高水材料在我国现代工业中的发展及应用

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高水速凝固结材料（简称高水材料）是建筑材料中一种年轻的新型无机胶凝材料，具有其它传统水泥不能达到的特性；高水材料初期的研发，主要是为了解决我国采矿业长期存在的煤矿沿空留巷支护和金属矿胶结充填采矿等若干问题，随着人们对高水材料的不断深入了解和研究，其应用领域正在不断拓展。

1 高水材料

高水充填以硫铝酸盐水泥熟料为基料的高水速凝充填材料(水灰比在2.5∶1 时,其性能已超过国外的高水材料产品)。随着高水材料产品的不断改善和工艺的日渐成熟，其应用领域也得到了很大的拓展，从较初的巷道支护到采空区的充填，堵漏、灭火、锚喷支护，以及用作紧急抢修道路和临时性建筑材料

高水材料由甲组分（甲料）和乙组分（乙料）等量配合而成。高水材料是适用于煤矿井巷巷旁充填沿空留巷技术和金属矿山全尾砂充填采矿法的充填胶结材料；高水材料通过改性后还可用于采空区堵漏、灭火和阻燃，井巷壁后充填和喷锚支护，采空区的充填，低标号混凝土的代用品以及道路紧急抢修和临时建筑材料。　普通高水材料其体积含水率一般为70%～90%，而由河北筑盛建材科技开发有限公司研究而发明的用于采空区充填的非常高水材料水体积可达95%~97%，用水量非常高，降低了充填成本，且生成的固结体不收缩，也不可压缩，是一种理想的采空区充填材料，目前正处于推广应用阶段

1.1 高水材料的性能
与传统的充填材料相比，高水材料具有以下特性:

(1) 水灰比可调范围大，一般为0.5～3.0，凝结时间可控，可控范围1～30 min，可满足不同工程需要；具有“亲水”性能，实验室试验表明，高水材料固化体在水中长期浸泡，强度不会降低，反而会略微升高。

(2) 无害害，无腐蚀性，具有良好的流动性、悬浮性和可泵性；更新能力较强；固结后的高水充填材料硬化体,强度增长快，较终强度高。

(3) 高水材料浆液流动性变化具有突变性，且在固化过程中具有微膨胀的特点。

2 高水材料在我国现代工业中的应用

2.1 高水材料在沿空留巷技术中的应用研究

沿空留巷技术是指随着采煤工作面的推进，采用适当的巷旁充填方法，隔绝采空区，沿采空区留下巷道的一种采煤方法。沿空留巷具有煤炭回收率高、巷道掘进率低、采掘衔接合理、技术经济效益显著等优点。从经济效益和社会效益来讲，沿空留巷技术是未来我国煤炭开采的发展方向。

但是长期以来，沿空留巷的巷旁支护问题一直制约着该项技术的发展。近年来，通过学习借鉴外国经验，利用高水材料进行巷旁充填，实践证明这是完善沿空留巷技术的一条十分有效的途径。高水巷旁充填是指采用水灰比大于或等于1.85：1，净浆时水体积比85%以上，加灰渣集料时水体积比不小于70%的高水材料，在沿空留巷现场实现机械化构筑护巷带的技术，是沿空留巷巷旁支护的一种新型式

（1）高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技术，先后在薄及中厚煤层、厚煤层顶分层开采条件下进行该技术的工业性试验取得了圆满成功，经济社会效益特别显著。高水材料作为巷旁充填支护材料；采用国产等量进浆双液泵送充填系统，采用中国矿业大学关于顶板岩层控制理论、高水速凝材料的力学特性与现场具体地质生产条件相结合来设计巷旁支护参数。该工艺具有施工简单、操作方便、使用人员少、综合成本低等优点。将巷道沿采空区边缘保留下来用作下一个工作面顺槽的作用，达到1巷2次使用的目的。该技术可广泛地适应于不同高层度的厚、中厚和薄煤层等煤层条件及保护层开采、煤与瓦斯突出煤层等生产技术条件下的沿空留巷。

（2）技术特点

高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技术经七五和八五国家科技攻关，材料本身和相关技术已经完善，并在徐州、新汶、潞安、邢台、焦作等多个矿务局现场实施，留巷效果良好。该材料分甲料、乙料两部分，按1:1的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合24h不凝结，一旦相互混合则快速凝结硬化，根据高水速凝材料与水灰比的关系，调节水灰比改变充填体抗压强度可以满足多种强度要求的工程需要。

