问题描述
西北陕甘宁蒙疆地区是我国最重要的煤电化基地，矿山固废、废水、废气（二氧化碳）大量排放，但目前处理方式存在规模小、成本高、地面存放难、对地表生态环境污染和破坏大，急切需要因地制宜、寻找新的途径（如利用深度大于2000米的咸水层、深度大于900米的关闭矿井采空区等），实现矿山三废的特大量、低成本地质封存，将固废处理成本降低30%，废水处理成本降低60%，二氧化碳处理成本下降50%。同时，建立系统封存理论与耦合体系，对解决我国煤矿超大量三废低成本地质封存问题具有重要价值，对促进生态文明建设意义重大。
问题背景
煤炭开采和加工、生产过程中产生的“三废”主要是：煤矸石,煤泥；矿化度高、含悬浮物、含酸（碱）性或含特殊污染物的矿井水,煤泥水,工业废水等;矿井瓦斯和锅（窑）炉产生的烟尘（气）等。而其中又以三废（废矸、废水、废风）带来的环境污染问题更为突出。治理“三废”污染一直是困扰煤矿的重点技术难题，是阻碍经济建设和生态环境保护协同发展的瓶颈。
我国是煤炭生产与消费大国，每年产生的煤矸石占煤炭生产量的10%～25%，年排放量超过8亿吨以上。煤矸石作为煤炭生产的附属固体废弃物,大量排放到地面形成矸石山,不仅占用土地,而且对周边居民健康和环境造成危害。2020年,我国产生7.95亿t煤矸石，针对煤矸石的综合处理,国内外已经研发了包括煤矸石发电、铺路、生产化工原料等方面的地面处理方法,以及煤矸石充填的井下处理方法,但是煤矸石综合利用率不足30%;并且随着我国煤矿大型现代化矿井建设的推进,以及开采深度增加,煤矿排矸呈集中化、高产化和规模化的发展趋势,现有的煤矸石处理技术已经不能满足煤矸石处理的要求。目前我国煤矸石的处理与利用技术不完善，对环境污染仍旧较严重。所以，应当对煤矸石的处理和利用加以重视。根据有关研究资料，矿井每开采１ｔ煤炭需要排放约２ｔ矿井废水。若将煤炭生产过程中产生的废水直接排放，不仅会造成水资源的极大浪费，而且也会给矿区生态环境带来不利影响，其中尤以高矿化度矿井水危害最为显著。主要表现为河流水含盐量上升、土壤次生盐碱化、农作物减产等。同时还影响地区的工业生产，由于较多工业生产不能利用高含盐量的水，若用则必须先降低水中含盐量，这样就会增加成本。高矿化度矿井水是指溶解性总固体(含盐量)大于1000mg/L的矿井水,我国西部煤炭产区的矿井水大多属于高矿化度矿井水,其含盐主要来源于Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-等离子,而且硬度往往较高,有些矿井水硬度(以CaO计算)可达1000mg/L。硫酸盐和硬度的去除是除盐的难点。温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射的一些气体，如水蒸气、CO2等。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第三次评估报告指出,近50年的气候变暖主要是人类使用化石燃料排放的大量CO2等温室气体的增温效应造成的。自工业化时期以来，大气CO2增加所产生的辐射强迫为+1.66±0.17Wm-2，其贡献显著大于该报告考虑的所有其它辐射强迫因子。来自化石燃料使用以及土地利用变化对植物和土壤碳影响所产生CO2排放是大气CO2增加的主要来源。排放到大气中的CO2，大约一半在30年里被清除，30%在几百年里被清除，其余的20%通常将在大气中留存数千年。在最近几十年里，CO2排放持续增加，因此减少大气中CO2排放量是控制全球气候变暖的根本途径。最新进展（截止问题发布年度）
实现科学开采、促进生态环境协同发展,就是要立足于煤炭开采的源头,通过研究科学的开采方法及途径,改变传统采煤工艺对生态环境破坏的现状,最终实现煤炭资源的高效、环保和安全开采,实现煤炭工业的绿色可持续发展。
１、煤矿地下空间的研究及利用地下空间是人为开采活动产生的，包括浅部空间与深部空间。目前煤矿地下空间研究主要侧重三个方面：一是用于处理建筑垃圾、固废等；二是对浅部空间进行充填压实，进行土地开发；三是充填开采。目前在山东、广东等地存在利用老采空区处理建筑垃圾的工程；在山东等地通过充填改造城区周边采空区，改良成可开发的建筑用地；在山西、内蒙、安徽、山东等地采用充填开采方式，释放建筑物下压煤，同时处理固废（粉煤灰、矸石等）。２、煤基固废处理研究进展煤基固废主要包括煤矸石、粉煤灰和化工渣，前两者尤为普遍。目前我国每年产出煤矸石7-8亿吨 截止目前累计堆存煤矸石50亿吨左右，且以年增2-3亿吨速度增加。煤矸石处理方式包括：（1）采空区回填或充填。目前大力推广方式，矸石无需堆放。（2）筑基修路。要求煤矸石级配良好，有机质含量不超过10%。（3）发电。（4）制造建材。（5）复垦绿化。（6）分级分质利用。制造陶瓷、氯化铝、土壤改良剂。粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固废，每2吨煤就会产生1吨粉煤灰。