文献综述-高水材料的现状及发展趋势.doc

高水材料的现状及发展趋势文献综述：1995—2012
摘要：高水材料是一种主要用于矿井支护、填充、堵漏、固土、阻燃灭火和污水处理，并具有广泛应用前景的无机胶凝材料。虽然具备某些优异的性能，但是在许多工程中仍不能满足其应用。目前，它正在向石油工程和超高水材料方向发展。
关键字：高水材料 填充 发展 研究 趋势
一、高水材料的起源及组成:
高水材料是20世纪80年代发展起来的一种无机胶凝材料，全称为高水速凝材料。它是一种使用方便，并具有一定力学性能的新型可泵性支护材料［1、2］。
高水材料通常由A、B两种组分组成，A组分一般由铝酸盐或硫铝酸盐水泥烧结料、悬浮剂、缓凝剂和分散剂组成，B组分由石膏、石灰和复合速凝、早强剂和悬浮分散剂组成，A、B组分质量比一般是1:1，并且按大致相同的水灰比分别加水搅拌后由管道输送到填充位置再混合凝结成固化,所以高水材料可以不凝结、不堵管、可泵送，混合后又能速凝早强，可用于矿井支护、填充、堵漏、固土、阻燃灭火和污水处理等，具有广泛的应用前景.[2-7］
二、高水材料的研究现状：
虽然高水材料具备众多的优异性能,在许多工程中也得到了应用，但是在对其研究和应用中发现,以钙矾石为主体的结构疏松，强度变化起伏较大，以致在许多工程应用中不能满足其应用要求.[8］对此，众多学者专家对高水速凝材料做了各种各样的改性研究。
2009年12月陈洪令、王玉平利用硫酸铝对硫铝酸盐基高水材料进行凝胶化改性。通过X射线衍射（XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞仪等现代测试手段，研究了硫铝酸盐基高水材料凝胶化改性后的微观结构与强度间的关系。结果表明，高水材料经凝胶化改性后，水化形成以钙矾石为主的结构体，其1d抗压强度为3。5MPa，28d抗压强度可达7。8MPa;硫酸铝凝胶化改性可以促进钙矾石的形成,改善结构体的孔结构,增加结构体致密性，提高高水材料的强度.凝胶化改性后的高水材料可用作一种优良的充填材料。［8]
2010年04月，由陈洪令、王玉平在硫铝酸盐基高水材料中引入了粘土矿物对其进行改性，通过正交实验讨论了原料配比、细度及粘土矿物掺量对硫铝酸盐基高水材料结构体强度的影响，并得出了最佳配比方案。结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM）等现代测试方法，对改性硫铝酸盐基高水材料的微观结构及性能进行了研究。结果表明，原料配比是影响高水材料结构体强度的主要因素，硫铝酸盐水泥熟料∶石膏∶石灰=1∶0。4∶0。15,外掺10％的膨润土，水化形成以钙矾石为主的结构体，28d抗压强度达到6。5MPa；外掺适量膨润土可以改善浆体的均匀性，减少泌水和分层现象,促进结构体的形成。改性后的高水材料，可用作一种优良的充填材料。［9]
2011年09月，由彭美勋、蒋建宏、张欣等人做了一项关于矿用高水材料的组分对其性能与微结构的影响研究.通过实验综合研究高水速凝材料各组分对其工作性能和固结体抗压强度的影响,并利用XRD与SEM研究了材料的微结构.研究证明:硫铝酸盐熟料浆（A组分)的悬浮性不如石膏与石灰（B组分)混合浆,所需悬浮剂也更多；B组分中石膏掺量在80％～85％范围内，高水速凝材料各龄期强度稳定在较高的平台.缓凝剂的加量为1.8％时A组分的凝结时间可达24h；速凝剂加量为A组分的0。050％~0.300%时，试块各龄期的同龄期强度比较稳定;水灰比为3。0时，掺入0。100%的速凝剂，试块7d的强度最高，达3.19MPa。高水材料由柱状钙矾石网络状连接而成,且含水量越高，钙矾石晶体越细小。［16］
张彩文、魏庆敏等人研究发现当在原料中加入一定量的膨润土时,由于膨润土在水中易分散为大量极微小的薄片，与棱柱状水化产物AFt一起构成絮凝结构网,封闭自由水，促使浆体凝固。絮凝结构形成后,膨润土因妨碍晶体连生而对强度发展不利。[11]
三、高水材料的发展趋势:
目前，高水材料主要用于矿井的充填，但是按当前趋势来看，它正在向石油工程以及超高水材料发展过渡.
