Твердеющие смеси для защиты от негативного воздействия техногенеза и окружающей среды

Рассматривается технология применения различных пен для изготовления взрывоустойчивых и изолирующих перемычек в шахтах и рудниках.

На шахтах и рудниках широко применяются твердеющие смеси (бетоны, пенобетоны, гипсобетоны и другие) для замены угольных целиков, крепления выработок, заполнения пустот и устройства перемычек.

В последние годы широкое применение находят лёгкие, быстротвердеющие композиции, отличающиеся составом вяжущего и прочностью от единиц до десятков МПа. В первую очередь это связано с защитой окружающей среды и трудящихся от её агрессивного воздействия.

В лаборатории кафедры БП и РГП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова под руководством проф. Ю. В. Шувалова разрабатывается комплекс мер по защите окружающей среды от вредного воздействия технологических процессов при открытой и подземной разработке угля, который сегодня является востребованным природным энергетическим ресурсом, а в перспективе станет одним из главных, так как обеспеченность им может удовлетворить потребности всех отраслей на период в несколько сотен лет.

Основными мировыми странами — экспортёрами угля, добывающими его в значительных объёмах, являются Россия, США, Австралия, Канада, ЮАР, Китай и Польша.

Объёмы добычи угля в России за последние 10 лет постоянно увеличиваются, при этом открытым способом добывается почти в 2 раза больше, чем подземным (рис. 1) [1].

Рис. 1. Добыча угля в России в период 1995–2005 гг.

Деятельность предприятий угольной отрасли разрушает экосистемы и изменяет ландшафт, приводит к масштабному загрязнению атмосферного воздуха, а главное, к развитию хронических болезней и человеческим жертвам. Пыль и газообразные продукты в атмосфере горных выработок и на поверхности техногенного массива являются во многих случаях источниками профессиональных вредностей, а также опасности возгораний и взрывов. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30 %) при добычи угля, а взрывы газа и пыли в подземных выработках сопровождается наибольшим числом жертв, а пожары — максимальным экономическим ущербом.

Разработка метаноносных пластов продолжает оставаться одним из основных факторов риска взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями.

По официальным данным, в 2005 г. в Китае от затопления шахт, обрушений, пожаров и взрывов погибло около 6 тыс. шахтёров. В США, где техника безопасности соблюдается тщательнее, за тот же период, по официальным данным, погибло 22 человека [5].

На рис. 2 представлена динамика добычи угля, травматизма со смертельным исходом и аварийности за 1997–2005 гг. на шахтах РФ.

За этот период в шахтах угледобывающих бассейнов России произошло около 100 взрывов именно метано-воздушной смеси. Следует отметить, что взрывы происходят не только в сверхкатегорийных шахтах, но и в шахтах III, II и I категории по газу [4].

Рис. 2. Динамика добычи угля, травматизма со смертельным исходом и аварийности на шахтах РФ

Трагические события на шахте «Ульяновская» в Кузбассе позволили сделать вывод о явных недостатках существующих способов борьбы с пылевыделением и пылепереносом, а также локализации пожаров. При постоянном улучшении применяемых способов вентиляции шахт, современных приборов газоанализа, всё чаще основной причиной пожаров и взрывов является человеческий фактор. В связи с этим, необходима разработка новых систем защиты рабочей зоны угольных шахт от взрывов пыли и газа, исключающих влияние человека.

Одним из примеров материалов, служащих для изменения свойств нарушенных горными работами пород в отечественной и зарубежной практике является цементный раствор с различными заполнителями (песок, зола-унос, глинозём). Они используются для обработки сильно трещиноватых грунтовых массивов. Однако при заполнении таких пустот, как правило, происходит расслоение раствора с вымыванием цемента, в результате чего не достигается предусмотренная прочность. Также данный способ является дорогостоящим из-за большого расхода вяжущего (цемента).

Другим способом упрочнения массива является применение полимерных материалов, на сегодняшний день являющихся наиболее эффективным для профилактики обрушения угля и пород [6]. Опыт использования полимерных смол на угольных шахтах России в последние годы показал, что повышение устойчивости углепородного массива достигается путём применения следующих полимерных технологий:

— упрочнения нарушенного угля органоминеральными смолами «Геофлекс»;

— упрочнение нарушенных пород полиуретановыми смолами «Беведол-Беведан» [6].

Однако применение полимерных смол по-прежнему является дорогостоящим мероприятием, и в большинстве случаев при горении выделяются токсичные вещества, приводящие к отравлениям.

Исследования на базе лаборатории СПГГИ (ТУ) и зарубежный опыт изменения свойств массива в различных областях промышленного строительства показали, что требованиям безопасности в наибольшей степени отвечают вспененные (аэрированные) растворы.