充填工艺分制浆、泵送、成型3个工序。施工时，在远离工作面的制浆碉室内(或盘区外)，首先将甲、乙2种固料分别加水搅拌制成体积比含水率80％~90％的甲、乙2种浆液，然后采用双液等量进浆泵及2条输送管道将2种浆液按1：1的比例输送到充填地点，两浆液经混合器后注入到已架设好的充填袋内，直到充填浆液接顶为止。充填袋内的混浆液经10~30分钟即可凝固。随着工作面的推进，在工作面后方连续充填的一袋袋充填体构成一道坚实的巷旁支护墙体，从而起到了替代煤柱将巷道沿采空区边缘保留下来用作下一个工作面顺槽的作用，达到1巷2次使用的目的。

为了保证沿空留巷效果，巷旁支护体应具有足够的支护强度及适量的可缩量。通过合理确定充填体水灰比、宽度以及充填体内支护参数后，充填体凝固后可切断直接顶及下位部分基本顶岩层，减少充填体载荷，并且该材料可塑性较好，具有较大的可缩量，能够满足上位顶板岩层旋转下沉的需要，实现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移，从而实现沿空留巷的稳定维护。总之，该材料的力学特性与沿空留巷围岩运动规律有较好的适应性。近年来，在深入研究沿空留顶板岩层活动规律的基础上，在深部高应力沿空留巷矿井中改进施工工艺，采用特制的充填袋，增设对拉锚栓，去除充填模板，减少施工环节，一步实现充填和加固充填墙体，使充填体的承载能力和抗变形能力得到较大的提高，留巷效果更好，更有利于深部沿空留巷的维护。

该技术的主要参数包括：计算巷旁支护阻力，确定合理的水灰比，充填体的宽度、充填袋的制作、施工工艺等，可广泛地适应于不同高层度的厚、中厚和薄煤层等煤层条件及保护层开采、煤与瓦斯突出煤层等生产技术条件下的沿空留巷。

　 针对冀中能源邯矿集团云驾岭煤矿资源严重不足，采掘衔接十分紧张， 工作面实施了高水材料沿空留巷新技术，充填材料是高水速凝充填材料，由甲料、乙料两种组分构成；高水速凝充填材料性能可根据具体条件进行配制与调整。 工作面采高大、充填体接顶相对困难的特点，选用袋装净浆材料进行充填，以使充填体接顶密实，充填体使用的水灰比为2.0∶1。与传统留巷方案相比，此次工业性试验，取得了良好的充填留巷效果，沿空留巷巷旁充填技术的可靠性得到大幅度提高，具有很高的推广应用价值

2.2 高水材料在采空区充填及治理中的应用　　

我国煤炭资源丰富,但其赋存特点是“三下”压煤比较普遍.一方面,我国主要产煤省多地处平原,村庄密集,村庄压煤比重大.另一方面,煤矿开采造成地表沉陷、建筑物破坏及地下水与土地资源减少等,使矿区自然环境问题越来越突出.基于上述问题,绿色开采技术是实现我国煤炭工业可持续发展，针对我国建筑物下压煤充填开采技术在实际应用中存在的不足,高水材料基本性能的研究,提出进行采空区公开式充填开采,这可使具有高流动性的高水材料浆液在岩层活动期内自行流入煤层开采后所形成的"采空"空间并在可控时间内胶结、凝聚,凝固后的充填体与垮矸以及围岩形成一完整的结构体来控制上覆岩层活动,从而达到有效减缓地面沉降的目的.研究结果表明:高水材料是性能良好的采空区充填材料;高水材料公开式充填开采技术是解放建筑物下压煤的一种先进的方法,是符合绿色开采方向的成果.

