煤礦負碳高效充填開采理論與技術構想

謝和平 ， 張吉雄 ， 高 峰 ， 李百宜 ， 李存寶 ， 謝亞辰 ， 周 楠

(1.中國礦業大學-深圳大學-四川大學 深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室, 江蘇 徐州 221116；2.深圳大學 深地科學與綠色能源研究院,廣東 深圳 518060；3.中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116；4.多倫多大學 土木工程系 多倫多 M5S1A1)

礦山安全高效綠色低碳開采是永恒的主題，當前仍面臨一系列挑戰[1-2]。2023 年7 月，習近平總書記在全國生態環境保護大會上強調“生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計”，并指出“我國生態環境保護結構性、根源性、趨勢性壓力尚未根本緩解。必須以更高站位、更寬視野、更大力度來謀劃和推進新征程生態環境保護工作，要加強科技支撐，推進綠色低碳科技自立自強”。同時，習近平總書記系統部署了全面推進美麗中國建設的戰略任務和重大舉措，指出“堅持把綠色低碳發展作為解決生態環境問題的治本之策”。因此，為保障能源穩定供應，推進煤炭資源綠色低碳發展，破解煤礦安全高效綠色低碳開采的現實難題，必須要有煤炭低碳高效開采新思維，構建煤炭低碳高效開采新原理，推進煤炭低碳高效開采新技術創新，實現煤炭資源從傳統利用方式向低碳高效開發的根本轉變。

煤炭資源從地下巖層中大量開采剝離必然導致巖層失穩而引發地質及環境災害[3-5]，世界上還沒有一個神奇的理論能夠實現在地下煤炭資源被挖空后，維持上覆巖層不變形、不破斷、不垮塌與不發生沖擊地壓[6-9]。充填開采技術在地表沉陷控制、生態環境保護、礦山固廢處置與利用等方面具有顯著的技術優勢，能夠從煤炭資源開采源頭上解決地表沉陷、地下水流失、瓦斯排放、土地占用損害等難題[10-13]。歷經20 余年產學研用聯合攻關，我國充填開采技術歷經了5 代研發創新[14]，已基本形成體系的典型充填技術包括綜合機械化固體充填技術[15]、膏體充填技術[16]、長壁逐巷膠結充填技術[17]、覆巖隔離注漿充填技術[18-19]、井下采選充＋X 技術[20]、功能充填開采技術[21-23]。然而，這些充填開采方法廣泛應用于我國各大礦區，工程實施效果良好的同時也在實踐中暴露了一些發展的阻力與難處，例如充填影響煤炭生產效率、大規模充填所需矸石量不足、充填作業成本高等問題，面臨著不能實現“低碳、零碳、負碳”的綠色發展要求等嚴峻挑戰。因此，為實現從源頭消除沖擊地壓災害和地表生態損害，以近零生態損害以及低碳、零碳、負碳的綠色開采為最終目標，必須著力于創新現有的充填開采原理與技術。

基于此，筆者認為，充填開采是實現千米深井和千萬噸產能礦井高效開采(兩個一千)，同時保障“近零生態損害和近零沖擊地壓”(兩個近零)，以及低碳、零碳、負碳綠色開采(一個負碳)的唯一根本途徑，并能實現生態薄弱區煤炭資源解放、沖擊危險地區煤炭資源解放的目標(兩個解放)。提出“近零生態損害和近零沖擊地壓”的負碳高效充填開采全新技術構想，實現井下矸石快速高效高孔隙充填與CO2大規模封存，提高充填開采效率與效益，推進煤炭綠色低碳高效開采，破解傳統充填開采方法理論與技術瓶頸，明晰實現“兩個一千、兩個近零、一個負碳、兩個解放(生態薄弱區煤炭資源解放、沖擊危險地區煤炭資源解放)”的技術路線和戰略目標，構建“近零生態損害、近零沖擊地壓及負碳煤炭開采”的礦山充填全新技術體系。筆者提出了負碳高效充填開采理論與技術研究總體框架，提出和建立了由CO2、矸石與快速膠結物混合而成的負碳高孔隙充填材料結構CGIF(CO2Gangue Inorganic Framework)，并對高孔隙充填材料結構拓撲構型與強度理論、CGIF 混合物充填體固碳理論、快速黏凝膠結材料反應動力學理論、礦區充填開采防治沖擊地壓理論、矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術、快速黏凝膠結材料綠色高效制備技術、CGIF 充填體負碳高效充填開采技術、多工作面并采高效充填開采技術與工藝、全周期立體高效充填開采防沖技術進行了概述，明確了負碳高效充填開采的戰略路線與最終目標。

