胶凝材料与煤基骨料进行搅拌混合，并向所述搅拌罐中泵入二氧化碳与水，制得二氧化碳充填材料，将所述二氧化碳充填材料通过充填工业泵送入井下采空区；
所述间接矿化法包括：将胶凝材料、煤基骨料输送至所述搅拌罐，将矿化原料进行矿化后输送至所述搅拌罐，搅拌制得二氧化碳充填材料，将所述二氧化碳充填材料泵入井下采空区。
进一步地，所述直接湿法矿化法具体为：在搅拌罐中放入矿化原料，在加水搅拌过程中持续通入二氧化碳气体，生成碳酸盐沉淀；
混入胶凝材料和煤基骨料，停止通入二氧化碳气体，继续加水搅拌，此时生成碳酸盐；
通过控制料浆浓度和加入外加剂，制备出所述二氧化碳充填材料，输送至矿井采空区。
进一步地，所述间接矿化法具体为：
在浸出塔加入矿化原料和浸出剂，加水搅拌，得到钙镁离子混合浆液；
将所述钙镁离子混合浆液送至二氧化碳矿化罐，通入二氧化碳气体，同时加入碱液调节pH值，得到浸出剂溶液与矿化物沉淀；
停止加入二氧化碳和碱液，静止分离出浸出剂溶液由泵送回到所述浸出塔，矿化沉淀物通过所述充填工业泵送至所述搅拌罐作为细骨料和替代部分胶凝材料；
向搅拌罐混入胶凝材料、煤基骨料以及外加剂，加水搅拌充分混合，制备出二氧化碳充填材料，输送至矿井采空区。
进一步地，所述胶凝材料为水泥，所述煤基骨料为砾石、沙子与煤矸石中的一种或几种；所述外加剂为减水剂与缓凝剂
进一步地，所述二氧化碳充填材料到达充填区域后，接入二氧化碳分离装置，二氧化碳充填材料中的二氧化碳大气泡从料浆逸散，并通过管道输送至井下封存区，稳定状态的二氧化碳充填材料被输送至充填区域。
进一步地，所述二氧化碳充填材料的充填方法包括：带式巷道胶结充填和综采架后胶结充填。
进一步地，所述条带式巷道胶结充填，包括：
以“四阶段”采充工艺为例，将第二阶段条带作为弱充填条带，注入功能性充填材料，并在充填过程中预埋二氧化碳注气筛管；
在条带充填体两端面隔离墙的隔绝作用下，将解析的二氧化碳通过筛管注入弱充填体中，二氧化碳与多孔隙充填体共同构成二氧化碳储集体。
进一步地，所述综采架后胶结充填，包括：
在充填支架后方用二氧化碳充填材料间断构筑充填柱，相邻强充填柱、底板岩层和盖层共同构成一个二氧化碳储库，所述二氧化碳储库直接充注二氧化碳，进行物理封存，或通过地面钻孔或邻位钻孔向储库中充注二氧化碳矿化材料，进行物理化学协同封存。
本发明公开了一种二氧化碳充填方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题，提出了二氧化碳充填的理念；在二氧化碳充填基础理论方面，充填料浆主要由气固液三相构成，其输运过程涉及到多相流动，可能会出现沉降分层等现象，可采用实验或多相流数值算法进行研究；矿化反应过程包括水化和矿化反应，反应速率是CO2扩散速率、CO2和钙镁离子溶解速率及矿化反应速率的综合体现，受到充填体活性成分分布、温度、湿度、CO2浓度和压力等多因素的影响，后续需对多元固废充填材料内的矿化封存机理进行详细探讨；此外，给出了碳封存量的计算方法；并从反应进程和孔隙结构变化角度分析了充填体强度的形成机理；提出了采用直接湿法矿化和间接矿化两种制备CO2充填材料的方法，制备过程采用先矿化后配浆的工艺路线；提出了CO2条带式巷道胶结充填和CO2综采架后胶结充填等两种方法，用于封存解析的CO2，前者需要研发多贯通孔隙吸附性弱充填材料，后者需要开发链式自行充填挡板，建立长壁工作面采空区间断充填下的矿压理论；界定了CO2充填中碳足迹及碳消纳的计算边界，梳理了包括原料开采、运输、加工、注入、固化等阶段CO2充填过程中的碳足迹及碳消纳，给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例直接湿法矿化法制备CO2充填材料工艺示意图；
图2是本发明实施例间接矿化法制备CO2充填材料工艺示意图；
图3是本发明实施例CO2充填方式示意图；
图4是本发明实施例CO2条带式巷道胶结充填示意图；
图5是本发明实施例综采架后间断充填方法示意图。