Пена — это дисперсная двухфазная система, которая состоит из жидкой и газообразной фазы. Обычно жидкая фаза образуется водой, а газообразная представляет собой пузырьки воздуха, разделённые между собой тонкими плёнками жидкости. При затвердевании пены образуется ячеистая масса, обеспечивающая теплоизоляцию, аэродинамическое сопротивление и определённую несущую способность.

Пена получается при помощи пенообразователей, смеси поверхностно-активных веществ, которые способны изменять общий объём с высокой кратностью. Добавление пенообразователя в воду снижает её поверхностное натяжение. Поэтому при взбалтывании жидкости или пропускании через неё воздуха на поверхности образуется пена. При этом пузырьки воздуха оказываются заключенными в жидкие оболочки, которые имеют меньшее поверхностное натяжение, чем вода. Оболочки находятся в растянутом состоянии, так как давление воздуха в пузырьках пены больше давления воздуха атмосферы [7].

На угольных шахтах Польши для изготовления взрывоустойчивых и изолирующих перемычек, а также для заполнения пустот и закладки, используют целый ряд пен различных по составу, таких, как «Дьюрафоам», «Вильфлекс», «Визофоам» и т. п. С их помощь возможно эффективное управление газовыделением, обеспечивающее перераспределение газа в пределах выемочного участка во времени и пространстве.

«Дьюрафоам» представляет собой однокомпонентную негорючую пену, применяемую для изготовления взрывоустойчивых и изолирующих перемычек, для заполнения пустот и в качестве закладки. Он поставляется в виде порошка, образующего, после смешивания в соответствующей пропорции с водой и воздухом, стабильную пену. В застывшем виде материал «Дьюрафоам» представляет собой стабильную пену серого цвета, напоминающую по виду пенобетон. В нормальных условиях для создания 1 м3 пены требуются четыре 25-килограммовых мешка «Дьюрафоама». «Дьюрафоам» быстро застывает и получает значительную твёрдость, позволяющую ходить по предварительно застывшей пене уже через 20–30 мин. Прочность на сжатие может достигать 1 МПа. Возможно получение и большей прочности при уменьшении количества воды и снижении производительности. Объёмная плотность «Дьюрафоама» составляет около 300 кг/м3. «Дьюрафоам» может храниться в течение 6 месяцев в сухих условиях. Он устойчив к воздействию агрессивных факторов.

«Вильфлекс» представляет собой двухкомпонентную, быстрореагирующую, заполняющую пену из феноловой смолы, с высокой степенью вспенивания. Она служит для тампонажа вентиляционных перемычек, заполнения пустот в кровле с целью предотвращения скопления метана, для тампонажа выработанного пространства с целью исключения истечения газов в горные выработки, предотвращения утечек воздуха через выработанное пространство.

«Визофоам» состоит из двух компонентов, которые не проявляют склонности к самовозгоранию. «Визофоам» устойчив к воздействию агрессивных факторов. Компонент A пены «Визофоам» представляет собой модифицированный водный раствор мочевинно-формальдегидной смолы. Компонент B представляет собой водный раствор фосфорной кислоты — поверхностно активного средства (вспенивающее средство). После вспенивания раствора отвердителя сжатым воздухом и смешения его с раствором смолы продукт остудневает в течение нескольких секунд.

Рис. 3. Примеры использования изолирующих пен

На основе изучения различных пенообразователей и стабилизаторов, патентного анализа данной темы и лабораторных испытаний в СПГГИ (ТУ) был разработан оптимальный состав труднопроницаемой, твердеющей и безопасной пены, отличающейся тем, что она в качестве поверхностно-активного вещества содержит сульфанол, а в качестве стабилизатора и отвердителя — смолу карбамидоформальдегидную и ортофосфорную кислоту.

Твердеющая пена представляет собой однородный материал мелкоячеистой структуры, получаемый путём механического смешивания водного раствора карбамидоформальдегидной смолы с пенообразователем и раствора ортофосфорной кислоты, с дальнейшим вспениванием смеси сжатым воздухом. Она обладает податливостью при сжатии и под действием горного давления уплотняется, не теряя изоляционных свойств.

Твердеющая пена практически воздухонепроницаема, трудновоспламеняема. При непосредственном воздействии пламени её поверхностный слой обугливается, деформируется, но пламя по поверхности не распространяется. Твердеющая пена устойчива к воздействию агрессивных шахтных сред, имеет достаточно высокие адгезионные свойства к углю, породе, дереву.

Таблица 1. Техническая характеристика твердеющей пены

Наименование показателей	Характеристика
Внешний вид	Однородный мелкоячеечный материал; цвет — от белого до светло-коричневого
Объёмная масса (сухой), кг/м3	7–15
Предел прочности при сжатии, КПа	20–50
Сжимаемость без разрушения (степень уплотняемости под действием сжимающих сил), %	40–70

В качестве основы состава принята карбамидоформальдегидная смола КФ-Ж, которая представляет собой водную суспензию, негорючую, невзрывоопасную, плотностью 1,28 г/см3. Токсичность смолы обусловлена наличием в ней свободного формальдегида. В карбамидоформальдегидной смоле типа КФ-Ж содержание свободного формальдегида менее 1 %, а в КФ-МТ-15-2 свободного формальдегида менее 0,1 %, что значительно ниже допустимых норм. Срок хранения смолы — 6 мес. Используемый ПАВ «Сульфанол» — единственная гостированная в РФ строительная добавка, проходящая по разделу «Пенообразователи» [8].

