金属矿遗留采空区CO2封存方法及其可行性研究

摘要

CO2地质封存（CO2 geological storage, CGS）是助力我国及全球碳中和目标实现的关键技术路径.传统CGS面临场地稀缺与成本高昂的双重挑战，实现低成本、规模化场地封存理念亟需开展技术创新与跨领域合作.长期性、大规模、高强度的金属采矿活动在国内遗留了规模宏大的采空区，该类地下空间虽赋存较浅，有效盖层缺失，封闭性欠佳，但场地可人为改造优势显著，若能实现CO2封存，既是对废弃地下空间的资源化利用，又是对规模化CGS技术路径的有效补充，兼具双重效益.因此，笔者开展了专门的金属矿遗留采空区CO2封存方法及其可行性研究，得出以下结论：（1）借鉴硬岩内衬地下洞室压缩空气储能（Compressed air energy storage, CAES）成熟技术模式，在金属矿遗留采空区矿硐内建造储气库实现CO2物理封存是可行的技术方案，该方案的实施可分为两阶段，第一阶段，CO2储库封存——环境效益阶段；第二阶段，CO2储能利用——经济效益阶段.（2）充填固碳理念，利用工业固废CO2矿化机制先固碳、再充填，实现采空区处置与CO2封存，基于该理念本研究提出了金属矿遗留采场“资源回收–充填固碳”协同方法，同步实现充填固碳扩大封存、提高资源回收率、固废处置与灾害防治四重目标.（3）基于遗留采空区超基性–基性围岩的情况，讨论了Wallula方法和Carbfix方法用于金属矿遗留采空区–围岩系统矿化封存CO2的可行性及要点，前者用于金属矿遗留采空区CO2封存时，依然需遵循沉积盆地的封存理念；后者用于金属矿遗留采空区CO2封存时，要求可靠的、经济的水资源供给为首要前提.（4）基于现有的CGIF(CO2 gangue inorganic framework)物理–化学协同封存理念，提出了通过在金属矿遗留采场边界构筑人工圈闭实现内部空间CO2物理–化学协同封存的方法.人工圈闭的构筑实现井下采场充填固碳“先固碳，再充填”与“先充填，再固碳”并行的双路径技术体系.人工圈闭内充注CO2形成圈闭–矿化–游离的协同封存机制，该机制可实现采场空间范围CO2封存潜力最大化，封存潜力可使用有效容积法和矿物置换法来计算.综上所述，本研究提出了基于物理封存、矿化封存、溶解封存技术并适配于金属矿遗留采空区的CO2封存方法，以期为该类地下空间资源化利用提供理论参考与技术支撑，进而服务于我国及全球碳中和战略.

关键词

金属矿山 / 遗留采空区 / CO₂地质封存 / 方法研究 / “双碳”目标

基金资助

国家科技重大专项资助项目(2024ZD1004305); 国家自然科学基金面上资助项目(52374113,52274107); 北京市科技新星计划资助项目(20230484242); 中国博士后科学基金资助项目(2025M773254); 国家资助博士后研究人员计划资助项目(GZB20250752)