» » Герметизация вентиляционных сооружений в шахтах

Герметизация вентиляционных сооружений в шахтах

30.08.2016

Увеличение глубины разработки месторождений и интенсификация ведения очистных и подготовительных работ с использованием высокопроизводительной выемочной и горнопроходческой техники требуют увеличения количества воздуха в подземные выработки шахт.
Одним из путей решения задачи является борьба с утечками воздуха, которые происходят через щели, трещины и другие неплотности в герметизирующих устройствах по пути движения воздуха.
Внутришахтная подземная вентиляция представляет собой сложную систему сооружений для разделения свежих и отработанных струй воздуха, включающую одиночные вентиляционные двери и шлюзы, кроссинги, глухие перемычки, изолирующие старые выработанные пространства, и другие устройства. Утечки воздуха, происходящие через систему таких вентиляционных сооружений, в отдельных случаях достигают 40—50%.
Для повышения качества герметизации горных выработок ведется поиск новых материалов. На шахтах Донбасса опробован целый ряд составов на основе жидкого стекла, извести, вермикулита и др. Однако они оказались эффективными главным образом при отсутствии проявлений горного давления; в противном случае покрытие быстро разрушается и его срок службы лишь незначительно превышает срок службы обычных песчано-цементных материалов.
В отдельных случаях для герметизации вентиляционных сооружений на шахтах США, ФРГ, Англии, Канады, Франции применяют пленки из синтетических материалов — найлона, полихлорвинила, полиэтилена, прикрепляемые к поверхности вентиляционного сооружения. Недостатками таких покрытий являются высокие трудозатраты (ручное возведение), недолговечность, проблема снижения пожароопасности материала. В связи с этим область применения пленок ограничивается использованием их для вентиляционных парусов.
Наиболее перспективными материалами для герметизации вентиляционных сооружений являются пенопласты. За рубежом нашли широкое применение мочевиноформальдегидные (карбамидные) пенопласты, получаемые в результате поликонденсации карбамидных смол отвердителями. Вспенивание производится механическим путем — с помощью сжатого воздуха. Недостатки карбамидных пенопластов — долгое время отверждения (несколько дней) и усадка, способствующая трещинообразованию и нарушению воздухопроницаемости, что приводит к необходимости повторного напыления пенопласта через 2—3 нед после первичного.
Кузбасским политехническим институтом проведены опыты по применению пенопласта ФРП для возведения перемычек горных выработок с целью изоляции отработанных участков, сбоек между выработками, изоляции пожарного участка и воздухоизоляции. Новый вид пенопласта типа Виларес применен для этих целей на шахтах Донбасса.
Пенопласт Виларес-РНП-БН для герметизации утечек воздуха

ВНИИСС для герметизации горных выработок разработан лишенный упомянутых выше недостатков фенолоформальдегидный пенопласт Виларес-РНП-БН, представляющий собой вспененную пластмассу мелкоячеистой структуры. Пенопласт Виларес-РНП-БН образуется в результате экзотермической реакции полимеризации при смешивании фенолоформальдегидного резола ФРБ-135Н, олигомерного кислотного катализатора Ларкс — 1565 и многофункционального продукта марки ФЭБ.
Основные достоинства разработанной композиции: относится к группе трудногорючих; может приготавливаться непосредственно в горной выработке при температуре окружающего воздуха t =15/40°С; возможность использования технологии как напыления, так и заливки; высокие адгезионные, воздухо- и теплоизоляционные свойства; возможность достаточно широкого варьирования прочности (от 0,2 до 4,5 МПа); стойкость к воздействию масел и кислотных жидкостей.
Нанесение пенопласта на поверхность выработки осуществляется напылением при помощи специально разработанной установки МНШ-3 и пистолета-распылителя конструкции ВНИИСС. Установка МНШ-3 основана на использовании дозирующих насосов шестеренного типа с приводом от пневмодвигателя. Производительность установки — 0,5-3,6 л/мин. Пистолет-распылитель использует два принципа смешивания — воздушного и в струе.
Исследование воздухопроницаемости пенопласта

Величины минимально необходимой толщины герметизирующего покрытия, расхода компонентов материала, продолжительности и трудоемкости работ рассчитываются исходя из значения коэффициента воздухопроницаемости Kв отвержденного пенопласта. Экспериментальные исследования, проведенные И.П. Переверзевым, позволили установить значения коэффициентов Кв для образцов пенопласта, продуваемых воздухом на лабораторной установке (рис. 5.3).
Герметизация вентиляционных сооружений в шахтах

Образец пенопласта 1 герметично закрепляется в стальном цилиндре 2. Нагнетание в цилиндр воздуха осуществляется вентилятором 7 через буферный баллон 6 и реометр 5, соединенные трубками 8. Температура воздуха в испытательном цилиндре измеряется термометром 3, а его депрессия — депрессиометром 4. Расход воздуха регулируется заслонкой 9 в буферном баллоне 6. Испытывались образцы диаметром 52 мм, толщиной 10, 20, 30, 40, 50 мм. В цилиндр 2 образец помещался так, чтобы направление потока воздуха совпадало с направлением вспенивания пенопласта.
Коэффициент воздухопроницаемости определялся по формуле
Kв = εm/(Δp)1/2.

