在“双碳”目标背景与当前技术条件下，“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”，严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则，着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索“煤”“废”“碳”协同发展路径，为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵，明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术；②阐明了“废”的功能化利用科学内涵，明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系；③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO,封存机理与调控、CO,封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题，明确了碎胀空间CO,封存、煤矿CO,固碳充填等关键技术，形成了利用煤矿采空区实现CO,低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展，协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置，对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。

图1 “煤”-“废”-“碳”协同发展总体思路

图2 “煤”-“废”-“碳”协同发展实施路径

合理的充填体强度可以平衡顶板安全性与充填成本。以陕北保水充填开采矿井为工程背景，笔者团队研究提出了短壁连采连充的1倍基准、2倍基准和3倍基准3种工艺类型，为条带煤柱安全高效置换开采提供了保障。图5为麻黄梁煤矿三倍基准短壁连采连充工艺，垂直切眼方向将工作面煤层每32m划分为一组，每组均分为4个条带，条带宽度8m，分4个循环进行短壁连采连充开采。3倍基准工艺下，第 4轮充填体承载较小，可弱充填，充填成本较单倍基准降低20%～25%。

“废”的功能化利用是在明晰多元煤基固废基础物理化学特性的基础上，进行固废材料改性，使其满足安全、环境、稳定等性能要求，再基于固废协同处置理论制备固废基胶凝材料，胶结煤矸石、气化渣等固废骨料制备全固废充填材料，实现大宗固废的规模化、无害化、功能化利用，为煤的绿色低碳利用提供保障。“废”的功能化利用科学内涵主要体现在：通过原材料测试明晰固废基础物化特性，确定固废改性优化的方向、方法，揭示固废改性机理，建立煤基固废协同水化反应动力学模型，形成固废分级分质利用、制备全固废充填材料的工艺组合方案。从而一方面最大规模地处置地面排放的固废，保护地面生态环境，同时控制固废充填对井下地质环境的影响。

大量煤基固废自身缺陷难以克服，导致区域内煤基固废的减量化、无害化与资源化处置产业发展阻力重重。如何解决固废自身问题使其具备功能化利用条件以扩大固废的无害化处理规模，成为了当前研究的关键。通过实施煤基固废改性技术，对各类固废进行改性，消除缺陷，提升性能，是实现“废的功能化利用关键技术”的前提，是拓展固废其他功能化利用的基础。

“碳”的低碳化处置 (NCD) 是在考虑地质条件和煤炭开发工艺的条件下，充分利用采空区形成的地下空间，通过充填可以矿化CO ₂ 的固体废弃物(如粉煤灰、气化渣、钢渣、赤泥等) 和废水(高矿化度、难处理污染水或废水)，以化学反应固化和物理吸附等方式将CO ₂ 封存在采空区内，在采空区充填的同时实现CO ₂ 的封存。“碳”的低碳化处置科学内涵主要体现在：以煤炭开发过程采空区充填和 CO ₂ 封存为背景，采取理论研究、室内实验和工程实践相结合的方法，揭示采空区矿化充填和CO ₂ 封存中物理、力学、化学、地质等基础科学问题，阐明低碳化处置的科学原理和地质适宜性，提出低碳化处置的科学实践框架和实施路径，构建包含经济、环境、地质等因素的低碳化处置综合评价模型，形成低碳化处置保障策略和实施方案，为煤矿采空区处置和低碳化利用提供基础理论支撑。

      煤层开采后上覆岩层垮落后形成的碎胀空间为CO ₂ 物理封存提供了巨大的物理空间。在综合评价盖层气密性与稳定性的基础上，为避免封存区CO ₂ 逸散至井下作业环境，需要将封存区与井下作业空间隔绝开来，基于提出的封存区回字形充填密封的技术路线，即采用功能性充填的方法在封存区周围构筑回字形高强度、低渗透、充分接顶的功能性充填体。从而由顶部低渗透的盖层、功能性充填体和底板构成密闭的碎胀空间，为CO ₂ 物理封存提供空间基础。将低浓度的CO ₂ 注入密闭的碎胀空间，一部分CO ₂ 气体游离在垮落岩石间的间隙中，另一部分吸附与岩石表面或者岩石孔隙中，实现CO ₂ 物理封存，具有较大的封存潜力。碎胀空间CO ₂ 封存示意图如图10所示。