» » Другие составы для упрочнения горных пород нагнетанием

Другие составы для упрочнения горных пород нагнетанием

30.08.2016

Кроме упомянутых выше полиуретановых, фенолоформальдегидных, карбамидных и хлормагнезиалышх составов, в отечественной и зарубежной практике накоплен некоторый опыт применения других композиций для упрочнения пород.
Фенольные составы

Для упрочнения неустойчивых пород в сланцевых шахтах ПО «Ленинградсланец» применяли составы на основе фенольных смол типов ТСД-9, ТС-10 и ФРЭС. По объемному содержанию стандартная скрепляющая композиция состоит на 50% из фенольной смолы, на 25—30% из формалина, выполняющего роль отвердителя, и на 20—25% из водного раствора едкого натра, применяемого в качестве катализатора системы. Путем изменения содержания последнего можно в широких пределах (от нескольких минут до 5—6 ч) регулировать время отверждения скрепляющего состава.
Отличительным качеством фенольных составов является стабильность их адгезионных качеств при изменении температуры от 20 до 5° С. Адгезионная прочность (МПа) фенольных составов к горным породам (известнякам, аргиллитам) на отрыв изменяется в недостаточно высоких пределах:
σр = 0,4/0,6,

хотя прочность составов на сжатие достигает значений
σс = 12/14.

На французских шахтах нашел применение вспенивающийся состав феносель, основанный на фенольно-резольной смоле и сернокислом отвердителе. Соотношение смолы к отвердителю 4:1.
Смешивание компонентов смолы и отвердителя при нормальной температуре (20—25° С) приводит к началу реакции через 1—3 мин, а полное отверждение композиции происходит через 10—15 мин. Достигаемое вспенивание — 5—6-кратное. В отвержденном состоянии феносель пористый и жесткий.
Отличительным качеством феноселя является стабильность механических качеств при упрочнении влажных пород. Кроме того, феносель имеет устойчивую адгезию ко всем типам пород. При низких температурах (10—12° С) реакция соединения компонентов феноселя замедляется, а механические свойства ухудшаются.
Полиэфирные составы

Работы по созданию упрочняющих композиций на основе полиэфирных смол проводились ИГТМ АН Украины и ИГД им. А.А. Скочинского. Наилучшие результаты получены для композиции на основе полиэфирной смолы типа ПНТ-5М, инициатора отверждения в виде 25%-ного раствора перекиси метилэтилкетона (0,8% от массы смолы) и ускорителя в виде нафтената кобальта (9% от массы смолы).
Испытания показали, что прочность состава на сжатие составляет σс = 20 МПа, а упрочненные составом образцы пород восстанавливают 50% прочности массива, причем разрушение часто происходит не по месту склейки, а по целому сечению породы. Состав на основе полиэфирной смолы ПНТ-5М способен отверждаться при нормальной и даже пониженной (до 0° С) температурах.
Испытания состава по упрочнению пород на шахте Западно-Донбасская ПО «Павлоградуголь» прошли с положительными результатами.
Для расширения области применения составов на основе полиэфирных смол необходимо решить некоторые вопросы технологии и техники безопасности работ с ними. По этой же причине полиэфирные составы не получили широкого распространения и в других странах: ФРГ, Франции, ЧССР, Японии и др.
Эпоксидные смолы

Составы на основе эпоксидных смол с точки зрения надежности «склеивания» массивов горных пород дают наиболее высокие результаты. Однако на практике они не нашли широкого применения по экономическим и технологическим соображениям. Прежде всего лимитирует высокая стоимость и дефицитность эпоксидных смол.
С точки зрения технологии эпоксидные смолы выделяют высокую температуру при отверждении и имеют весьма высокие значения вязкости, что затрудняет их подачу в массив и распространение по трещинам в пределах параметров давления (до 12 МПа). Создание же больших давлений (свыше 20 МПа) может привести не к упрочнению массива, а к дальнейшему его разрыву.
Более успешные результаты получены при использовании эпоксидных смол для армополимерного укрепления пород.
Органо-минеральные составы

