Состав для укрепления тонкотрещиноватых горных выработок

(51) 21 01/00 (2009.01) 21 20/02 (2009.01) 04 38/00 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ применяемым для укрепления подземных горных выработок при освоении подземного пространства,как среди обитания человека и может быть использовано при сооружении тоннелей способом смолоинъекции. Сущность предлагаемого решения заключается в том, что состав для укрепления тонкотрещиноватых горных выработок с раскрытием менее 0,01 мм,включает мочевиноформальдегидную(карбамидную) смолу, модификатор и отвердитель,при этом в качестве модификатора-пластификатора применяют раствор метилцеллюлозы, в качестве отвердителя раствор хлористого железа. Предлагаемые составы дешевы, полученные образцы имеют повышенную прочность (когезию) и адгезию к горным породам, легко приготовляются,все это позволяет считать, что процесс укрепления проходит более надежно и более эффективно и значительно снижает вероятность разрушения укрепленного массива горных пород под влиянием горного давления.(72) Алтаев Шаукат Ненашев Николай Викторович Орынгожин Ерназ Советович Жангалиева Мария Кадырсизов Нурахмет Артыкбаева Ларида Бекмуратовна Алтаев Санжар Аскарович Аймаков Асан Ержанович(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт горного дела им. Д.А. Кунаева Республиканского государственного предприятия Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан(54) СОСТАВ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ТОНКОТРЕЩИНОВАТЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 24036 Изобретение относится к горной промышленности, в частности к растворам применяемым для укрепления подземных горных выработок при освоении подземного пространства как среды обитания человека и может быть использовано при сооружении тоннелей способом смолоинъекции. Известен состав для укрепления горных пород,включающий карбамидную смолу, талловый пек эмульгированный жидким стеклом, отнердитель раствор сульфат железа,при следующем соотношении компонентов, мас.ч. Карбамидная смола 34-44 Талловый пек эмульгированный жидким стеклом 50-60 Сульфат железа 5-12 Недостатком состава является то, что при введении в состав 50-60 мас.ч. галлового пека образцы имеют низкую прочность как при сжатии так и при изгибе предел прочности на сжатие 3,2 МПа, на растяжение при изгибе 0,80-0,82 П. Также состав характеризуется низкой проникающей способностью в тонкотрещиноватые горные породы, в связи с большой вязкостью состава выше 90 с по Вискозиметру ВЗ-4 при 23 С (А.с. 920089, Е 21 20/00,1982). Известен состав для укрепления слабоцементированных пород и ограничению притока пластовой воды в скважину, включающий синтетическую смолу, карбоксилметилцеллюлозу и отвердитель - хлористый аммоний при следующем соотношении компонентов, мас.ч. Синтетическая смола марки Крепитель-М 100 Карбокисилметилцеллюлоза 0,6-1,0 Хлористый аммоний 0,1-1,0 Вода 60-100. Недостатком состава является то, что получен из карбамидной смолы -марки Крепитель-М и воды,в результате чего образцы имеют низкий предел прочности на сжатие от 12 кгс/см 2 до 22 кгс/см 2, а также в состав вводят 0,1-1,0 мас.ч хлорида аммония,поэтому продолжительность гелеобразования увеличивается до 300 мин. при 23 С, отверждения может не происходить вообще при укреплении карбонатных пород (А.с. 899855, Е 21 В 33/13,1982). Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату предлагаемому решению является скрепляющий состав горных пород,включающий мочевино(карбамидно) формальдегидную смолу,водорастворимую полиэфирную смолу и отвердитель-50 раствор алюмохромофосфата, при следующем соотношении компонентов, мас. ч Мочевиноформальдегидная смола 88-92 Водорастворимая полиэфирная смола 4-6 Отвердитель-50 раствор алюмохромофосфата 4-6. Недостатком состава является то, что при отверждении состава в присутствии 50 раствора алюмохромофосфата - отвердитель кислотного типа образуется пространственно сшитый полимер,2 длинные цепи водорастворимых полиэфирных смол являются лишь межпачечными пластификаторами,поэтому предел прочности состава на сжатие 183196 кгс/см 2 через 24 часа после отвержения - низкая,предел прочности образцов на растяжение 19,2-24,3 кгс/см 2 через 24 ч после отверждения, также низок. Кроме, того раствор характеризуется низкой проникающей способностью в тонкотрещиноватые горные породы, из-за большой вязкости - 135 с по ВЗ-4 при 23 С (А.с. 1010282, Е 21 20/00, 1983). Задачей предлагаемого решения является повышение прочности и адгезии к горным породам. Сущность решения заключается в том, что состав для укрепления тонкотрещиноватых подземных горных выработок с раскрытием трещины менее 0,01 мм, включающий карбамидную смолу, модификатор и отвердитель, при этом в качестве модификатора пластификатора используют 0,5 раствор(дисперсию) метилцеллюлозы, в качестве отвердителя 10 раствор хлористое железо при следующем соотношении компонентов, мас. ч. Карбамидная смола 50-80 10 раствор хлористого железа 10 0,5 раствор метилцеллюлозы 20-30. Технические результаты следующие. При использовании предлагаемого состава предел прочности на сжатие повышается в 1,6-1,75 раза. Адгезия к горным пародам на изгиб (склеенных кернов диаметром 31 мм составами) повышается в 1,5 раза. Прочность на растяжение (изготовленных кернов из состава диаметром 24 мм) повышается в 1,3 раза по сравнению с известным. Для изготовления предлагаемого состава были использованы карбамидная смола марки КФ-Ж(ГОСТ 14231 -88), является продуктом двух фазной конденсации карбамида(мочевины) и формальдегида стабилизированных аммиаком,который рН 7,9. Это водорастворимые жидкости молочного цвета, плотностью 1,22-1,25 г/см 3 условная вязкость 39 сек. по ВЗ-4, в зависимости от срока хранения. В качестве пластификатора - модификатора используют метилцеллюлозу (МЦ) (ТУ-6-01-20-4490) которая хорошо растворима в воде. Выпускаемая промышленностью МЦ имеет степень замещания (С 3) 1,6-2,2. Условная вязкость 0,5 раствора МЦ 18 с по ВЗ 4 при 23 С. Технологическим достоинством раствора(дисперсии) МЦ является его способность совмещаться с олигомерами карбамидных смол в любых соотношениях. После смешивания указанных компонентов образуется раствор с вязкостью от 16-с до 39-с по ВЗ-4 и характерно с увеличением количества введенного 0,5 раствора МЦ - пластификатора в состав непрерывное понижение вязкости и повышение подвижности молекулярных цепей состава. Далее в состав вводят 10 раствор хлористого железа, перемешивают в течение 5 мин. и 24036 определяют время гелеобразования. Во время гелеобразования входит минимум времени проведения технологической операции по закачке раствора в зону трещиноватых горных выработок,слагающееся из времени приготовления состава, его 0,5 дисперсия раствора МЦ 10 20 30 40 50 транспортировки, времени прокачивания его через упорной шланги и инъектор с помощью насоса под давлением, времени для промывки нагнетательной системы.В табл.1 приведены составы при соотношении компонентов, мас.ч. Таблица 1 10 раствор хлористого железа 10 10 10 10 10 10 Из приведенных данных следует,что использование 0,5 раствора МЦ в качестве пластификаторного компонента в составе карбамидной смолы и являясь полимерами линейной молекулярной цепей при совмещении с карбамидными смолами разбавляют, снижают вязкость от 39 с до 17 с и при этом повышаются продолжительности гелеобразования от 62 минут до 127 минут. Предел прочности на одноосное сжатие образцов-кубиков размерами 404040 мм и предел прочности склеенных кернов диаметром 31 мм составами и предел прочности на растяжение изготовленных кернов(цилиндров) из предлагаемого состава диаметром 24 мм длиной 26 см представлены в табл.2, определяют на прессе ЦД-10 после отверждения состава при 23 С через 15 сут. При использовании в качестве отвердителя 10 раствора хлористого железа в количестве 10 мас.