Состав сухой смеси для торкретирования угольных пластов
COMPOSITION OF THE DRY MIXTURE FOR GUNNITING COAL SEAMS

Заявляемое техническое решение относится к области химии, в частности, к веществам, используемым для торкретирования угольных пластов.
Согласно статистическим данным, наибольшее число аварийных ситуаций в угольных шахтах приходится на эндогенные пожары, которые в дальнейшем могут быть причиной взрывов метана. Ввиду того, что эндогенные пожары тяжело предсказать и прогнозировать, их изучение является актуальным для учёных ведущих научно-исследовательских институтов горной промышленности.
Как показали исследования, самовозгорание угля происходит в краевых частях выработок, граничащих с угольным массивом. В стадии интенсивного окисления (возгорания) уголь отличается снижением естественной влажности до 30–40%.
В процессе разрушения горной части пласта температура угля на 25–35°С выше в сравнении с обрушенными породами и основным угольным массивом. Окисление углей происходит при их контакте с кислородом, поступающим в горные выработки при их проветривании. Химическая активность добываемых пород и геологические особенности их залежей являются природными факторами возникновения эндогенных пожаров. При поступлении воздуха происходит самонагревание угля, которое становится причиной формирования очага возгорания в области части пласта, подвергшейся механодеструкции. Реакции окисления являются экзотермическими, в связи с этим происходит вначале нагревание, температура в очагах местных перегревов может достигать 80 - 100°С, а затем, в случае отсутствия теплового равновесия, и самовозгорание угля. Сильное агрессивное действие оказывают окислительные процессы, развивающиеся под действием газообразного кислорода, и особенно кислорода, растворенного в адсорбционных пленках воды на поверхности угля. Интенсивность гидролитических процессов усиливается с увеличением стадии окисления угля благодаря тому, что в угле в это время накапливаются кислородсодержащие группы, активизирующие данный процесс.
Взрыв метана является причиной последующего возгорания, поскольку огонь и метан попадают в угольную пыль, находящуюся в примыкающих выработках, что и обуславливает воспламенение массивов угля.
Самовозгорания угля наносят большой ущерб как жизням людей, так и материальному имуществу. Люди, работающие в шахте, могут пострадать от высоких температур или отравиться ядовитыми газами. Из-за обширности и глубины залегания горящих пластов подземный пожар сложно, а иногда просто невозможно ликвидировать.
Известна сырьевая смесь для изготовления пеногипсобетонных композитов, включающая гипсовое вяжущее, заполнитель, армирующее волокно, портландцемент, пенообразователь и воду, отличающаяся тем, что она содержит в качестве заполнителя вулканический пепел Заюковского месторождения с максимальной крупностью зерен 1,25 мм, являющийся одновременно и активной минеральной добавкой, а в качестве армирующего материала и порообразователя - базальтовое волокно производства ПАО «Ивотстекло» марки РНБ-9-1200-4 с. Патент РФ № 2660675, опубликован 09.07.2018.
Известна противоморозная добавка для бетонной смеси, включающая суперпластификатор на поликарбоксилатной основе Melflux 2651F, пеногаситель Troykyd D128 и тиосульфат натрия и кремнегель. Патент РФ 2728023, опубликован 28.07.2020.
Известные смеси не позволяют предотвратить возгорание, в частности, из-за отсутствия способности устранения угольной пыли.
Технический результат заявленного технического решения заключается обеспечении воздухонепроницаемости и улучшенной адгезии бетона к угольным пластам.
Заявленный технический результат достигается тем, что состав сухой смеси для торкретирования угольных пластов включает цемент, песок сухой фракции 0 – 0,63 мм, формиат кальция, суперпластификатор, редиспергируемый полимерный порошок, водоудерживающую добавку, компенсатор усадки, гидрофобную добавку при следующем соотношении, масс. %: цемент 38,50 – 42,48; песок 46,60 –52,74; формиат кальция 3,50 – 5,47; суперпластификатор 1,2 – 3,8; редиспергируемый полимерный порошок 3,50 – 8,00; водоудерживающая добавка 0,14 – 0,52; компенсатор усадки 0,33 – 0,50; гидрофобная добавка 0,09 – 0,50.
