Применение пенорастворов на основе высокомолекулярных соединений в подземном строительстве и горном деле

Применение пенорастворов на основе высокомолекулярных соединений в подземном строительстве и горном деле

Пенорастворы на основе высокомолекулярных соединений начали разрабатываться в связи с быстрым развитием химии полимеров и появлением новых строительных материалов и использоваться за рубежом с начала 70-х годов для крепления подземных выработок (США, ФРГ, Япония).

Из пенорастворов на основе высокомолекулярных соединений наибольшее применение для укрепления пород получили растворы на основе полиизоцианатов (полиуретаны) и, в последнее время, мочевиноформальдегидных смол, в меньшей степени используются растворы эпоксидных смол.

Научно-исследовательским институтом каменноугольной промышленности "Бергбау-Форшунг-Гмбх" были проведены исследования по применению смол для укрепления грунтов и тампонажа трещин и щелей. Целью работы было сохранить, по возможности, уровень нагрузки на лаву или породу при добыче угля или строительстве подземных сооружений и тоннелей и скорости проходки в зонах геологических нарушений.

Оптимальным материалом, с точки зрения технологичности и рентабельности, оказался полиуретан. Созданные институтом "Берг-бау-Форщунг Гмбх" двухкомпонентные системы надежно склеивают трещины и изолируют выработки от поступления газа и воды.

После внедрения метода в 1971 г. в каменноугольной промышленности ФРГ, укрепление горных пород полиуренатом стало стандартным мероприятием при ведении горных работ в сложных горно-геологических условиях.

Для укрепления пород институтом были предложены различные модификации растворов "Беведан", "Беведоль" на основе полиизоцианатов, выбираемые в зависимости от цели и инженерно-геологических условий работы.

Для упрочения пород методом нагнетания разработаны две установки. Одна из них является малогабаритной и удобна для применения в лавах. Вторая, рассчитана на перекачивание жидких составов на большие расстояния. Качественное перемешивание компонентов перед нагнетанием в породный массив имеет важное значение, также, как и герметизация заинъектированных скважин, поэтому институтом были разработаны эффективные смесители и герметизаторы устья скважин.

Инъекция полиуретановых составов Беведан-N/Беведоль была успешно применена при реконструкции ж.д. тоннеля (увеличение его радиуса на 1,2 м), где имели место вывалы до 1000 м3 разрыхленных сланцевых пород и позволила сократить продолжительность работ на 2/3.

При проходке другого ж.д. тоннеля расслаивание гнейсовых и гнейсо-гранитных слоев, многочисленные вывалы и сильная деформация и прорывы воды до 200 л/с тормозили работы. Из соображений безопасности работ ж.д. транспорта укрепление грунтов было проведено на 90% его длины.

В целом, полиуретановые составы для упрочения пород завоевали надежное положение в технологии горных работ и угольной промышленности ФРГ и других стран.

В горной промышленности ФРГ также широко применяются мочевино-формальдегидные смолы, известные под фирменным названием "изошаум" (изопена). Речь идет о пенопласте, вспенивающемся при смешении двух компонентов в специальных устройствах сжатым воздухом.

Изопена применяется в основном для заполнения пустот в кровле в очистных и подготовительных выработках, устранения условий образования слоевых скоплений метана, уплотнения кровли на сопряжении лавы со штреком.

При заполнении пустот в кровле выработок изопену часто применяют совместно с упрочнением пород полиуретановыми составами или как дополнение к ним.

Другим примером применения изопены является заполнение пустот под крепью подготовительных выработок, чтобы предупредить образование местных скоплений метана.

Имеются некоторые сведения о применении вспенивающихся полимерных составов во Франции для упрочнения пород с целью предотвращения и развития вывалов пород и угля и о создании смесительного и нагнетательного оборудования для этих целей.

В Японии для стабилизации грунта применяют метод «OH-Grout/ОН» - инъекцию раствора "Hygel-OH", представляющего собой водорастворимое соединение на основе уретана и образующего в воде нерастворимый гель. Максимальная прочность песка укрепленного "Hygel-OH" около 50 кг/см2.

Затвердевший раствор представляет собой каучукообразный эластичный материал не образующий трещин при выемке грунта в зоне упрочения или при землетрясении, т.е. "Hygel-OH" может использоваться как сейсмостойкий материал.

