Пожарная и токсическая опасность полимеров и композитов, используемых в анкерной крепи горных выработок

В.А.Уварова, к.т.н., ведущий научный сотрудник ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности» (НЦ ВостНИИ)

Анкерное крепление является доминирующим креплением горных выработок в целом по угольной промышленности России и во многих государствах с развитой угольной отраслью. На большинстве шахт Кузбасса, например, годовые объемы крепления горных выработок анкерным креплением достигают до 90% от общего объема проведения горных выработок. При подземной разработке угля анкерную крепь применяют для крепления капитальных, подготовительных и очистных горных выработок (независимо от формы, поперечного сечения и срока службы) самостоятельно или в сочетании c рамными крепями; используют также как средство борьбы c пучением пород почвы, укрепления угольного или породного массива, который впоследствии должен разрушаться комбайном, для предотвращения отжима угля в очистных забоях, подвески труб различного назначения и закрепления горно-шахтного оборудования [1]. Традиционно раньше это были металлические анкеры распорного типа, сейчас почти 100% используются сталеполимерные анкеры (металлические стержни, закрепленные в шпуре при помощи химических смол).

При закреплении анкеров химическим составом (рисунок) в предварительно пробуренный шпур вводится необходимое количество ампул c химическим содержимым (смола и отвердитель), a затем стержень, вращаемый c помощью сверла и подаваемый ко дну шпура. Оболочка ампул разрывается, их содержимое перемешивается. После затвердения химического состава и закрепления анкера устанавливают опорную шайбу, создают предварительное натяжение гайкой.

Ампулы химического крепления представляют собой двухкомпонентные составы, в полиэтиленовой двухсекционной оболочке, в одной из секций которой содержится отвердитель, а в другой полимерная смола в чистом виде либо с минеральным наполнителем. Смолы используются различного химического состава: полиуретановые, полиэфирные, полистирольные, фенолформальдегидные. Химический состав отвердителей также разнообразен. Это, например, пероксид бензоила в дибутилфталате, а в качестве наполнителей применяют инертную пыль, минеральные вещества и цемент. Принцип действия полимерного анкера заключается в том, что крепление в виде стержня из металла и синтетической смолы, которая затвердевает в процессе перемешивания химических компонентов ампулы, глубоко проникает в поры соединяемого основания. Различные составы имеют разную продолжительность схватывания, однако в целом она составляет от нескольких часов до суток.

Cхема закрепления сталеполимерного анкера в шпуре c помощью химического состава: a – введение стержня в шпур; б – перемешивание состава в шпуре; в – закреплённый анкер c опорной шайбой; 1 – стержень; 2 – ампулы c химическим закрепителем; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – опорная шайба; 5 – натяжная гайка

Cхема закрепления сталеполимерного анкера в шпуре c помощью химического состава: a – введение стержня в шпур; б – перемешивание состава в шпуре; в – закреплённый анкер c опорной шайбой; 1 – стержень; 2 – ампулы c химическим закрепителем; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – опорная шайба; 5 – натяжная гайка

Преимущества сталеполимерных технологий анкерования:

- возможность использования для различных пород и почв, в том числе увлажненных и даже под водой;

- высокая прочность после затвердения;

- отсутствие механических напряжений, что особенно актуально для пород различного состава;

- высокая химическая стойкость в агрессивных средах;

- герметичность соединения;

- простая технология монтажа, возможность корректировки анкера во время схватывания раствора;

- долговечность.

Кроме стальных анкеров стержневого типа используют также канатные анкеры. Канатный анкер предназначен для крепления горных выработок путем глубинного анкерования окружающих пород [2]. Закрепление канатного анкера производится при помощи полимерного состава или цементного раствора по всей длине шпура. Канатный анкер состоит из сплетенных проволок и установленной в середине трубкой для нагнетания полимерного состава, длина анкера варьируется по желанию заказчика. В качестве головки анкера используется втулка.

Развитием и последним этапом внедрения анкерного крепления, скорее всего, будет замена металлических элементов крепи на стеклопластиковые или изготовленные из других искусственных материалов, возможно с применением нанотехнологий[3]. Стеклопластики и базальтопластики это композитные материалы, состоящие из стеклянного (базальтового) наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные и базальтопластиковые волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), стеклотканей, стекломатов, рубленых волокон; связующим – полиэфирные смолы, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиамиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др.

Табл. 1 Токсичные продукты горения полимеров и композитов, используемых в анкерной крепи

Композитные анкеры применяется в процессе упрочнения угольных пластов, в подготовительных и очистных видах забоев и имеют следующие достоинства:

- высокая прочность на растяжение;

- стойкость к коррозийным процессам;

- небольшой вес (примерно в пять раз легче анкера из металла, это облегчает как транспортировку, так и установку);

- поддается резанию исполнительного органа проходческого или очистного комбайнов;

- исключение фрикционного искрения,

- низкая теплопроводность, диэлектричность, магнито- и радиопрозрачность

- экологичность и экономичность

Несмотря на ряд очевидных преимуществ, технологии полимерного анкерования могут создать определенную опасность при применении их в подземных условиях, так как содержат в своем составе химические вещества сложного состава, которые могут быть весьма пожароопасны.

Определение показателей пожароопасности полимеров проводилось в рамках стендовых испытаний по 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.

К основным показателям такого свойства для полимерных веществ и материалов относятся:

- Группа горючести. Горючесть – это способность материала загораться, поддерживать и распространять процесс горения. По горючести вещества и материалы подразделяют на три группы: негорючие, трудногорючие и горючие). Дополнительными показателями для определения горючести являются кислородный индекс (КИ), температура вспышки, воспламенения и самовоспламенения (для жидкостей), температура тления, воспламенения и самовоспламенения (для твердых веществ). Косвенное определение группы горючести жидкостей по другим экспериментально определенным показателям пожаровзрывобезопасности производится следующим образом: при наличии температуры воспламенения жидкость относят к горючим; при отсутствии температуры воспламенения и наличии температуры самовоспламенения жидкость относят к трудногорючим. При отсутствии температур вспышки, воспламенения, самовоспламенения, температурных и концентрационных пределов распространения пламени жидкость относят к группе негорючих.