Цемент является основным компонентом в составе сухой смеси для торкретирования и выполняет функцию вяжущего вещества. Содержание цемента в составе сухой смеси составляет 38,50 – 42,48% масс. При содержании цемента менее 38,50% не будет достигнута необходимая проектная прочность бетона. При содержании цемента более 42,48% смесь будет слишком густой, что усложнит ее нанесение, а также для придания ей необходимых свойств потребуется увеличенное значение модифицирующих добавок.
Предпочтительно, цемент представляет собой портландцемент марки М500 Д0 ЦЕМ I 42,5H для достижения необходимой проектной прочности и консистенции состава, а также для лучшего взаимодействия с модифицирующими добавками.
Песок сухой фракции 0 – 0,63 мм необходим для создания монолитной структуры бетона. Содержание песка в составе сухой смеси составляет 46,60 –52,74 масс. %. При содержании песка менее 46,6% не будет достигнута необходимая структура смеси и впоследствии необходимая структура бетона, что важно для всех проектных характеристик. При содержании песка более 54,5% происходит уменьшение проектной прочности бетона.
Формиат кальция является ускорителем набора прочности получаемого бетона. Содержание формиата кальция составляет 3,50 – 5,47 масс. %. При содержании формиата кальция менее 3,5% эффект ускорения набора прочности не проявится в полном объеме.При содержании формиата кальция более 5,47% набор прочности перестает ускоряться, а проектная прочность может быть снижена.
Суперпластификатор способствует снижению водотвердого отношения смеси, тем самым делая смесь более плотной, и снижает ее пористость, а также увеличивает прочность готового бетона. Содержание суперпластификатора составляет 1,2 – 3,8 масс. %. При содержании суперпластификатора менее 1,2% снижение водотвердого отношения смеси незначительно. При содержании суперпластификатора более 3,8% смесь становится излишне текучей, что затрудняет ее нанесение, также может замедлиться набор прочности.
Предпочтительно, суперпластификатор представляет собой суперпластификатор марки Melflux 2651F, так как он является суперпластификатором на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата и дает лучший эффект, чем, например, пластификаторы на основе меламина.
Редиспергируемый полимерный порошок обеспечивает высокую адгезию готового бетона к угольным пластам. Содержание редиспергируемого порошка составляет 3,50 – 8,00 масс. %. При содержании редиспергируемого полимерного порошка менее 3,5% адгезия бетона к угольным пластам является неудовлетворительной. При содержании редиспергируемого полимерного порошка более 8% происходит негативное влияние на проектную прочность.
Предпочтительно, редиспергируемый полимерный порошок представляет собой порошок марки ORP 7085 HM, полученный сушкой эмульсии ВинилАцетат / Акрилового сополимера с ПВС в качестве защитного коллоида. Специфический химический состав полимера обеспечивает коалесценцию редиспергируемого полимера при низких температурах и обеспечивает хорошую адгезию к различным основаниям.
Водоудерживающая добавка необходима для предотвращения испарения влаги, необходимой для реакции гидратации вяжущего при большой подаче воздуха в горные выработки. Содержание водоудерживающей добавки составляет 0,14 – 0,52 масс. %. При содержании водоудерживающей добавки менее 0,14% эффект водоудерживания проявляется незначительно, есть риск неполной гидратации цемента. При содержании водоудерживающей добавки более 0,52% происходит увеличение водотвердого отношения смеси, что может привести к снижению проектной прочности бетона.