具体实施方式
下面将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他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-5所示，本发明优选实施例的一种二氧化碳充填方法，包括：通过制备固碳充填材料，对二氧化碳进行固定，随后将所述二氧化碳充填材料送至井下采空区；其中，所述二氧化碳充填材料的制备方法，包括：直接湿法矿化法与间接矿化法；
所述直接湿法矿化法包括：向搅拌罐中输送矿化原料、胶凝材料与煤基骨料进行搅拌混合，并向所述搅拌罐中泵入二氧化碳与水，制得二氧化碳充填材料，将所述二氧化碳充填材料通过充填工业泵送入井下采空区；
所述间接矿化法包括：将胶凝材料、煤基骨料输送至所述搅拌罐，将矿化原料进行矿化后输送至所述搅拌罐，搅拌制得二氧化碳充填材料，将所述二氧化碳充填材料泵入井下采空区。
在其中一些实施例中，所述直接湿法矿化法具体为：在搅拌罐中放入矿化原料，在加水搅拌过程中持续通入二氧化碳气体，生成碳酸盐沉淀；
混入胶凝材料和煤基骨料，停止通入二氧化碳气体，继续加水搅拌，此时生成碳酸盐；
通过控制料浆浓度和加入外加剂，制备出所述二氧化碳充填材料，输送至矿井采空区。
需要说明的是，直接湿法矿化法制备CO2充填材料工艺示意图。该方法是料浆搅拌过程中直接通入CO2，在水解作用下，碳酸根离子与钙镁离子发生反应产生碳酸盐沉淀，但是过量通入CO2会影响充填材料后期的硬化反应，因此需要分三步进行。首先，在搅拌罐中放入矿化原料，在加水搅拌过程中持续通入CO2气体。二氧化碳溶于水形成碳酸，矿化原料中的碱土金属矿物在碳酸溶液的作用下逐步溶解并生成碳酸盐沉淀。然后，按比例混入胶凝材料和骨料，停止通入CO2气体，继续加水搅拌。此时残余的CO2、碳酸根和碳酸氢根离子会与胶凝材料中的碱性氧化物(MgO、CaO等)反应成为碳酸盐。碳酸化产生的碳酸盐微粒具有一定硬化特性，可以充当细骨料和替代部分水泥。最后，通过控制料浆浓度和加入外加剂，制备出充填流动性、凝固特性和强度的CO2充填材料，输送至矿井采空区。
直接湿法矿化法制备CO2充填材料具有投资少、设备和工序简单、易操作、相对于传统充填材料制备工艺改动小等优点，但是受到矿化原料和CO2水解慢和溶解度低等自身缺陷的影响，制备的CO2充填材料的碳化率较低，特别是含非晶态钙成分的粉煤灰。因此，将CO2输送到封闭的采空区，与CO2充填材料在井下继续发生矿化反应，提升CO2的固化量。
在其中一些实施例中，所述间接矿化法具体为：
在浸出塔加入矿化原料和浸出剂，加水搅拌，得到钙镁离子混合浆液；
将所述钙镁离子混合浆液送至二氧化碳矿化罐，通入二氧化碳气体，同时加入碱液调节pH值，得到浸出剂溶液与矿化物沉淀；
停止加入二氧化碳和碱液，静止分离出浸出剂溶液由泵送回到所述浸出塔，矿化沉淀物通过所述充填工业泵送至所述搅拌罐作为细骨料和替代部分胶凝材料；
向搅拌罐混入胶凝材料、煤基骨料以及外加剂，加水搅拌充分混合，制备出二氧化碳充填材料，输送至矿井采空区。
需要说明的是，间接矿化制备出CO2充填材料的基本工艺。该方法分三步在不同设备中进行。首先，在浸出塔加入矿化原料和浸出剂，加水搅拌，促使矿化原料充分溶解出钙镁离子。然后，将富含钙镁离子的混合浆液送至CO2矿化罐，通入CO2气体同时加入碱液调节PH值，保证CO2在混合浆液中的溶解度，促进碳酸盐沉淀。待浆液中的钙镁与CO2充分反应后，停止加入CO2和碱液，静止分离出浸出溶液由泵送回到浸出塔，矿化沉淀物通过充填工业泵送至搅拌罐作为细骨料和替代部分胶凝材料。最后，按比例向搅拌罐混入胶凝材料、骨料以及外加剂，加水搅拌充分混合，制备出满足充填流动性、凝固特性和强度的CO2充填材料，输送至矿井采空区。间接矿化法制备CO2充填材料具有矿化反应条件要求低、碳化率高、碳化反应时间短等优点，但是制备工艺较直接湿法矿化复杂，需要增加浸出罐和CO2矿化罐等设备，增加了投资成本。