Выбор безопасных технологий стабилизации

Специальные темы
Ирина Климчук
Владимир Белозеров
УДК 678.7 : 622.831.3 + 622.281 + 624.19 + 691 (470)
Специфика выбора безопасных технологий
стабилизации массивов горных пород с учетом
особенностей различных полимерных систем
Российское подразделение международной компании «Дивидаг-Системс Интернешнл» – ООО «ДСИ Техно» – это передовые решения
для контроля горных пород в областях горного дела, туннелестроения,
строительства.
В последние годы особой популярностью пользуется наиболее перспективный и современный способ укрепления горных пород и повышения
устойчивости массива трещиноватых горных пород — смолоинъекционное укрепление.
Технологии укрепления горных пород, как направленного воздействия на горный массив, в результате которого
улучшаются его прочностные и другие характеристики, уже
многие годы известны и успешно используются как в горном деле во всем мире, так и на горных предприятиях Российской Федерации.
Наиболее распространенным способом укрепления горных пород обычно является закрепление массива анкерной
крепью, так называемое «сшивание» слоев горного массива между собой металлическими, железобетонными, сталеполимерными, полимербетонными и другими видами
анкеров, с одновременной цементацией, глинизацией, битумизацией горных пород и др.
В последние годы особой популярностью пользуется наиболее перспективный и современный способ укрепления горных пород и повышения устойчивости массива трещиноватых горных пород — смолоинъекционное укрепление.
Такой способ обеспечивает значительное повышение
устойчивости таких горных пород, которые имеют собственную прочность хотя бы на молекулярном уровне – все
крепкие трещиноватые, средней крепости и слабые, включающие пески, супеси и другие горные породы.
Сущность стабилизации горного массива заключается
в нагнетании под давлением твердеющих составов (карбамидных, фенолформальдегидных, полиэфирных, полиуретановых, органоминеральных смол, магнезиальных,
акриловых, эпоксидных соединений и др.). Высокое давление нагнетания, низкая первоначальная вязкость, молекулярная дисперсность составов позволяют им проникать в
трещины с шириной раскрытия 0,01 мм и более. Давление
и темп нагнетания составов принимают из условия обеспечения наибольшего насыщения трещин составом, но
без разрушения массива. Технология физико-химического воздействия заключается в заполнении через систему
скважин пустот и трещин в массиве горных пород полимерными составами, изменяющими со временем свое фазовое состояние. Укрепление трещиноватых массивов горных пород происходит за счет создания в них каркасных
Глюкауф Майнинг Репорт, 2014, март № 1
Choice specific of safe technologies rocks stabilize based on
the characteristics of different polymer systems
The Russian division of the international company “Dividag-Systems
International” – “DSI Techno” – a cutting-edge solutions for the control of
rocks in the fields of mining, tunneling and construction.
In recent years, particularly popular and most promising way to modern
rock and strengthening resilience array of fractured rocks – resin injection
hardening.
полимерных систем, связывающих между собой структурные отдельности массива.
В результате взаимодействия с полимером горный массив становится монолитнее, что приводит к повышению
его стабильности и прочности, а также к улучшению его гидро- и газоизоляционных свойств.
В последние годы на российских горных предприятиях
наблюдается неблагоприятная тенденция по выбору полимерных укрепляющих составов, без учета специфики горно-геологических условий каждого отдельного участка
проведения работ и без учета физико-химических свойств
составов и систем, применяемых для смолоинъекционного
укрепления.
На сегодняшний день, к сожалению, утратило свою актуальность изначальное требование к проведению работ по
укреплению горных пород, а именно – определение специфики той горной породы, которая подлежит укреплению методом смолоинъецирования. Из чего сразу же вытекает и следующая проблема – правильный выбор укрепляющего состава.
Из-за необходимости быстрого решения проблемы стабилизации горных пород специалисты горных предприятий чаще всего не учитывают тот факт, что все составы и
системы по-разному проявляют свои физико-химические
свойства в разных типах горных пород – в угле, в руде или в
породном массиве, а именно этот фактор должен стать основополагающим при выборе материала, которым должны
проводиться работы по смолоинъецированию.
