Полимерные композиты в горной промышленности

Дата публикации: 
26.12.2014

полимерные композиты

Объекты подземных коммуникаций и сооружений находятся под постоянным активным химическим воздействием агрессивных сред (влажность, подземные воды и т.д.). При возведении технически сложных подземных сооружений, креплении наружных теплоизоляционных материалов, горных пород, упрочнении пластов, проведении подготовительных и очистных забоев необходимо применение современных, прочных, не подверженных коррозии материалов.

В настоящее время на горнодобывающих предприятиях широко используют изделия, материалы и технологии на основе полимерных композитов. Последние представляют собой металлические и не-металлические матрицы (основы) с заданным распре-делением в них упрочнителей (волокна, дисперсныечастицы и др.). Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композиты с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиты с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Причем металлическую основу композитов как очень тяжелого материала повсеместно заменяют на более легкие полимерные матрицы: стеклопластиковые и базальтопластиковые.

Стеклопластики и базальтопластики - материалы, состоящие из стеклянного (базальтового) наполнителя, пропитанного термореактивным или термопластичным полимерным связующим и затем отвержденные. Связующий компонент - полиэфирные, фенолоформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиамиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Наполнителем для композитов служат стеклянные и базальтопластиковые волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), стеклотканей, стекломатов, рубленых волокон.

К основным видам продукции из стеклопластиковых и базальтопластиковых композитов, используемой на горнодобывающих предприятиях, относят: арматуру в виде прутков различного диаметра, швеллеровууголков; анкеры и сетки для крепления бортов и кровли горных выработок; трубы, фитинги для различных трубопроводов.

Арматура, выполненная из композитов в виде прутков различного диаметра, предназначена для замены металлической арматуры. Преимущества композитной арматуры по сравнению с металлической  видны из данных табл. 1.

Таким образом, полимерные композиты имеют более высокие эксплуатационные характеристики. Применение композитной стеклопластиковой арматуры увеличивает срок службы конструкций в 2-3 раза по сравнению с металлической, особенно в условиях агрессивных сред и подземной атмосферы.

На основе стеклопластиковых и базальтопластиковых прутков выпускают сетки горные, предназначенные для крепления горных выработок, усиления сводов и стен.

Стекловолоконная полимерная сетка разработана с учетом требования долговечности и способности к моделированию формы. Она антистатична, обладает высокой несущей способностью, сравнимой со сварной стальной сеткой, дает возможность легко создавать конструкции, армированные полимерной сеткой. Причем несущую способность сетки

 

 

таблица 1

Показатели

Металлическая арматура класса А-Ill(А400С), ГОСТ 5781-82

Неметаллическая композитная арматура

Материал

Сталь марок 35ГС, 25Г2С и др.

АСП (стеклянные волокна диаметром 13- 16 мк, связанные полимером); АБП (базальтовые волок­на диаметром 10-16 мк, связанные полимером)

Модуль упругости, МПа

200 ООО

55 000 (АСП), 71 000 (АБП)

Временное сопротивление при растяжении, МПа

360

1200 (АСП), 1300 (АБП)

Относительное удлинение, %

25

2,2 (АСП, АБП)

Электропроводность

Электропроводна

Диэлектрик

Плотность, т/м3

7

1,9 (АСП, АБП)

Коррозионная стойкость к агрессивным средам

Корродируете выделением про­дуктов ржавчины

Нержавеющий материал первой группы химиче­ской стойкости, в том числе к щелочной среде бетона

Длина,м

6-12

50 (диаметр 4-10 мм) , 6-12 (диаметр 12-20 мм)

Масса 1 м арматуры диаме­тром 14 мм, кг

1,54

0,26

Прозрачность для радио волн, сотовой связи и Wi-Fi

Создает экран и помехи

Не создает экран и помехи

Теплопроводность

Теплопроводна

Не теплопроводна

Магнитоинертность

Намагничивается

Не меняет свойства под воздействием электро­магнитных полей

Взаимодействие с исполни­тельным органом проходче­ского комбайна

При попадании на исполни­тельный орган комбайна может вызвать механическую поломку и искрение

Поддается резанию исполнительным органом комбайна

Долговечность

5 лет с последующим продолже­нием срока службы в зависимости от горно-геологических условий

Более 15 лет

Стоимость 1м арматуры,руб.

10-79

12-69

 

можно задавать при изготовлении в зависимости от горно-геологических условий, в которых ее будут использовать.

