摘要：谢和平院士：煤炭开采利用可望实现“自身碳中和”

6月21日，在新疆乌鲁木齐召开的第二十二届全国科学采矿与矿压理论会议上，中国工程院谢和平院士首次提出“负碳高效充填开采”全新技术构想，构建了负碳矸石快速高效胶结高孔隙混合物充填体、多面并采的负碳高效充填开采技术与工艺等全新理念与技术方案路径，构建了基于CO2、矸石与快速胶结剂混合物“CGIF”充填体的“近零生态损害、近零冲击地压及负碳开采”的矿山充填全新技术体系，可望在全球率先形成“煤炭负碳开采、低碳利用”的煤炭开发利用全过程“自身就实现碳中和”的新格局。

矿山安全高效低碳开采是永恒的主题，当前仍面临一系列挑战。煤炭开采过程中如何实现近零冲击地压发生的安全开采？如何实现近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采？一直是全球采矿界的热点和难点。破解这些难题，谢和平院士提出的负碳高效充填开采全新理念和技术体系是实现千米深井和千万吨产能矿井高效开采（“两个一千”），同时保障“近零生态损害和近零冲击地压”（“两个近零”）唯一根本途径。

我国目前的充填开采技术推广还存在很多阻力和难处，主要挑战是：充填作业影响采煤速度、影响出煤量、影响煤炭生产效益；充填材料不够，大规模充填开采所需矸石量严重不足；充填作业成本高；也不能实现低碳、零碳、负碳的绿色开采要求。为此，谢和平院士提出“负碳高效充填开采”全新技术构想，及实现“两个一千、两个近零、一个负碳（负碳开采）、两个解放（生态薄弱区煤炭资源解放、冲击危险地区煤炭资源解放）”的技术路线和战略目标，构建出了“近零生态损害、近零冲击地压及负碳煤炭开采”的矿山充填4大全新技术体系：

一是研究攻关矸石快速高效胶结高孔隙充填体，破解大规模充填开采充填材料不足的难题。采用复杂系统科学方法，精确描述复杂结构力学系统中的应力、位移和变形，建立数学模型。采用分形几何方法，定量表征三维高孔隙材料几何拓扑结构，研究出新型高孔隙度矸石-胶体复合材料，实现充填材料低密度、高孔隙率框架式承载，高孔隙充填体矸石用量将减少20%~40%，力学强度与密实充填体相当。

二是研究攻关负碳矸石快速高效胶结高孔隙混合物“GCIF”充填体，破解大规模CO2封存固化的负碳开采难题。高孔隙材料用于储氢储能是国际科研热点，据SCIENCE报道利用化学原理设计了原子排列十分精确的多孔材料（金属有机框架化合物MOF），1克材料可以铺满1.3个足球场。如果我们以常态或超临界的CO2作为气体或液体，与矸石快速高效胶结高孔隙充填体来构建CO2与矸石及快速胶结剂混合物“CGIF（CO2 Gangue Inorganic Framework）”，这样就形成一个全新的混合充填体理念，既能快速高孔隙低密度强力充填，又能大规模固化CO2，其中CO2还能起到支撑承压作用；是一个负碳高效充填开采全新的技术路径，可望在全球率先创造煤炭负碳开采、低碳利用，在煤炭开发利用全过程自身实现碳中和新路径。

三是研究攻关快速粘凝胶结材料，破解矿山充填开采影响开采速度的难题。研究快速胶凝作用机理，在胶结材料中添加无机类早强剂/纳米晶体材料，提供更多形核点位，降低凝胶成核势垒，极大提高水化凝固反应速率；引入扰动场加速分子反应速度，添加交联剂促进聚合反应，攻克胶体凝胶化的分子动力学调控方法，最终开发出粘结强度高、固化速度快、固结强度大的快速粘凝胶结材料。

四是研究攻关多面并采的负碳高效充填开采技术与工艺，破解矿山充填开采影响煤炭产能的难题。攻关新型充填开采技术，创新负碳高效胶结高孔隙充填体工艺方法，来提高单面充填开采产能(100~500万t/a)。在此基础上，构建实施2~3个工作面同时并采的技术方案思路，就可实现千万吨级矿井负碳高效充填开采。同时探索攻关单层采区多面并采和立体空间多面并采的负碳高效开采工艺和相应的负碳高效充填技术及装备，突破充填开采影响煤炭生产效率的瓶颈，可望实现千万吨级以上产能的矿山负碳高效充填开采。

该技术体系颠覆性地实现了煤炭负碳开采。如果在此基础上，能够实现清洁煤电的低碳利用，就有望使煤炭开发利用全过程自身实现碳中和。