具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

本发明的一种矿化利用CO₂废气生态保护性采煤方法，具体是一种壁式连采连充保水采煤法，步骤为：

随着工作面的推进，每开采完一条采场支巷在开采完毕的采场支巷两端构筑密闭墙17使开采完毕的区域封闭，之后向封闭区域浇筑CO₂矿化充填材料CFBF对采空区进行随采随充，充填过程中确保CFBF充填采场采动覆岩渗流隔离带稳定所需充填体的强度临界关键参数，以保证充填CFBF凝固后对采空区的支撑；在工作面中使用CFBF充填采空区同时分别界定工作面附近的采动覆岩大裂隙与微裂隙的发育高度，每开采完一条采场支巷向采场支巷上方钻孔，钻孔穿过渗流剧增带19和渗流微增带20，先利用钻孔向渗流剧增带19中存在的裂隙区22注入CFBF封闭覆岩大裂隙；之后利用钻孔向渗流微增带20中存在的裂隙区23内存在的微裂隙进行注浆封闭，防止开采过程中裂隙进一步发育。

所述CO₂矿化充填材料CFBF按照粉煤灰36％～48％、煤矸石12％～24％、水泥5-10％、碱性硅基添加剂3-5％、矿井水13-44％的质量百分比配置而成；调配时就地获取粉煤灰和开采过程中产生的煤矸石，破碎矸石获得矸石粉，将粒径小于5mm的矸石粉、粉煤灰、水泥混合搅拌均匀获得固体混合物，之后利用碱性硅基添加剂和水配制碱性硅基添加剂的水溶液，将水溶液给入固体混合物中并边搅拌边通入工业废气中回收的CO₂，每立方米水溶液与固体混合物中CO₂通入量为5000L/h～50000L/h，通气时间60分钟以内，从而获得CO₂矿化充填材料CFBF；

在工作面中利用CFBF连续开采、连续充填，直到开采并充填完毕所有块段。

如图1和图2a-图2f所示，本发明的一种矿化利用CO₂废气生态保护性采煤方法，具体为：

第一步，将工作面划分成若干组开采块段，开采块段内按正常长壁式采煤法布置回采巷道，采用宽巷掘进的方式进行采煤。

第二步、沿工作面走向方向布置设备回撤巷道1、辅助巷2和运输主巷3，并在工作面边缘沿倾斜方向采掘开切眼构成通风回路，整个工作面每一次宽巷采掘等同于正常长壁工作面采煤机一次进刀，采场支巷4的宽度等于采煤机一次进刀尺寸，即开采区域布置为长壁工作面回采的形式，其中运输主巷3与采场支巷4之间的夹角为40°-60°；

第三步，沿工作面推进方向划分m条采场支巷4，采场边缘且靠近开切眼一侧为第一采场支巷4，其余开采分段依次排序；然后将采场巷道划归n个开采阶段，n为3～5个；

第四步，以16条采场支巷4，划分为4个开采阶段为例，每个阶段包括4条巷道，具体为已充巷道5、正在充填巷道6、备充巷道7、正在回采巷道8；首先采掘第一开采阶段内第一条采场支巷4后，依次采掘第一开采阶段内第二、第三和第四条采场支巷4，直至第1开采阶段内第4条采场支巷4全部采掘完毕；按上述开采顺序依次对第二、第三、第四开采阶段进行采掘，直至各个开采阶段内所有采场支巷4采掘完毕；

第五步，第一开采阶段第一条采场支巷采掘完毕后，立即开始采掘第一开采阶段第二条采场支巷，同时对第一开采阶段第一条采场支巷进行CFBF充填，形成“连续开采、连续CFBF充填、CO₂、煤炭置换”的采充模式，并留有一条备充巷道7，即第一开采阶段第一条采场支巷支巷采掘完毕后，立即采掘第一开采阶段第二条采场支巷，采掘完毕后，开始采掘第一开采阶段第三条采场支巷，同时对第一开采阶段第一条采场支巷进行CFBF充填，第一开采阶段第二条采场支巷作为备充巷道7，形成“一采一充一备”的采充并行开采模式。

其中，充填系统由地面充填站和充填管路构成，如图3所示，地面充填站主要包括料浆制备和输送及其配套设备，其中料浆制备装置包括主料罐9、CO₂罐10、辅料罐11和成浆罐12，充填管道13由钻孔管路和井下充填管路组成。使用时首先向主料罐9内注入定量的矸石、粉煤灰和水泥，辅料罐11中注入定量的碱性硅基添加剂和水，搅拌均匀；之后将主料和辅料按照设定配比同时注入成浆罐12，边搅拌边通入CO₂，连续制浆，最后通过充填管道13，依靠重力势能，将料浆自流输送到已用密闭墙17封闭的充填巷中。