Здесь m — толщина образца, см; Δр — перепад давления, Па; ε — воздухопроницаемость пенопласта:
ε=Qпр/S,

где Qпр — расход воздуха, приведенный к стандартным условиям, м3/с; S — площадь образца, м2.
Пересчет экспериментально полученных результатов расхода воздуха Qr (м3/с) к стандартным (р0 равно 101, 325 кПа, t=20° С) поизводился по формуле
Qпр = QiPi (273 + ti)/po(273+t0),

где pi — давление в цилиндре, кПа; ti — температура в цилиндре, °С.
Обработка результатов экспериментов показала, что коэффициент воздухопроницаемости пенопласта Виларес-РНП-БН колеблется в пределах
Кв = (1,94/2,9)*10в-10.

Опыты показали также, что поток воздуха движется через пенопластовый образец в режиме ламинарного движения.
Кроме лабораторных, были проведены натурные стендовые испытания пенопластового покрытия на воздухопроницаемость. Стенд представлял собой металлическую трубу квадратного сечения 1000x1000 мм, в которой выкладывалась стенка из кусков породы. На эту стенку проводилось напыление пенопласта. Толщина пенопластового покрытия колебалась от 0,8 до 3 см.
Депрессия в установке (кПа) создавалась вентилятором местного проветривания «Проходка 500 М» и колебалась в пределах
рд=0,75/2.

Обработка результатов лабораторных и стендовых испытаний показала, что толщину герметизирующего покрытия достаточно ограничить значением δ=30 мм. Дальнейшее увеличение толщины не оказывает существенного влияния на снижение величины утечек.
Адгезионная прочность пенопласта Виларес-РНП-БН

В реальных условиях шахты для создания герметизирующих покрытий пенопласт может быть направлен ‘ на породу, уголь, дерево, бетон, металл. Применительно к этим материалам и были проведены исследования для качественной оценки адгезионной прочности пенопласта. Для испытаний использован метод нормального отрыва части пенопласта от поверхности, на которую он наносился, через 48—72 ч.
В лабораторных условиях такие опыты проводились путем напыления композиции Виларес-РНП-БН на подложки из различных материалов и последующего их отрыва равномерно распределенной силой. Чтобы при испытаниях не разрушались подложки из таких непрочных материалов, как уголь и глинистые сланцы, их предварительно крепили в специально изготовленной гипсовой форме. В шахтных условиях проверялись результаты лабораторных испытаний.
Пенопласт напылялся на дерево, металл, породу, уголь, бетон различного состояния: на предварительно обработанные до чистого сухого состояния, на запыленные сухие необработанные, на запыленные влажные необработанные и на запыленные мокрые необработанные. Результаты испытаний, полученные через 5 сут после напыления (срок полного созревания пенопласта), приведены в табл. 5.1.
Герметизация вентиляционных сооружений в шахтах

Из таблицы следует, что адгезионная прочность пенопласта Виларес-РНП-БН, наносимого напылением на сухие поверхности породы, угля, дерева или бетона, достаточно высока и почти не зависит от их предварительной обработки. Адгезия к влажным субстратам меньше, чем к сухим, примерно в 3 раза. Адгезия к металлам в любом случае в 1,5—2 раза ниже, чем к остальным материалам. Если поверхность мокрая, адгезия практически отсутствует ко всем материалам: при толщине свыше 3 см пенопласт начинает отделяться под действием собственного веса.
Параметры напыления пенопласта

