» » Развитие направлений применения жидких полимеров

Развитие направлений применения жидких полимеров

31.08.2016

Ранее приводилась классификация возможных областей применения жидких искусственных материалов в угольной промышленности. Согласно этой классификации жидкие искусственно создаваемые материалы условно подразделяются на два вида:
1) применяемые в виде растворов и эмульсий;
2) отверждающиеся в холодном состоянии при воздействии на горный массив и с другими целями.
Применение полимеров в эмульсиях и растворах способствует развитию новых технологических возможностей.
Полимеры в рабочих жидкостях для гидроразрушения пород

В ИГД им. А.А. Скочинского на основе применения полимерных материалов создана эффективная рецептура рабочих жидкостей для разрушения пород гидравлическим способом. Технология гидравлического разрушения пород и угля, основанная на высокоскоростном, непрерывном или пульсирующем струйном воздействии жидкостей на разрушаемый массив, в качестве рабочей жидкости использует слабые растворы полимерных материалов в воде. Состав рабочей жидкости оказывает влияние на технологические параметры и конструкцию исполнительных устройств, генерирующих струи сверхвысоких (до 7 км/с) скоростей.
Исследованиями установлено, что процесс разрушения твердого тела нестационарными, непрерывными или дискретными высокочастотными струями воды происходит за короткий отрезок времени (от нескольких микросекунд до секунд) и для физического описания требует анализа многих явлений: квазистатического сжатия, распределения мгновенно возникающих в массиве напряжений сжатия σс, растяжения σр, сдвига τс, формирования эрозии, образования выколов и крупных трещин в зоне воздействия высоконапорных струй. Структура высокоскоростного потока жидкости формируется в основном конструктивном элементе-насадке и характеризуется давлением истечения до 400 МПа и расходом до 25 кг/с.
Для повышения эффективности технологии гидроразрушения пород применяют аномальные (неньютоновские) жидкости, представляющие собой водные растворы высокомолекулярных соединений. Поставлена и решена задача — изыскать водные растворы полимеров, обладающие пониженным сопротивлением трению, что влияет на уменьшение турбулентности потока и способствует формированию компактной струи, а при образовании ассоциатов увеличивает разрушающую способность струи. Исследования показали, что концентрация необходимых для этих целей полимерных добавок может быть весьма незначительна, около 0,5—0,01 %.
В качестве полимерных добавок могут быть также использованы полиакриламиды, окиси этилена и пропилена, полисахариды. Исследования ИГД им. А.А. Скочинского установлено, что, например, введение добавок на основе полисахарида, резко повышает дальнобойность струи. Добавки на основе окисей пропилена и этилена способствует лучшему формированию потока по скоростному принципу: вдоль поверхности насадки образовывается пограничный слой, выполняющий роль гидродинамической смазки и снижающий потери на трение.
Кроме того, при введении таких добавок повышается технологическая надежность оборудования, так как струя становится более компактной и предупреждает возможные явления кавитации, а ширина щели, образуемой гидроразрушающими жидкостями, при одном и том же рабочем расстоянии до поверхности существенно (в 2 раза и более) возрастает. Следовательно, возрастает и усиление разрушения горного массива. Для каждого из составов, существует и оптимальное расстояние до разрушаемой поверхности: для воды — около 5,8 см, для состава с содержанием 0,5% окиси этилена — около 12 см. Для повышения эффекта резания песчаника рекомендовано в состав рабочей жидкости вводить 0,015—0,025% полиакриламида.
Таким образом, введение полимерных добавок при одних и тех же параметрах технических средств гидроразрушения существенно повышает разрушающую способность высоконапорной струи. Подобным образом полимерные добавки могут способствовать улучшению качества шахтной воды для гидротранспортировки горных пород и угля, повышению технологических свойств и возможностей различных эмульсий, смазок и других рабочих жидкостей, применяемых в горном деле.
Отверждающиеся синтетические материалы для улучшения состояния горных пород

Ранее были обоснованы направления эффективного применения твердеющих полимерных материалов для упрочнения неустойчивых горных пород и герметизации горных выработок. Этим, однако, не исчерпываются возможные области применения отверждающихся в холодном состоянии синтетических материалов для целей улучшения состояния горных выработок.
Первый пример — применение изопены. На шахтах нашей страны, Чехии, ФРГ и других стран для заполнения пустот в горных породах кровли очистных и подготовительных выработок с целью предупреждения или устранения местных скоплений метана, а также уплотнения массива проведены опытно-промышленные работы по применению вспенивающихся полимерных композиций («изопены»). Заполнение изопеной вывалообразований в очистных забоях является, кроме того, эффективной мерой с точки зрения техники безопасности и производительности работ, так как заполнение куполов деревянными клетками является процессом опасным и трудоемким.
Развитие направлений применения жидких полимеров

