Способ уплотнения и герметизации геологических каменных горных и земляных образований и угольных отложений Советский патент 1985 года по МПК E02D3/12 

1 Изобретение относится к области разработок угольных месторождений и может быть использовано для укреп ления различных каменных и земляных образований и угольных отложений. Целью изобретения является повышение прочности уплотнения. Полиизоцианаты, используемые при данном способе в качестве отвердите ля, могут быть в принципе любыми ор ганическими полиизоцианатами, имеющими алифатически, циклоалифатически, аралифатически, ароматически или гетероциклически связанные поли изоцианатные группы, но .предпочтительно использовать полнизоцианаты. с ароматически связанными полиизоци натными группами,, обычно используем ми в химии полиуретана, которые явл ются жидкими при комнатной температуре ,например 2,4-диизоцианатотолуо 2 б-диизоцианатотолуол и любые смеси этих изомеров (ТДИ), полифенил-полиметилен полиизоцианаты, которые могут быть приготовлены посредством конденсации анилин/формал дегида с последующей фосгенацией (МДИ), и производные этих полиизоци анатов, которые содержат карбодиими довые, биуретовые, уретановые или аллофанатовые группы и являются жидкими .при комнатной температзфе.. Предпочтительными для использования являются полиизоциаиатная смесь КДИ, полученная фосгенацией конденса тов анилина и формальдегида, а также изоцианатсодержащие; продукты взаимодействия №Щ с многоатомными спиртами (полиолами) Под растворами-жидкого стекла понимаются растворы силиката натрия и/и,гш калия в воде. Могут также использоваться сырьевые коммерческие продукты, возможно содержащие, например , силикат кальция, силикат маг ния, бораты и алюминаты. Молярное от ношение SiO : N20 (М - ) может изменяться в пределах 0,5:1-4:1, 1:1-2,5:1. Концентрация раствора жид кого стекла может быть выбрана в диа :пазоне 25 - 55 мас.%5 предпочительно 40 - 50 мас.%. . Приготовление, смеси полиизоцианатов и растворов жидкого стекла является простой процедурой5необходимо лишь смешать две жидкости однородно, т„е. ручным способо.м5используя лопасти для перемешивания или обычные мешал 952 ки с привод ом. Эмульсии можно также приготовить в смепшвающих или дозирующих устройствах, в этом случае две жидкости подают в смеситель со сквозным потоком от дозирующего насоса. Дозирующие насосы могут быть, например, шестеренчатыми, поршневыми или мембранными. Смесителями сквозного потока являются, например, смесительные камеры с приводными мешалками или статические миксеры, например трубы с различно установленными перегородками. Смесь в основном нагнетается в отложении или шпуры в отложении через копья или трубы. Шпуры должны быть закрыты сразу же после нагнетания смеси, так какжелатинирование и последующее затвердевание смеси происходит только после 30-60 с, Если смесь должна быть введена в шпуры, рекомендуется вводить через шпуры крышки,работающие как клапаны. В зависимости от природы полиизоцианата, выбранного способа смешивания, желаемой степени вспенивания герметизирующего агента и его консистенции,можно добавлять след.уюаще присадки к полиизоцианату или к раст вору жидкого стекла или к смеси полкизоцианата.и раствора жидкого стекла, 1, Катализаторы, обычно используемые в химии полиуретана, например органо-метагшические соединения - дкбутилдилаират олова и третичные амины (триэтиламин)в количестве ди % по весу, основанному на СМЯ.УЙ: полки.зоцианата и ра.створа жидкого стекла, .2, Газообразующие средства, например ацетон, хлорид метилена, монофторохлорометан, дихлородифторметан и бутан, :в количестве до 30 %. по весу, основанному на смеси полиизоцианата и раствора жидкого стекла, 3, Соединения, имеющие по крайней мере одну реактивную по отношению полиизоцианату группу,к реакционной смеси в количествах до 30 % по весу, основанному на растворе жидкого стекла. Могут использоваться органические полиамины, такие как этилендиамин, дизтилентриамин 5Триэтилентетрамин,4,4-диаминодифенилметан или 2,4 - диаминотолуол, но органические соединения, имеющие спиртовые идроксильные группы, являются пред-, почтительными. Они включают простые