确保CFBF充填采场采动覆岩渗流隔离带稳定所需的CFBF新型充填体强度临界关键参数，以保证充填CFBF对采空区的支撑并确定CFBF充填体参数；

其中，根据采动覆岩渗透率比率大小，将覆岩划分为渗流剧增带19、渗流微增带20和渗流隔离带15。

k＝αexp[β(σ₁-σ₃)]

式中：k为采动覆岩渗透率；α，β为系数；σ₁-σ₃为上覆岩层岩石偏应力。

其中，确定保证渗流隔离带稳定的CFBF采空区充填开采关键参数临界值，针对不同的充填开采方法，包括长壁充填与短壁充填，明确采动覆岩卸荷与充填体蠕变对覆岩渗透率的影响规律，确定CFBF充填体瞬时变形量不导致突变失稳，以及CFBF充填体长期蠕变量小于保证渗流隔离带稳定的最大蠕变约束量的CFBF采空区充填开采的关键开采参数，包括CFBF充填率、CFBF充填体强度以及CFBF最大滞后充填距离的临界值。

式中：N为CFBF最大滞后充填距离，σ_p为煤柱强度，f为普氏系数，F为安全系数，取1.5～2，为覆岩内摩擦角，h为采高，b为采出空间宽度。

其中，煤层上覆岩层受开采影响产生变形和破坏，垂向和水平渗透性相比未受开采影响的原始状态发生改变。岩层渗透性的改变主要受岩层破坏程度影响，因此以采场边界影响区覆岩破坏程度分区为基础，结合应力与变形分区，定性分析边界影响区采动覆岩渗透性分区特征。采动覆岩垮落带、裂隙带和弯曲下沉带破坏程度依次减小，岩层渗透性在这三个区域内有显著差异。因此，边界影响区的渗透性在垂直方向可根据采动覆岩“竖三带”进行分区。

进一步的，如图4所示，利用利用CFBF矿化充填材料进行充填开采壁式连采连充(全采局充)开采，第一、第二以及第三阶段开采及时充填，第四阶段开采后不充填，开采区域外留设边界煤柱18，这种方法不仅能够保护含水层14与地表21的稳定性，而且可以节省充填成本。

以此法开采，在采场上覆岩层中，从下到上依次形成渗流剧增带19、渗流微增带20和渗流隔离带15，其中在采场上方的渗漏带中形成一个马鞍形的裂隙区22，其上为一个同样为马鞍形的微裂隙区23。与常规开采方法相比，本开采方法在覆岩中不会形成垮落带。

(3)利用矿山废固、液，如矸石、粉煤灰和矿井污水等，辅以水泥和碱性硅基添加剂，加入CO₂，确定既能确保CFBF充填采场采动覆岩渗流隔离带稳定性，又能最大程度矿化CO₂的CFBF新型充填材料的关键配比。

其中，在工作面中使用CFBF充填采空区同时分别界定工作面附近的采动覆岩大裂隙与微裂隙的发育高度，每开采完一条采场支巷向采场支巷上方钻孔，钻孔穿过渗流剧增带19和渗流微增带20，先利用钻孔向渗流剧增带19中存在的裂隙区22注入CFBF封闭覆岩大裂隙；之后利用钻孔向渗流微增带20中存在的裂隙区23内存在的微裂隙进行注浆封闭，防止开采过程中裂隙进一步发育。

其中，微裂隙区23内注入的浆液为CO₂矿化纳米硅胶注浆材料，其由纳米颗粒和基液按质量比1:1000～100:1000混合后通入CO₂气体制成，其中CO₂通入量为10～100L/min，所述基液由基材料与水按质量比1:100～50:100混合而成。

其中CFBF充填材料具体配制方法为：按配比将矸石、粉煤灰、矿井水、水泥搅拌均匀，根据矿井水水质特征对应加入碱性硅基添加剂，通入CO₂，研制成CFBF充填材料。研究CFBF充填材料的屈服应力、粘度、黏聚力和浆体的摩擦阻力保证其运输性；其次研究CFBF材料的物理力学性能，保证其有足够的强度支撑顶板；最后研究CFBF充填材料的微观形态，干燥后形成的裂隙以及微观结构下材料的结合情况。

对CFBF充填材料的具体测试：

①流变作用

测量未固化CFBF充填材料的流变特性。受控剪切速率(CSR)测试，在该测试程序中，剪切速率在120s的测试时间内以恒定速率从0.1s^-1线性增加到150s^-1。CSR结果可以通过流变本构方程拟合来确定屈服应力和粘度。

