Решения для контроля горных пород
Стабилизация горных пород методом смолоинъецирования
Специфика выбора безопасных технологий стабилизации горных пород с учетом химико-физических особенностей различных полимерных систем
Цель
Корректное определение проблемы и правильный выбор полимерной системы для проведения работ по стабилизации горных пород методом смолоинъецирования с целью достижения оптимального результата и получения соответствующей устойчивости массива горных пород в различных горно-геологических условиях.
Факторы, определяющие существенные различия между полиуретановыми и
органоминеральными смолами:
1. Вспенивание при контакте с водой.
Фактор вспенивания полиуретановых смол при реакции с водой является значимой особенностью их физико-химических свойств – при этом для вспенивания достаточно даже простого показателя влажности пород, т. е. минимального наличия в ней влаги. Вспениваясь, полиуретановая смола увеличивается в объеме. Этот фактор является преимуществом, если работы по смолоинъекционной стабилизации 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 стабилизации. 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 объема.
Однако в зоне сильного геологического нарушения в очистном забое инъецирование полиуретановой смолы в увлажненный угольный массив может вызвать непрогнозируемый отжим угля, так как процесс вспенивания полиуретановой смолы и, соответственно, увеличение её объема происходит в замкнутом пространстве с ростом давления. Этот фактор необходимо учитывать при выборе типа смолы для решения конкретной горно-геологической проблемы.
В отличие от полиуретановых смол, органоминеральные смолы не реагируют с водой, не вспениваются и не увеличиваются в объеме. Это свойство органоминеральных смол следует принимать во внимание не только при работе по предотвращению возможных нежелательных последствий от применения вспенивающихся составов в угольных очистных забоях, но и при закреплении в скважине/шпуре склеивающим полимерным составом канатных анкеров.
В последние годы применение в горном деле канатных анкеров глубокого заложения получило широкое распространение. Зарубежные и российские технологии и опыт показывают, что наиболее эффективно такие анкеры работают при условии полного заполнения скважин/шпуров полимерной смолой. Использование в этих случаях именно органоминеральной смолы обеспечивает полное заполнение ею всей длины скважины/шпура и закрепление канатного анкера по всей длине. Органоминеральная смола при инъекционном нагнетании свободно распространяется до дна скважины/шпура без химической реакции при любой влажности горных пород. В то время как реакция вспенивания при контакте полиуретановой смолы с водой может обусловить образование пробки, препятствующей свободному распространению этой смолы по всей длине скважины/шпура, и помешает полному закреплению канатного анкера по всей длине.
Специфика производства работ по стабилизации горных пород методом смолоинъецирования
2. Температура химической реакции компонентов смолы
Наиболее существенным и важным отличием двух полимерных систем – полиуретановой и органоминеральной – является различная температура химической реакции компонентов смол после их смешивания. Химическая реакция двух компонентов полиуретановой системы протекает при выделении значительно большего количества теплоты, чем в органоминеральной системе. Если при начальной температуре двух жидких компонентов и окружающей среды +15˚C температура протекания химической реакции после смешивания компонентов органоминеральной смолы составляет 50˚С - 55ºС, то температура химической реакции компонентов полиуретановой системы при такой же начальной температуре компонентов смолы и окружающей среды после их смешивания составляет 140˚С - 150˚С. Именно разница в температурах химических реакций при смешивании двух компонентов органоминеральных и полиуретановых смол должна приниматься во внимание при выборе типа материала для смолоинъекционной стабилизации угольного массива.
Значимость температуры химической реакции компонентов смолы при выборе полимерной системы для проведения работ по смолоинъецированию угольного массива определяется в том числе и актуальностью понятия «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 вероятность окисления угля. Смолоинъекционная стабилизация угольного массива проводится именно в зонах горно-геологических нарушений, т. е. в зонах повышенной трещиноватости угля, где активность окисления угля изначально повышена. Инъецирование полиуретановых смол с высокой температурой химической реакции компонентов (140˚С - 150˚С) в такой ситуации приводит к рискам как дополнительного активного выделения из угольного пласта СО2 и СО, так и повышенного генерирования теплоты в угольном пласте, что может
повлечь за собой ускорение самовозгорания угля.
С учетом вышеперечисленных отличительных особенностей физико-химических свойств различных полимерных систем, а также принимая во внимание международный и российский опыт их использования, для стабилизации угольных массивов методом смолоинъецирования целесообразно применять преимущественно органоминеральные составы.