Специфические особенности выбора полимерных материалов и технологий особенно важны при проведении работ по укреплению нарушенных угольных массивов. Правильное сочетание и корректный выбор определенного
типа смолы с учетом типа горной породы, которая подлежит укреплению, предотвращает возможное развитие таких проблем как активное окисление угля и/или повышение уровня СО, СО2 в шахтной атмосфере.
Именно поэтому в нашей статье мы хотим обратить пристальное внимание горняков на необходимость правильного выбора материала при всем многообразии предлагаемых
Климчук И., Белозеров В. Специфика выбора безопасных технологий стабилизации массивов горных пород с учетом особенностей...
для смолоинъекционного укрепления горных пород систем
и на разные физико-химические свойства наиболее популярных сегодня полиуретановых и органоминеральных
(силикатных) смол.
Полиуретановые и органоминеральные смолы применяются для укрепления горных массивов, как породных, так
и угольных, и имеют свои преимущества и особенности в
зависимости от конкретных горно-геологических условий
их применения. Оба типа смол имеют высокую начальную
скорость химической реакции при смешивании двух компонентов, имеют хорошую проницаемость в трещиноватость массива и высокую адгезию, очень быстро набирают
необходимую прочность отвержденного состава, хорошо
работают в обводненных условиях.
Важными отличиями между полиуретановыми и органоминеральными смолами являются следующие факторы:
Вспенивание при контакте с водой
Существенной особенностью физико-химических свойств
полиуретановых смол является фактор вспенивания при
реакции смолы с водой, при этом для вспенивания достаточно даже простого показателя влажности пород, т.е.
минимального наличия в ней влаги. Вспениваясь, поли­
уретановая смола увеличивается в объеме. Этот фактор является преимуществом, если работы по смолоинъекционному укреплению ведутся в породном массиве с большим
объемом пустот или трещин. В таком случае фактор вспенивания полиуретановой смолы при контакте с водой обусловит меньший расход смолы при проведении работ по
укреплению. Экономическое преимущество – важный показатель для горных предприятий. Фактор вспенивания полиуретановой смолы также очень важен при проведении
работ по гидроизоляции при нагнетании смолы под давлением в горный массив, так как закрытая структура прочных
полиуретановых вспененных ячеек наиболее успешно и быстро блокирует водопритоки любого давления.
Однако инъецирование полиуретановой смолы в увлаж­
ненный угольный массив в зоне сильного нарушения в
очистном забое может вызвать непрогнозируемый отжим
угля, так как процесс вспенивания полиуретановой смолы
и, соответственно, увеличение ее объема, происходит в замкнутом пространстве с ростом давления. Этот очень важный
фактор необходимо учитывать при выборе типа смолы для
решения конкретной горно-геологической проблемы.
В отличие от полиуретановых смол органоминеральные
смолы не реагируют при контакте с водой, не вспениваются и не увеличиваются в объеме. Это свойство смолы необходимо принимать во внимание не только при работе в
угольном очистном забое, предотвращая возможные нежелательные негативные последствия от применения вспенивающихся составов, но и при закреплении смолоинъецированием канатных анкеров.
В последние годы в горном деле применение канатных
анкеров глубокого заложения получило широкое распространение. Зарубежные технологии и опыт показывают, что
наиболее эффективно такие анкеры работают при условии
полного заполнения скважин или шпуров смолой. Использование в этих случаях именно органоминеральной смолы
обеспечивает полное заполнение ею всей длины скважины
или шпура, и закрепление канатного анкера по всей длине.
Органоминеральная смола при инъекционном нагнетании
свободно распространяется до дна скважины или шпура,
не реагируя с возможной влагой горных пород, в то время
как реакция вспенивания при контакте с водой полиуретановой смолы может обусловить образование пробки, препятствующей распространению этой смолы по всей длине
скважины или шпура, что не обеспечивает закрепление канатного анкера по всей длине.
Температура химической реакции компонентов смолы
Несомненно, наиболее существенным и важным отличием
двух систем – полиуретановой и органоминеральной – является различная температура химической реакции компонентов смол. Химическая реакция двух компонентов полиуретановой системы протекает при выделении значительно
большего количества тепла, чем в органоминеральной системе. Если температура реакции органоминеральной смолы при
температуре двух жидких компонентов +15 °C составляет от
50 до 55 °C, то температура химической реакции полиуретановой системы при такой же начальной температуре компонентов смолы намного выше и составляет от 140 до 150 °C. Именно разница в температурах реакции при смешивании двух
компонентов органоминеральных и полиуретановых смол
должна приниматься во внимание при выборе типа материала для смолоинъекционного укрепления угольного массива.