此外，需要补充损失的浸出剂，运行成本增加，因此PH值调节碱液可以采用粉煤灰或电石渣等碱性固废的浆液。CO2充填材料制备中，无论矿化原料还是胶凝材料都应考虑充分利用当地的碱性固废，实现矿井充填、固废消纳和CO2封存三者协同。例如，我国陕北榆林地区，煤炭和镁冶炼是其两大支柱产业，每年产生大量的煤基固废和镁渣占用大量土地，对当地的生态环境造成了严重破坏。西安科技大学矿山功能性充填技术研究中心针对榆林镁渣从镁冶炼的源头改性，产出富含β-C2S的改性镁渣，联合粉煤灰和脱硫石膏等工业副产品制备改性镁渣基胶凝材料，替代传统高能耗、高CO2排放的水泥；以富含γ-C2S的传统镁渣为矿化原料，煤矸石为骨料，制备出CO2充填材料用于煤矿充填开采。
在其中一些实施例中，所述胶凝材料为水泥，所述煤基骨料为砾石、沙子与煤矸石中的一种或几种；所述外加剂为减水剂与缓凝剂
在其中一些实施例中，所述二氧化碳充填材料到达充填区域后，接入二氧化碳分离装置，二氧化碳充填材料中的二氧化碳大气泡从料浆逸散，并通过管道输送至井下封存区，稳定状态的二氧化碳充填材料被输送至充填区域。
在其中一些实施例中，所述二氧化碳充填材料的充填方法包括：带式巷道胶结充填和综采架后胶结充填。
需要说明的是，CO2条带式巷道胶结充填的基本思路是将稳定状态的CO2充填材料输送至强充填区域，解析的CO2封存至弱充填区域。以“四阶段”采充工艺为例，将第二阶段条带作为弱充填条带，注入功能性充填材料，并在充填过程中预埋CO2注气筛管。功能性充填材料养护形成多孔隙充填体，为后续解析CO2物理封存提供空间基础。在条带充填体两端面隔离墙的隔绝作用下，将解析的CO2通过筛管注入弱充填体中，CO2与多孔隙充填体共同构成CO2储集体。同时，一部分CO2与弱充填体及相邻强充填体中的水化产物发生矿化反应，起到矿化养护的作用，一方可固化封存CO2，另一方面可显著提高充填体的强度。
在其中一些实施例中，所述条带式巷道胶结充填，包括：
以四阶段采充工艺为例，将第二阶段条带作为弱充填条带，注入功能性充填材料，并在充填过程中预埋二氧化碳注气筛管；
在条带充填体两端面隔离墙的隔绝作用下，将解析的二氧化碳通过筛管注入弱充填体中，二氧化碳与多孔隙充填体共同构成二氧化碳储集体。
需要说明的是，CO2条带式巷道胶结充填技术在材料、工艺等方面均明显有别于传统条带充填技术。为此，需要解决3个关键科学技术难题：①弱充填材料水化机理与充填体孔隙结构调控机制，即如何制备高性低价的弱充填材料，研究充填体孔隙结构随活性组分水化反应的演化机理，形成弱充填体孔隙结构调控技术，在有限的条带空间中最大程度地封存CO2；②CO2在多孔隙充填体中的扩散运移机理，该科学问题的突破可为CO2充注压力、时间、流量等参数设计提供关键依据；③充填体物理-化学协同封存CO2作用机理，研究充填材料中水化凝胶与CO2矿化作用机理及矿化规律，明晰弱充填体对CO2的物理吸附作用，揭示CO2条件下功能性充填体力学强度演化规律，该科学问题的突破可为充填体强度设计及覆岩移动调控提供基础依据。
在其中一些实施例中，所述综采架后胶结充填，包括：
在充填支架后方用二氧化碳充填材料间断构筑充填柱，相邻强充填柱、底板岩层和盖层共同构成一个二氧化碳储库，所述二氧化碳储库直接充注二氧化碳，进行物理封存，或通过地面钻孔或邻位钻孔向储库中充注二氧化碳矿化材料，进行物理化学协同封存。
需要说明的是，CO2综采架后胶结充填技术的基本路径是在充填支架后方用CO2充填材料间断构筑充填柱，避免覆岩连片垮落，大幅度降低顶板“三带”发育高度，保护覆岩盖层，相邻强充填柱、底板岩层和盖层共同构成一个CO2储库。储库可以直接充注CO2，进行物理封存，也可以通过地面钻孔或邻位钻孔向储库中充注CO2矿化材料，进行物理化学协同封存。