冯国瑞教授：矿山遗存地下空间利用现状与结构充填技术应用前景

创新点

（1）系统梳理了CO₂封存、地下水库与结构充填技术的现状，明确指出CO₂封存面临固碳材料渗透性与长期稳定性不足、围岩多场耦合损伤机制不明，地下水库存在坝体干湿循环疲劳问题，结构充填则受限于关键位置不明确等瓶颈。

（2）揭示CO₂封存、地下水库与结构充填三类技术在矿山遗存地下空间结构稳定性控制、材料开发及多场耦合模型上的协同潜力，提出“地质精准探测–功能定向设计–动态优化调控”技术体系，为多功能地下空间利用提供全链条支撑。

（3）针对多场耦合机制难题，强调通过跨尺度THMC建模融合微观孔隙演化与宏观力学响应，并结合智能感知、数字孪生技术实现动态调控，推动地下空间从环境负担向战略资源转化。

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矿山遗存地下空间利用现状与结构充填技术应用前景

作者：冯国瑞^1,2,4, 崔业凯^1,2, 李竹, 汪圳^1,2, 孟祥天^1,2, 吴国威^1,2, 占梦楠^1,2, 姚鑫^1,2

单位：1. 太原理工大学 矿业工程学院; 2. 矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室; 3. 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室; 4. 山西能源学院

引用格式：

冯国瑞，崔业凯，李竹，等. 矿山遗存地下空间利用现状与结构充填技术应用前景[J]. 绿色矿山，2025，3(2)：1−14.FENG Guorui，CUI Yekai，LI Zhu，et al. Utilization status of underground space of mine remains and application prospect of structural filling technology[J]. Journal of Green Mine，2025，3(2)：1−14.

摘要

我国煤炭高强度开采后形成巨量地下遗存空间，其资源化利用对缓解土地压力、防控次生灾害及实现“双碳”目标具有重要意义。系统梳理了煤炭地下空间现有综合利用技术，探讨了CO地下封存技术与地下水库技术等研究进展，结合团队提出的结构充填技术理论，分析了该技术亟待解决的关键问题、应用瓶颈与发展前景。已有文献表明：CO地下封存技术依托工业固废矿化反应实现CO封存，但固碳材料渗透性与长期稳定性等物理性能仍有待提升，储碳空间围岩在多场耦合作用下的损伤机制尚未明晰；地下水库技术通过改造采空区构建储水系统，但周期性水压波动诱发坝体结构干湿循环疲劳问题亟待解决；结构充填技术以低充填率、高稳定性设计构建稳定地下空间结构，为空间功能化提供力学保障，但仍面临关键充填位置不明确、材料性能与功能需求矛盾、多场耦合损伤机理不清及智能化工艺不足等瓶颈；未来需聚焦功能化充填材料开发、跨尺度THMC多场耦合建模、智能感知与数字孪生技术应用，构建“地质精准探测–功能定向设计–动态优化调控”技术体系。通过跨学科协同创新、政策机制支持及标准化建设，推动地下空间从环境负担向战略资源转化，为矿区绿色转型与“双碳”目标实现提供理论和技术支撑。

部分图片

图1 残采区关键域充填储碳空间重构示意

图2 抽水蓄电站示意

图3 结构充填示意

图4 多场耦合(THMC)相互作用关系

作者简介

冯国瑞，男，1976年7月生，山西阳城人，博士，二级教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选，“科学探索奖”获得者。现任山西能源学院党委书记，兼任矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室主任、山西省煤基资源绿色高效开发工程研究中心主任、山西省煤炭学会副理事长、《山西煤炭》主编、《绿色矿山》副主编、《煤炭学报》《煤炭科学技术》《岩石力学与工程学报》《采矿与安全工程学报》《采矿与岩层控制工程学报》《矿业科学学报》编委。

研究方向

难采煤炭资源安全绿色开采与灾害防控

主要成果

主持了国家青年科学基金项目（A类）[原国家杰出青年科学基金项目]延续资助项目、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目、国家基金联合基金重点项目、国家优秀青年科学基金项目等20余项纵向科研项目，并承担了山西焦煤集团、晋能控股集团、同煤集团和晋煤集团等单位的20余项横向攻关项目，主编或参编学术著作9部，发表SCI、EI收录论文300余篇，授权国际发明专利近20项、国家发明专利200余项，登记软件著作权10余项，获国家教学成果二等奖（排名第2）、山西省技术发明一等奖（排名第1）、中国煤炭工业科学技术一等奖（两项排名第1）、中国职业安全健康协会科技进步一等奖（排名第1）、中国专利优秀奖（排名第1）、山西省教学成果特等奖（两项排名第1）、山西省科技进步一等奖（排名第4）等省部级一等以上科研教学成果奖10项、二等奖多项，曾获得国家有突出贡献中青年专家、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师、山西省劳动模范、山西省新兴产业领军人才、山西省科技创新重点团队带头人等荣誉称号。

策划丨常明然

责编丨钱小静

编辑丨李莎

审核丨常明然

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《绿色矿山》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

期刊主页

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投稿网址

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