ГлавнаяСоставы для упрочнения пород, основанные на вспенивающихся полиуретанах, зарекомендовали себя наилучшим образом и широко применяются на шахтах ФРГ, Канады, Франции, Японии, Англии, Бельгии, США и других промышленно развитых стран. В нашей стране они успешно применяются для упрочнения неустойчивых пород очистных забоев на шахтах Донбасса. Связывание полиуретаном горных пород происходит надежно как во времени, так и при изменении напряженно-деформированного состояния упрочняемого массива.
Образование пенополиуретана происходит в результате взаимодействия полиэфирной композиции (смеси многофункциональных спиртов — гликолей или полиэфиров)
например окиси полиоксипропилена
с полинзоциаиатом (НИЦ)
В процессе полимеризации гидроксильные группы (ОН) полиэфирного компонента взаимодействуют с изоцианатными группами ПИЦ:
Полимеризация состава происходит ступенчато, так как рост цепей первоначально образовавшегося двухфункционального полимера с невысоким молекулярным весом происходит за счет реакции между концевыми группами. В результате получается высокомолекулярное соединение, окончательный молекулярный вес которого зависит от соотношения менаду гидроксильными и изоцианатными группами.
Вспенивается полиуретан под воздействием газов, выделяющихся в процессе полимеризации. Так, образование вспенивающего агента в виде двуокиси углерода в присутствии воды, специально добавляемой в полиэфирную часть системы, происходит по схеме
Тщательное перемешивание обоих компонентов полиуретана приводит к образованию отвержденного пенопласта, отличающегося высокой адгезией к горным породам и достаточной прочностью на изгиб и растяжение. Благодаря образованию высокомолекулярного соединения с множеством гибких, эластичных связей полиуретан приобретает свойство податливости без отрыва от породы и без разрыва когезионных связей не только при макродеформациях, но и при значительных взаимных перемещениях связанных блоков пород.
Эти два отличительных качества — вспенивание в процессе полимеризации и эластичность в отвержденном виде — делают полиуретан наиболее универсальным и надежным составом для упрочнения пород в любых горно-геологических условиях, любой трещиноватости и состояния, кроме мокрых и низкотемпературных (менее 16° С). Однако и для таких условий принципиально возможно создать специальные композиции полиуретана. Одна из таких композиций — водостойкая — разработана в ФРГ.
Регулирование свойств и качества упрочнения пород полиуретаном достигается изменением количества и соотношения многоатомных полиэфирных спиртов и добавками к ним (глицерина, сахарозы, этиленгликоля и др.). Таким образом можно изменять время отверждения состава, его водостойкость, температуру воспламенения и другие параметры.
Для улучшения технологических возможностей и ускорения сроков ведения работ ВНИИСС, как и западногерманской фирмой «Бергверсфербанд», разработано два вида полиэфирной части системы: нормальная, со сроком схватывания 20—30 мин, и ускоренная, отверждающаяся за 1,5—2 мин. Ускоренная система применяется в экстренных случаях, например когда нагнетаемый состав через трещиноватость массива обильно вытекает на открытую поверхность выработки или через подготовленный к следующему нагнетанию соседний шпур, а также при появлении в шпурах влаги.
Вязкость компонентов полиуретана для упрочнения пород не превышает 350 сП, что обеспечивает его высокую проникающую способность в мелкие трещины. Вспенивание в процессе полимеризации также способствует дополнительному самонагнетанию отверждаемого продукта в трещины.
Сравнительно невысокая вязкость компонентов полиуретана позволяет применять для его нагнетания несложное технологическое оборудование. Доставка компонентов полиуретана в зону ведения упрочняющих работ осуществляется в закрытых металлических емкостях — банках или бочках. Применение полиуретана в связи с токсичностью продуктов требует осторожности и выполнения правил техники безопасности: работы в защитной спецодежде, очках и перчатках.
Технико-экономическим недостатком полиуретановых составов является их сравнительно высокая стоимость и в известном смысле дефицитность. Однако даже в тех случаях, когда их применение не оправдывается экономически, с точки зрения улучшения условий труда и повышения техники безопасности горнорабочих полиуретановые составы всегда рентабельны.
Экономически рациональными областями применения полиуретана являются:
- упрочнение неустойчивых пород в очистных забоях с вывалообразованиями кровли свыше 0,7-0,8 м;
- упрочнение неустойчивых пород на сопряженных очистных забоях со штреками;
- повышение устойчивости в монтажных и демонтажных камерах в очистных забоях;
- упрочнение пород при переходе очистными забоями геологических нарушений;
- упрочение угольных массивов при разработке мощных пластов.
Однако в каждом случае упрочнение пород полиуретаном должно обосновываться планом горных работ, геологической ситуацией, паспортом крепления, технико-экономическим расчетом, условиями повышения техники безопасности работы горняков. Применение полиуретана в связи с его высокой стоимостью должно носить, как правило, эпизодический характер: только в зонах наиболее крупных нарушений пород. Эффективной областью применения полиуретана является упрочнение склонных к крупным вывалообразованиям пород кровли очистных забоев.
На рис. 4.7 показан один из примеров упрочнения кровли в 26-й восточной лаве шахты им. Е.Т. Абакумова ПО «Донецк-уголь». Нагнетание полиуретана в сильно трещиноватую кровлю пласта, мощность которого составляла 1—1,05 м, позволило ликвидировать опасные зоны обрушений пород, купола которых достигали 6—8 м.