高水材料在我國現(xiàn)代工業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用

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高水速凝固結(jié)材料（簡稱高水材料）是建筑材料中一種年輕的新型無機(jī)膠凝材料，具有其它傳統(tǒng)水泥不能達(dá)到的特性；高水材料初期的研發(fā)，主要是為了解決我國采礦業(yè)長期存在的煤礦沿空留巷支護(hù)和金屬礦膠結(jié)充填采礦等若干問題，隨著人們對高水材料的不斷深入了解和研究，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展。

1 高水材料

高水充填以硫鋁酸鹽水泥熟料為基料的高水速凝充填材料(水灰比在2.5∶1 時(shí),其性能已超過國外的高水材料產(chǎn)品)。隨著高水材料產(chǎn)品的不斷改善和工藝的日漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了很大的拓展，從較初的巷道支護(hù)到采空區(qū)的充填，堵漏、滅火、錨噴支護(hù)，以及用作緊急搶修道路和臨時(shí)性建筑材料

高水材料由甲組分（甲料）和乙組分（乙料）等量配合而成。高水材料是適用于煤礦井巷巷旁充填沿空留巷技術(shù)和金屬礦山全尾砂充填采礦法的充填膠結(jié)材料；高水材料通過改性后還可用于采空區(qū)堵漏、滅火和阻燃，井巷壁后充填和噴錨支護(hù)，采空區(qū)的充填，低標(biāo)號混凝土的代用品以及道路緊急搶修和臨時(shí)建筑材料�！∑胀ǜ咚�材料其體積含水率一般為70%～90%，而由河北筑盛建材科技開發(fā)有限公司研究而發(fā)明的用于采空區(qū)充填的非常高水材料水體積可達(dá)95%~97%，用水量非常高，降低了充填成本，且生成的固結(jié)體不收縮，也不可壓縮，是一種理想的采空區(qū)充填材料，目前正處于推廣應(yīng)用階段

1.1 高水材料的性能
與傳統(tǒng)的充填材料相比，高水材料具有以下特性:

(1) 水灰比可調(diào)范圍大，一般為0.5～3.0，凝結(jié)時(shí)間可控，可控范圍1～30 min，可滿足不同工程需要；具有“親水”性能，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，高水材料固化體在水中長期浸泡，強(qiáng)度不會(huì)降低，反而會(huì)略微升高。

(2) 無害害，無腐蝕性，具有良好的流動(dòng)性、懸浮性和可泵性；更新能力較強(qiáng)；固結(jié)后的高水充填材料硬化體,強(qiáng)度增長快，較終強(qiáng)度高。

(3) 高水材料漿液流動(dòng)性變化具有突變性，且在固化過程中具有微膨脹的特點(diǎn)。

2 高水材料在我國現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 高水材料在沿空留巷技術(shù)中的應(yīng)用研究

沿空留巷技術(shù)是指隨著采煤工作面的推進(jìn)，采用適當(dāng)?shù)南锱猿涮罘椒�，隔絕采空區(qū)，沿采空區(qū)留下巷道的一種采煤方法。沿空留巷具有煤炭回收率高、巷道掘進(jìn)率低、采掘銜接合理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益來講，沿空留巷技術(shù)是未來我國煤炭開采的發(fā)展方向。

但是長期以來，沿空留巷的巷旁支護(hù)問題一直制約著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。近年來，通過學(xué)習(xí)借鑒外國經(jīng)驗(yàn)，利用高水材料進(jìn)行巷旁充填，實(shí)踐證明這是完善沿空留巷技術(shù)的一條十分有效的途徑。高水巷旁充填是指采用水灰比大于或等于1.85：1，凈漿時(shí)水體積比85%以上，加灰渣集料時(shí)水體積比不小于70%的高水材料，在沿空留巷現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)機(jī)械化構(gòu)筑護(hù)巷帶的技術(shù)，是沿空留巷巷旁支護(hù)的一種新型式

