CO_(2)矿化煤基固废制备保水开采负碳充填材料试验研究

煤炭资源开发利用过程中会产生大量的CO_(2)以及粉煤灰等煤基固废,在“双碳”目标下,如能采用CO_(2)矿化煤基固废制备充填材料,并将其充填在采空区里控制岩层移动,将会“变废为宝”,推动保水开采等绿色低碳技术发展。针对矿井充填现场难以满足CO_(2)矿化所需高温高压高钙(“三高”)条件的问题,探索在常温常压条件下,采用常规低钙粉煤灰(“三常”)研制CO_(2)矿化煤基固废负碳充填材料(Negative Carbon Filling Material, NCFM)。在NCFM反应过程中,原材料首先发生水化反应生成C—S—H凝胶、Ca(OH)_(2)和CaCO_(3),再与CO_(2)反应后生成SiO_(2)硅胶。在此过程中,碱性激发剂加速C—S—H凝胶和硅胶的生成,使NCFM具有快速早强特征。随着NCFM进一步水化反应,碱性激发剂会促进火山灰反应的发生,进而促使更多水化产物的生成,有利NCFM长期强度的提高。在采用坍落度测试、凝结时间测试、单轴抗压强度(UCS)测试、X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)-X射线能谱仪(EDS)分析,以及热重分析(TGA)测试的基础上,研究了NCFM的力学性能和微观组织,阐明了NCFM的早期与长期强化机制。80%粉煤灰掺量的NCFM试样的UCS最大,3 d达2.70 MPa, 28 d达5.12 MPa。1 g NCFM的最大CO_(2)吸收量为1.39 mg。NCFM的研制提供了保水开采负碳充填材料,可推进形成CO_(2)资源化利用、固废规模化处置、采空区再利用,以及保水开采等煤炭资源绿色化开采的协同技术途径,促进实现“碳炭置换”,助力加快能源资源领域“双碳”战略目标实现。