одноатомные или многоатомные, предпочтительна многоатомные, спирты (мол.вес. 32 - 200, предпочтительно 62 - 200) или обычные с относительно высоким молекулярным весом полигидроксильные соединения (мол.вес. 200 - 500, предпочтительно 200 1000), обычно используемые полиэфиры или полигидроксильные полимеры простых эфиров. Из спиртов с низким МОлекулярным весом могут быть использо ваны метанол, этанол, пропанол, этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, глицерин и триметилолпропан, из спиртов с относительно вы соким молекулярным весом - полиэфиры дикарбоновых кислот, таких как фталевая, адипиновая, гексагидрофталевая, тетрагидрофталевая кислоты и/или малеиновая кислота и указанные простые спирты или полиэфиры многоатомных спиртов,такие которые могут быть получены введением алкоксильной группы,т. е. в частности посредством химического добавления окиси пропилена и/или окиси этилена к исходным молекулам с низким молекулярным весом. Вода и, например, указанные амины или спирты с низким молекулярным весом, которые имеют по крайней мере 2 активных атома водорода, пригодны в качестве исходных молекул. I

Предпочтительно использование указанных полиэфиров многоатомных спиртов с числом гидроксильных групп 50600. Спирты могут быть добавлены к раствору жидкого стекла или к полиизоцианату или как третий компонент к смеси полиизоцианата и жидкого стекла.

4. Эмульгаторы, например продукты реакции стеариламина и окиси этилена, полиэфиросложных эфиров абиети-г новой кислоты или олеиновой кислоты и окиси этилена, жирных спиртов полигликолевых эфиров, алкилфенолполигликоль эфиров,эмульгаторов, осно занн,х на жидком стекле, например Tegosivin фирмы Гольдшмит АГ, амфоген сиды, например Tego - Retain 27 фирмыГольдшмит АГ, и жирная кислота амидоалкилдиметиламиноокисла,, например аминоокисел WS 25 фирмы Гольдшмит АГ. Эти эмульгаторы в особенности способствуют эмульгированию соединения по пункту 3 в компоненте жидкого стекла и, следовательно, способствуют полному перемешиванию всех компонентов.

Эмульгаторы в основном добавляются в количествах до 15 % по весу, ос« нованному на смеси полиизоцианата и раствора жидкого стекла.

5.Тиксотропные агенты, такие как порошковые асбесты или другие поверхностно-активные добавки одни или смешанные с эмульгаторами, указанными в пункте А. Эти тиксотропные агенты предпочтительны, когда используются смеси раствора жидкого стекла и соединения, указанные в пункте 3. Они также делают возможным для эмульсий оставаться устойчивыми в течение значительного периода таким образом, что двухкомпонентные системы, содержащие упаковку раствора жидкого стекла и добавок по пунктам 1-4 и упаковку полиизоцианата, могут быть выгружены у местах герметизации. Тиксотропные агенты в основном добавляют

в количествах .до 5% по весу, основанному на смеси полиизоцианата и раствора жидкого стекла.

6.Пенные стабилизаторы, например органо-полисилоксаны, известные из химии полиуретанов.

Любая из указанных добавок может быть введена одна или в комбинации с другой как к смеси, так и к компонентам, до того как они смешаны.

Многокамерные капсулы, содержащие полиизоцианат, раствор жидкого стекла и при необходимости добавки в отдельных контейнерах могут быть также введены в указанные шпуры. После механического разрушения капсул и смешивания жидких составляющих, например, с помощью вращения деревянного или металлического стержня или анкерной лопастной мешалки твердеющая пенная смесь входит под своим собственным давлением пены в формации, предназначенные для герметизации и уплотнения, и в то же время также полность заполняют шпур.

Используемое в примерах 1-9-жидкое стекло 44%-ный водный раствор силиката натрия

(Sic 2 ; Naj.0 2:1);

МДЙ - полиизоцианат, полученньй фосгенацией формальдегиданилинового конденсата и содержащий более чем 50% динзоцианатоифенил метана и 41% изоцианата, вязкость 95 мПа при 25с.

Пример 1. Следует упрочнить край используемого вторичного штренового прохода при выемке обратным ходом, поскольку, из-за сильного разрыхления в переходе от забоя к штреку породы добыче может препятствовать обрушение кровли, которое может привести к несчастным случаям при обвале каменного угля.