Предпочтительно, водоудерживающая добавка представляет собой порошок марки Culminal C 9115, химическая основа которого метилгидроксиэтилцеллюлоза МНЕС, а значение вязкости лежит в пределах 62 000 – 75 000 мПа*с (2% раствор на основе сухого материала; Brookfield RVT; 20 об/мин; 20°С), что обеспечивает высокую степенью водоудержания, а также хорошую устойчивость к сползанию.
.
Компенсатор усадки позволяет, снижая усадку бетона, предотвращать уменьшение объема бетона и образование трещин. Содержание компенсатора усадки составляет 0,33 – 0,50 масс.%. При содержании компенсатора усадки менее 0,33% эффект снижения усадки бетона будет недостаточен для предотвращения появления усадочных трещин и потери объема При содержании компенсатора усадки более 0,50% может произойти снижение проектной прочности бетона и замедление набора прочности.
Предпочтительно, компенсатор усадки представляет собой добавку марки Pentamix EX3, которая уменьшает пластическую и гидравлическую усадку за счет химического действия на механизм поверхностного натяжения, возникающего в составе перед концом схватывания и во время твердения, и таким образом не провоцирует излишнего расширения и увеличения объема бетона.
Гидрофобная добавка обеспечивает водонепроницаемость готового бетона. Содержание гидрофобной добавки составляет 0,09 – 0,50 масс.%. При содержании гидрофобной добавки менее 0,09% эффект водонепроницаемости не проявляется. При содержании гидрофобной добавки более 0,50%, она может влиять на сроки затвердевания и набора прочности бетона, а именно удлинять их.
Предпочтительно, в качестве гидрофобной добавки используется продукт марки Ligaphob N90, являющийся стабилизированным олеатом натрия. Благодаря своему составу продукт дает хорошие долгосрочные результаты и придаёт уже затвердевшему бетону превосходную водостойкость даже при бьющих потоках воды.
Примеры изготовления бетонной смеси продемонстрированы в Таблице 1.
Таблица 1
Компонент
Расход компонента, % мас.
Состав 1
Состав 2
Состав 3
цемент
42,04
42,48
37,5
песок
46,60
46,7
54,50
формиат кальция
3,50
3,6
2,28
суперпластификатор
3,8
1,3
1,2
редиспергируемый полимерный порошок
3,50
5,23
3,00
Водоудерживающая добавка
0,14
0,16
0,52
компенсатор усадки
0,33
0,42
0,50
гидрофобная добавка
0,09
0,11
0,50
В качестве цемента могут быть использованы портландцемент марки М500 Д0 ЦЕМ I 42,5H, ЦЕМ I 52,5Н, ПЦ 400 Д0.
В качестве суперпластификатора могут быть использованы суперпластификаторы марки Melflux 2651F, Melflux 5581F, Pentaflow AC 6, Pentaflow AC 7.
В качестве редиспергируемого полимерного порошка могут быть использованы порошки марки ORP 7085 HM, ORP 7090 RD, ORP 7099 RD, HW5111.
В качестве водоудерживающей добавки могут быть использованы порошки марки Culminal C 9115, Mecellose Ema 70 U, TS R6200S, Culminal C 4053.
В качестве компенсатора усадки могут быть использованы добавки марки Pentamix EX3, Pentamix EX5, Sitren PSR 100.
В качестве гидрофобной добавки могут быть использованы продукты марки Ligaphob N90, Pentaproof 20p, Pentaproof 50P.
Компоненты смеси смешиваются и разводятся водой в необходимой пропорции. Методом сухого торкретирования полученный раствор наносится на угольные пласты при работах по добыче угля и строительстве капитальных горных выработок, проходящих через угольный пласт.
В готовом виде, благодаря комплексу химических активных добавок, бетон, полученный из данной смеси, обладает воздухонепроницаемостью и хорошей адгезией к угольным пластам. Данные свойства предотвращают поступление воздуха к угольному пласту, тем самым повышая пожарную безопасность работы. Кроме того, применение указанного материала возможно при возникновении очага саморазогрева угля для его ликвидации.