CC BY
27
- © М.Ю. Сслипкий, A.A. Наумов, 2015
УДК 622.4; 536.2
М.Ю. Селицкий, A.A. Наумов
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Приведены результаты анализа технических и технологических решений, используемых для тепловой зашиты горных выработок. Оценены их достоинства и недостатки с точки зрения возможности использования в условиях чрезвычайных ситуаций, например, пожара в горной выработке. Сделан вывод о необходимости разработки новых теплозашитных покрытий, которые бы изменяли своё термическое сопротивление при резком изменении температуры воздуха в выработке.
Ключевые слова: промышленная безопасность, аварийные ситуации, тепловая зашита, горные выработки, термическое сопротивление.
Тепловая зашита горных выработок, используется как для поддержания нормативных параметров микроклимата при высоких температурах горных пород (выше 26°С), так и для обеспечения устойчивости пород при разработке месторождений в мёрзлых породах (криолитозоне) подземным способом [1, 2, 3].
Особое значение приобретает проблема обеспечения устойчивости горных выработок, эксплуатируюшихся в криолитозоне, при возникновении чрезвычайных ситуаций. Например, при возникновении рудничных или шахтных пожаров. В этом случае температура воздуха превышает 200°С, что влечёт за собой интенсивное оттаивание горных пород с последую-шей потерей устойчивости, приводяшей к обвалам. Лаже, если тепловое воздействие кратковременно, термическое сопротивление теплозашитной конструкции крепи, рассчитанное на максимальную возможную температуру воздуха в горной выработке, будет значительным. То есть, придется сушественно увеличивать толшину теплозашитной крепи, что экономически нецелесообразно. В связи с этим представляет интерес создание таких видов тепловой зашиты, которые бы изменяли своё
термическое сопротивление при резком изменении температуры воздуха в выработке.
Для достижения поставленной цели, на первом этапе исследования, был проведен патентный поиск, задачей которого было нахождение таких технических и технологических решений, которые можно использовать для обеспечения устойчивости интенсивно оттаивающих мерзлых пород. Устойчивость таких пород зависит от агрегатного состояния влаги, являющейся связующим (дисперсные породы с льдистостью больше 6%).
Проведенный патентный поиск показал, что наиболее близкими к заявленной цели являются следующие изобретения.
Ю.В. Шуваловым и М.М. Энкашевым была предложена теплоизоляционная пневматическая крепь [4], каждая секция которой выполнена из элементов, упрочненных жестким каркасом, выполненным из усиленной резины, при этом элементы соединены между собой цилиндрическими шарнирами, причем с внутренней стороны крепи цилиндрические шарниры для усиления крепи снабжены металлическими полусферами, соединенными с шарнирами каркаса жесткими звеньями. Недостатком данного изобретения является высокая себестоимость и сложность технологии изготовления. Кроме того, такая крепь является горючей, и не может эффективно использоваться в чрезвычайных ситуациях.
М.М. Иудиным был предложен способ возведения теплоизоляционной бетонной крепи [5], перед началом возведения которого одновременно с установкой жесткой опалубки посередине предполагаемой конструкции укладывают матрицы в твердом состоянии. После установки матрицы за жесткую опалубку заливают раствор бетонной смеси, при твердении которого выделяется тепло, образующееся за счет химической реакции гидратации цемента. Когда бетон набирает первоначальную прочность, достаточную для сохранения формы полости в устойчивом состоянии, матрицы из твердого состояния должна переводиться в жидкое состояние за счет выделяемого тепла. Поэтому выбор материала в качестве матрицы будет зависеть от ее температуры плавления. Прежде всего, материал должен иметь температуру плавления ниже, чем максимальная температура твердения бетона, иначе матрица из твердого состояния не перейдет в жидкое. С другой стороны температура плавления материала должна быть такой, чтобы продолжи-
тельность плавления матрицы была больше или равна длительности первоначального набора прочности бетона, способного сформировать воздушную полость после удаления матрицы из конструкции. После перехода матрицы в жидкое состояние и снятия опалубки в нижней части полости пробуривают выпускной канал и сливают матрицу из крепи. Далее проводят окончательную герметизацию воздушного канала путем ее закрытия бетонной пробкой. Недостатком данного изобретения является сложность монтажа и технологии изготовления.