На расстоянии 3 м бурят скважины длиной 2,5 м. В эти скважины делают инъекции смеси жидкого -стекла и полиизоцианата по 300 кг на скважину, причем оба компонента Скомпонент Ажидкое стекло 44%-ное, компонент Вполиизоцианат МДИ) применяют в соотношении В : А 3:1. После отверждения смолы достигается упрочнение кровли. Обрушение кровли больше не происходит,

П р и м е р 2. При обрушении пласт& начинает обрушиваться и параллельный пласт толщиной 20 см. Слой пласта толщиной 0,5 - 0,6 м обрушивается крупными кусками, местами на длине 15 - 2t) м. Благодаря инъекциям смеси жидкого стекла и полииз9 цианата () в упрочняемую зону пласта достигается упрочнение всего параллельного пласта.

Прим ер 3. В пласте жирного угля, склонного к отжиму, на расстоянии 4,5 м бурят скважины глубиной 4 м. Чтобы воспрепятствовать образованию откосов в угольном забое и обрушению кровли, через скважину в угольный забой инъекцируют смесь, состоящую из жидкого стекла и продукта, получаемого реакцией обмена ВДИ с многоосновным спиртом (преполимер, NCO - ОН - молярное соотношение 1:0,005; 180 кг смеси на скважину) . Оба компонента (жидкое стекло и преполимер) используют в соотношении 1:1. Спустя полчаса после инъекцирования можно начинать выемку угля, не встречая образования откосов в пласте угля.

П р и м е р 4. Аналогичный угольный забой после испытаний по примеру 3 упрочняют смесью, состоящей из 44%-ного жидкого стекла И продукта реакции обмена МДИ с многоосновным спиртом, молярное соотношение

NCO : ОН 1 : 0,3

Оба компонента используют в соотношении 1:1. Уже через 15 мин после окончания инъёкцирования можно начич

нать выемку угля, не встречая образования откосов в пласте угля.

П р и м е р 5. Опыты по упрочнеJ нию проводят на склонном к оползанию угольном пласте (газопламенный уголь) длиной 40 м. С этой целью с помощью буровой машины бурят скважи-ны глубиной 3,30-4,70 м на расстояQ НИИ 4-4,5 м одна от другой под углом около 15 к вертикали и через эти скважины вводят смесь, состоящую из 44%-ного.раствора жидкого стекла и полиизоцидната, массовое соотношение

5 компонентов 1:1. .Расход смеси на каждую скважину примерно 200 кг..Через 2 ч после введения смеси можно начинать добычу угля. Осыпания угля . при этом не наблюдается.

0 Примерб. Тот же угольный пласт после проведения испытаний по примеру 5 укрепляют с. помощью смеси, состоящей из 44%-ного жидкого стекла и продукта взаимодействия МДИ с много

5 атомным спиртом (МДИ-форполимер), взятом в количестве, меньшем эквиваг лентного. Мольное отношение

NCO : ОН Г:0,005. Оба компонента ислользуют в массовом

0 соотношении 1:3. Расход смеси на скважину около 150 кг. Уже спустя 20 мин после введения смеси мбжно начинать добычу угля. Осьтанид угля при этом не наблюдается. Такой же

положительный результат достигается и при использовании продукта взаимодействия ЩИ с многоатомным спиртом, взятом в количестве, меньшем эквивалентного, при мольном отношении

NCO : ОН 1:0,3.

Массовое отношение обоих компонентов 1 :3.

I . ,

Пример 7. Опыты по упрочнению проводят в том же угольном пласту, что и в примерах 5 и 6. Для упрочнения используют смесь, состоящую из 44%-ноГо жидкого стекла и продукта взаимодействия МДИ с г ногоатомным спиртом, взятом в количестве, меньшем эквивалентного. Мольное отношение;

NCO : ОН 1:0,3.