2017年我国粉煤灰产量6.86亿吨，同比增长4.7%，产量高居世界第一；利用量达到5.17亿吨，综合利用率75.37%。粉煤灰主要用作水泥掺合剂（约占综合利用量38%）、建材深加工（占26%）、混凝土添加剂（占14%）。由于井下充填处理量大、成本低，成为西北地区处理煤基固废的主要趋势，通过这种方式，可利用30-50%的采煤空间，成本比其它处理方式低30%，效率提高3倍以上。通过改变充填目的和工艺、优化充填关键装备、提高充填工作面自动化程度等,发展以处理矸石为目标的煤矸石高效自动化充填处理技术,为煤矸石的集中规模化处理提供了思路。目前中国煤炭地质总局团队，利用覆岩离层注浆技术，在国家能源集团、中煤能源集团等开展近十个项目，处理大量煤基固废同时，释放建构筑物下压覆煤炭资源，有效防止地面塌陷变形，实现了资源节约利用与生态环境保护双重目的。一些专家鉴于一般开采将矸石堆积在地面而导致采掘深陷以及严重环境问题的情况,提出了一种矸石不出井直接在井下充填的洁净式采掘新技术方式,这样不但能够使矸石山消除,而且降低采掘沉陷率,有着理想的经济效益。《固体废物污染环境防治法（2020年修订）》明确提出固体废物将纳入排污许可管理，煤矸石是我国累计堆存量和年产生量最大的一种工业固废,纳入排污许可管理势在必行。３、矿井水处理现状近些年我国在煤矿高矿化度矿井水深度处理和零排方面取得一定进展：灵新煤矿采用"直滤系统+反渗透系统"深度处理工艺和浓盐水井下封存技术，相较于地面处理系统,矿井水井下处理系统不仅实现了井下污水零升井的目标,而且大幅降低了投资和运行成本。同时,利用采空区进行浓盐废水井下封存,也为矿井水处理零排放提供了一条新的路径;徐庄煤矿采用多介质过滤和活性炭过滤前处理工艺及反渗透的脱盐处理工艺。运行实践表明:工艺合理、稳定可靠、出水水质好、操作管理简单,具有一定的推广应用前景。４、工业CO2处理进展通过CO2捕获和封存(CCS)技术进行电厂脱碳是减少CO2进入大气的一个重要切入点。CO2捕获技术则主要有吸收法、吸附法和膜分离法等,其中膜分离法是最有发展潜力的技术。油气田、煤层田以及盐水层具有长期安全封存CO2的能力,且有巨大的封存容量；吸附法与液化提纯相结合改进型CO2回收技术,此原理是根据CO2分子空间结构、分子极性等性质,选取对混合气体中CO2组分有强于其他组分吸附力的吸附剂,由于混合气体中各组分分子与吸附剂表面活性点的引力具有差异,当混合气体在一定压力下通过吸附床所载的吸附剂时,吸附剂对CO2进行选择性吸收,进而实现对CO2气体的分离、回收。重要意义
１、煤基固废地下封存
本研究积极响应国家生态环境政策，在项目实施阶段可将大量煤矸石固废充填至地下空间，秉承“从哪来，到哪去”，使煤矸石回归自然，达到对固废（煤矸石）的无害化处理，同时可实现矿井水不外排，减小高矿化度矿井水对地表生态环境系统的危害，对矿区生态环境进行有效保护，实现矿井绿色开采与环境协同发展。新型覆岩离层注浆与膏体充填：将煤矸石破碎、球磨后的矸石粉制成浆液，通过注浆充填技术注入地下空间，达到固废物（煤矸石、粉煤灰等）无害化处理，形成“离层区充填（灌注）体+关键层+煤柱”构成共同承载体，同时有助于减缓开采过程中的地表沉陷、含水层破坏等灾害，可将地表下沉及地面构筑物变形控制在合理范围，实现对地面蓄水池及运煤环形铁路的有效保护。本技术将延长矿井服务年限，增加就业人数，产生显著的经济效益、社会效益和环境效益，并为矿区解决煤矸石、粉煤灰等固体废弃物处理问题及矿井采空塌陷治理提供有效示范作用。煤矸石地质封存可利用30-50%的采煤空间，成本比其它处理方式低30%，效率提高3倍以上。２、高矿化水深部封存矿井水井下处理就地复用可节约土地、节省投资,且运行费用低,具有良好的经济效益和环境效益。该技术充分利用了煤矿井下采空区及原有巷道的自然空间储水,节约土地资源,有效解决了地面建设水处理厂征地难的问题。对确保矿井附近居民的用水安全,实现矿区水资源的可持续开发,具有重要的理论和实际价值；在达到“零排放”（浓盐水分盐、分质结晶）的标准下,系统在井下建设时,不必将井下采煤废水全部提升至地面,大大降低能耗。陕甘宁蒙疆等重大产煤区普遍为生态脆弱区，无水网分布，大量高盐水无法综合利用，采用地质封存处理可使处理成本下降60%以上。３、CO2捕获和封存因地制宜的采用CO2捕获和封存技术，捕获成本较西方下降20～30%，封存成本比国际下降50%。陕甘宁蒙疆煤矿生产基地是西电东送电厂、煤化工等CO2产集区，深层咸水层是良好的CO2封存空间，已有回注水相关工程案例。深度大于900米的关闭矿井采空区、生产及废弃石油煤层气孔、华南沿海深层海底等也满足CO2封存条件，可开展固、液、气地质封存协同研究。综上，建立立体系统封存理论与耦合体系，形成六大评价指标（科技指标、环保指标、注入条件、安全指标、经济分析、监控与计量），对解决我国煤矿超大量三废（固，液，气）低成本地质封存与生态环境协同发展问题具有重大意义。