1 負碳高效充填開采的定義和構想

負碳高效充填開采是指利用高孔隙率、高力學強度、高儲碳能力的新型充填材料，在井下將CO2、矸石與快速膠結材料混合，構建CGIF 混合結構物充填材料并將其充入采空區，形成全新的矸石快速高效膠結高孔隙混合物負碳充填體，在實現快速高孔隙充填的同時形成CO2封存體，以此構建全新的“煤礦負碳高效充填開采構想”。

“煤礦負碳高效充填開采構想”的實現對充填材料的孔隙度、力學性能、儲碳能力提出了新要求。Science 期刊2020 年報道的金屬有機框架材料(MOFs)以其高孔隙等特性，實現了作為吸附劑對清潔燃料氣體的高密度儲能[24]。其構建方法為負碳高效充填材料的高孔隙度要求提供了研發思路。因此，基于金屬有機框架(MOF)的網絡方法，筆者提出利用矸石構建高孔隙率、可調孔隙結構的高孔隙充填材料的構想(圖1)，具體特征為結構功能穩定、環境影響較低、力學性能與儲碳性能優異。

圖1 負碳高效充填開采技術Fig.1 Carbon negative and efficient backfill mining technology

同時，為實現高效負碳目標，進一步設計架后落料聯合噴射的充填工藝以實現CGIF 的采空區內高效混合、凝固，實現對頂板的及時有效支撐。如圖2 所示，首先，通過支架后頂梁懸掛的多孔底卸式輸送機將高孔隙充填材料填充入采空區，同時啟動架后噴射裝置，將CO2及快速膠結材料噴射在高孔隙充填材料上以實現快速充填，并利用高孔隙充填材料的孔道結構與化學性質吸附CO2，同時噴灑密封劑形成CGIF混合物充填體。相較于傳統充填開采，負碳高效充填開采技術通過研發高孔隙充填材料與快速膠結材料，取消充填夯實工藝，降低了充填矸石用量，縮短了充填材料固化時間，提高了充填工藝速度。

圖2 負碳高效充填工藝Fig.2 Carbon negative and efficient backfill mining process

在“煤礦負碳高效充填開采構想”指導下，進一步結合幾何學、力學原理建立礦區充填開采防沖設計方法，構建“近零生態損害和近零沖擊地壓”的負碳高效充填開采技術體系，以期實現“兩個一千、兩個近零、一個負碳、兩個解放”的戰略目標，改變目前礦區單工作面產能低、沖擊危險性大、生態破壞嚴重、污染物排放量高等一系列問題，實現煤炭資源負碳防沖高效開采理念與模式的改革，可望在全球率先形成“煤炭負碳開采、低碳利用”的煤炭開發利用全新過程，構建“自身就實現碳中和”煤炭開發的新格局。

“煤礦負碳高效充填開采構想”圍繞礦山安全、高效、綠色、低碳開采的重大戰略需求，面向深部與西部礦井，將顛覆性地實現煤炭負碳開采，突破常規充填開采影響煤炭生產效率的瓶頸。針對沖擊地壓治理與高效低碳開采面臨的技術難題，以“充填材料結構表征—充填材料服役性能—充填材料固碳機理—礦井多工作面并采與充填防沖的設計原理—煤礦負碳高效充填開采防沖監測與評價—工程示范”為主線，深入研究高孔隙充填材料結構拓撲構型與強度理論、CGIF 混合物充填體固碳理論、快速黏凝膠結材料反應動力學理論、礦區充填開采防治沖擊地壓理論，在突破關鍵理論的基礎上，研發矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術、快速黏凝膠結材料綠色高效制備技術、CGIF 充填體負碳高效充填開采技術、多工作面并采高效充填開采技術、全周期立體高效充填開采防沖技術等關鍵技術，最終形成通用性的煤礦負碳高效充填開采理論與技術體系?？傮w研究理論與技術框架如圖3 所示。

圖3 負碳高效充填開采理論與技術研究框架Fig.3 Theoretical and technical research framework for carbon negative and efficient backfill mining