ч рН снижается медленнее, чем при использовании раствора сильных кислот. При этом создаются условия для выпрямления глобулы карбамидных смол и цепи МЦ. Гелеобразование начинается при рН 3,4 и заканчивается при рН 2,3. Кроме того, вводимое в состав хлористое железо может образовывать координационную связь с полярными группами карбамидной смолы и метилцеллюлозы, что одновременно углубляет процессы поликонденсации без уменьшения числа химических, межмолекулярных связей. Физико-механические свойства известных и предлагаемых составов после отверждения при 23 С. Таблица 2 Прочность образцов на сжатие, МПа 2 Прочность склеенных кернов составами на изгиб, МПа 3 Прочность кернов изготовленных из состава на растяжение, МПа 4 Из известного состава 1,92-3,98 (через 24 ч.) Из предлагаемого состава 3,1 3,6 4,1 4,4 3,4 3,02 Полученные данные в табл. 2 показывают, что прочность на сжатие образцов-кубиков и прочность на изгиб склеенных кернов диаметром 31 мм составами повышаются от 33,5 до 35,9 МПа и от 3,3 до 3,6 МПа соответственно при введении в состав 20-30 мас.ч. 0,5 раствора МЦ. 0,5 раствор метилцеллюлозы с удельным весом 1,0070 г/см 3 представляет собой полимерные цепи соединенные в молекулы, в которых содержатся одновременно функциональные группы-ОН и полярные группы -ОСН 3 и не полярные углеводородные цепи . В присутствии 10 раствора хлористого железа рН медленно снижается. В результате происходит химическое взаимодействие, при котором из карбоксильной смолы в реакцию вступает монои диметилолмочевины, а из метилцеллюлозы в реакцию вступает гидроксильные и полярные группы-ОСН 3 и создаются сшитые пространственные сетки по всему объему состава с выделением воды. При этом осуществляется связь 24036 При дальнейшем повышении содержания количества -0,5 раствора МЦ более 30 мас. ч. в составе прочности образцов на сжатие снижается от 35,9 до 25,4 МПа, и на изгиб снижаются от 3,6 МПа до 2,4 МПа. Кроме того, прочность образцовцилиндров из состава на растяжение снижается от 4,4 МПа до 3,02 МПа. Это объясняется тем, что свободный формальдегид содержащейся в карбамидной смоле реагируют с гидроксильными группами из МЦ с образованием ацетильных групп,т.е. расходуется часть гидроксильных групп в цепях МЦ. Это вызывает образование низкопрочных полимерных структурных сеток. При нагнетании этих составов под давлением 2025 МПа в имеющиеся трещины, они склеивают естественные,технологические и блочные отдельности массива, в результате обеспечивается жесткое фрикционное зацепление блоков между собой, образуются прочные породные конструкции высокой грузонесущей способностью. Предлагаемые составы дешевы,легко приготавливаются, полученные образцы имеют повышенную прочность и адгезию к горным породам и когезию. Все это позволяет считать, что процесс укрепления проходит более надежно и более эффективно,значительно снижает вероятность разрушения укрепленного массива горных пород под влиянием горного давления. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Состав для укрепления тонкотрещиноватых подземных горных выработок, включающий мочевиноформальдегидную смолу, модификатор и отвердитель, отличающийся тем, что в качестве модификатора-пластификатора используют раствор метилцеллюлозы, в качестве отвердителя хлористое железо, при следующем соотношении компонентов,мас.ч. Мочевиноформальдегидная смола 60-80 10 раствор хлористого железа 10 0,5 раствор метилцеллюлоза 20-30.