Корректность выбранных технологических решений, повышающих безопасность ведения горных работ, включая работы по стабилизации горного массива методом смолоинъецирования, во многом зависит от предварительного точного анализа проблемы, учета типа/группы упрочняемой горной породы, специфики горно-геологических условий подземных шахт и рудников, а также правильного выбора полимерного состава для смолоинъецирования, с учетом особенностей различных полимерных систем.
Компания «ГорХим Техно», имея большой опыт работы в горной промышленности РФ с различными химико-технологическими системами, предлагает широкий спектр материалов для смолоинъекционной стабилизации горных массивов: двухкомпонентные органоминеральные смолы БЛОКСИЛ, БЛОКСИЛ Т; двухкомпонентные полиуретановые смолы БЛОКПУР С, В, ВИ, двухкомпонентная фенольная смола БЛОКФИЛ и многие другие составы и системы. Горные инженеры – специалисты ООО «ГорХим Техно» всегда окажут своим клиентам необходимую помощь в решении любых проблем, связанных с корректным выбором необходимых материалов и систем для проведения работ по стабилизации горных пород с учетом специфики горно-геологических условий каждого отдельного горного предприятия.
Задачи
- Стабилизация слабых, неустойчивых, трещиноватых, сильно нарушенных массивов горных пород в шахтах, рудниках и тоннелях в целях формирования устойчивого состояния горных пород на контурах горных выработок;
- Стабилизация горных пород в проходческих и очистных забоях в зонах горно-геологических нарушений в целях безопасного и бесперебойного ведения подземных горных работ и повышения эффективности технологических процессов;
- Опережающая стабилизация всех типов горных пород для предотвращения вывалов и отжимов горных пород в целях повышения безопасности производства горных работ.
Технология производства работ
1.1. Перед проведением работ по нагнетанию смолы полиуретановой двухкомпонентной БЛОКПУР (С. В, ВИ) или смолы органоминеральной двухкомпонентной БЛОКСИЛ в стабилизируемый горный массив бурятся скважины/шпуры диаметром 42–43 мм и длиной 2–6 м, согласно разработанному паспорту стабилизации горных пород. В зависимости от поставленных задач, возможно бурение шпуров иной длины. Расстояние между скважинами/шпурами, их длина и диаметр определяются степенью устойчивости и трещиноватости, видом нарушений и типом горных пород, а также
постановкой задачи, которую необходимо решить в процессе стабилизации массива горных пород методом смолоинъецирования.
1.2. Подготавливается подающая инъекционная система – к герметизатору с двух сторон навинчиваются нагнетательные трубки.
1.3. Подающая инъекционная система (герметизатор с нагнетательными трубками) вводится в шпур. Конец нагнетательной трубки (не менее 10 см) должен быть выведен из шпура в выработку. К концу нагнетательной трубки подсоединяется завинчивающийся ниппель, соединенный с другой стороны со статическим смесителем и Т-образной муфтой. Многие производители размещают статический смеситель внутри герметизатора или нагнетательной трубки. К Т-образной муфте подсоединяются нагнетательные шланги высокого давления для подачи компонентов смолы от инъекционного насоса.
1.4. Работы по нагнетанию проводятся в следующем порядке:
1.4.1. Открываются запорные краны компонентов смолы, А и Б перед Т-образной муфтой. Запорные краны сброса компонентов смолы, А и Б на насосе должны быть установлены в положение «закрыто».
1.4.2. Включается насос и начинается нагнетание компонентов смолы по нагнетательным шлангам через Т-образную муфту, статический смеситель, нагнетательные трубки и герметизатор в стабилизируемый массив. Давление нагнетания контролируется манометрами, стандартное рабочее давление нагнетания — не более 11 МПа.
1.4.3. После нагнетания в массив проектного количества смолы (или в случае преждевременного выхода смолы из массива) насос отключается для промывки Т- образной муфты, статического смесителя компонентом А.
1.4.4. Система переключается на промывку компонентом А. Запорный кран компонента Б перед Т-образной муфтой устанавливается в положение «закрыто». Запорный кран
сброса компонента Б на насосе устанавливаются в положение «на слив».
1.4.5. Включается насос и производится промывка Т-образной муфты, статического
смесителя и нагнетательной трубки компонентом А, продолжительность промывки — 4−5 секунд. При этом компонент Б циркулирует по малому кругу «емкость — насос — сливной шланг — емкость». По окончании промывки насос отключается.
1.4.6. Оборудование переносится к следующему шпуру, в который заблаговременно введена подающая система (герметизатор и нагнетательные трубки). Завинчивающийся ниппель навинчивается на свободный конец нагнетательной трубки и процесс нагнетания повторяется.
Особенности выбора полимерных систем
Технологии стабилизации горных пород как направленного воздействия на горный массив, в результате которого реставрируется целостность структуры и монолитность массива горных пород, улучшаются его прочностные и другие характеристики, уже многие годы известны и успешно используются как в мировой горной промышленности, так и на горных предприятиях Российской Федерации.