2 負碳高效充填開采的理論框架

2.1 負碳高孔隙充填材料結構拓撲構型與強度理論

負碳高效充填開采技術采用的關鍵材料是矸石快速高效膠結高孔隙充填體。其通過改變充填材料宏觀結構，將傳統矸石密實充填體轉變為高孔隙充填體的思路進行研制。

該材料具有孔隙和孔徑可控、形狀穩定、力學性能優異等特點，且其內部的大量孔隙空間使材料具備可設計性，并可根據不同充填場景進行優化設計，實現多功能集成。同時因其具備大量孔隙的特點而破解大規模充填材料不足的難題。

然而，由于充填體結構與性能受復雜多變的井下環境影響[25-28]，其設計必須考慮工作狀態下的性能要求，如果高孔隙充填結構失效，則會造成嚴重的煤礦安全事故，但目前沒有井下高孔隙充填體的結構表征與力學性能相關的理論，導致材料結構與力學性能缺乏定量關聯。因此，構建高孔隙充填材料結構拓撲構型與強度理論尤為關鍵。

明確材料的幾何結構數學模型與強度特性是構建高孔隙充填體結構拓撲構型與強度理論的核心。因此，需采用復雜系統科學方法，精確描述復雜結構力學系統中的應力、位移和變形，建立材料非線性變形數學模型，通過分形幾何方法定量表征三維高孔隙材料幾何拓撲結構，深入研究新型高孔隙度矸石-膠體復合材料結構與強度的定量關聯，以期揭示井下滲流-應力-化學多場耦合環境下高孔隙充填體結構損傷機理，提出高孔隙充填體的長期穩定性控制方法，進而實現充填材料低密度、高孔隙率框架式承載目標。

2.2 CGIF 混合物充填體固碳理論

為實現充填體的低密度、高孔隙特性而提出CGIF 混合物充填體制備技術。CGIF 混合物充填體通過混合常態或超臨界CO2、矸石、快速高效膠結材料進行制備。如圖4 所示，CGIF 混合物充填體既能快速高孔隙充填，又能大規模固化CO2，其中的CO2還能起到一定的支撐承壓作用，形成可實現負碳高效充填開采的全新技術路徑。

圖4 CO2 與矸石及快速膠結劑混合物充填體CGIF 示意Fig.4 Schematic diagram of the filling body “CGIF” with a mixture of CO2, gangue, and rapid binder

CGIF 混合物充填體固碳機制及穩定性的研究路徑為深入探究CGIF 的內生機制及演變規律，建立固碳能力計算方法，揭示CGIF 高孔隙固碳程度與內膨脹機理，利用熱力學與動力學理論研究多相礦化反應過程中二氧化碳遷移規律與礦化作用機理，建立CGIF混合物充填體本構模型，探索其結構強度與體積變形機制，明確其在井下充填環境下的力學性能與長期穩定性，構建CGIF 混合物充填體礦化反應全過程的CO2凈排放模型，提出充填體負碳性能評估方法。

理論上，開采1 t 原煤將產生0.74 m3采空區，當CGIF 混合物充填體孔隙率分別為50%、60%、70%時，根據其孔隙體積與CO2液體密度，估算超臨界CO2固化量分別為0.34、0.41、0.48 t，同時充填材料矸石用量分別減少了0.67、0.80、0.93 t。因此，按每年原煤采出量為40 億～45 億t，進一步估算得出每年采空區CGIF 混合物充填體負碳量為13.6 億～21.6 億t，每年充填材料矸石用量減少了26.8 億～41.9 億t。CGIF 混合物充填體封存CO2的同時破解了大規模充填開采所需矸石量嚴重不足的難題，同時，可望在全球率先創造煤炭負碳開采、低碳利用新格局，實現煤炭開發利用全過程自身碳中和的目標。

2.3 快速黏凝膠結材料反應動力學理論

負碳高效充填開采中的快速黏凝膠結材料通過膠結作用，將散體矸石黏結后形成具有承載能力的結構，膠結材料具有黏結強度高、固化速度快、固結強度大的特點。膠結材料水化反應機理解釋了膠凝顆粒固結硬化現象[29]，然而，基于高效膠結、快速膨脹、快速固化的快速黏凝膠結材料的反應調控機制尚不清晰。因此，需要根據膠凝作用機理，構建快速黏凝膠結材料反應動力學理論，最終實現快速黏凝膠結材料的制備與性能優化。

