《Geohazard Mechanics》：Research Status of sulfoaluminate cement-based material grouting technology for strata disaster control in mining engineering
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注浆技术是控制地层灾害的重要手段，已在采矿工程中广泛应用。注浆材料是注浆技术的核心，全球已开发出多种类型的注浆材料。其中，硫铝酸盐水泥基注浆材料（sulfoaluminate cement-based grouting material, SCGM）因其高结石
注浆技术是控制地层灾害的重要手段，已在采矿工程中广泛应用。注浆材料是注浆技术的核心，全球已开发出多种类型的注浆材料。其中，硫铝酸盐水泥基注浆材料（sulfoaluminate cement-based grouting material, SCGM）因其高结石体强度和快速增长、可调凝结时间、浆液无沉淀和离析、简化施工要求以及经济性，在裂隙岩体加固、充填和堵水工程中取得了优异效果。为进一步推动硫铝酸盐水泥基材料注浆技术及其在地层灾害控制领域的深入研究，本研究综述了硫铝酸盐水泥基材料及注浆工艺的研究现状，指出了当前研究的不足与展望，并介绍了研究人员典型的硫铝酸盐水泥基注浆材料工程应用案例。
2. 硫铝酸盐水泥基材料
2.1 硫铝酸盐水泥（SAC）
硫铝酸盐水泥（SAC）由建筑材料科学研究院于1970年代开发，属于第三系列水泥。其熟料主要包含无水硫铝酸钙、硅酸二钙和铁氧体等矿物，由钙、铝、硫原料经1350±50°C高温煅烧而成，烧成温度比波特兰水泥低约100°C，因此更节能低碳。通过控制石膏和混合材料的种类与掺量，可生产不同性能的水泥品种，如快硬硫铝酸盐水泥和膨胀硫铝酸盐水泥。SAC的水化产物主要包括水化硫铝酸钙、水化硅酸钙和铝凝胶，其中水化硫铝酸钙分为高硫型水化硫铝酸钙（AF
t）和低硫型水化硫铝酸钙（AF
m），后者通常在石膏不足时形成。与波特兰水泥相比，SAC具有以下优异性能：快凝快硬，凝结时间可通过缓凝剂和速凝剂方便调节；早强高强，1天强度可达28天强度的50%-60%，3天可达80%-90%；水化热释放集中，可在低温下水化硬化并具有良好抗冻性；水化浆体致密，抗渗性好；此外，还具备抗腐蚀、低碱、抗碳化、抗收缩和徐变等特性。基于这些特性，SAC已应用于海堤修复、极寒地区铁路建设、机场跑道抢修等工程。
2.2 硫铝酸盐水泥基注浆材料（SCGM）
基于SAC的性能，在采矿工程中进一步开发了一系列SCGM，包括适用于动压巷道裂隙岩体加固和堵水的快凝早强材料、适用于沿空留巷充填的高水材料以及适用于采空区充填的超高水材料。为方便施工，SCGM通常采用双液形式：A组分主要含SAC熟料、减水剂、缓凝剂等；B组分主要含石膏、石灰、早强剂、速凝剂等。A、B浆液以相同水灰比分别制备后，按体积比1:1混合，混合前具有良好的流动性，混合后短时间内失去流动性并凝固，结石体具有优异的塑性变形能力，这与针状钙矾石微观结构空间交错重叠形成的强度骨架有关。SCGM最早用于沿空留巷充填体，中国矿业大学在1980年代首次开发了快凝早强SCGM，水灰比1.9:1-3:1时初凝8-20分钟，终凝27-75分钟，2小时强度达1.81 MPa，最终强度3-8 MPa，并建立了相应行业标准（MT/T 420 1995）。此后，该机构进一步开发了ZKD高水快凝材料用于裂隙围岩加固，以及超高水材料（水体积分数>90%，强度>4 MPa）用于采空区充填。新世纪以来，SCGM性能优化研究集中在主材料优化、外加剂优化和改性优化三个方面。