В последние годы особой популярностью пользуется наиболее перспективный и современный способ стабилизации горных пород и повышения устойчивости массива трещиноватых горных пород — смолоинъекционное упрочнение. 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 и другие горные породы.

Принцип работы по стабилизации горных пород методом смолоинъецирования заключается в нагнетании под давлением скрепляющих твердеющих составов: карбамидных, фенолформальдегидных, полиэфирных, полиуретановых, органоминеральных смол, акриловых, эпоксидных соединений и иных составов в нарушенную, трещиноватую горную породу. 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 склеивающим составом без разрушения массива горных пород.

Технология физико-химического воздействия смолоинъекционного состава на горные породы заключается в заполнении пустот и трещин в массиве горных пород через систему скважин/шпуров полимерными составами, изменяющими со временем свое фазовое состояние. Стабилизация трещиноватых горных пород методом смолоинъецирования происходит за счет создания в них каркасных полимерных систем, связывающих между собой структурные отдельности массива горных пород.

В результате взаимодействия с полимерным составом массив горных пород становится монолитным, восстанавливается целостность его структуры, что приводит к повышению его стабильности и устойчивости, а также к улучшению его гидро- и газоизоляционных свойств.

В последние годы на горных предприятиях наблюдается неблагоприятная тенденция к выбору полимерных скрепляющих составов без учета специфики горно-геологических условий каждого отдельного участка проведения работ и физико-химических свойств составов и систем, применяемых для стабилизации горных пород методом смолоинъецирования.

Существенным фактором успешного проведения мероприятий по стабилизации горных пород является необходимость корректного определения специфики той горной породы, которая подлежит стабилизации методом смолоинъецирования. Следующим важным фактором, также определяющим результат работ по стабилизации массива горных пород, является правильный выбор скрепляющего твердеющего состава.

Все полимерные составы и системы по-разному проявляют свои физико-химические свойства в разных группах горных пород - в угле, в руде или в породном массиве - эта особенность скрепляющих твердеющих составов должна стать основополагающей при выборе материала, которым проводятся работы по смолоинъецированию.

Специфические особенности выбора полимерных составов и технологий их применения особенно важны при проведении работ по стабилизации угольного пласта в зоне геологического нарушения. Корректный выбор определенного типа смолы при стабилизации угольного массива предотвращает возможное развитие таких проблем как активное окисление угля и/или повышение уровня СО, СО2 в шахтной атмосфере.

Полиуретановые и органоминеральные смолы применяются для стабилизации различных групп горных пород – угольных, рудных, нерудных - 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, хорошую проницаемость в трещиноватость горного массива и высокую адгезию, быстро набирают необходимую конечную прочность отвержденного состава, хорошо работают в обводненных условиях.