快速黏凝膠結材料反應動力學理論的研究路徑為考慮膠凝顆粒粘結過程中的動態停滯、相分離、滲流和干擾的動力學現象[30-31]，研究固廢材料膠凝性能活化與反應原理，提出膠凝顆粒接觸的物理化學模型，建立固化時間與固結強度的計算方法，探索膠凝材料分子網絡框架結構，構建快速黏凝膠結材料的反應調控方法，包括水化反應的宏觀調控機制與反應顆粒動力學研究，最終實現粘結強度高、固化速度快、固結強度大的膠凝材料研發，進而破解礦山充填影響開采速度的難題。

2.4 礦區充填開采防治沖擊地壓理論

現有充填開采技術難以為礦區充填開采防治沖擊地壓提供足夠的理論支撐[32-33]，存在關鍵層與沖擊地壓關聯機制、充填控穩力學原理與防沖設計準則等科學問題尚未解決，亟需建立煤礦大區域長歷時充填開采防沖的力學原理和設計準則，實現礦區充填開采防沖的精準可靠設計(圖5)。

圖5 礦區充填開采防治沖擊地壓理論Fig.5 Theory of impact pressure prevention and control in mine backfilling mining

建立全區域長歷時礦區覆巖結構的幾何與力學模型，以煤礦生產壽命為時間歷程摸清整個礦區多采區、多工作面、大規模開采條件下巖層-充填體應力轉移與能量分布積聚特征，定量表征巖層-充填體能量源集聚、耗散與釋放規律[34]，解析充填體抑制能量演化致災過程。深入研究礦區多工作面大規模并采下巖層結構的變形模式[35]，理論描述礦區充填開采下巖層變形、斷裂與滑移失穩特征，量化計算充填開采防沖所需的巖層允許有限變形，闡明大規模充填開采下巖層破斷的臨界力學條件，揭示巖層變形破斷的失穩類型與準則。

構建適應于不同礦區開采條件的充填體結構形式體系，建立基于充填體幾何結構與力學強度相匹配的巖層控穩理論，形成礦區大規模結構性充填開采的充填體幾何與力學參數優化設計方法，以達到巖層控穩的材料最少用量和防沖最佳效果?；趲r層變形和能量災變理論，評估礦區大規模充填開采中巖層的變形量和失穩風險，提出充填開采順序、開采速度、開采規模的確定方法，結合巖層控穩理論和充填體結構優化算法，提出巖層控穩參數，得出充填體強度、剛度和結構幾何參數條件，最終建立礦區充填開采防沖設計準則。

3 負碳高效充填開采的關鍵技術體系構想

3.1 矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術

矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術是實現負碳高效充填開采的關鍵基礎，其核心是高孔隙充填材料的設計流程與制備工藝(圖6)。

圖6 矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術Fig.6 Preparation technology of high-porosity filling material with rapid and efficient cementation of gangue

不同充填環境對充填體的強度要求不同，因此需要通過分析充填材料賦存及工作狀態，確定高孔隙充填體的強度與相應孔隙率大小，并據此構建高孔隙充填材料結構。該技術的研究內容包括研究散體矸石堆積、黏結形成高孔隙結構的制備方法，采用Talbol 級配理論對矸石骨料顆粒級配進行評價，并利用分形理論確定的孔隙結構優化配比，通過響應面法對矸石快速高效膠結高孔隙充填體開展強度性能試驗，采用XRD (X 射線衍射)、SEM-EDS (電鏡掃描+能譜分析)、MIP(壓汞法)等多種材料分析手段開展微觀界面結構基礎研究，并據此優化高孔隙充填材料配比與孔隙結構，進一步將實驗室得到的最優配比與孔隙結構的高孔隙充填材料應用于工業試驗，研究現場矸石落料速度、膠結材料噴漿速度及2 者協調關系，分析孔徑調控效果，優化高孔隙充填材料制備工藝與研發關鍵裝備，監測充填后的工作面礦壓顯現與頂板變形情況，從而對高孔隙充填材料的結構與性能進行檢驗，與實驗室制備環節共同構成先優化后驗證的閉環流程，最終形成一套矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術體系。