Массовое отношение обоих компонентов 5 17:3. Расход смеси на скважину около 130 кг. Через 30 мин после окончания процесса упрочнения, т.е. введения в скважины указанной смеси, можно начинать добычу угля. Осыпания угля при этом не наблюдается. Такой же положительный результат по упрочнению пласта получен и при использовании смеси, состоящей из жидкого стек ла и продукта взаимодействия МДИ с многоатомным спиртом, взятом в количестве, меньшем эквивалентного, при мольном соотношении NCO : ОН 1:0,005. Массовое соотношение обоих компонентов 17:3. После проведения опытов по упрочнению, описанных в примерах 5-7, в том же забое проводят сравнительные испытания с использованием 44%-ного жидкого стекла и известных отвердителей, а именно 33%-ного раствора хлористого кальция и этилацетата. Примере. В склонном коползанию угольном пласте бурят скважины глубиной 4,5 м на расстоянии 3 м одна от другой. В пробуренные скважины вводят смесь, состоящую из 44%-ного жидкого стекла и 33%-ного раствора хлористого кальция при массовом соотношении 1:3. Добычу угля начинают через 4 ч после окончания введения смеси. При этом установлено что упрочнения пласта не происходит осыпания угля предотвратить не удает ся. И при другом весовом отношении обоих компонентов не удается достиг нуть желаемого результата. Пример 9. Проводят три опы, при которых для отверждения 44%ного жидкого стекла в качестве отвер ди.теля используют, этилацетат. В первом опыте для упрочнения используют смесь, состоящую из жидкого стекла и этилацетата, взятых в массовом соотношении 1:3. Во втором опыте массовое соотношение жидкого стекла и этилацетата 17:3, в третьем - 1:1. Разработку угля начинают через 5 ч после начала введения смеси. При этом не происходит упрочнения пласта. Таким образом, осыпания угля предотвратить не удается. В таблице даны результаты испытаний на прочность уплотнения. Как видно из таблицы, приготовленные из жидкого стекла и хлористого кальция, соответственно жидкого . стекла и этилацетата, образцы не обладают прочностью (выраженной через прочность на сжатие)-. Указанные смеси не обеспечивают схватывания (выраженного через прочность схватывания) с каменной породой ичуглем. Этим и объясняются полученные на практике отрицательные результаты. Для определения прочности на сжатие из предлагаемых и известных смесей готовят образцы для испытаний размером 4x4x4 см, которые подвергают испытанию на сжатие. Для определения прочности схватывания разбивают куски природного камня или угля размером 4x4x4, осколки разбитого куска фиксируют в форме на расстоянии 5 мм: между поверхностями излома и заливают предлагаемыми или известными смесями. Через 24 ч определяют прочность склеенных призм на изгиб, которую принимают за меру склеивающей способности. О склеивающей способности указанных смесей судят по прочности схватывания с камнем и углем.

СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ КАМЕНШХ ГОРНЫХ И ЗЕМЛЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И УГОЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ посредством .обработки их смесью раствора жидкого стекла и отвердителя, отличающийс я тем, что, с целью повьшения прочности уплотнения, в качестве отвердителя используют смесь полиизоцианатов, полученных фосгенированием продукта конденсации анилин.а и формальдегида, или содержащий изоцианатные группы или продукт взаимодей ствия этой смеси с полиолаки при с 5 массовом соотношении отвердителя и жидкого стекла 3:1-17. (Л с

1 :1

ВС+МДИ 1:3

17:3 1:1

ВС+МДИ-фор.1

0,15

0,2 0,2 0,3 0,15 0,15 3,9

4,2

1:3

17:3

ВС+ВДИ-фор.2

1:1

1:3

ВС-ьМДИ-фор.2

17:3

1:3 ВС+Н1

17:3

1:1

ВС+Н2

1:3

17:3

1:1 П

2 0,2

2,2

0,3

4,1

4,9 6

2,5

1,9

0,7

0,3

О

О

О

О

О

О

О

о о о

О

О :ВС- жидкое стекло 44%-ный раствор ,МДИ-фор.1 продукт взаимодействия МДИ с многоатомным спиртом,который берется в количестве,меньшем экви валентного, МСО : ОН - мольное отношение , равное 1:0,005 , МДИ- фор.2 - продукт взаимодействия МДИ с многоатомным спиртом, который берется в количестве,меньшем эквивалентного , ,НСО : ОН - мольное отношение , равное Г:0,3, HI - отвердитель : 33%-ный раствор хлористого кальция, Н2 - отвердитель : этилацетат.