- Кислородный индекс (КИ) – наименьшее содержание кислорода в азотно-кислородной смеси, при котором возможен самоподдерживающийся процесс горения (например, для шахтных трудногорючих конвейерных лент норматив КИ30% об.). Кислородный индекс – это показатель очень чувствительный к изменению горючести материала. Поэтому, несмотря на условный характер, этот метод широко применяют в качестве экспресс-метода контроля горючести твердых материалов, а также при разработке материалов пониженной горючести для сравнительной оценки горючести различных образцов и в некоторых других случаях;

- Коэффициент дымообразования – характеризует дымовыделение при горении и воздействии пламени. По склонности к дымообразованию, материалы делятся на три группы: с малой, умеренной и высокой дымообразующей способностью.

- Показатель токсичности продуктов горения (ТПГ) – характеризует токсичность продуктов горения и термодеструкции (разложения вещества под действием высоких температур). По показателю токсичности материалы делятся на классы: малоопасные, умеренноопасные, высокоопасные и чрезвычайноопасные материалы.

Для определения выше перечисленных показателей в испытаниях использовались: установка «Дым», установка определения кислородного индекса типа «КИ», установка определения температурных показателей пожарной опасности твердых веществ и материалов типа «ОТП», установка определения группы трудногорючих и горючих твердых материалов типа «ОТМ», установка определения группы негорючих материалов типа «ОГНМ» производства Балашихинского ВНИИПО, установка «Термодес» ОАО «НЦ ВостНИИ», аппарат для определения температуры вспышки в открытом тигле «ТВО-ЛАБ-01», аппарат для определения температуры вспышки в закрытом тигле «ТВЗ-ЛАБ-01». Результаты стендовых испытаний образцов опытной рецептуры полимерных материалов представлены в табл. 1 и 2.

Из данных табл. 1 видно, что продуктами термоокислительного разложения и горения материала композитных материалов являются газы: оксид и диоксид углерода, оксиды азота, гидрохлорид, гидроцианид, формальдегид, диоксид серы, а также аэрозоли в виде твердых частиц. В табл. также дана масса токсичных веществ термической деструкции, приведенная к значению оксида углерода, как наиболее токсичного и массово представленного компонента, расчет удельной массы осуществлялся по методике, изложенной в патенте [4].

Табл. 2 Показатели пожароопасных свойств полимеров и композитов, используемых в анкерной крепи

Из данных табл. 2 видно, что по показателю ТПГ материалы, входящие в состав полимерных ампул, относятся в основном к умеренно опасному классу. Лишь небольшая часть этих материалов – малоопасные по этому показателю. По показателю склонности к дымообразованию в основном эти материалы обладают высокой дымообразующей способностью. Стеклопластиковые анкеры – умеренно опасны по показателю ТПГ.

По показателю «группа горючести» и сопутствующим показателям (КИ и температуре вспышки, воспламенения и самовоспламенения) большинство полимерных ампул относятся к горючим: средне- и трудновоспламеняемым. Трудногорючими являются стеклопластиковые анкеры. Результаты испытаний использовались для создания рецептуры материалов с улучшенными свойствами по показателям пожаробезопасности и для разработки противопожарных мероприятий при их применении в шахте.

Таким образом, применение полимерных материалов в составе технологий анкерного крепления, требует особого контроля по обеспечению безопасности подземных рабочих, особенно в случае применения технологий на основе полимеров для угольных пластов, склонных к самовозгоранию.

Следует отметить, что в настоящее время требования к допуску новых материалов, изделий и веществ в шахту разрознены, зачастую противоречивы, а иногда – просто отсутствуют. Например, полимерные смолы в составе технологий сталеполимерного анкерного крепления, в настоящее время не имеют технических регламентов и не подлежат обязательной сертификации и декларированию.

В настоящее время сталеполимерные и композитные анкеры производят большой ряд отечественных и зарубежных фирм: только на территории Кузбасса действуют 8 анкерных центров. В октябре 2013 г. состоялось заседание межведомственной Рабочей группы по подготовке комплекса мер, направленных на повышение безопасности и улучшению условий труда в угольной отрасли. Обсуждались вопросы создания объединения производителей материалов для крепления горных выработок в рамках некоммерческой организации «Ассоциация машиностроителей Кузбасса», постоянного мониторинга качества этих материалов и выпуска ежегодного «Каталога материалов для крепления горных выработок», прошедших экспертизу промышленной безопасности и рекомендованных для применения в угольных шахтах.

Также на основании научных исследований и испытаний пожароопасных свойств полимерных материалов в ОАО «НЦ ВостНИИ» готовится переработанная редакция документа ОСТ 12.43.244-83 «Материалы и изделия для угольных и сланцевых шахт. Методы определения степени пожарной опасности» [5].

Новая редакция позволит учесть дополнительные требования к новым материалам в соответствии с современной нормативной документацией, четко определить процедуру идентификации поступающей на испытания продукции, критерии пожарной и токсической опасности, методы испытаний, способ оценки продукции на соответствие этим критериям, а также установить порядок допуска полимерных материалов, веществ и изделий в шахту.

Ключевые слова: композитов, полимеров, показатели, пожароопасности, угольных, токсической, шахтах, опасность, анкерная крепь

Журнал "Горная Промышленность" №1 (113) 2014, стр.106