②坍落度试验

坍落度反映了泥浆的内聚力和摩擦阻力，是衡量可运输性的重要指标。实际上，100mm的坍落度值是充填开采的基本要求。此外，坍落度值大于160mm(最小坍落度值＝71)的充填物具有良好的可运输性。所有的坍落度试验均重复3次，平均坍落度值用于进一步分析。

③凝结时间和泌水率

根据设计的配比，将CFBF充填材料混合搅拌。凝结时间采用倒杯法测定，泌水率采用圆筒计量法测定。初始凝固时间是从浆液与水搅拌直至浆液在室温下失去其流动特性时测量的。最终凝固时间是从浆液与水一起搅拌直到浆液在室温下完全硬化为止测量的。沁水率是计算出的放水高度h与灌浆高度H的比值。更具体地说，H是测量流动时间后量杯内灌浆的高度，是浆体完全硬化后顶部出现的排出水的高度。

④单轴抗压强度试验

达到相应的固化时间后，进行单轴压缩(UCS)测试，以合适的速度向试样施加位移载荷。在整个负载破坏过程中记录每个充填试样的峰值应力和位移。为了表明试样的短期和中期强度，测定固化3、7、14、28和56天后的UCS。所有测试均重复3次，并计算平均UCS值以供进一步分析。

⑤X射线衍射(XRD)和电镜扫描(SEM)-能谱分析(EDS)

在UCS测试之后，收集一小部分样本。用无水乙醇停止水合，将样本研磨至小于200目。之后，将试样在50℃下干燥24h，进行XRD测试以分析充填试样的水化产物。对压碎的充填体试样进行SEM-EDS分析，以确定其微观形态和结构特征。对于SEM和XRD分析表明，停止水合的过程和研磨干燥过程是相同的。

(4)在CFBF充填采空区同时，提出采动覆岩大裂隙与微裂隙发育高度的界定方法，利用CFBF充填材料对采动形成的覆岩大裂隙进行注浆封闭，采用CO₂基纳米硅胶(CNS)注浆材料对微裂隙进行注浆封闭，防止开采过程中裂隙进一步发育。

为识别CFBF充填采场的大裂隙与微裂隙，首先建立“弹性地基叠加梁+横观各向同性平面体”力学模型：

其中，τ_m-max为岩层最大切应力；E_m为第m层岩层弹性模量；h_m为第m层岩层厚度；h_m-n为第n层岩层与第m层岩层之间岩层的厚度；Q_m-n为组合梁等效剪力，kN；a_i为裂隙累计发育长度；

根据弹性地基叠加梁力模型求解的各岩层挠度，得到岩层的最大切应力，根据第三强度理论判断岩层是否破断，利用弹塑性力学公式计算第m岩层截面上切应力分布τ_m，当τ_m-max≥[τ_m]时，可以认为第m层岩层发生剪切破断，定义岩层破断产生的裂隙即为大裂隙，将破断岩层的厚度累加，得到大裂隙发育高度。

其中，H_bf为大裂隙发育高度，h_i为第i层岩层厚度；

如果τ_m-max<[τ_m]，说明第m层岩层没有发生破断，则计算得到岩层内不同点的最大主应力分布，逐点验算各点是否破坏，各破坏点连线即得到微裂隙发育情况，将微裂隙垂直长度累加，即得微裂隙区的厚度与层位。微裂隙区之上岩层即为完整岩层。岩层裂隙分区情况可为CFBF充填采场大裂隙与微裂隙充填材料的选择提供依据。

其中，覆岩裂隙注浆方法具体为：针对大裂隙，利用骨料粒径较大的CFBF材料直接进行注浆封闭；针对大裂隙上方的微裂隙，采用纳米颗粒与CO₂原位生成CO₂基纳米硅胶(CNS)注浆材料，封闭采动覆岩微裂隙，解决了常规大粒径骨料浆液无法渗入岩层微裂隙的技术难题，同时降低了高粘度大粒径骨料浆液封堵裂隙所需高泵压诱发微裂隙二次发育的程度。

如图5所示，利用注浆实验装置检测注浆参数及注浆效，所述注浆实验装置包括压力泵24，注浆罐25，阀门26，压力表27，预制裂隙试件28，夹持器29；其中预制裂隙试件28设置在密封的夹持器29中，夹持器29上设有压力表27，夹持器29的两侧设有进口和出口，注浆罐25连接有压力泵24，还通过阀门26、压力表27与夹持器29的两进口连接，夹持器29的出口顺序连接有阀门26，压力表27。

