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煤炭学报 2022年第12期47卷 4228-4236页

作者：马立强翟江涛 ngo ichhuy 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

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... 详细信息

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。

关键词： CO_(2)矿化煤基固废常温常压负碳充填材料保水开采

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Enhancing fly ash utilization in backfill materials treated with CO_(2)carbonation under ambient conditions

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International Journal of Mining Science and Technology 2023年第3期33卷 323-337页

作者： ichhuy ngo Liqiang Ma Jiangtao Zhai Yangyang Wang Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining China University of Mining&TechnologyXuzhou 221116China

The environmental concerns resulting from coal-fired power generation that produces large amounts of CO_(2)and fly ash are of great interest.To mitigate,this study aims to develop a novel carbonated CO_(2)-fly ash-based backfill(CFBF)material under ambient conditions.The performance of CFBF was investigated for different fly ash-cement ratios and compared with non-CO_(2)reacted samples.The fresh CFBF slurry conformed to the Herschel-Bulkley model with shear thinning characteristics.After carbonation,the yield stress of the fresh slurry increased significantly by lowering fly ash ratio due to gel formation.The setting times were accelerated,resulting in approximately 40.6%of increased early strength.The final strength decreased when incorporating a lower fly ash ratio(50%and 60%),which was related to the existing heterogeneous pores caused by rapid fluid loss.The strength increased with fly ash content above 70%because additional C-S(A)-H and silica gels were characterized to precipitate on the grain surface,so the binding between particles increased.The C-S(A)-H gel was developed through the pozzolanic reaction,where CaCO_(3)was the prerequisite calcium source obtained in the CO_(2)-fly ash reaction.Furthermore,the maximum CO_(2)uptake efficiency was 1.39 mg-CO_(2)/g-CFBF.The CFBF material is feasible to co-dispose CO_(2)and fly ash in the mine goaf as negative carbon backfill materials,and simultaneously mitigates the strata movement and water lost in post-subsurface mining.

关键词： Fly ash utilization CO_(2)carbonation Ambient conditions Water conservative backfill mining Negative carbon backfill materials

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