CO2综采架后胶结充填中有关间断构筑充填柱和储库构筑工艺流程，具体流程如下：①长壁工作面推采至直接顶初次垮落之前暂缓推采，从长壁工作面两侧面间煤柱处掘进联络巷，控制链式自行充填挡板从一侧邻位巷道穿过联络巷进入采空区，在充填支架正后方形成充填帷幕；②采煤机向前推进，充填支架同步前移，充填支架尾梁及底座挡板与链式自行充填挡板帷幕共同搭建起充填空间，向充填空间中注入快速硬化胶结充填材料，在充填支架后方形成高强度充填带，待充填带可以自立后链式自行充填挡板撤至邻位巷道；③采煤机正常推采，按照设计充填宽度在充填支架后端进行架后快硬胶结充填，支撑顶板覆岩载荷；④按照①②③步骤，回采整个工作面，并进行间断架后充填，形成类似刀柱式房柱法的采空区，封闭工作面两侧面间煤柱中的联络巷，留设采空区作为解析CO2的封存空间。当采空区存在大面积悬顶隐患时，可以采用爆破或者水力压裂的方式强制放顶，垮落碎胀空间同样可以用于CO2物理化学封存。在不同空顶距、充填步距、下料口、充填材料、充填工艺下，开展数值模拟及现场试验研究，研究充填带构筑效果及其强度增长规律，以避免工作面推采过程中覆岩发生连片破坏，有效保护上覆关键层、含水层及低渗盖层，使采空区具备CO2封存条件，形成综采架后间断充填方法与工艺体系。
另外，本发明还提供了二氧化碳充填的碳足迹及碳消纳
CO2充填全生命周期碳足迹包括地面准备与制备、井下注入与充填两个阶段。地面准备与制备具体包括充填原料的准备和充填料浆的制备工作。充填原料的准备是将CO2从碳捕集企业运输到充填企业，将煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、改性固废等充填材料运输到充填企业，以及将未改性固废等矿化材料运输到充填企业的过程。在制备充填料浆的过程中需要破碎煤矸石，研磨胶凝材料，将CO2注入充填材料，并搅拌形成二氧化碳充填料浆。井下注入与充填是将CO2经井下管道注入封存空间，将二氧化碳充填料浆充入井下。在二氧化碳充填过程中需要消耗柴油和电力等能源，产生一定的碳排放量。
原料运输产生的CO2：(1)CO2运输
CO2运输包括地上运输和地下管道输送两个过程。地上运输是将压缩后的CO2从碳捕集企业运输到充填企业。考虑有罐车运输或者管道输送两种方案，罐车运输具有路线灵活的特点，而在碳输送量较大的情形下，管道输送可降低CO2运输成本。地下管道输送是将CO2输入到井下封存空间。这些过程主要消耗柴油及电力等能源。采用“地上罐车运输+地下管道输送”方案的碳足迹计算公式如下：
CEct表示CO2运输环节的碳足迹(tCO2)；CEtt表示罐车运输过程的碳足迹(tCO2)；CEpt表示地下管道输送过程的碳足迹(tCO2)；DO1表示运输1t·km的CO2消耗的柴油(t/(t·km))；CT1表示CO2的输送量；LHV1表示燃烧柴油的平均低位热值(MJ/t)；CC1表示柴油的单位热值含碳量(t/MJ)；OF1表示柴油的氧化率。Ect表示1tCO2通过管道运输1km所耗用的电力(MWh/(t·km))；TD表示二氧化碳运输距离(km)；QC表示CO2的输送量(t)；EF表示电力的CO2排放因子(tCO2/MWh)。
采用“地上管道运输+地下管道输送”方案的碳足迹计算公式如下：
Ect1表示1t CO2通过地上管道运输1km所耗用的电力(MWh/(t·km))；TD1表示二氧化碳地上运输距离(km)；QC1表示CO2的地上管道输送量(t)；Ect2表示1t CO2通过地下管道运输1km所耗用的电力(MWh/(t·km))；TD2表示二氧化碳地下运输距离(km)；QC2表示CO2的地下管道输送量(t)。
(2)充填材料运输
主要的充填材料有煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、改性固废等，由于体大质沉的特点，一般就地用货车装载，将这些充填材料运输到矿山企业。这个过程主要消耗柴油。充填材料运输环节的碳足迹核算公式如下：
CEmt表示充填材料运输环节的碳足迹(tCO2)；SWi表示运输第i种固体废弃物所消耗的柴油量(t/(t·km))；i＝1,2,3,4…,n,分别代表煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等固体废弃物以及改性的固废。
