Исследование пожароопасных свойств полимерных материалов, применяемых для крепления горных выработок

По данным Сибирского управления федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на угледобывающих предприятиях Кузбасса произошло 13 аварий и инцидентов. Более половины из них (7 случаев) произошло в результате обрушения (отслоения) породы. Погибло 6 горнорабочих [1]. Надежность крепления горного массива и предотвращение несчастных случаев от обрушения, вывалов горной массы, а также затопления горных выработок по-прежнему представляют важную задачу обеспечения безопасных условий труда под землей.

В последнее время на угледобывающих предприятиях всё больше находит применение технология нагнетания (тампонажа) горных пород. Она направлена на упрочнение и консолидацию нарушенных или неустойчивых зон в массиве горных пород, для чего успешно применяются компоненты химических веществ - пенополиуретановых смол (ППУ) [2].

Полиуретан в отличие от неорганических вяжущих составов (цемент и т.п.) и других синтетических смол обладает необходимой упругостью и пластичностью. Хрупкое разрушение не имеет места. Это способствует тому, что отвержденный пенопласт при смещениях массива не теряет контакта с породой и по-прежнему может выполнять свою функцию.

За счет применения ППУ стабилизируется состояние очистных забоев. Технология получила дальнейшее развитие за счет применения смол для упрочнения неустойчивых и нарушенных зон и в подготовительных забоях. Предварительное нагнетание полимерных смол позволяет предотвратить обрушение неустойчивого углепородного массива и образование куполов. Также благодаря ППУ возможна борьба с неуправляемым дренажным водопритоком в выработки из трещиноватых пород. Это такие составы, как полимерный двухкомпонентный клей "Erkadur/Erkadol", система смол Беведол-Беведан, Шахтиклей.

Для заполнения и герметизации перемычек, кровли и боков выработок, изолирования выработанных пространств, а также действующих и недействующих горных выработок, заполнения пустот и щелей в горном массиве, закачки за закладочный материал, тампонирования и укрепления водоносных зон применяют полимерные пены на основе мочевинно-формальдегидных, фенолформальдегидных, пенополиуретановых смол. Это такие составы, как полиуретановая распыляемая пена Випур, фенольная смола Блокфил.

Применение полимерных пен имеет много преимуществ, таких как: отличные герметизирующие и заполняющие свойства; стабильность структуры; водостойкость; значительная сжимаемость и эластичность, достигающая 90%, при сохранении хороших герметизирующих свойств (в штреках, подверженных высокому давлению, благодаря этим качествам материала обеспечивается дополнительная герметичность); прочность готовой изоляции не менее 5 лет.

Еще одно применение полимеров в шахте – это использование набрызг-технологий для герметизации вентиляционных и изолирующих перемычек; укрепления потрескавшейся горной породы; изоляции поверхности угля, склонного к самовозгоранию; удержания поверхности угля и горных пород в кровле и боках выработок; защиты поверхностей от атмосферных воздействий. Для этого используются такие материалы как двухкомпонентные полимерцементные смеси Капцем-КТ, Текфлекс, «Защита».

Эти технологии широко и успешно применяются на многих шахтах РФ, показывая хорошие результаты и высокую эксплуатационную и экономическую эффективность. Но, несмотря на все преимущества новых технологий, применение их в таком высокоопасном производстве, как подземная угледобыча, требует обеспечения повышенных мер безопасности. Многие из полимерных материалов чрезвычайно пожароопасны, поэтому при внедрении их в угольное производство в составе различных технологий следует учитывать их пожарную опасность, обусловленную горючестью и сопутствующими процессами, как то: выделение токсичных веществ, аэрозолей и дымообразование.

Как правило, исходные компоненты (полиэфирные, фенольные, полиуретановые пены и смолы и отвердители), в составе технологии упрочения находятся в жидком состоянии, затем при подаче в горный массив смешиваются и отверждаются, что позволяет обеспечить хорошую заполняемость и герметичность куполов, полостей и трещин, а также возводимых перемычек. Особенности состава и применения веществ и материалов в составе полимерных технологий устанавливают особые подходы к определению их пожароопасных свойств.

Для оценки пожароопасности существует стандарт ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов», который устанавливает номенклатуру показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов и методы их определения. Пожаровзрывооопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества (материала) и условий его применения. Основными показателями пожароопасности для полимерных веществ и материалов являются группа горючести, кислородный индекс (КИ), коэффициент дымообразования, показатель токсичности продуктов горения (ТПГ).

Определение пожароопасных свойств полимерных материалов проводилось на стендовой базе ОАО «НЦ ВостНИИ», которая включает в себя ряд установок по определению показателей токсичности согласно ГОСТ 12.1.044-89. Результаты стендовых испытаний образцов опытной рецептуры полимерных материалов представлены в табл. 1.

Из данных табл. 1 видно, что по показателю ТПГ материалы, входящие в состав полимерных технологий, относятся в равной степени и к высокоопасному и к умеренноопасному классам. Лишь небольшая часть этих материалов, являются малоопасными по этому показателю. По показателю склонности к дымообразованию в основном эти материалы обладают высокой дымообразующей способностью. По показателю «группа горючести» и сопутствующим показателям (КИ и температуре вспышки, воспламенения и самовоспламенения) большинство полимерных смол, клеев и пен относятся горючим легко- и средневоспламеняющимся. Трудногорючими являются композиции на основе цемента и минеральных наполнителей.

Результаты испытаний использовались для создания рецептуры материалов с улучшенными свойствами по показателям пожаробезопасности и для разработки противопожарных мероприятий при их применении в шахте.

Проведенные исследования показывают, что применение полимерных материалов для крепления подземных горных выработок требует особых мер по обеспечению пожаробезопасности при их применении в технологиях подземной угледобычи, особенно для угольных пластов, склонных к самовозгоранию. На основании результатов исследований, полученных в результате стендовых испытаний учеными ОАО «НЦ ВостНИИ» готовится новый отраслевой нормативный документ, где будут определены критерии пожарной и токсической опасности веществ и материалов, предназначенных для использования в подземной угледобыче, методы испытаний, способ оценки продукции на соответствие этим критериям, а также порядок допуска этой продукции в шахту.

Таблица 1.

Показатели пожароопасных свойств полимеров

(дата обращения: 02.12.2013)

полимерные материалы, показатели пожароопасности, технологии угледобычи, испытания polymer materials, flammable hazard rates, coal mining technologies, testing