Одним из способов применения предложенной твердеющей пены при управлении газовым режимом выемочных участков является использование шунтирующих аэродинамических сопротивлений в краевых зонах выработанного пространства у вентиляционного штрека (рис. 4а) [2] и очистного забоя (рис. 4б) [3]. Первые способны снизить значительные (до 40 % от общих) утечки воздуха через погашаемую вентиляционную выработку в верхней части лавы. Вторые могут обеспечить равномерное распределение утечек по поддерживаемой вентиляционной выработке или повысить эффективность работы флангового вентилятора.

Суть способа заключается в цикличной подаче пены ограниченной устойчивости в выработанное пространство за механизированной крепью перед посадкой непосредственной кровли. Пена подаётся по гибкому шлангу с вентиляционного штрека от пеногенератора к распределительным стволам, выведенным за ограждение крепи с заданными интервалами по длине очистного забоя (5–10 м).

Данный способ (рис. 4) осуществляется при разработке угольных пластов длинными очистными забоями с управлением горным давлением полным обрушением пород кровли за крепью при прямоточном проветривании выемочного участка. Воздух поступает к очистному забою (2) и далее выходит из него к вентиляционному штреку (3). При этом часть воздуха проходит через зону повышенного метановыделения в выработанном пространстве (5), поступая на вентиляционный штрек (3) вместе с метаном.

Рис. 4. Варианты способа управления утечками воздуха в выработанном пространстве

Выработанное пространство, примыкающее к очистным забоям, является наиболее опасным объектом во всем объёме шахтных выработок по условиям возникновения и поддержания аварийного состояния при пожарах и взрывах газа и пыли.

Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в основных выработках добычного участка ещё не является гарантией безопасности ведения работ. Эпизодические «всплески» концентрации газа могут превышать допустимые пределы и вызывать воспламенения газа, переходящие во взрывы газа и пыли.

На рис. 5 кривая (1) показывает распределение «притечек» воздуха из выработанного пространства, кривая (2) — распределение «притечек» воздуха на вентиляционный штрек при применении пенных полос, возводимых вдоль лавы. Очевидно, что «притечки» воздуха смещаются к призабойному пространству, что обеспечивает наиболее эффективное проветривание призабойной части выработанного пространства, снижение пиковых концентраций метана и изоляцию удалённой части выработанного пространства.

Рис. 5. Распределение «притечек» воздуха на вентиляционный штрек DQв в зависимости от расстояния до очистного забоя

Заполнение пеной свободного пространства в пределах извлекаемой мощности пласта обеспечивает её всплывание между кусками обрушающейся затем на неё непосредственной кровли, заполнение пустот и даже образующейся полости между непосредственной и основной кровлей за счёт разряжения воздуха в этом пространстве. В результате этих процессов увеличивается сопротивление движению утечек воздуха и снижается их расход, вплоть до полной изоляции выработанного пространства (жёсткие пены), происходит перемещение утечек к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана и повышается безопасность угольной шахты.

При таком способе управления газовыделением возможна попутная добыча шахтного метана с применением известных технологических схем подземной дегазации.

Исследования проводятся при поддержке правительства г. Санкт-Петербурга, Американского фонда гражданских исследований и развития, Министерства образования и науки РФ и НОЦ-015 СПГГИ (ТУ).

Литература:

1. Шувалов Ю. В., Павлов И. А., Веселов А. П. Комплексное использование ресурсов и регулирование газового режима шахт Воркутинского месторождения. — СПб, МАНЭБ, 2006.

2. Шувалов Ю. В. и др. Способ предотвращения взрывов газа в выработанном пространстве. Патент № 2100612 от 27.12.1997 // Бюллетень изобретений. — № 36.

3. Шувалов Ю. В. и др. Способ предотвращения взрывов газа в выработанном пространстве очистных забоев угольных шахт. Патент № 2203425 от 27.04.2003 // Бюллетень изобретений. — № 12.

4. Шувалов Ю. В. Безопасность жизнедеятельности трудящихся в горнодобывающих регионах Севера. — СПб: МАНЭБ, 2006.

5. Лашоф Д., Уильямс Р., Хокинс Д. Что делать с углём? // Scientific American. — 2007. — №2.

6. Чубриков А. В. Применение полимерных технологий для повышения эффективности и безопасности горных работ // Безопасность труда в промышленности. — 2006. — №9.

7. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. — М.: Химия, 1983.

8. Ружинский С. и др. Всё о пенобетоне. — СПб., 2006