(3)矿化材料运输
矿化材料运输是将未改性固废从产出企业运至充填企业，矿化材料被用于井下封存空间充填。矿化材料运输主要消耗柴油燃料。其碳足迹计算公式如下：
CEmm表示矿化材料运输环节的碳足迹(tCO2)；MM表示运输1t·km的未改性固废等矿化材料消耗的柴油量(t/(t·km))。
CO2充填料浆制备与充填产生的CO2
在二氧化碳充填料浆的准备与充入过程中，将固废破碎、胶凝材料研磨，将CO2注入到矿化材料，CO2与矿化材料搅拌，搅拌充填材料，再将这两者混合一起搅拌，最后将二氧化碳充填料浆经管道充入井下，以上环节均需要消耗电力能源。其碳足迹计算公式如下：
CEmp表示充填材料制备与充入过程产生的碳足迹(tCO2)；MPi表示在制备充填材料过程中第i个环节所耗用的电力能源，i＝1,2,3,4…,n。MP1表示破碎1t煤矸石消耗的电力(MWh/t)；MP2表示研磨1t胶凝材料消耗的电力(MWh/t)；MP3表示将单位CO2注入到充填材料耗用的电力(MWh/t)；MP4表示搅拌1t二氧化碳矿化材料耗用的电力(MWh/t)；MP5表示搅拌1t充填材料耗用的电力(MWh/t)；MP6表示搅拌1t二氧化碳充填材料耗用的电力(MWh/t)；MP7表示1t二氧化碳充填材料经管道充入井下耗用的电力(MWh/t)；QT1表示煤矸石的破碎量(t)；QT2表示胶凝材料的研磨量(t)；QT3表示注入充填材料的CO2重量(t)；QT4表示二氧化碳矿化材料的搅拌量(t)；QT5表示充填材料的搅拌量(t)；QT6表示二氧化碳充填材料的搅拌量(t)；QT7表示二氧化碳充填材料的充填量(t)。
综上，二氧化碳充填的碳足迹主要包括CO2运输、充填材料运输、矿化材料运输、充填材料制备与充入环节产生的碳排放。二氧化碳充填的碳足迹综合公式如下：
CE＝CEct+CEmt+CEmm+CEmp；
CO2充填全生命周期碳消纳是指在矿山充填开采中，将CO2注入充填材料中形成CO2充填料浆，同时在构筑的充填空区中封存CO2，实现CO2的长期封存和矿山固废的高效利用这一过程中碳消纳的总和。主要包含了CO2充填料浆制备阶段以及CO2充填阶段的碳消纳。
CO2充填所用充填材料以及矿化材料的制备均大量使用固废，这些固废原本堆放压覆土地，破坏土壤与植被的生存环境，影响其生长与发育，造成原有植被-土壤储存碳的重新释放。同时，矿山固废成为新的碳排放源，释放大量的CO2。因此大量固废利用后，一方面减少占地，增加植被与土壤的固碳；另一方面减少自身的碳排放。另外，改性固废作为胶凝材料可替代水泥，减少水泥生产产生的碳排放。因此CO2充填料浆制备过程中的碳消纳可以分为直接和间接两部分，注入充填料浆中的CO2量为其直接碳消纳量，主要与充填料浆的孔隙率有关；间接碳消纳主要与充填材料制备过程中所使用的固废有关，固废使用的消纳量加上固废所占用土地而减少的碳排放量。综上，CO2充填料浆制备过程中的碳消纳计算公式如下：
其中：CEmr指CO2充填料浆制备过程中的碳消纳量；CErd指CO2充填料浆制备过程中的直接碳消纳量，即充入充填料浆空隙中的CO2量，V指充填料浆体积，ρ指充填料浆的空隙率；CEri指CO2充填料浆制备过程中的间接碳消纳量，包含利用的固废原本占用的土壤和植被，以及胶凝材料替换掉的水泥所减少的碳排放量；S表示所用固废各组分堆存占用土地面积；fs表示土壤的碳密度；fviT表示第i中植被地上的碳密度，fviB表示第i中植被地下的碳密度；WC表示改性镁-煤渣基胶凝材料替代水泥的量；fC表示水泥的碳排放系数。
CO2充填阶段的碳消纳量：CO2充填阶段的碳消纳量包含了注入地下后物理空间封存的CO2量以及矿化材料反应的CO2量。计算公式如下：
其中：CEbr指CO2充填阶段的碳消纳量；Q1f1指物理封存的CO2量，Q2f2指矿化材料吸附化学反应掉的CO2量。