На процесс и качество получаемого при напылении пенопласта влияет ряд факторов, которые можно разделить на управляемые и неуправляемые. К неуправляемым факторам относятся: температура рудничной атмосферы, субстрата и напыляемых компонентов пенопласта; давление сжатого воздуха в пневмосети, влияющее на режим работы распылительной установки; материал, рельеф, степень шероховатости и увлажненности обрабатываемой поверхности. Управляемые факторы — расстояние пистолета-распылителя до обрабатываемой поверхности, толщина наносимого слоя пенопласта, расход наполняемой композиции, скорость перемещения пистолета относительно поверхности.
Исследования ИГД им. А.А. Скочинского и ДонУГИ дали возможность установить рациональные значения некоторых из управляемых факторов. Расстояние пистолета до обрабатываемой поверхности определяется разрежающей и охлаждающей способностью распыляемой воздушно-жидкостной смеси и возможностью контроля за толщиной и качеством покрытия.
Опыты, проведенные при давлении подводимого к пистолету сжатого .воздуха 500 кПа и производительностью 22 Н/мин, позволили определить нижнюю границу расстояния пистолета-распылителя до обрабатываемой поверхности. При расстоянии пистолета до 0,3 м происходит сдувание пенопласта с соседних участков; при дальнейшем увеличении расстояния уменьшается скорость вспенивания пенопласта и повышается его кажущаяся плотность. Стендовые испытания и опыт работы на шахтах показали, что пистолет-распылитель дает наилучшие результаты при перемещении 0,5-0,8 м относительно обрабатываемой поверхности.
Оптимальная толщина покрытия определялась испытаниями на стендах и в шахтных условиях. В процессе стендовых испытаний подложки (щиты) из различных материалов полностью покрывались пенопластом, а равномерность вспененного покрытия проверялась проколами иглы в произвольно взятых точках. Проверка рекомендации проводилась путем нанесения полного и равномерного пенопластового покрытия на бетонитовые перемычки с дверями совместно с прилегающими боковыми породами на шахте им. А.Ф. Засядько ПО «Донецкуголь». Стендовые и шахтные испытания показали, что в среднем оптимальная толщина пенопластового покрытия должна приниматься в пределах δопт=2/4 CM.
Установление оптимальной величины расхода пенопласта Виларес-РНП-БН производилось опытным путем — из условия получения сплошного покрытия минимальной толщины, наносимого на песчано-цементные блоки средней шероховатости. При напылении пенопласта на обрабатываемую поверхность производительность варьировалась в пределах 3-0,3 дм3/мин. Снижение производительности осуществлялось ступенчато, через каждые 0,3 дм3/мин. Опыты показали, что наилучшее качество при обеспечении равномерного слоя покрытия оптимальной толщины достигается в пределах Qопт=1,5-1,8 дм3/мин.
Производительность более 1,8 дм3/мин способствует увеличению толщины наносимого слоя, производительность менее 1,5 дм3/мин — возрастанию затрат времени на герметизацию перемычек.
Технологические особенности напыления Виларес-РНП-БН

Применение фенолоформальдегидного состава для герметизации горных выработок требует дополнительного решения некоторых вопросов техники безопасности, а также технологических требований. К числу технологических требований относятся необходимость предварительной подготовки оборудования и места нанесения покрытия, соблюдения определенной последовательности выполнения операций. В зоне ведения работы необходимо убрать все куски отслоившейся породы, струей сжатого воздуха сдуть пыль и мелкие куски породы.
Герметизацию вентиляционных перемычек следует начинать со стороны высокого давления, что способствует засасыванию жидкой композиции в трещины и щели и их тампонированию в результате вспенивания состава. При перепадах давления более 600 Па и раскрытии трещин более 5 мм необходимо применять меры к его снижению (приоткрыть дверь или разгрузочное окно в перемычке). Если такой возможности нет, крупные трещины во избежание перерасхода пенопласта замазываются глиной. Нанесение герметизирующего покрытия выполняется горизонтальными полосами сверху вниз. Таким способом достигается минимальная толщина покрытия, уменьшаются затраты времени и материалов.
При проведении работ по герметизации перемычек подземных выработок следует учесть, что компоненты пенопласта Виларес-РНП-БН выделяют в окружающее пространство вредные для организма фенол (в момент пенообразования свыше 10 мг/м3) и формальдегид (свыше 1 мг/м3). Через час после образования пенопласта выделение фенола и формальдегида снижается соответственно в 5 и 15 раз. Измерения в шахте показали, что выделяемые в рудничную атмосферу вредности — фенол и формальдегид — в некоторых случаях в 6—7 раз превышают предельно допустимые концентрации (ПДК).
В связи с этим запрещается постоянное пребывание людей в выработке, в которой ведется герметизация, на расстоянии 200 м по ходу вентиляционной струи. Кроме того, на расстоянии 3 м от места напыления по ходу вентиляционной струи необходимо установить водяную завесу, включаемую за 15 мин до начала и выключаемую через 1 ч после окончания работ. Вода поглощает фенол и формальдегид, а содержащиеся в летучих соли, кислоты, щелочи переводит в связанное состояние. Некоторые результаты работ по герметизации перемычек пенопластом Виларес-РНП-БН, проведенных на шахте им. А.Ф. Засядько с соблюдением указанных правил безопасности, приведены ниже:
Герметизация вентиляционных сооружений в шахтах

Проведенные работы позволили сделать вывод, что применение пенопласта Виларес-РНП-БН для герметизации вентиляционных устройств на шахтах и рудниках позволяет в 2—4 раза снизить утечки воздуха при минимальных затратах на работу.