（1）高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)，先后在薄及中厚煤層、厚煤層頂分層開采條件下進(jìn)行該技術(shù)的工業(yè)性試驗(yàn)取得了圓滿成功，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益特別顯著。高水材料作為巷旁充填支護(hù)材料；采用國產(chǎn)等量進(jìn)漿雙液泵送充填系統(tǒng)，采用中國礦業(yè)大學(xué)關(guān)于頂板巖層控制理論、高水速凝材料的力學(xué)特性與現(xiàn)場具體地質(zhì)生產(chǎn)條件相結(jié)合來設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)參數(shù)。該工藝具有施工簡單、操作方便、使用人員少、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。將巷道沿采空區(qū)邊緣保留下來用作下一個(gè)工作面順槽的作用，達(dá)到1巷2次使用的目的。該技術(shù)可廣泛地適應(yīng)于不同高層度的厚、中厚和薄煤層等煤層條件及保護(hù)層開采、煤與瓦斯突出煤層等生產(chǎn)技術(shù)條件下的沿空留巷。

（2）技術(shù)特點(diǎn)

高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)經(jīng)七五和八五國家科技攻關(guān)，材料本身和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)完善，并在徐州、新汶、潞安、邢臺、焦作等多個(gè)礦務(wù)局現(xiàn)場實(shí)施，留巷效果良好。該材料分甲料、乙料兩部分，按1:1的比例配合使用。甲料、乙料單獨(dú)與水混合24h不凝結(jié)，一旦相互混合則快速凝結(jié)硬化，根據(jù)高水速凝材料與水灰比的關(guān)系，調(diào)節(jié)水灰比改變充填體抗壓強(qiáng)度可以滿足多種強(qiáng)度要求的工程需要。

充填工藝分制漿、泵送、成型3個(gè)工序。施工時(shí)，在遠(yuǎn)離工作面的制漿碉室內(nèi)(或盤區(qū)外)，首先將甲、乙2種固料分別加水?dāng)嚢柚瞥审w積比含水率80％~90％的甲、乙2種漿液，然后采用雙液等量進(jìn)漿泵及2條輸送管道將2種漿液按1：1的比例輸送到充填地點(diǎn)，兩漿液經(jīng)混合器后注入到已架設(shè)好的充填袋內(nèi)，直到充填漿液接頂為止。充填袋內(nèi)的混漿液經(jīng)10~30分鐘即可凝固。隨著工作面的推進(jìn)，在工作面后方連續(xù)充填的一袋袋充填體構(gòu)成一道堅(jiān)實(shí)的巷旁支護(hù)墻體，從而起到了替代煤柱將巷道沿采空區(qū)邊緣保留下來用作下一個(gè)工作面順槽的作用，達(dá)到1巷2次使用的目的。

為了保證沿空留巷效果，巷旁支護(hù)體應(yīng)具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度及適量的可縮量。通過合理確定充填體水灰比、寬度以及充填體內(nèi)支護(hù)參數(shù)后，充填體凝固后可切斷直接頂及下位部分基本頂巖層，減少充填體載荷，并且該材料可塑性較好，具有較大的可縮量，能夠滿足上位頂板巖層旋轉(zhuǎn)下沉的需要，實(shí)現(xiàn)控頂載荷向側(cè)向煤體及采空區(qū)冒落矸石轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)沿空留巷的穩(wěn)定維護(hù)�？傊�，該材料的力學(xué)特性與沿空留巷圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律有較好的適應(yīng)性。近年來，在深入研究沿空留頂板巖層活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，在深部高應(yīng)力沿空留巷礦井中改進(jìn)施工工藝，采用特制的充填袋，增設(shè)對拉錨栓，去除充填模板，減少施工環(huán)節(jié)，一步實(shí)現(xiàn)充填和加固充填墻體，使充填體的承載能力和抗變形能力得到較大的提高，留巷效果更好，更有利于深部沿空留巷的維護(hù)。

該技術(shù)的主要參數(shù)包括：計(jì)算巷旁支護(hù)阻力，確定合理的水灰比，充填體的寬度、充填袋的制作、施工工藝等，可廣泛地適應(yīng)于不同高層度的厚、中厚和薄煤層等煤層條件及保護(hù)層開采、煤與瓦斯突出煤層等生產(chǎn)技術(shù)條件下的沿空留巷。