Ю.В. Шуваловым, С.А. Ломовым и Ю.С. Кузнецовым была предложена теплоизоляционная бетонная крепь [6], перед началом возведения которой (формовки элементов крепи, например затяжки из бетона), на жесткую, опалубку укладывают специальное покрытие с игольчатой поверхностью, соответствующей выбранной конструкции теплоизоляционного слоя. Коническая форма игл и специально подобранный материал обеспечивают достаточную гибкость покрытия и минимальное схватывание его с твердеющим бетоном. После твердения бетона и снятия опалубки с покрытием внешняя часть поверхности теплоизоляционной крепи имеет пористую структуру, обеспечивающую повышенное термическое сопротивление крепи. При необходимости на поверхность наносится слой штукатурки (бетона), частично заполняющий поры и предотвращающий их загрязнение или обводнение. Недостатком данного изобретения является сложность монтажа и снижение несущей способности опорной конструкции из-за нарушения её целостности каналами.
А.Ф. Галкиным, Ф.М. Киржнером и П.Н. Васильевым был предложен способ теплоизоляции горных выработок [7], в процессе которого в месте укладки перлитобетона устанавливают две емкости. В одной из них готовят обыкновенный цементный раствор с добавкой обычного песка, в другом — раствор с перлитовым песком. Растворы из обеих емкостей подают насосами к смесителю. Причем поступление их регулируется специальными устройствами — регуляторами, изменяющими производительность. В процессе укладки перлитобетона, зная распределения по периметру выработки коэффициента теплопроводности, изменяют содержание перлита в перлитобетоне в нужных пределах. Таким образом, за счет изменения тепло-физических свойств теплоизоляционного раствора толщина
его по периметру выработки выполняется постоянной, а несущая способность крепи повышается. Недостатком данного изобретения является неспособность обеспечить высокую степень теплозащиты при возникновении аварийных ситуаций.
А.Ф. Галкиным и М.М. Иудиным был предложен способ теплоизоляционного покрытия [8], которое включает несущий и изоляционный слои, установленные с образованием воздушного промежутка между ними. Воздушный промежуток служит добавочным термическим сопротивлением. Причем, чем больше отклонение одного теплового потока от нормативного, тем больше величина воздушного промежутка и тем больше термическое сопротивление. В несущем слое одним концом жестко закреплены направляющие элементы. Другим свободно перемещающимся концом направляющие элементы закреплены в теплоизоляционном слое материала. По концам к несущему слою в местах крепления направляющих элементов жестко прикреплены биметаллические пластины. Они изменяют длину при изменении температуры. В центре биметаллические пластины крепятся к теплоизоляционному слою материала, который установлен с возможностью перемещения по направляющим элементам. Под действием теплового потока пластина нагревается, за счет коэффициента линейного расширения — удлиняется. Недостатком данного изобретения является небольшой по размерам воздушный промежуток, не способный обеспечить высокую степень теплоизоляции.
Предложенный А.Ф. Галкиным, А.С. Курилко, В.В. Киселевым и А.Л. Семеновым гибкий теплоизоляционный материал [9]. Гибкий теплоизоляционный материал состоит из жестких элементов, например пенопластовых плит, которые соединены между собой на расстоянии, равном толщине плит, гибким армирующим слоем, например морской капроновой делью. Гибкий армирующий слой пропущен через плиты с образованием зигзагообразной поверхности с шагом, равным толщине плиты, и перемычек по срединной плоскости элементов. При установке на изолируемую поверхность путем крепления к ней по перемычкам плиты стыкуются между собой, образуя сплошной теплоизоляционный слой. Недостатком данного способа является сложность применения в больших объёмах горных выработок, сложность монтажа и использование горючих материалов.
Анализ рассмотренных выше способов показал, что надёжных способов теплоизоляции горных выработок при возникновении шахтных пожаров в настоящее время не существует и разработка новых технических решений является актуальной, поскольку известные технические решения не приводят к достижению поставленной нами цели и требует существенных финансовых и материальных затрат.
Авторы выражают благодарность научному руководителю профессору А.Ф. Галкину за помощь при подготовке статьи.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галкин А.Ф., Киселев В.В., Курилко А.С. Набрызгбетонная теплозащитная крепь. Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. 164 с.