主材料优化涉及石灰、石膏、矿物掺合料等主成分的种类与掺量，如石灰含量增加会缩短凝结时间并提高强度和膨胀率，无水石膏对材料力学性能有积极作用。外加剂优化包括早强剂、速凝剂等对流动度、凝结时间、水化特性及早期强度的影响，例如硫酸钠和硫酸钾可缩短凝结时间并促进钙矾石形成。改性优化通过复合有机材料或超细化处理改善可注性和力学性能，如丙烯酰胺可有效提高SCGM韧性，纳米改性技术成功制备了高性能有机-无机复合SCGM，兼具SCGM的高强度、低成本、耐久性和不可燃性以及有机材料的高粘结性、高早期强度和优良渗透性，显著提升了深部软岩巷道的加固效果。与普通波特兰水泥和有机聚合物注浆材料相比，SCGM在环保性（无毒、无腐蚀、不可燃）、凝结速度（3-15分钟）、早期强度（24小时内可达20 MPa以上）、成本（2000-4000元/吨）等方面具有显著优势。
3. 硫铝酸盐水泥基注浆材料的注浆技术
3.1 注浆时机
注浆时机选择与注浆工程成败密切相关，尤其对于深部动压影响岩体。过早注浆可能导致裂隙未充分发育或新裂隙不断产生导致浆体破坏，过晚则导致围岩过度变形失稳。对于巷道，Song等通过计算巷道轮廓位移（30-45 mm）提出合理滞后时间指标；Lu等提出综合利用数值模拟优化和现场监测确定最优锚注时机，通过等效塑性应变和围岩变形数据确定；Meng等提出以应力释放率阈值60%和围岩变形150 mm作为判断指标；Yu等通过数值模拟发现采动应力影响区注浆效果最佳；Kang等将注浆时机分为预注浆、掘进注浆和滞后注浆，认为松散破碎巷道应即时注浆，深部软岩巷道可在掘进面后方100-200 m注浆。对于采场，大采高工作面煤壁易片帮，通常在工作面检修期间注浆，但研究人员利用SCGM提出超前支承压力区深孔注浆技术，在超前支承压力开始影响钻孔区域时注浆，此时裂隙逐渐发育，可注性强，且能保证浆体有足够强度发展时间。目前注浆时机确定方法多为经验性，应综合考虑围岩内外监测和采动影响。SCGM强度增长快，可在采掘活动影响期内选择注浆时机。
3.2 注浆系统
SCGM为双液形式，注浆设备主要包括双液注浆泵、搅拌机和注浆管。双液注浆泵是关键设备，其性能直接影响注浆质量。煤矿井下环境特殊，要求设备严格防爆、高可靠性，浆缸密封件和换向机构等易损件需耐磨、耐酸碱、耐颗粒浆液。目前常用气动注浆泵和液压注浆泵，前者以压缩空气为动力，轻便灵活，压力流量易调，适用于低压（<8 MPa）小流量工况；后者通常由电机驱动柱塞传递液压信号，体积较大，适用于高压大流量工况。在研发方面，煤炭科学研究总院与企业合作开发了多种柱塞式、活塞式、隔膜式注浆泵。Zhang等针对SCGM特性专门设计了气动泵浆缸，大幅提高工作压缩比，保证最大注浆压力大于30 MPa，并开发了压力记录装置实现实时监测和无线数据采集。研究人员将密封件更换为钨钢材料，改进换向机构，显著提高了设备可靠性和降低了维护成本。
3.3 注浆参数
注浆参数主要包括注浆压力、扩散半径和材料水灰比。注浆压力对加固工程质量影响较大，过低则浆液渗透不足，过高则导致裂隙扩展失控。浅部围岩注浆通常采用较低压力（≤5 MPa），深部岩体裂隙不发育时通常采用较高压力以形成劈裂注浆效果，如棋盘井煤矿主巷道注浆浅部2-3 MPa、深部15 MPa，口孜东矿滞后注浆浅部<6 MPa、深部<15 MPa。扩散半径直接影响钻孔布置参数，实际中难以确定，多根据工程类比法或现场漏浆情况进行预测。SCGM水灰比范围宽，在裂隙岩体加固中通常为0.8-1.5:1，浅部裂隙发育围岩采用低水灰比（0.8-1.0:1）以实现快凝堵水和快速提高强度，深部裂隙不发育围岩采用高水灰比（1.2-1.5:1）以保证良好流动性和渗透性。
3.4 注浆效果评价