Если применяемый в качестве изопены материал имеет невысокую адгезию к горным породам и его нанесение не удается начинать сверху (с потолка купола), предварительно у основания купола, над основной крепью, устраиваются перекрытия, закрываемые пленочным материалом или досками. Такой прием позволяет заполнить изопеной полость более простым технологическим способом — нагнетанием через любое пространство. Нагнетание ведется до полного заполнения купола и образования сплошной подушки под подвигаемую крепь.
Аналогичным образом изопену применяют для заполнения пустот над крепью подготовительных выработок, а также при проходке выработок в условиях образования за крепью вывалов. В последнем случае изопена нагнетается за крепь вслед за укладкой на рамы затяжек.
Преимущества заполнения пустот изопеной заключаются в плотном прилегании к породным стенкам любой степени неровности, в полноте заполнения, минимальной трудоемкости работ; недостаток — в токсичности применяемых для этих целей мочевиноформальдегидных и других смол, что ограничивает объемы их необходимого применения.
Второй пример — упрочение пород комбинированным воздействием твердеющих композиций. На рис. 15.2 показана схема укрепления слабых, а также обводненных пород выемочного штрека комбинированным способом: сначала нагнетанием скрепляющего полимерного состава образовывается породная рубашка 1, затем покрытие из искусственной смолы, магнезиального или цементного вяжущего 2, наконец, армирование массива радиально располагаемыми анкерами 3 с химическим закреплением по всей длине.
Третий пример — улучшение способов охраны горных выработок подачей твердеющей синтетической смеси в шлангах Буллфлекс. Шланги Буллфлекс изготавливаются из высокопрочной (на нейлоновой основе) ткани, отличающейся большой эластичностью, водо- и воздухопроницаемостью, легкостью в обращении. Подготовленные из такого материала шланги при воздействии крепи располагаются за замковым соединением по периметру рамы крепи или затяжками.
После установки крепи шланги заполняются быстротвердеющим водным составом, который, заполняя шланги, в известном пределе раздувает их так, что неровно выработанное за крепью пространство полностью заполняется, а крепь, таким образом, получает равномерную нагрузку. После полного заполнения шланга избыток воды просачивается через ткань, а введенная композиция затвердевает в принятой форме заполненного закрепного пространства.
Четвертый пример — применение искусственных твердеющих материалов (ангидритов, фосфогипсов) для заполнения закрепного пространства штреков и создания околоштрековых полос, повышающих устойчивость подготовительных выработок. Заполнение закрепного пространства минеральными материалами обычно производится пневматическим способом, а возведение жестких околоштрековых полос — как пневматическим, так и гидравлическим.
Эффективность этих способов весьма высокая. Например, показано, что возведение жестких полос околоштрековых полос из ангидрита по сравнению с возведением деревянных костров с породным заполнением уменьшает конвергенцию выработки в 2 раза, а состояние штрека значительно улучшается.
Кроме указанных примеров, синтетические материалы с эффектом используются для нанесения различных покрытий, создания комбинированных крепей, средств управления горным давлением, элементов различного шахтного оборудования. Серьезные работы в этих направлениях проводятся в настоящее время в ФРГ, США, Чехии и других промышленно развитых странах.
Полимерные материалы все шире применяются для создания средств индивидуальной защиты шахтеров. Головной институт по безопасности работ в угольной промышленности МакНИИ совместно с другими институтами постоянно совершенствуют ткани спецодежды горняков. Взамен парусины на шахтах успешно применяются полульняные и хлопчатобумажные ткани с содержанием 20—30% синтетических волокон, что позволило повысить прочность и износоустойчивость, уменьшить их массу, повысить воздухо- и паропроницаемость, снизить их усадку с 14 до 3-5%.
Для защиты от воды разработаны прорезиненные ткани на капроновой и полукапроновой основе. Такие ткани отличаются прочностью, эластичностью, износостойкостью, стойкостью к воздействию масел и нефтепродуктов. Для защиты от травм головы применяются пластмассовые каски класса А «Шахтер-1», «Шахтер-2», «Луч» и класса Б «Дон». Для передвижения в лавах на коленях и локтях применяются пластмассовые наколенники и нарукавники.
С каждым годом в угольной и горнорудной отраслях промышленности расширяются области и объемы применения полимерных материалов для других целей как в подземных выработках, так и в проведении открытых работ.