VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Тепловая защита горных выработок, используется как для поддержания нормативных параметров микроклимата при высоких температурах горных пород (выше 26ºC), 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, эксплуатирующихся в криолитозоне, при возникновении чрезвычайных ситуаций. Например, при возникновении рудничных или шахтных пожаров. В этом случае температура воздуха превышает 200ºC, что влечёт за собой интенсивное оттаивание горных пород с последующей потерей устойчивости, приводящей к обвалам. Даже, если тепловое воздействие кратковременно, термическое сопротивление теплозащитной конструкции крепи, рассчитанное на максимальную возможную температуру воздуха в горной выработке, будет значительным. То есть, придется существенно увеличивать толщину теплозащитной крепи, что экономически нецелесообразно. В связи с этим представляет интерес создание таких видов тепловой защиты, 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.

В работе [4] предложена теплоизоляционная пневматическая крепь, 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.

В работе [5] описан способ возведения теплоизоляционной бетонной крепи, включающий введение в твердеющий слой бетонной крепи твердой матрицы, ее последующее удаление после набора смесью прочности для формирования теплоизоляционной полости. С целью повышения теплоизоляционных свойств крепи, матрицу размещают в центре бетонного слоя, в качестве твердой матрицы используют материал, температура плавления которого меньше температуры гидратации бетонной смеси, при этом при формировании теплоизоляционной полости выполняют выпускной канал для извлечения матрицы, который в последствии герметизируют. Недостатком данного изобретения является сложность монтажа и технологии изготовления.

В работе [6] предложена теплоизоляционная бетонная крепь, включающая опорную конструкцию из монолитного бетона. перед началом возведения бетонной крепи, на жесткую опалубку укладывают специальное покрытие с игольчатой поверхностью, соответствующей выбранной конструкции теплоизоляционного слоя. После твердения бетона и снятия опалубки с покрытием внешняя часть поверхности теплоизоляционной крепи имеет пористую структуру, обеспечивающую повышенное термическое сопротивление крепи. Недостатком данного изобретения является сложность монтажа и снижение несущей способности опорной конструкции из-за нарушения её целостности каналами.

В работе [7] описан способ теплоизоляции горных выработок, целью повышения несущей способности крепи путем создания равномерного ореола протаивания вокруг выработок. Для равномерного протаивания горных пород вокруг крепи по периметру выработки изменяют процентное содержание теплоизоляционного заполнителя - перлита - в перлитобетоне. Изменение производится пропорционально температуре горных пород по контуру выработки и определяется зависимостью между коэффициентом теплопроводности перлитбетона от содержания перлита. Таким образом, за счет изменения теплофизических свойств теплоизоляционнoгo 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.

В работе [8] предложен способ теплоизоляционного покрытия, включающее несущий и изоляционный слои, установленные с образованием воздушного промежутка между ними. С целью повышения надежности тепловой защиты за счет саморегулирования термического сопротивления изоляции при изменении ее температуры, покрытие снабжено пластинами, изменяющими длину при изменении температуры, и направляющими элементами, жестко закрепленными одним концом в несущем слое, а другим, свободно перемещающимся, - в изоляционном слое, при этом пластины жестко закреплены по концам к несущему слою в местах крепления направляющих элементов, а в центре - к изоляционному слою, который установлен с возможностью перемещения по направляющим элементам. Недостатком данного изобретения является небольшой по размерам воздушный промежуток, не способный обеспечить высокую степень теплоизоляции.

В работе [9] описан гибкий теплоизоляционный материал, содержащий жесткие теплоизоляционные элементы и соединяющий их гибкий армирующий слой. С целью расширения области использования для повышения надежности защиты горных выработок в мерзлых грунтах путем исключения внезапного обрушения оттаявшего грунта, армирующий слой установлен зигзагообразно внутри жестких элементов так, что между ними образует соединительные перемычки, проходящие по срединной плоскости элементов, длина которых равна толщине жесткого элемента. 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.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору А.Ф. Галкину за помощь при подготовке статьи.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Галкин, А.Ф., Киселев, В.В., Курилко, А.С. Набрызгбетонная теплозащитная крепь / А.Ф. Галкин. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. - 164 с.

2. Галкин, А.Ф. Новая технология крепления горных выработок в криолитозоне// «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.

Сведения об авторах

Селицкий Михаил Юрьевич

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Рабочий адрес: 199026, Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2

Ученая степень, звание: студент

Должность: студент

Электронная почта: [email protected]

SPIN-код: 6262-8169

Код для цитирования: Скопировать