3.2 快速黏凝膠結材料綠色高效制備技術

快速黏凝膠結材料綠色高效制備的原材料為煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、煤氣化渣和爐底渣等煤基固廢?？焖兖つz結材料綠色高效制備技術主要流程為分析測試原材料的化學成分與礦物組成，測定潛在膠凝活性，利用機械激發、化學激發、熱活化激發和物相重構等方法激發材料活性，將設計配比的原材料進行破碎、粉磨、高溫煅燒、激發劑添加、均化等工藝，最終得到快速黏凝膠結材料。通過開展不同活性材料粉磨細度、激發劑種類與摻量的膠凝材料初終凝時間、抗壓強度、抗折強度和耐久性等因素影響下的正交試驗來優化膠結材料配比。同時，為加快水化反應速率，快速黏凝膠結材料制備過程中添加納米晶體材料與有機交聯劑，采用X 射線衍射、熱重-差熱分析、傅里葉紅外光譜分析等測試表征方法，測試分析水化產物與凝結時間，為膠結材料的快速粘凝特性提供理論依據，最終形成一套快速黏凝膠結材料的綠色高效制備方法(圖7)，實現開發黏結強度高、固化速度快、固結強度大的快速黏凝膠結材料的目標。

圖7 快速黏凝膠結材料綠色高效制備技術Fig.7 Green and efficient preparation technology of rapid cementing material

3.3 CGIF 充填體負碳高效充填開采技術

CGIF 充填體負碳高效充填開采技術是指利用CGIF 充填體對二氧化碳的物理-化學封存作用，建立成套充填開采系統與工藝，在充填開采作業的同時將捕集的CO2封存至充填體中，在快速高孔隙充填過程中形成CO2封存體，實現全新的負碳充填開采，打造負碳充填開采全新技術。如圖8 所示，CGIF 充填體負碳高效充填開采技術在地面制備快速黏凝膠結材料并捕集CO2，同時分別采用充填材料輸送系統與注氣管路將充填材料與CO2輸送至充填開采工作面完成負碳充填。其技術內涵主要包括CGIF 充填體制備與輸送系統開發、CGIF 充填體負碳高效充填開采工藝設計、CGIF 充填體負碳高效充填開采裝備研發、CGIF 充填封存二氧化碳全周期監測技術與負碳高效充填開采碳減排評估技術。該技術將突破充填開采材料不足、效率低、能耗大的技術瓶頸，解放生態薄弱區、沖擊危險區煤炭資源，實現煤炭負碳開采的戰略目標。

3.4 多工作面并采高效充填開采技術

針對千萬噸礦井充填的戰略目標，提出多工作面并采高效充填開采技術。該技術通過設計單層多工作面并采(圖9)和立體空間多工作面并采(圖10)的高效開采工藝并形成相應高效充填技術及裝備體系，在提高工作單面充填開采產能(100 萬～300 萬t/a)基礎上，通過多工作面并采實現千萬噸級礦井高效充填開采的目標。

基于高效充填多工作面并采巖層控制原理，該技術研究單層多工作面并采與立體空間多工作面并采的設計準則，優化多工作面并采布局方式；開發高效充填多工作面并采系統與工藝，確定采充時空協調關系；建立高效充填多工作面并采監測系統，監測包括地表下沉、圍巖變形、工作面礦壓與環境影響在內的多工作面充填效果，優化充填參數。該技術的應用將突破充填開采影響煤炭生產效率的瓶頸，可望實現千萬噸級以上產能的礦山高效充填開采。

3.5 全周期立體高效充填開采防沖技術

基于礦區充填開采防治沖擊地壓原理，研發全周期立體高效充填開采防沖技術，實現采前-采中-采后的全周期區域防沖與高效充填，解決治理沖擊地壓與解放礦井產能的難題。

全周期立體高效充填開采防沖技術針對礦區防沖要求，構建采前(老采空區預充)-采中(立體協同充填)-采后(嗣后空間補充)的全周期充填模式(圖11)，形成區域煤炭開采與充填防沖時空協調方法。其中，采前預充采用中位或高位充填垮落帶與裂隙帶，節約充填工序并實現大范圍的應力調整，防止采前頂板巖層能量積聚；采中充填基于防沖需求與采充協調原則，采用低位、中位與高位協同立體充填，避免應力集中與能量積聚；采后補充采用高位地面孔注充嗣后空間，提高充填體接頂效果，強化礦區防沖能力。