工作流程：首先制备标准充填体试件，利用万能试验机预制裂隙，然后将试件放入夹持器29中，利用压力泵24分别注入CFBF材料和CNS材料，测试两种材料的注浆参数及注浆效果，为其工程应用提供基础数据。

进一步的，如图6、图7所示，裂隙注浆过程为：针对大裂隙，注浆步骤与充填步骤相似。注浆系统主要包括地面注浆站和注浆管路，首先，向主料罐9内注入定量的矸石、粉煤灰和水泥，辅料罐11中注入定量的碱性硅基添加剂和水，搅拌均匀；之后，将主料和辅料按照设定配比同时注入成浆罐12，边搅拌边通入CO₂，连续制浆；第三，通过大裂隙注浆钻孔30，将浆液注入到大裂隙区22。针对微裂隙注浆，大体步骤与上述步骤一致，但不需要主料罐9，同时辅料罐11中需要加入纳米颗粒，最后将制备好的浆液通过微裂隙注浆钻孔31注入微裂隙区23。

实施例1：本示例以山西某矿为例。煤层平均埋深约220m。块段平均长330m，平均宽约160m，储量约20万t。采区上方有浅表含层水层及地表21水，所采煤层为XV号煤，平均厚度2.4m，倾角1°～2°。直接顶为石灰岩，平均厚度8.5m，单向抗压强度54.0～213.0MPa。XV号煤上方还赋存着Ⅸ号煤层(与石灰岩直接顶间隔约20m的基岩段，主要含砂质泥岩、石灰岩、细砂岩、泥岩等，岩性整体属于中硬)。在Ⅸ号煤层上方约24m赋存着由砂质泥岩和泥岩组成的有效隔水层(中间间隔约20m的基岩段，主要含砂质泥岩、石灰岩、细砂岩、泥岩，岩性整体属于中硬)，总厚达13.0m，该隔水层在XV号煤层上方约57.0m处，上方为砂岩含水层14。

主要参数

①采场支巷宽度

从开采效率方面考虑，为减少工作面搬家次数以提高连续采煤机的采煤效率，采场支巷宽度应尽可能大，其宽度应在5.0m以上。从围岩控制方面考虑，为减少顶板在充填前的下沉量，采场支巷宽度应尽可能小，其宽度不宜大于6.0m。根据试验块段的采矿地质条件和该矿的开采经验,确定其采场支巷宽度6.0m，高度2.6m。

②间隔煤柱(隔离体)宽度

间隔煤柱的作用：间隔煤柱(隔离体)的作用是在采场支巷开采和充填过程中为采空区顶板提供有效支撑，控制覆岩移动和地表21下沉。间隔煤柱(隔离体)内涵：间隔煤柱宽度，即N-1个采场支巷的宽度。在第1开采阶段，间隔煤柱由实体煤(若干条还未开采的采场支巷)组成。在第2开采阶段及后续开采阶段，由实体煤(若干条还未开采的采场支巷)和已达到设计强度要求的充填体组成。最后一个开采阶段，完全由充填体组成。确定隔离体宽度为18m。在采场支巷设计宽度为6.0m的条件下，将整个块段内的采场支巷划分为4个开采阶段。

③隔离体宽度

隔离体宽度的设计原则为：为保证采场支巷开采和充填过程中，隔离体具有一定的承载能力，能够有效支撑顶板，隔离体宽度应尽可能大；充填体固化时间决定其强度指标，因此，应使充填体在下一阶段开采前满足固化时间要求,才能保证其强度达到设计要求。

充填系统及工艺流程

①充填系统

充填系统由地面充填站和充填管路构成。地面充填站主要包括料浆制备和输送及其配套设备，其中料浆制备装置包括主料罐9、CO₂罐10、辅料罐11和成浆罐12。充填管路由钻孔管路和井下充填管路组成。

②充填工艺流程

首先，向主料罐9内注入定量的粉煤灰、煤矸石16和水泥；之后，与碱性硅基添加剂的水溶液按照设定配比同时注入成浆罐12，边搅拌边通入CO₂，配制CFBF材料。第二，通过充填管路，依靠重力势能，将料浆自流输送到已用密闭墙17封闭的充填巷中，使用CFBF材料进行充填；最后，对充填管路进行冲洗。

应用效果

从经济角度考虑，示例盘区内部分边角区域不适合布置采场支巷，该区域内的煤炭未采出，整个试验块段的采出率为96.8％。采场支巷充填接顶效果与地表21沉陷控制效果良好。