2. Галкин А.Ф. Новая технология крепления горных выработок в крио-литозоне // «Техника и технология», № 3, 2011г., с.46-47.
3. Галкин А.Ф. Расчет параметров теплозащитных покрытий подземных сооружений криолитозоны//«Известия ВУЗов. Горный журнал», № 6, 2008г., с.81-89.
4. А.с № 929853 Теплоизоляционная пневматическая крепь для горных выработок. Кл. E 21 D 11/00. /Опубл. 23.05.1982г. Бюл. № 19.
5. А.с № 1719644 Теплоизоляционная бетонная крепь для горных выработок. Кл. E 21 D 11/00. /Опубл. 15.03.1992г. Бюл. № 10.
6. А.с № 883467 Теплоизоляционная бетонная крепь для горных выработок. Кл. E 21 D 11/14. /Опубл. 23.11.1981г. Бюл. № 43.
7. А.с. № 1412407 Способ теплоизоляции горных выработок. Кл. E 21 D 11/38. /Опубл. 15.06.1991г. Бюл. № 22.
8. А.с № 1332024 Теплоизоляционное покрытие. Кл. E 21D 11/00. /Опубл. 23.08.1987г. Бюл. № 31.
9. А.с № 1583560 Гибкий теплоизоляционный материал. Кл. E 04 B 1/78. /Опубл. 07.08.1990г. Бюл. № 29. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Наумов Андрей Андреевич — аспирант, [email protected], Селицкий Михаил Юрьевич — студент, [email protected], Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 622.4; 536.2
ANALYSIS OF THE METHODS OF THERMAL PROTECTION MINING
Naumov Andrey, Postgraduatestudent, [email protected], National mineral resources university «University of Mines», Russia
Selitskiy Mikhail, Student, [email protected], National mineral resources university «University of Mines», Russia.
Results of the analysis of technical and technological solutions used for thermal protection of mine workings. Assess their strengths and weaknesses in terms of possible use in emergency situations, for example, a fire in the mine workings. The conclusion about the need to develop new thermal barrier coatings that would change their thermal resistance of the sudden change in air temperature in the formulation.
Key words: industrial safety, emergency situations, thermal protection, mine working, thermal resistance.
REFERENCES
1. Galkin A.F., Kiselev V.V., Kurilko A.S. Nabryzgbetonnaja teplozashhitnaja krep' (Concrete Lining Heat Shielding). Jakutsk: JaNC SO RAN, 1992. 164 p.
2. Galkin A.F. Novaja tehnologija kreplenija gornyh vyrabotok v kriolitozone (New Technology Excavation Support in Permafrost)// «Tehnika i tehnologija», No 3, 2011., pp.46-47.
3. Galkin A.F. Raschet parametrov teplozashhitnyh pokrytij podzemnyh sooruzhenij kriolitozony (Calculation of Parameters of Thermal Barrier Coatings Underground Structures Cryolithozone's)//«lzvestija VUZov. Gornyj zhurnal», No 6, 2008, pp.81-89.
4. A.s № 929853 Teploizoljacionnaja pnevmaticheskaja krep' dlja gornyh vyrabotok. Kl. E 21 D 11/00. /Opubl. 23.05.1982g. Bjul. No 19.
5. A.s № 1719644 Teploizoljacionnaja betonnaja krep' dlja gornyh vyrabotok. Kl. E 21 D 11/00. /Opubl. 15.03.1992g. Bjul. No 10.
6. A.s № 883467 Teploizoljacionnaja betonnaja krep' dlja gornyh vyrabotok. Kl. E 21 D 11/14. /Opubl. 23.11.1981g. Bjul. No 43.
7. A.s. № 1412407 Sposob teploizoljacii gornyh vyrabotok. Kl. E 21 D 11/38. /Opubl. 15.06.1991g. Bjul. No 22.
8. A.s № 1332024 Teploizoljacionnoe pokrytie. Kl. E 21D 11/00. /Opubl. 23.08.1987g. Bjul. No 31.
9. A.s № 1583560 Gibkij teploizoljacionnyj material. Kl. E 04 B 1/78. /Opubl. 07.08.1990g. Bjul. No 29.