基于區域防沖與高效充填需求匹配原則，建立“低-中-高”多層位采動空間立體充填防沖協作方法，創新立體充填開采系統布局方式；進一步研究采動空間空隙時空演化規律與多方式協同充填時機的判定方法，優化多方式協同高效充填工序路徑，開發工藝集約、充填開采互不干擾的充填體快速成型與采充協同工藝，構建多源充填材料儲存制備與輸送布局方式，研發采動空間充填材料的定點高效輸送方法，建立充填材料的高效智能制備工藝與系統；最后，研發包括充填材料高效智能制備與長距離大運量輸送關鍵裝備、適應智能開采工作面的工序自驅執行充填關鍵裝備與多方式協同充填一體化智能管控系統在內的高效充填開采裝備。

4 負碳高效充填開采的發展規劃

根據現有的研究基礎與可能的研究進程，筆者提出負碳高效充填開采構想的“基礎研究—技術攻關—工程示范”三階段發展規劃(圖12)。

圖12 負碳高效充填開采“三階段”發展規劃Fig.12 “Three stage” development plan for carbon negative and efficient backfill mining

2023—2025 年為第1 階段，本階段圍繞負碳高效充填開采的技術構想，研究高孔隙充填材料結構與功能的關聯關系，明確材料成分與空間結構，得到材料性能與服役性能演變規律；研究膠結材料快速膠凝方法，構建膠凝顆粒運動接觸模型，揭示膠凝性能活化與反應機理；研究CGIF 混合物充填體內生機制及演變規律，得到CGIF 固碳能力與內膨脹機理、環境腐蝕下力學損傷機理；研究礦區充填開采防治沖擊地壓理論，得到礦區充填防沖力學原理與采區充填開采控制理論，形成負碳高效充填開采關鍵理論體系。

2025—2030 年為第2 階段，本階段將根據負碳高效充填開采關鍵理論，實現矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術、快速黏凝膠結材料綠色高效制備技術、CGIF 充填體負碳高效充填開采技術、多工作面并采高效充填開采技術、全周期立體高效充填開采防沖技術的五大技術突破與裝備研發，形成負碳高效充填開采技術。

2030—2035 年為第3 階段，本階段將建成負碳高效充填開采、西部高強度開采充填開采防沖及東部深部開采充填開采防沖示范工程，研發負碳高效充填開采的監測技術裝備，形成負碳高效充填開采的效果評價方法與技術規范標準。最終建立煤炭負碳高效充填開采技術體系，達到“兩個一千、兩個近零、一個負碳、兩個解放”的戰略目標，實現充填開采技術的革新。

負碳高效充填開采是綠色開采與災害防治科學研究的重要內容，是國家能源安全開發及清潔利用的戰略技術儲備。在負碳高效充填開采理論研究與技術創新的不斷探索中，必將把這一科學構想變為全面創新的、可大規模應用的開采技術體系。從而實現對煤炭資源的安全高效、綠色低碳開發。

5 結 語

根據現有煤炭生產布局，要實現深部與西部煤炭資源沖擊地壓災害與生態環境損害的源頭治理，就必須革新傳統充填開采原理與技術。負碳高效充填開采作為一項全新技術，能夠突破沖擊地壓災害治理與礦井低碳排放的技術瓶頸，使充填材料像儲氣儲能的多孔金屬材料一樣以高孔隙結構及混合體內CO2內壓承載采動巖體，同時又以矸石與膠結物形成的高孔隙固體構架來穩定儲存CO2，最終實現“近零生態損害、近零沖擊地壓及負碳開采”的煤炭開發利用全過程。

為推動負碳高效充填開采技術的實現與工業應用，提出了高孔隙充填材料結構拓撲構型與強度理論、CGIF 混合物充填體固碳理論、快速黏凝膠結材料反應動力學理論、礦區充填開采防治沖擊地壓理論等理論構想。在技術層面，提出了矸石快速高效膠結高孔隙充填材料制備技術、快速黏凝膠結材料綠色高效制備技術、CGIF 充填體負碳高效充填開采技術、多工作面并采高效充填開采技術、全周期立體高效充填開采防沖技術等技術體系構想，為建立負碳高效充填開采技術體系的工程實施與推廣提供了路徑參考。

筆者提出的基于CO2、矸石與快速膠結劑混合物CGIF 充填體的礦山負碳充填全新技術體系構想，可望在全球率先打造形成“煤炭負碳開采、低碳利用”的煤炭開發利用全過程“自身就實現碳中和”的新格局。