　 針對冀中能源邯礦集團(tuán)云駕嶺煤礦資源嚴(yán)重不足，采掘銜接十分緊張， 工作面實(shí)施了高水材料沿空留巷新技術(shù)，充填材料是高水速凝充填材料，由甲料、乙料兩種組分構(gòu)成；高水速凝充填材料性能可根據(jù)具體條件進(jìn)行配制與調(diào)整。 工作面采高大、充填體接頂相對困難的特點(diǎn)，選用袋裝凈漿材料進(jìn)行充填，以使充填體接頂密實(shí)，充填體使用的水灰比為2.0∶1。與傳統(tǒng)留巷方案相比，此次工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的充填留巷效果，沿空留巷巷旁充填技術(shù)的可靠性得到大幅度提高，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值

2.2 高水材料在采空區(qū)充填及治理中的應(yīng)用　　

我國煤炭資源豐富,但其賦存特點(diǎn)是“三下”壓煤比較普遍.一方面,我國主要產(chǎn)煤省多地處平原,村莊密集,村莊壓煤比重大.另一方面,煤礦開采造成地表沉陷、建筑物破壞及地下水與土地資源減少等,使礦區(qū)自然環(huán)境問題越來越突出.基于上述問題,綠色開采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，針對我國建筑物下壓煤充填開采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足,高水材料基本性能的研究,提出進(jìn)行采空區(qū)公開式充填開采,這可使具有高流動(dòng)性的高水材料漿液在巖層活動(dòng)期內(nèi)自行流入煤層開采后所形成的"采空"空間并在可控時(shí)間內(nèi)膠結(jié)、凝聚,凝固后的充填體與垮矸以及圍巖形成一完整的結(jié)構(gòu)體來控制上覆巖層活動(dòng),從而達(dá)到有效減緩地面沉降的目的.研究結(jié)果表明:高水材料是性能良好的采空區(qū)充填材料;高水材料公開式充填開采技術(shù)是解放建筑物下壓煤的一種先進(jìn)的方法,是符合綠色開采方向的成果.

在對目前井下膠結(jié)充填材料充分研究的基礎(chǔ)上,通過添加復(fù)合外加劑(緩凝劑與速凝劑),研制得到一種水的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)97%的新型非常高水材料.該材料主要由A,B這2種物料構(gòu)成,其中A料以硫鋁酸鹽水泥與復(fù)合緩凝劑為主,B料由石膏、石灰及復(fù)合速凝劑組成.材料的突出特點(diǎn)是在水固質(zhì)量比(下簡稱水固比)高達(dá)11:1的情況下可凝固,終凝強(qiáng)度可達(dá)0.66MPa.且材料凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度可按需通過外加劑及水固比進(jìn)行調(diào)整,A,B單料漿體可持續(xù)30～40h不固化,混合后漿體可快速凝固.材料具有單漿體緩凝、混合漿體速凝、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn),且固結(jié)體不收縮,尤其適用于礦井采空區(qū)充填. 該充填技術(shù)包括公開式、袋式、混合式和分段阻隔式4種充填方式，對各種充填方式的充填過程、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在井下潮濕、低溫、封閉的環(huán)境中，高水材料是一種理想的采空區(qū)充填材料；該材料及相應(yīng)的充填開采方法是未來采空區(qū)充填開采技術(shù)的發(fā)展方向之一。

采空區(qū)充填是指將高水材料制成不需脫水的漿體，通過充填泵或重力作用，經(jīng)過管道輸送到井下，用以填充采空區(qū)的方法。將高水材料充填采空區(qū)的方法應(yīng)用到煤礦開采中能解放大量的煤炭資源，延長礦井的開采壽命，保護(hù)自然環(huán)境，節(jié)省大量的搬遷和修復(fù)費(fèi)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

邯礦集團(tuán)所屬八個(gè)礦井普遍存在煤炭資源緊張狀況， 自2008 年以來，邯礦已在高水材料充填開采實(shí)驗(yàn)，并累計(jì)采出建下煤炭20 多萬噸。充填開采后地表觀測表明，充填工作面對應(yīng)的地表未受到明顯影響。高水材料礦山充填開采技術(shù)初期投入低，操作簡單，易推廣，自動(dòng)化程度高。該項(xiàng)技術(shù)還具有充填與回采互不影響，采空區(qū)充填效率高等特點(diǎn)，可消耗大量礦井水，減少排水對地面的污染，大大降低排水費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益明顯。從某種意義上講，該項(xiàng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“三下”煤炭綠色開采的一項(xiàng)“技術(shù)革命”。