2001年由纪朝凤首次在室内做了将高水速凝材料用于石油工程的研究,高水材料可替代水泥运用于低密度固井，可以得到性能接近,但成本较低的低密度水泥浆；也可替代矿渣用于MTC技术，不仅可以解决矿渣MTC的问题而且成本不会超过矿渣MTC技术,还可以用于废弃钻井液固化；由于具有在流动时稠化时间很长，而静止后能迅速凝固的特性,还可以作为一种快速堵漏材料；在控制一定的粒径后，高水材料可以作为一种防砂材料。[11]
超高水材料是中国矿业大学研究发明的一种新型材料.2011年7月,由丁玉、冯光明、王成真等人对超高水充填材料基本性能进行了试验研究。超高水材料由A、B两种材料组成,A料主要以铝土矿、石膏等独立炼制成主料并配以复合超缓凝分散剂（又称AA）构成；B料由石膏、石灰混磨成主料并与少量复合速凝剂(又称BB)构成.二者以1：1比例配合使用，水体积在95％一97%时，超高水材料固结体抗压强度可根据水体积的不同而进行调节且能实现初凝时间在8-90min之间的按需调整,其28d强度可达到0．66~1．50MPa。超高水材料A、B两料单浆液可持续30～40h不凝固，混合以后材料可快速水化并凝固，调整外加剂配方可改变材料性能，固结体初凝强度约为最终强度的20％，7h抗压强度可达到最终强度的60％～90％，后期强度增长趋势较慢。超高水材料固结体由钙矾石、铝胶和游离水等构成，钙矾石是其中的主要物质。文献[12—14]将水体积大于95％的材料称为超高水材料,而小于95％的材料为普通高水材料。超高水材料的水灰比可达11：1,而普通高水材料水灰比为2．5：1左右，两者用水量相差甚大.［15]
河北冀中能源邯矿集团陶一矿运用超高水材料充填技术获得成功，2012年6月份单面充填产量达到5。068万吨。这标志着世界首创的超高水材料充填技术实现了规模化生产。据了解，目前我国大多数煤矿都存在“三下"，即建筑物下、水体下、铁路下压煤问题，充填开采是解决“三下"压煤的重要方法。超高水材料充填技术工艺简单,既能避免地面沉降，又减少矿井水排放，为我国矿井采空区充填提供了新途径.[17］
2012年由肖龙正、贾凯军、郭楠楠、戚洋等人做了一项超高水材料充填空巷研究与工业性试验。此项研究针对煤矿开采中工作面过空巷，传统的空巷支护方式不能有效地对顶板和煤壁提供足够的阻力或阻止围岩破坏范围的扩大展开研究.这项研究分析工作面空巷围岩活动规律和超高水材料性能的基础上,论证了超高水材料充填空巷的可行性，并确定了充填体的力学参数和充填工艺。现场试验证明,采用超高水材料充填空巷是一种安全、经济、高效的方法，较传统空巷支护方法具有较大的优势.[18]
2011年11月由马广兴、侯尚武、白长江等人针对高水材料充填过程中存在的充填管路易堵塞、充填料在泵坑淤积、充填料利用率低、充填面与充填硐室沟通不畅等问题做了一项关于超高水材料充填系统的优化的试验研究.根据实际应用情况，提出了充填管路的改造、通信系统的调整以及使用走向限包链网与挡浆胶带等措施，解决了充填过程中的技术难题，改进了充填工艺。应用表明，这些方法可以有效提高超高水材料充填系统的性能。［19］
四、结论
高水材料经过三十年的发展,已经得到了大众的认可.利用其“易输送、任意成型、易接顶”等特点，广泛应用于矿井充填、支护、堵漏等方面。在高水材料逐步发展过程中，人们对其突现出的缺陷与不足进行了各种各样的改性试验研究。当下,高水材料正逐渐与石油工程相结合，向着超高水材料方向发展，并且在某些方面已经得到了初步的应用，可以看出超高水材料将会很快的并且熟练的应用到实际工程当中去。
参考文献：
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［6］ 李乃梁，冯光明，李宗国。复合固结体巷式充填全采技术[J]。煤矿开采，2010，15（11）：50-53
［7］ 宁帅，冯光明,牛建春，等.高水速凝材料在超高冒顶巷道治理中的应用［J].煤炭科学技术,2009,37(18):21—23
［8] 陈洪令,王玉平.硫铝酸盐基高水材料的凝胶化改性研究[J］。矿业研究与开发，2009，29（6）：1-3
[9］ 陈洪令,王玉平.粘土矿物对硫铝酸盐基高水材料的改性［J］. 矿业研究与开发，2010,36(2)1-4
［10］ 张彩文,魏庆敏.膨润土在高水材料凝固硬化中的作用［J］.河北理工学院学报，1997,19（1)1—2
[11] 纪朝凤.高水速凝材料用于石油工程的室内研究[J].石油钻采工艺，2001，23(5）：1—2
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[13] 冯光明，丁玉，朱红菊，等．矿用超高水充填材料及其结构的实验研究［J］。中国矿业大学学报，2010，39（6）:813-819
[14］ 冯光明，孙春东，王成真,等．超高水材料采空区充填方法研究[J］.煤炭学报,2010,35(12）：1963-1968
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［16］ 彭美勋,蒋建宏，张欣，申少华，冯涛。矿用高水材料的组分对其性能与微结构的影响［J］.矿业工程研究,2011,26（3）:56—59
[17] 路凤国.陶一矿超高水材料充填技术实现量产[N］。人民日报，2012—12—29（22）
［18］ 肖龙正，贾凯军，郭楠楠，戚洋. 超高水材料充填空巷研究与工业性试验[J］。山西焦煤科技，2012(6)
［19］ 马广兴,侯尚武，白长江。超高水材料充填系统的优化[J].中州煤炭，2012（4）：59-60