Применение полимерных смол основано на их способности под действием отвердителей образовывать гелеобразные соединения, которые затвердевают в межпоровом и капиллярном пространстве с адгезией к породам. Обычно для этих целей применяются олигомеры, т. е. полимеры небольшого молекулярного веса (1—3 тыс.), образующие в результате реакции с отвердителем довольно большие и жесткие макромолекулы сетчатого строения. Химические составы для упрочнения пород должны отверждаться в холодном состоянии и иметь высокую адгезию к различным типам горных пород и углю.
Склонные к трещинообразованиям и обрушениям породы большей частью представляют собой алевролиты и аргиллиты — углистые, глинистые или песчаные сланцы, которые могут содержать прослойки угля, глины, известняка, включающего соли угольной кислоты (карбонаты), песчаника и других минералов. Иногда встречаются также сыпучие породы мелких фракций, породы типа «мыльник» с ярко выраженными зеркалами скольжения и породы, представляющие прочные угловатые куски неправильной формы, сцементированные непрочным углисто-глинистым минералом.
Естественное состояние упрочняемых горных пород характеризуется как их химико-минералогическим составом (С, Si, Ca и пр.), так и водородным показателем pH их водной вытяжки. Последний, как и для подземных шахтных вод, может колебаться в весьма широких пределах: от pH 1—2 (кислые воды Кизеловского бассейна) до pH 10—12 (щелочные воды шахт Донбасса).
По степени увлажненности упрочняемый массив может находиться в любом состоянии — от сухого до мокрого. Температура упрочняемых пород на шахтах и рудниках нашей страны может находиться в пределах 5—30° С, а в районах вечной мерзлоты — в отрицательном интервале (до -10°С).
Помимо естественного состояния пород, важное значение для выбора связующего состава имеет преобладающая степень раскрытия трещин 6. Если ширина раскрытия 6 мала (менее 1 мм), то прочность соединения блоков определяется их фрикционной связью и характеризуется главным образом адгезией состава к породе; если 6 значительна (2—3 мм), во внимание следует также принимать когезионную прочность самого состава, так как система субстрат — адгезив (порода — связующий состав) работает как композит из двух материалов. В этом случае показатели прочности связующего состава в отвержденном виде должны приближаться к соответствующим показателям породы.
Следует избегать применения составов, дающих усадку в процессе отверждения. Если все же приходится применять такие составы (например, на основе карбамидных, фенолоформальдегидных и некоторых других смол), то допустимая величина усадки определяется размерами трещин. Усадка связующего состава в трещине большого объема приводит к образованию повой микротрещины, накопление которой может не обеспечить необходимую устойчивость массива.
В противовес явлению усадки желательным требованием к составу является его вспенивание — способность увеличивать объем в процессе отверждения. Вспенивание приводит к возникновению дополнительных, распорных сил между блоками пород, способствующих их удержанию в равновесном состоянии.
Заметим, что упрочняемый массив как в процессе отверждения скрепляющих составов, так и после него может быть подвержен сдвигающим деформациям от воздействия проводимых вблизи горных работ, в том числе динамического характера (например, от взрывных работ). Отсюда возникает требование пластичности состава в процессе отверждения и эластичности в отвержденном виде. Оба этих требования способствуют сохранению равновесного состояния связываемых блоков пород при малых взаимных перемещениях. В отдельных случаях к составам предъявляются требования водостойкости, способности отверждения при низких температурах, достаточной адгезии к глянцевым поверхностям пород и другие специальные требования.
Главная