综上，CO2充填全生命周期碳消纳如下式所示，主要包括充填料浆制备过程注入的CO2，固废占用土地、植被的固碳量，固废改性作为胶凝材料替代水泥的碳消纳量，充填空区物理封存的碳消纳量，矿化材料化学反应掉的碳量。
CEmr＝CErd+CEri+CEbr。
以上所述仅为本发明的一个实施例子，但不能以此限制本发明的范围，凡依据本发明所做的结构上的变化，只要不失本发明的要义所在，都应视为落入本发明保护范围之内受到制约。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种二氧化碳充填方法，其特征在于，包括：通过制备固碳充填材料，对二氧化碳进行固定，随后将所述二氧化碳充填材料送至井下采空区；其中，所述二氧化碳充填材料的制备方法，包括：直接湿法矿化法与间接矿化法；
所述直接湿法矿化法包括：向搅拌罐中输送矿化原料、胶凝材料与煤基骨料进行搅拌混合，并向所述搅拌罐中泵入二氧化碳与水，制得二氧化碳充填材料，将所述二氧化碳充填材料通过充填工业泵送入井下采空区；
所述间接矿化法包括：将胶凝材料、煤基骨料输送至所述搅拌罐，将矿化原料进行矿化后输送至所述搅拌罐，搅拌制得二氧化碳充填材料，将所述二氧化碳充填材料泵入井下采空区。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述直接湿法矿化法具体为：在搅拌罐中放入矿化原料，在加水搅拌过程中持续通入二氧化碳气体，生成碳酸盐沉淀；
混入胶凝材料和煤基骨料，停止通入二氧化碳气体，继续加水搅拌，此时生成碳酸盐；
通过控制料浆浓度和加入外加剂，制备出所述二氧化碳充填材料，输送至矿井采空区。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述间接矿化法具体为：
在浸出塔加入矿化原料和浸出剂，加水搅拌，得到钙镁离子混合浆液；
将所述钙镁离子混合浆液送至二氧化碳矿化罐，通入二氧化碳气体，同时加入碱液调节pH值，得到浸出剂溶液与矿化物沉淀；
停止加入二氧化碳和碱液，静止分离出浸出剂溶液由泵送回到所述浸出塔，矿化沉淀物通过所述充填工业泵送至所述搅拌罐作为细骨料和替代部分胶凝材料；
向搅拌罐混入胶凝材料、煤基骨料以及外加剂，加水搅拌充分混合，制备出二氧化碳充填材料，输送至矿井采空区。
4.根据权利要求2或3所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述胶凝材料为水泥，所述煤基骨料为砾石、沙子与煤矸石中的一种或几种；所述外加剂为减水剂与缓凝剂。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述二氧化碳充填材料到达充填区域后，接入二氧化碳分离装置，二氧化碳充填材料中的二氧化碳大气泡从料浆逸散，并通过管道输送至井下封存区，稳定状态的二氧化碳充填材料被输送至充填区域。
6.根据权利要求5所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述二氧化碳充填材料的充填方法包括：带式巷道胶结充填和综采架后胶结充填。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述条带式巷道胶结充填，包括：
以四阶段采充工艺为例，将第二阶段条带作为弱充填条带，注入功能性充填材料，并在充填过程中预埋二氧化碳注气筛管；
在条带充填体两端面隔离墙的隔绝作用下，将解析的二氧化碳通过筛管注入弱充填体中，二氧化碳与多孔隙充填体共同构成二氧化碳储集体。
8.根据权利要求6所述的二氧化碳充填方法，其特征在于，所述综采架后胶结充填，包括：
在充填支架后方用二氧化碳充填材料间断构筑充填柱，相邻强充填柱、底板岩层和盖层共同构成一个二氧化碳储库，所述二氧化碳储库直接充注二氧化碳，进行物理封存，或通过地面钻孔或邻位钻孔向储库中充注二氧化碳矿化材料，进行物理化学协同封存。
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