常温常压条件下CO2矿化粉煤灰充填材料技术与机理研究
Enhancing Fly ash Utilization in Backfill Materials Treated with CO2 Carbonation under Ambient Conditions
常温常压条件下CO2矿化粉煤灰充填材料技术与机理研究
Ichhuy Ngo，马立强，翟江涛，王洋洋
中国矿业大学 矿业工程学院
摘要
煤炭开发过程中产生大量CO2和粉煤灰，由此造成的环境问题备受关注。针对这一问题，本研究旨在开发一种常温常压条件下的新型CO2矿化粉煤灰充填材料（CFBF）。研究了常温常压条件下CO2矿化不同粉煤灰-水泥配比的CFBF性能，并与无CO2参与反应的传统粉煤灰充填材料进行对比。CFBF浆液符合Herschel-Bulkley模型，具有剪切稀化特性。经矿化后凝胶的形成，CFBF浆液的屈服应力随着粉煤灰配比的降低而增加。CO2矿化导致凝固时间缩短，促成CFBF早期强度提高约40.6%。当加入较低配比的粉煤灰（50%和60%）时，浆液快速失水，造成固化CFBF内部含有非均质孔隙，导致后期强度下降。当粉煤灰配比超过70%时，由于C-S(A)-H凝胶和硅基凝胶附着与颗粒表面，促进颗粒胶结进而提高CFBF后期强度。C-S(A)-H凝胶是通过火山灰反应生成的，反应所需钙源为CO2-粉煤灰反应生成的CaCO3。此外，CO2吸收效率为1.39 mg-CO2/g-CFBF。CFBF材料可以将CO2和粉煤灰在常温常压条件下共同封存于采空区，具有较好的经济、环境效益，同时可缓解煤炭开采后的地层移动及含水层破坏等问题。
本文亮点
相对于常规充填材料，由粉煤灰代替部分水泥的充填材料具有低成本、高安全性，以及降低碳排放、解决粉煤灰堆积环境问题等优点。因此，粉煤灰充填材料被广泛应用于充填开采、保水采煤和覆岩控制等井下工程领域。粉煤灰充填材料的力学性能一直是国内外学者研究的重点，为支撑采空区顶板压力，传统粉煤灰充填材料中的水泥被粉煤灰替代比例不超过25%，限制了其应用范围。此外，传统的粉煤灰充填材料无法快速凝固，影响开采效率。传统研究利用CO2矿化法通过养护催化来缩短充填体的凝固时间、提高强度，但是该方法的实施环境条件为高温高压，具有较高的投入、运行成本和安全性问题。鉴于此，本文在传统矿化方法的基础上，提出制备种常温常压条件下CO2矿化粉煤灰充填材料（CFBF）
通过添加硅基碱性激发剂催化CO2与粉煤灰充填材料在常温常压条件下的矿化反应，提高粉煤灰利用率超过80%，缩短了材料固化时间，固化体早期强度提高了40.6%。
CFBF材料制备简单，成本低，实现高粉煤灰利用率及同步常温常压条件下封存CO2可更广泛地应用于充填开采、保水采煤和覆岩控制等采矿工程领域。
试验流程
常温常压条件下矿化充填材料反应装置设计
(a) CFBF
(b) 传统充填浆液
CFBF与传统充填浆液的流变特性对比
（a）CFBF
（b）传统充填材料
CFBF与传统充填材料的强化规律对比
（a-1）CFBF电镜图
（a-2）能谱图①
（a-3）能谱图②
（a-4）能谱图③
（b-1）常规充填材料电镜图
（b-2）能谱图④
（b-3）能谱图⑤
（b-4）能谱图⑥
CFBF与传统充填材料的微观结构及能谱图对比
（a）CFBF
（b）传统充填材料
CFBF与传统充填材料的XRD图谱对比
第一作者简介
Ichhuy Ngo
Ichhuy Ngo，柬埔寨籍，中国矿业大学矿业工程学院博士后，主持国家自然科学基金项目1项、参与日本学术振兴会项目2项、校基金项目1项；以第一或通讯作者发表学术论文10余篇，其中SCI检索5篇，EI检索2篇；获授权中国发明专利3件；参加在中国、英国、法国、荷兰、澳大利亚、日本等国际学术会议并获得多次汇报奖；担任多个国际学术期刊审稿专家。
研究方向
CO2矿化煤基固废，保水采煤，裂隙注浆等。
通讯作者简介
马立强 教授
马立强，中国矿业大学矿业工程学院教授，博士生导师，矿业工程学院副院长；教育部新世纪优秀人才，江苏省“333”高层次人才，江苏省青蓝工程学术带头人，陕西省“百人计划”特聘教授。
研究方向
煤炭保水开采与岩层控制，CO2矿化煤基固废等。
主要成果
围绕保水开采与岩层控制研究主题，以“采动损伤岩体渗流预警及控制”为主线，开展了采动应力路径下损伤岩体渗流特征及力学机理研究，开发出采掘面围岩破裂与涌水的红外辐射临界预警方法，研制了CO2矿化煤基固废材料，发明了矿区多层位水资源协同保护性开采技术。研究成果以第1发明人获国内授权发明专利50余件、国外授权发明专利10余件；以第一作者或通讯作者发表高水平论文百余篇；出版中英文学术专著3部；获国家科技进步二等奖1项、省部级科学技术一等奖5项。
本文引用格式：
Ichhuy Ngo, Liqiang Ma, Jiangtao Zhai, Yangyang Wang. Enhancing fly ash utilization in backfill materials treated with CO2 carbonation under ambient conditions. International Journal of Mining Science and Technology, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2023.02.001.
期刊介绍
International Journal of Mining Science and Technology（《矿业科学技术学报》，缩写IJMST）是由中国矿业大学与爱思唯尔出版集团合作出版的英文期刊，主要刊登矿业科学与技术领域的最新研究进展。IJMST为SCIE、EI等数据库收录期刊，中国科技期刊卓越行动计划入选期刊；2022年科睿唯安Journal Citation Reports影响因子IF为7.670，位列Mining & Mineral Processing学科Q1区（第1/20名）；2022年Scopus数据库CiteScore指标为10.7；2022年中科院分区同时位列工程技术大类、采矿与矿物加工小类一区（TOP)期刊；位列中国科协地学和煤炭领域高质量科技期刊分级目录T1行列（T1表示已经接近或具备国际顶级水平的期刊）。
