[发明专利]一种基于分层进路尾砂胶结充填采矿的采空区碳封存方法

说明书

本发明涉及一种基于分层进路尾砂胶结充填采矿的采空区碳封存方法，属于金属矿山的二氧化碳封存领域。按回字形进路开采当前分层矿体边帮，用气密材料封闭除联络巷外的边帮；用分层进路充填法开采内部矿体，下向分层法用尾砂胶结充填体间隔充填预留空区，上向分层法用尾砂胶结充填体和废石间隔充填；当前分层作业结束，在联络巷架设由空区或废石充填区至分段运输巷的CO₂管道，用气密材料封闭联络巷；当前中段作业结束，将捕集的CO₂通过沿回风路径布置的管道注入空区或废石充填区，随采深和地温增大，CO₂以气态至超临界态长期封存。本方法操作简单、成本低，对矿山地下空间可持续利用及绿色开采具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种基于分层进路尾砂胶结充填采矿的采空区碳封存方法，属于金属矿山的二氧化碳封存领域。

背景技术

目前，二氧化碳地质利用与封存的主要场所为深部咸水层和油气田；其中，油气田主要开展驱油/气增采，封存量较小；深部咸水层的封存潜力大，但有效CO₂封存空间也仅为2-3％，而且井建施工耗资巨大。到2050年，CO₂封存能力将需要从约4000万公吨/年增加到超过56亿公吨/年，依靠深部咸水层、油气田等常规地质资源，可能需要近1.3万亿美元的资本投入。这给寻找低成本、大规模的CO₂封存场地提出了挑战，也创造了新机遇。

至2015年底我国金属非金属(非煤)地下矿山共有采空区12.8亿m³，2020年废弃煤矿地下空间资源约72亿m³。充分利用矿山采空区资源为CO₂地下封存服务，有望大大提高CO₂封存能力、降低封存成本。由于煤层对CO₂具有一定吸附能力，且CO₂具有驱替、增采煤层气的作用，采空区碳封存在煤矿开采领域被大量研究，如在多孔介质充填的采空区内存储二氧化碳气体的方法，公开号CN110344877A)、一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO₂的方法，公开号CN109812293A、一种无隔离煤柱充填开采与构建采空区储库的方法，公开号CN114412464A、矿化利用CO₂废气生态保护性采煤方法，公开号CN113622993A；然而依靠煤层吸附作用可封存的CO₂含量少，且煤矿围岩较为破碎，大量空区在开采后坍塌，采空区封堵难度大，容易造成CO₂泄露。金属矿围岩稳定性普遍比煤矿高，且尾砂胶结充填采矿法兼具采空区治理、地压控制、地表沉陷控制、尾砂处置的作用，在金属矿山得到广泛应用。这为在地下金属矿开展采空区局部充填碳封存创造了良好条件。

尾砂胶结充填体，是一种由水、水泥、尾砂和添加剂混合的具有一定流动性的料浆，输送至采空区，经过一段时间水化反应，固结成具有一定强度的人工介质体。充填体的主要成分为水化产物和尾砂矿物，无地下水侵蚀环境下，CO₂与水化产物发生如式1所示的反应，CO₂与基性尾砂矿物发生如式2所示的反应，均可生成高强度的CaCO₃和具有胶凝作用的硅胶SiO₂·nH₂O，从而降低充填体孔隙度，提高充填体整体强度，并可逐渐增强充填体密封性。

(Ca,Mg)_xSi_yO_x+2y+zH_2z(s)+xCO₂(g)→x(Ca,Mg)CO₃(s)+ySiO₂·zH₂O(am)

一种尾砂碳化胶结充填的方法(授权公告号CN113213829B)利用CO₂与充填体的反应机制，提出在充填体内埋设管道通入CO₂矿化养护充填体的方法，但是该方法并不提供CO₂封存空间，单纯依靠矿化固碳在短时间可封存的CO₂量少，减排效率低。