注浆是隐蔽工程，评价其效果可明确围岩完整性和处理状况，并反馈调整材料与工艺参数。初期主要通过监测围岩变形收敛率，只能反映表面位移，不能反映浆液扩散和岩体质量改善。随后发展为声波探测、钻孔电视、物探、数字钻探试验等手段。由于单一方法具有片面性，多指标综合评价方法近年来备受重视，可综合多种方法全面客观评价注浆效果。
4. 典型工程应用
4.1 裂隙岩体加固
SCGM注浆技术已广泛应用于煤矿裂隙岩体加固，如巷道破碎围岩加固、工作面煤壁片帮防治、陷落柱和断层等构造区域加固。以某矿叠加应力影响下的大变形巷道为例：该矿开采3、9、15号煤层，15号煤层三条永久巷道（西皮带运输巷、XV1101、XV1102）受3号煤残留煤柱、9号煤工作面IX4309动压及15号煤近10米厚硬石灰岩顶板叠加应力影响，发生严重变形，底臌达1100 mm，两帮收缩700 mm，多次扩修效果差，锚杆锚索成孔困难。采用SCGM注浆加固，注浆系统包括两台搅拌机、一台气动注浆泵及相关管路，注浆管直径15 mm，钻孔深度6 m，孔径42 mm，封孔深度1-1.5 m，水灰比1:1，注浆终压4-6 MPa，底角布置45°钻孔。注浆3天后形成可靠承载结构，再实施锚索加固。加固后两帮最大收缩56 mm，底臌47 mm，趋于稳定，钻孔电视显示浆液充分充填5 m深度内裂隙，加固效果良好。
4.2 沿空留巷
沿空留巷可减少煤柱损失、提高资源回收率、便于Y型通风和治理上隅角瓦斯积聚。以某矿4311工作面为例，开采3号煤层，平均厚度6.3 m，采用三巷道布置，对43113轨道巷进行沿空留巷，服务于相邻工作面4312。采用SCGM填充，水灰比1.5:1，双浆液混合后20-30分钟凝固，7天强度9.2 MPa。充填站布置在43111巷，距工作面150 m，包括一台ZBYSB320/10-37电液注浆泵、四台JB1500电动搅拌机及管路，通过高压橡胶管连接至充填点，双浆液经三通和混合管均匀混合后注入柔性模袋。现场监测显示工作面推过150 m后，充填体和煤帮变形在250 mm以内，顶板下沉和底臌在300 mm以内，整体维护效果良好。
4.3 空巷治理
综采工作面常存在探巷、转弯巷、中切眼等空巷，工作面通过时易发生顶板冒落等事故。以某矿5314工作面为例，开采3号煤层，平均采高6.0 m，倾向长度356.8 m，因设计参数变更，工作面中部存在一条废弃切眼空巷，长约189.6 m，断面8.5 m×4 m，属于大断面平行空巷。采用充填支柱支护，充填柱直径1 m，高径比约4:1，材料为SCGM，水灰比1:1。施工时先固定充填模袋并充气成型，然后通过充填系统充填，上部留10-20 cm待承载层填充后一次充填以方便接顶。充填系统包括两台高速制浆机、两台恒温水箱、两台低速搅拌机、一台气动注浆泵及管路。当工作面推进到废弃切眼时，顶板平均下沉280 mm，充填柱部分损坏但整体形状良好，工作面顺利通过。
5. 局限性与研究展望
尽管SCGM已成功应用于煤矿岩体加固、充填和堵水，但仍存在固有局限。首先，价格高于普通波特兰水泥，限制了大规模应用，可通过添加固体废弃物（如粉煤灰、矿渣、硅灰）或利用工业副产石膏（磷石膏、脱硫石膏、氟石膏）降低成本。其次，SCGM属于无机颗粒型，对微裂缝渗透性弱于溶液型有机材料，通常只能渗透大于3倍颗粒直径的裂隙，超细处理可提高渗透性但增加成本，与有机材料复合是有效途径但相关研究较少。第三，SCGM加固裂隙岩体时，界面过渡区结构松散且强度最弱，可通过添加纳米二氧化硅、硅灰等优化水化产物数量与结构来减弱，但相关研究报道不多。第四，SCGM对不同岩石（砂岩、煤、石灰岩、泥岩）的粘结特性不一致，需深入研究以指导现场注浆。随着采矿工程向深部发展，高应力环境下岩体裂隙不发育且开度小，要求注浆材料具有优良流动性和渗透性并能快速提高强度，以适应深部岩体环境，该问题值得深入研究。
6. 结论
本文介绍了