2.3 高水材料在注漿堵水技術(shù)中的應(yīng)用
　　與普通硅酸鹽水泥相比，高水材料具有較好的流動(dòng)性，放置一定時(shí)間后，其流動(dòng)性稍微降低，而硅酸鹽水泥漿液在放置相同時(shí)間后，其流動(dòng)性明顯減少，并且伴有析水和沉淀物產(chǎn)生；另外，高水材料漿液流動(dòng)性變化具有突變性，在膠結(jié)前混合漿液的組分之間就開始反應(yīng)了，但流動(dòng)性變化不大，待到凝結(jié)開始后，流動(dòng)性突然變差，很快形成凝固體，這一特點(diǎn)對封孔、注漿加固、堵漏防滲較為有利。為完全解決井筒滲漏水問題，采用了高水速凝充填材料，對井筒進(jìn)行注漿，封堵要點(diǎn)為段高100m 左右的滲漏水段，經(jīng)過此次注漿，100m 左右的要點(diǎn)封堵段涌水量由原來的42 m3/h 降至4 m3/h，堵水率達(dá)到90%，且檢測結(jié)果表明，沒有發(fā)現(xiàn)返水現(xiàn)象。

2.4 高水材料在礦區(qū)滅火技術(shù)中的應(yīng)用
　　煤炭燃燒是我國礦井的主要災(zāi)害之一，長期以來嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)和影響礦井的經(jīng)濟(jì)效益。在我國國有要點(diǎn)煤礦中存在有煤炭燃燒的礦井占礦井總數(shù)的56％，因煤炭燃燒而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90～94％。高水材料的出現(xiàn)，為煤炭燃燒的防治以及滅火措施的制定提供了一種新的途徑。高水材料用于煤礦滅火工程，高水材料具有含水率高，滲透力強(qiáng)，封閉性能好，強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可解決常規(guī)滅火法無法解決的難題，將其用于封閉隔離火區(qū)，優(yōu)勢較為明顯高水材料封堵漏風(fēng)裂隙的機(jī)理、工藝、技術(shù)參數(shù)以及方法分析的基礎(chǔ)上，采用高水材料封堵漏風(fēng)裂隙，灌注粉煤灰隔絕帶進(jìn)行采空區(qū)快速滅火，并取得良好的效果

2.5 高水材料在港口工程中的應(yīng)用

高水材料屬水硬化材料，在水化過程中不斷需要水參加反應(yīng)，具有較強(qiáng)的耐水性，這一特性有利于其在港口及海防工程中的運(yùn)用。利用高水材料對底部已被嚴(yán)重淘空的海港護(hù)岸進(jìn)行注漿加固，通過多次試驗(yàn)，在水溫27℃的條件下，水固比確定為1.5：1，澆注體體的流動(dòng)性和初、終凝時(shí)間都剛好滿足要求，之后經(jīng)測試，澆注體后期各項(xiàng)性能指標(biāo)也均滿足要求。

2.6 高水材料在石油工程中的應(yīng)用

　　高水材料通過改性后，可以應(yīng)用到石油工程中，從而克服傳統(tǒng)硅酸鹽水泥或普通高水材料的缺點(diǎn)。

高水材料在石油工程上應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，并研制了適合石油工程使用的高水材料，這種材料配制的水泥漿密度可達(dá)1.2～1.3g/cm3，24h 強(qiáng)度達(dá)3.0MPa，稠化時(shí)間可調(diào)整到200～400 min。這種材料可用于低壓和易破裂地層固井，同時(shí)還可用于MTC 技術(shù)和廢棄鉆井液的固化；由于流動(dòng)時(shí)稠化時(shí)間長，靜止時(shí)迅速凝固，因此，可用于堵漏和堵水；在控制粉磨粒徑的基礎(chǔ)上還可用于防砂。