Как было указано, применяемые для упрочнения составы на основе пенополиуретанов имеют высокую стоимость и не обеспечены сырьевой базой в связи с дефицитностью полиэфирного компонента. Для компенсации этих недостатков в ФРГ (фирмы «Бергверксфербанд» и «Виллих») и в нашей стране (Институт химии высокомолекулярных соединений АН УССР) проводятся работы по созданию и испытанию так называемых органо-минеральных составов, в которых вместо полиэфирного компонента (как принято в полиуретанах) применяется неорганический компонент на основе жидкого стекла.
Состав на основе стекла выражается обобщенной формулой
MeO2*nSiO2,

где Me — щелочной металл типа Na, К, Ca.
С геохимической точки зрения, жидкое стекло, являясь сильной щелочью, хорошо взаимодействует с минералами, особенно карбонатными и загипсованными. Общим результатом такого взаимодействия является поглощение минералами кремниевой кислоты, что способствует ускоренному насыщению упрочняемой породы составом.
Композиция органо-минерального состава, разработанная фирмой «Бергверксфербанд», состоит из органо-минерального (ОМ) компонента и полиизоцианата. Свойства состава близки к аналогичным свойствам полиуретана, за исключением более слабой адгезии к породам и отсутствия вспенивания при полимеризации.
ОМ-состав фирмы «Виллих», как и фирмы «Бергверксфербанд», состоит из двух компонентов. Компонент А представляет собой на 95% минеральное вещество, основанное на жидком стекле. Поэтому он не пожароопасен. Компонент В — полиизоцианат. Смешивание компонентов А и В приводит к получению не раствора, а, скорее, эмульсии. Этим самым предъявляются повышенные требования к качеству перемешивания.
Поскольку компонент А для приготовления требует воду, то состав может без затруднений применяться для упрочнения влажных пород. Соответственно он может находиться в открытом виде в весьма влажной атмосфере — в отличие от полиизоцианата, который, реагируя с влажным воздухом, затвердевает на поверхности деталей оборудования в виде хрупкой корки.
ОМ-составы могут применяться для широких диапазонов горных пород и угля, а скорость их отверждения и другие технологические свойства можно регулировать изменением соотношения компонентов А:В = (1—2):1. В частности, требуется корректировка соотношения компонентов состава и технологии их нагнетания при понижении температуры среды, так как вязкость одного из компонентов (А) в этом случае существенно возрастает. В отвержденном виде ОМ-состав представляет собой слегка эластичный продукт.
Институтом химии высокомолекулярных соединений АН Украины для упрочнения пород разработана органо-минеральная композиция, включающая растворы солей щелочных металлов, полиизоцианата и акрилового олигомерного растворителя. В зависимости от горно-геологических и гидрогеологических условий в композицию вводятся реакционноспособные поверхностно-активные вещества, способствующие улучшению совместимости компонентов и увеличению адгезии к влажным породам, а также катализирующие добавки, позволяющие регулировать время отверждения композиции в широких пределах.
ОМ-композиции отличаются высокой проникающей способностью, обусловленной низкой величиной межфазного натяжения. Предел прочности грунта, упрочняемого ОМ-композицией, через 24 ч составляет 8—10 МПа, а коэффициент фильтрации не превышает 3*10в-4 м/сут. ОМ-композиция Института химии высокомолекулярных соединений АН Украины прошла апробацию на Северо-Муйском тоннеле БАМ.
К недостаткам составов на основе жидкого стекла следует отнести технологическую нестабильность, особенно по продолжительности времени отверждения состава.
Кроме упомянутых здесь составов, известен опыт применения составов на основе акриловых смол, фурфурола, латексов и других химических соединений (Япония, Франция, США, Канада, Англия, Чехия и др.).