在对目前井下胶结充填材料充分研究的基础上,通过添加复合外加剂(缓凝剂与速凝剂),研制得到一种水的体积分数可达97%的新型非常高水材料.该材料主要由A,B这2种物料构成,其中A料以硫铝酸盐水泥与复合缓凝剂为主,B料由石膏、石灰及复合速凝剂组成.材料的突出特点是在水固质量比(下简称水固比)高达11:1的情况下可凝固,终凝强度可达0.66MPa.且材料凝结时间与抗压强度可按需通过外加剂及水固比进行调整,A,B单料浆体可持续30～40h不固化,混合后浆体可快速凝固.材料具有单浆体缓凝、混合浆体速凝、早期强度高的特点,且固结体不收缩,尤其适用于矿井采空区充填. 该充填技术包括公开式、袋式、混合式和分段阻隔式4种充填方式，对各种充填方式的充填过程、优缺点及适用条件进行了分析。结果表明：在井下潮湿、低温、封闭的环境中，高水材料是一种理想的采空区充填材料；该材料及相应的充填开采方法是未来采空区充填开采技术的发展方向之一。

采空区充填是指将高水材料制成不需脱水的浆体，通过充填泵或重力作用，经过管道输送到井下，用以填充采空区的方法。将高水材料充填采空区的方法应用到煤矿开采中能解放大量的煤炭资源，延长矿井的开采寿命，保护自然环境，节省大量的搬迁和修复费用，具有巨大的经济效益和社会效益。

邯矿集团所属八个矿井普遍存在煤炭资源紧张状况， 自2008 年以来，邯矿已在高水材料充填开采实验，并累计采出建下煤炭20 多万吨。充填开采后地表观测表明，充填工作面对应的地表未受到明显影响。高水材料矿山充填开采技术初期投入低，操作简单，易推广，自动化程度高。该项技术还具有充填与回采互不影响，采空区充填效率高等特点，可消耗大量矿井水，减少排水对地面的污染，大大降低排水费用，经济和环境效益明显。从某种意义上讲，该项技术是实现“三下”煤炭绿色开采的一项“技术革命”。

2.3 高水材料在注浆堵水技术中的应用
　　与普通硅酸盐水泥相比，高水材料具有较好的流动性，放置一定时间后，其流动性稍微降低，而硅酸盐水泥浆液在放置相同时间后，其流动性明显减少，并且伴有析水和沉淀物产生；另外，高水材料浆液流动性变化具有突变性，在胶结前混合浆液的组分之间就开始反应了，但流动性变化不大，待到凝结开始后，流动性突然变差，很快形成凝固体，这一特点对封孔、注浆加固、堵漏防渗较为有利。为完全解决井筒渗漏水问题，采用了高水速凝充填材料，对井筒进行注浆，封堵要点为段高100m 左右的渗漏水段，经过此次注浆，100m 左右的要点封堵段涌水量由原来的42 m3/h 降至4 m3/h，堵水率达到90%，且检测结果表明，没有发现返水现象。

2.4 高水材料在矿区灭火技术中的应用
　　煤炭燃烧是我国矿井的主要灾害之一，长期以来严重威胁煤矿的安全生产和影响矿井的经济效益。在我国国有要点煤矿中存在有煤炭燃烧的矿井占矿井总数的56％，因煤炭燃烧而引起的火灾占矿井火灾总数的90～94％。高水材料的出现，为煤炭燃烧的防治以及灭火措施的制定提供了一种新的途径。高水材料用于煤矿灭火工程，高水材料具有含水率高，渗透力强，封闭性能好，强度高等特点，可解决常规灭火法无法解决的难题，将其用于封闭隔离火区，优势较为明显高水材料封堵漏风裂隙的机理、工艺、技术参数以及方法分析的基础上，采用高水材料封堵漏风裂隙，灌注粉煤灰隔绝带进行采空区快速灭火，并取得良好的效果

2.5 高水材料在港口工程中的应用

高水材料属水硬化材料，在水化过程中不断需要水参加反应，具有较强的耐水性，这一特性有利于其在港口及海防工程中的运用。利用高水材料对底部已被严重淘空的海港护岸进行注浆加固，通过多次试验，在水温27℃的条件下，水固比确定为1.5：1，浇注体体的流动性和初、终凝时间都刚好满足要求，之后经测试，浇注体后期各项性能指标也均满足要求。

2.6 高水材料在石油工程中的应用

　　高水材料通过改性后，可以应用到石油工程中，从而克服传统硅酸盐水泥或普通高水材料的缺点。

高水材料在石油工程上应用的可行性进行了分析，并研制了适合石油工程使用的高水材料，这种材料配制的水泥浆密度可达1.2～1.3g/cm3，24h 强度达3.0MPa，稠化时间可调整到200～400 min。这种材料可用于低压和易破裂地层固井，同时还可用于MTC 技术和废弃钻井液的固化；由于流动时稠化时间长，静止时迅速凝固，因此，可用于堵漏和堵水；在控制粉磨粒径的基础上还可用于防砂。