Для лучшего понимания важности фактора температуры химической реакции компонентов смолы необходимо
вспомнить понятие «окисление угля». Окисление углей –
сложный физико-химический процесс, в результате которого изменяются состав и свойства исходного вещества.
Влага, пористость, трещиноватость, минеральные примеси, изменение климатических условий повышают окисляемость угля. Смолоинъекционное укрепление проводится
именно в зонах горно-геологических нарушений, т.е. в зонах повышенной трещиноватости угля, где уже изначально
повышается активность процессов окисляемости угля.
В процессе окисления угля изменяется его элементарный
состав: содержание кислорода растет, а содержание водорода и углерода уменьшается, в результате окисления выделяются Н2О, СО2 и СО. В результате окисления угля вначале происходит повышение температуры (самонагревание).
Если температура достигает критического значения, то самонагревание переходит в самовозгорание угля. Особую
роль в процессе самовозгорания углей играет их способность адсорбировать пары воды на начальной стадии процесса. При поглощении из воздуха 0,01 г воды выделяется
22,6 Дж тепла. Предполагается, что за счет адсорбции материал нагревается до 65 – 70 °C. При этой температуре реакция окисления угля становится основным генератором тепла. Инъецирование в трещиноватый массив с имеющейся
Глюкауф Майнинг Репорт, 2014, май № 2
Климчук И., Белозеров В. Специфика выбора безопасных технологий стабилизации массивов горных пород с учетом особенностей...
в нем по определению активностью процессов окисления
угля конкретно полиуретановых смол с высокой температурой химической реакции компонентов от 140 до 150 °C
провоцирует риски как дополнительного активного выделения из угольного пласта СО2 и СО, так и повышенное генерирование тепла в угольном массиве, что может повлечь
за собой ускорение процессов самовозгорания угля.
Таким образом, корректный выбор материала между
органоминеральными и полиуретановыми составами для
проведения работ по смолоинъекционному укреплению
угольного массива предотвращает развитие активных процессов окисления угля, и как следствие дополнительное выделение в шахтную атмосферу СО2 и СО.
Резюме
С учетом вышеперечисленных особенностей отличия физико-химических свойств различных полимерных систем, а
также принимая во внимание международный опыт их использования, целесообразно применять для стабилизации
угольных массивов методом смолоинъецирования преимущественно органоминеральные составы.
Безопасность ведения горных работ, включая работы по
укреплению горных массивов методом смолоинъецирования, во многом зависит от точного анализа проблемы, учета типа укрепляемой горной породы, специфики горно-геологических условий, правильного выбора материала для
инъецирования, и, соответственно, корректного выбора
Глюкауф Майнинг Репорт, 2014, май № 2
безопасных технологий стабилизации горных массивов с
учетом особенностей различных полимерных систем.
Компания «ДСИ Техно», имея большой опыт работы с
различными химико-технологическими системами, предлагает широкий спектр материалов для смолоинъекционного укрепления горных массивов: двухкомпонентная
органоминеральная смола БЛОКСИЛ (см. рисунок), двухкомпонентные полиуретановые смолы БЛОКПУР С, В, ВИ,
двухкомпонентная фенольная смола БЛОКФИЛ. Горные
инженеры – специалисты ООО «ДСИ Техно» всегда окажут вам необходимую помощь в решении любых проблем,
связанных с корректным выбором необходимых материалов и систем для проведения работ по стабилизации горных массивов с учетом специфики горно-геологических условий каждого отдельного горного предприятия.
Авторы
Климчук Ирина Васильевна, генеральный директор ООО «ДСИ Техно»
Белозеров Владимир Анатольевич, директор по технологиям и сбыту
ООО «ДСИ Техно»
ООО «ДСИ Техно»
ул. Весенняя, 24А, офис 105, Кемерово 650000, Россия
Телефон: +7 (3842) 36 57 65 • Факс: +7 (3842) 75 84 33
info@dsi-techno.ru • www.dsi-techno.ru