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1月4日，谢和平院士团队以深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室为第一单位在国际采矿顶级期刊International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences发表题为“Carbon negative backfill mining in coal mines for carbon neutralization: Chemical carbon fixation performances with mineralized gangue”的研究论文。该论文标志着负碳充填开采技术取得了重要进展，显著提升了我国煤炭开发领域的研究在国际学术界的影响力，对推动煤炭领域落实“双碳”目标具有重要意义。
煤矿充填开采技术是实现我国能源安全供应与绿色低碳发展的必然途径。目前，现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈，对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填（两个一千）”与“近零生态损害和近零冲击地压（两个近零）”的煤炭绿色低碳开采战略目标，谢和平院士创新提出了负碳充填开采全新理念与技术框架，构建了由CO₂、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF（CO₂ Gangue Inorganic Framework），同时提出多面并采的负碳高效充填开采技术与工艺，设计架后落料联合二氧化碳及胶凝材料喷射的负碳高效充填工艺。按每年原煤采出量为40亿-45亿t，进一步估算得出每年采空区CGIF混合物充填体负碳量为13.6亿-21.6亿t，可大幅度减少矸石充填材料的用量。
谢和平院士在第二十二届全国科学采矿与矿压理论会议上（2023年6月，新疆）提出负碳充填开采新理念与技术构想以来，始终坚持煤炭低碳开采与清洁利用的国家能源发展战略，为确保负碳充填开采研究的科学性与前瞻性，带领研究团队进行了明确部署与科学规划，持续推动负碳充填开采理论技术的深入研究与成果总结。在《煤炭学报》创刊60周年特刊中，发表了题为《煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想》的研究论文，全面阐述了负碳充填开采的理论与技术研究框架及发展规划。针对负碳充填开采方法、工艺、装备等方面，团队已申请发明专利19件，其中3件已获得授权。此外，负碳充填开采技术研究得到了深地国家科技重大专项的支持，预计将在3年内建成负碳充填开采示范工程，推动负碳充填开采技术的成果转化与实际应用。
全文解读：
充填开采技术历经了5代研发创新，综合机械化固体充填技术、综合机械化膏体充填技术、长壁逐巷胶结充填技术、覆岩隔离注浆充填技术、井下采选充＋X技术等典型充填技术已基本形成体系。然而，现有充填开采方法在缓解资源、能源、环境和安全的瓶颈制约的同时也面临着深部开采、“双碳”战略等新形势下的新挑战，变革充填材料与充填技术，拓展煤矿充填功能，提高充填附带价值的功能性充填必将成为引领充填开采技术进一步发展的主导力量。如何在传统充填开采方法上拓展固碳功能，实现CO₂安全封存、固废高效处置与煤矿安全开采的协调统一，是突破煤炭绿色健康发展的重要途径之一。
以往的二氧化碳充填技术以优化矿化充填材料的制备工艺为主，缺少与传统充填开采技术和多种CO₂封存方法相结合的负碳充填技术路径、CO₂充填全过程固碳特性及力学特性响应、CO₂与充填体共同作用下的覆岩变形与CO₂运移规律以及矿山充填固碳潜力评估等相关研究。
谢和平院士团队提出2种全新的矸石高孔隙负碳充填开采和矸石矿化负碳充填开采技术思路，综合利用矿化、吸附、结构、溶解等多种CO₂固定方法，将传统充填体转变为负碳充填体，在井下充填的同时封存二氧化碳。矸石高孔隙负碳充填开采是在充填支架后方混合煤矸石、快速胶凝材料与CO₂构筑高孔隙负碳充填体，充填的同时利用高孔隙负碳充填体的充足空隙空间与较大的比表面积实现CO₂物理与化学封存。矸石矿化负碳充填开采是采用直接矿化或间接矿化制备矿化充填材料，通过充填泵和充填管路输送至井下联络巷，进行逐巷胶结充填，同时实现CO₂稳定封存。
图1 负碳充填技术原理与工艺
谢和平院士团队在该研究中改良设计了密闭固碳搅拌反应釜，通过开展湿法搅拌固碳试验探究了煤矸石固废本身的固碳性能，分析了固碳性能与搅拌速度、反应温度、CO₂气压、固液比的相关程度，为负碳充填材料设计应用提供了理论支撑。
图2 密闭固碳搅拌反应釜
图3 固碳量及碳酸化程度与各变量关系图
这一研究成果为矿山低碳、零碳、负碳的绿色开采目标提供了全新理论技术支撑，随着负碳充填开采技术的进一步发展，矸石高孔隙负碳充填和矸石矿化负碳充填开采技术应用将更加广阔，未来将实现煤炭开发利用全过程自身碳中和，有望在全球率先创造煤炭负碳开采、低碳利用新格局。
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