Фирмой "Такенака" (Япония) разработан и применен на практике инъекционный состав TACSS. Раствор при инъекции в водонасыщенный грунт реагирует с водой, образуя нерастворимый гидрофобный гель. Инъекционный раствор при реакции с водой увеличивается в объеме, что способствует более активному прониканию его в грунт. Состав ТАСSS наиболее эффективен при закреплении водонасыщенных грунтов с большой скоростью движения грунтовых вод. Быстрая реакция образования геля и увеличения его объема при соприкосновении с водой, позволяет причислить систему TACSS к полиуретану

В СССР пенорастворы на основе полимеров (полиуретан, фенолформальдегиды и эпоксиды) применялись, в основном, для химического анкерования, которое представляет собой опережающее армирование пород кровли анкерными стержнями закрепленными по всей длине шпура вспенивающимися составом. Большую научно-исследовательскую работу в этом направлении вел институт ДонУГИ.

Некоторый опыт применения пенорастворов на основе полимеров имеется на угольных шахтах Кузбасса, были проведены экспериментальные работы по выбору эффективной рецептуры фенольного пенопласта; исследованы изменения свойств компонентов в зависимости от сроков хранения в условиях, идентичных шахтным, горючесть пенопласта; разработана, изготовлена и испытана установка для механизации работ по возведению пенопластовых сооружений в шахте.

Впервые в Кузнецком бассейне фенольной пенопласт был применен в 1972 г. для изоляции горных выработок и заполнения закрепленных пустот на шахтоуправления "Кольчугинское" п.о. "Ленинск-уголь".

На шахте им. Ленина фенолформальдегидные вспенивающиеся смолы были использованы для тампонажа угольных целиков и пород с развитой трещиноватостью массива на глубину до 0,5-0,8 м. В этих зонах шпуры принимали по 70-80% расходуемой на шпур композиции. Для тампонажа следующих зон массива успешно использовали фенолформальдегидную смолу, образующую монолитный полимерный материал.

В 1981 году было проведено опробование полиуретана для укрепления разрушенных пород кровли в очистных забоях шахтоуправления "Октябрьское" и шахты им. Е.Т. Абакумова объединения "Донец-уголь", которое подтвердило эффективность способа .

Вспененные тампонажные растворы широко используются за рубежом в различных областях промышленности (табл.) и являются экономичным и эффективным средством для заполнения крупных пустот, полостей в грунте, тампонажа крупнотрещиноватых и водонасыщенных грунтов, Для инъекционного укрепления грунтов применяются вспененные растворы на основе минеральных вяжущих и высокомолекулярных соединений. Из полимеров наибольшее распространение получили полиуретановые растворы (на основе полиизоцианатов).

К настоящему времени в РФ разработан ряд рецептур вспененных растворов на основе минеральных и органических вяжущих, эффективность и экономичность которых подтверждена (в большинстве случаев опытным применением) на ряде объектов в транспортном, автодорожном строительстве и горном деле. Для инъекционного укрепления грунтов вспененные растворы в РФ до последнего времени не использовались.

Страна, фирма	Вид используемого раствора (торговая марка)	Основное назначение раствора (область применения)
СССР Гидроспецстрой НИИОСП	цементные	Заполнение карстов и крупных трещин в грунтах (автодорожное строительство)
ДонУГИ, ИГД им.Скочинского	Полиуретановые, фенолформальдегидные	Укрепление грунтов (горная промышленность)
ФРГ Бергверксфербанд Гмбх Бергбац-Формунг ГМБХ Бауэр	Цементные Мочевино-формальдегидные (Изопена) Полиуретановые (Беведоль/Беведан)	Заполнение пустот в грунте Инъекционное укрепление грунтов всех видов, заполнение пустот, водоизоляция (горная промышленность, тоннелестроение)
США	Цементные Полиуретановые	Заполнение пустот и трещин, укрепление грунтов (гидротехническое строительство, горная промышленность)
Великобритания «Аэроцем» Protective Materials	Цементные (известковые гипсовые) Цементные (Impact) полиуретановые	Заделка швов, водоизоляционные, декоративные и огнестойкие покрытия (во всех областях строительства) Укрепление грунтов, заполнение пустот
Франция Солетанж Баши	Цементные Цементно-силикатные Полиуретановые	Инъекционное укрепление грунтов, заполнение пустот, трещин. Водоизоляция во всех областях строительства
Япония Тони-Боринг Кокен-Боринг Такенака	Цементные Цементно-силикатные Полиуретановые (ТАК) Мочевино-формальдегидные	Заполнение пустот, трещин, заделка швов, гидроизоляционные покрытия (во всех областях строительства)

 

В связи с тем, что большинство описанных выше систем являются двухкомпонентными (за исключением "TACSS"), это создает известные неудобства, такие как: дорогое нагнетательное и инъекционное оборудование, сложность хранения и отгрузки. К настоящему времени в РФ был разработан ряд однокомпонентных полиуретанов.

