煤矿采动影响体微生物采残煤与CO2-粉煤灰协同充填关键技术

煤矿采空区是我国实现"双碳"目标的重要突破口,煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体.以采动影响体为研究对象,提出了采动影响体微生物采残煤与CO2-粉煤灰协同矿化充填关键技术,并从必要性和可行性 2个方面阐述了该技术在采动影响体资源二次开发、CO2 安全封存以及燃煤电厂粉煤灰固废高效处置等的广阔前景.其总体思路是将采动影响体作为一个厌氧发酵"工厂",高产高效产甲烷菌群作为"劳动者"对"工厂"已有的原材料——残煤、薄煤层和分散有机质以及注入的CO2 进行加工,其"产品"是甲烷,进而实现微生物采残煤和CO2 资源化.同时,CO2 与碱性的粉煤灰结合,在实现了CO2 矿化封存的同时,也实现了采动影响体的充填.该技术涉及的关键科学问题包括采动影响体类型划分与有机质特征、采动影响体原位条件下厌氧发酵产甲烷机制、微生物-CO2-粉煤灰协同矿化/固化机制以及微生物采残煤与充填关键技术示范工程建设.实验室物理模拟采动影响体原位条件实验表明其中残煤和富含有机质的泥页岩能够在微生物作用下生成生物甲烷,且添加少量的粉煤灰能够进一步强化甲烷的产出.物理模拟地下水补给的动态实验表明营养物质的补给对厌氧发酵系统的影响尤为重要,补给循环周期为 14d的厌氧发酵系统恰与产甲烷菌群繁殖的周期一致,能够保证厌氧发酵系统的持续高效运行.高钙粉煤灰-CO2-矿井水协同胶结的试件经过 28d的养护后抗压强度为 12.31 MPa,其矿化封存潜力约为 21.99 m3 CO2/t(粉煤灰),说明粉煤灰在实现采空区固化的同时能够实现CO2 减排.此外,基于微生物采残煤与粉煤灰充填目的对工程试验靶区进行优选,地下水滞留区是CO2 矿化和粉煤灰充填的最佳场所,因采掘活动自然形成的自然圈闭和人工充填形成的圈闭是较有利的工程试验靶区之一.针对这些靶区提出了微生物采残煤与CO2-粉煤灰协同充填关键技术,旨在为中国碳减排和采空区生态环境治理提供一条新的技术路径.