本文依托于国家重点研发计划课题（2017YFC0603004）“千米深井巷道围岩改性关键材料与技术”和国家自然科学基金（51272068）“地应力约束下超细硫铝酸盐水泥基注浆材料的基础研究”,重点开展了超细硫铝酸盐水泥基注浆材料（Ultrafine Sulfoaluminate Cement Based Grouting Materials,简称 USCGM）水化硬化规律、水化产物形成规律、放热行为、微结构形成规律等微观机理研究以及USCGM注浆结石体-煤岩界面区结构与性能研究。通过本论文研究能够为USCGM性能的调控优化以及改善煤岩注浆加固效果提供理论依据和指导。本文取得的主要研究成果如下:1、研究了石膏类型对USCGM水化硬化行为的影响。结果表明,掺二水石膏时,钙矾石主要在水化4h内快速生成,但多数钙矾石依附于熟料粒子周围呈团簇状和放射状分布,难以发挥钙矾石的强度骨架效应和膨胀效应,不利于USCGM结石体的力学性能和膨胀性能。掺Ⅱ型硬石膏时,USCGM中钙矾石的数量在7d龄期内能够持续稳定增加,钙矾石多位于远离熟料粒子液相中形成,且搭接交错程度十分复杂,能够显著赋予USCGM早强、高强和膨胀性能。掺Ⅲ型硬石膏时,水化早期仅生成尺寸较小的钙矾石晶体并能够对熟料粒子形成致密包裹,严重阻碍了熟料粒子的溶解和延缓了钙矾石的形成,USCGM的力学性能显著较差,后期仅发生微膨胀。2、开展了 USCGM组成、结构与性能研究。利用三角形等高线法建立了C4A3S-CaSO4-CaO 比例与USCGM早期力学性能的关系,发现,当C4A3S质量比例为50%,结石体早期强度较高,但仍然要受到CaSO4:CaO 比例的影响。运用DTA-TG和SEM测试技术分析了高早强区域CaSO4:CaO 比例对水化产物种类、数量的影响,结果表明,高早强区域结石体早期膨胀性能取决于早期钙矾石的生成量,但结石体早期力学性能要受到早期钙矾石生成量和铝胶相对含量双重因素的控制。3、利用水化热法和水化动力学法研究了减水剂和缓凝剂对USCGM水化历程和水化程度的影响,根据动力学参数的意义,阐明了各类化学外加剂对USCGM水化的作用机理。结果表明:①萘系减水剂通过显著抑制体系加速期的自催化反应,减少了体系遇水初始时刻的放热量,延缓了浆体的凝结,通过促进减速期的水化反应,显著提高了体系早期的水化程度。聚羧酸减水剂对加速期的自催化反应影响不大,未显著影响体系遇水初始时刻的放热量,对体系凝结时间没有显著影响。聚羧酸减水剂同样能够促进减速期的水化反应,致使体系早期水化程度有所提高,但提高幅度不大。此外,聚羧酸减水剂掺量大于0.4%时,体系24h的水化程度显著降低。②硼砂和葡萄糖酸钠均能导致体系水化诱导期的出现,降低早期放热量和水化程度。硼砂掺量越大,诱导期越长。葡萄糖酸钠存在临界掺量,当掺量小于1%,诱导期随其掺量增大而延长,掺量大于1%,诱导期出现了缩短,缓凝效果下降,且能够显著降低体系24h的水化程度。二者掺量均为1%时,葡萄糖酸钠具有更强的延缓体系早期放热进程的能力。动力学参数分析表明,硼砂和葡萄糖酸钠均通过抑制体系加速期的自催化反应显著降低了体系早期的水化放热进程,但相比于硼砂,葡萄糖酸钠对加速期水化反应具有更强的抑制作用。③复掺萘系减水剂和硼砂能够发挥二者的协同作用进一步抑制体系加速期的自催化反应,致使复掺萘系减水剂和硼砂体系早期的放热量和水化程度相比于单掺硼砂体系进一步降低。复掺萘系减水剂和葡萄糖酸钠能够显著削弱葡萄糖酸钠对加速期自催化反应的抑制作用,进而导致复掺萘系减水剂和葡萄糖酸钠体系早期放热量和水化程度相比于单掺葡萄糖酸钠体系有所提高。4、开展了 USCGM注浆结石体-煤岩界面区结构和性能研究,建立了二者界面区结构物理模型。①自然养护下,USCGM结石体-煤岩界面区由30μm宽的低水化区域和20μm宽的钙矾石富集区域组成。低水化区域结构十分疏松,钙矾石晶体的数量明显较少,钙矾石晶体平均尺寸较小,力学性能明显较差。②采用1.2MPa三维应力作用后,USCGM结石体-煤岩界面区低水化区域范围减薄至20μm,低水化区域结构变得更为密实,钙矾石数量明显增多,力学性能有所改善。③添加NQ界面润湿剂后,USCGM结石体-煤岩界面区在50μm范围内发生了钙矾石晶体的富集,界面区结构十分密实,力学性能显著提高,USCGM结石体与煤岩的界面结合状况显著改善。