Однокомпонентные полиуретановые системы «АКВИДУР» представляют собой продукты на основе специальных изоцианатсодержащих гидрофильных предполимеров. В результате реакции предполимеров с водой или обводненными материалами образуется водонасыщенный гель. Отверждение происходит при значительном (до тридцатикратного) избытке воды и сопровождается ее физическим и химическим связыванием. При образовании геля не происходит отделения воды, т.е. вся вода, присутствующая в системе, связывается химически и физически. Способность данных продуктов отверждаться, связывая воду, водонасыщенные грунты и породы, позволяет использовать их в строительстве и ремонте подземных сооружений.

Особенно ценна способность однокомпонентных полиуретановых систем отверждаться с очень разным избытком воды с образованием геля и пенопласта (наполненного геля или пенопласта), непроницаемого для несвязанной воды.

При взаимодействии «Аквидура» с водой или водонасыщенными грунтами образуется однородный материал. Прочность композита растет с увеличением массовой доли полимера.

Если вместо воды берется водная суспензия, то получается наполненный гель, механическая прочность которого определяется количеством и видом наполнителя.

Так при отвердении увлажненного песка получается искусственный камень, прочность которого зависит от массовой доли полимера.
Однокомпонентные полиуретаны могут применяться для устройства гидроизоляции бетонных и железобетонных строительных конструкций, мостов, тоннелей, водонасыщенных грунтов, пород в атмосферных условиях всех типов атмосфер по ГОСТ 15.150 и всех групп эксплуатаций по ГОСТ 9.104.

Эти составы эффективны для гидроизоляции бетонных сооружений, в которых происходят периодические подвижки конструкции, что приводит к периодическому расширению и сужению трещин. За счет эластичности композита не происходит нарушения его структуры и связи со стенками трещин, что обеспечивает надежную гидроизоляцию сооружения.

Экономический эффект от применения однокомпонентных полиуретанов основан на следующем:

• Незначительные транспортные расходы и объем перекачиваемого раствора, т.е. нет необходимости в дорогостоящем смесительном и нагнетательном оборудовании. Например, для связывания 1м3 обводненного песка необходимо от 12 до 60 кг однокомпонентного полиуретана (в зависимости от марки состава).
• Регулирование сроков схватывания, что немаловажно при значительном водопритоке и низких температурах
• Закрепление всех типов грунтов в том числе и под водой.
• Возможность регулирование радиуса закрепления, не размываются водой, стабильны во времени

Анализ отечественного и зарубежного опыта применения вспененных растворов в различных областях строительства и горнодобывающей промышленности, а так же проведенные экспериментальные исследования вспененных раствор на основе полимерных композиций позволяют сделать следующие выводы:

1. Вспененные растворы являются эффективным средством для заполнения крупных пустот и трещин, тампонажа трещиноватых и закарстованных, сильно проницаемых пород а так же для укрепления неустойчивых водонасыщенных грунтов.
2. Вспененные инъекционные растворы могут быть приготовленные на основе минеральных вяжущих (цемент, песок, зола уноса и др.) материалов и полимерных композиций (карбамидные, полиэфирные смолы, полиуретаны и т.д.).
3. Вспененные инъекционные растворы могут нагнетаться обычным поршневыми насосами как по однорастворной, так и по двухрастворной схеме в зависимости от состава раствора и метода пенообразования.
4. Композиции смол вспенивающиеся химическим методом обладают лучшими технологическими параметрами по сравнению с аналогичными композициями вспенивающимися физическим методом и могут быть рекомендованы для применения в производственных условиях.
5. Учитывая относительную дороговизну полимерных композиций, целесообразно сконцентрировать усилия на разработке эффективных рецептур пенорастворов на основе минеральных вяжущих и технологии их применения при выполнении инъекционных работ различного назначения.