Основой трубопроводного хозяйства любого горнодобывающего предприятия были стальные трубы. Но сталь имеет множество недостатков: большая масса, низкая коррозионная стойкость, склонность к накоплению отложений на внутренних стенках. Технология производства стали достигла своего пика уже много лет назад, и ожидать улучшения характеристик стальных труб не приходится. Именно по этой причине стальные трубы начинают уступать место полимерным в промышленном и гражданском водоснабжении, в системах канализации. Однако применять трубы из «классических» полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, поливинил-хлорид, в подземных выработках нельзя, поскольку данные материалы пожароопасны и не обладают достаточной прочностью, особенно при нагреве.

В этой связи перспективным направлением является использование для изготовления подземных трубопроводов стеклопластиковых и базальтопла-стиковых полимерных материалов. Исследователи изучили условия и особенности применения стеклопластиковых труб в шахтах и разработали специальные схемы укладки стекловолокна, рецепты связующего и режимы его полимеризации. Новые материалы обладают существенными преимуществами. Стеклопластиковые трубы в 4 раза легче стальных и при этом имеют большой запас прочности и гладкую внутреннюю поверхность, снижающую образование отложений. Стеклопластик не подвержен коррозии, обладает высокой стойкостью к истиранию. Трубопроводы из таких труб можно легко монтировать и демонтировать. Срок их службы до 25 лет. Трубы антистатичны, и их применение возможно в дегазационных системах шахт и рудников. Стеклопластик можно использовать в качестве материала для водоводов в системах откачки промышленных неочищенных вод из шахт, рудников, разрезов, а также трубопроводов высокого давления для подачи воды и других рабочих жидкостей в гидросистемы горношахтного оборудования.

Износостойкие Стеклопластиковые трубы для агрессивных сред предназначены для транспортирования жидкой или газообразной среды, в том числе химически агрессивной (кислота, щелочь, некоторые типы органических растворителей), содержащей твердые взвешенные частицы (пульпа). Их можно применять для шламопроводов обогатительных фабрик, трубопроводов золоудаления котельных, промышленной канализации, пневмотранспорта, грунтопроводов земснарядов.

Анкерное крепление - основной вид крепления горных выработок на предприятиях России и других стран с развитой горнодобывающей отраслью. На большинстве шахт Кузбасса, например, годовые объемы крепления горных выработок анкерами достигают 80-90 % общего объема проведения горных выработок. Ранее это были металлические анкеры распорного типа, сейчас повсеместно используют сталеполимерные анкеры (металлические стержни, закрепленные в горном массиве химическими смолами). Дальнейшее внедрение новых технологий в систему анкерного крепления состоит в замене металлических элементов анкерной крепи на таковые, выполненные из стеклопластика (базальтопласти-ка) и других искусственных материалов.

Стеклопластиковые и базальтопластиковые анкеры имеют все преимущества, присущие изделиям из композитов. Это малый вес, заданные прочностные характеристики, которые можно менять по длине стержня анкера. Полимерные анкеры легко рубит рабочий орган комбайна, не вызывая искрения.

В целом можно отметить, что изделия, выполненные из композитов, имеют более высокие эксплуатационные характеристики в сравнении с традиционно применяемыми изделиями из стали и большие перспективы использования в горнорудной отрасли.

С учетом сложных условий применения оборудования и материалов в подземных условиях горнорудных предприятий (нагрев элементов, частей оборудования, изделий в процессе эксплуатации, в аварийных ситуациях при возникновении очагов пожаров и возможного вследствие этого токсичного воздействия на рабочих) необходимо заранее определять пожароопасностъ и токсичность этих материалов.

В лаборатории ОАО «НЦ ВостНИИ» проведены испытания для определения пожароопасных и токсических свойств ряда изделий из композитов в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89 по следующим критериям: показатель токсичности продуктов горения, склонность материала к дымообразованию, кислородный индекс, группа горючести. Для этого использовали сертифицированные лабораторные установки и аппаратуру.

Результаты исследования качественного и количественного состава продуктов горения композитов, характеризующего степень их токсической и экологической безопасности при использовании в подземных условиях, приведены в табл. 2.

Из данных табл. 2 видно, что к продуктам термоокислительного разложения и горения композитов относятся газы 1-4-го классов опасности (оксид СО и диоксид СО2 углерода), 3-го класса опасности (оксиды азота N0 + ТМО2, диоксид серы 8О2), 2-го класса опасности (гидрохлорид НС1, формальдегид СН2О) и 1-го класса опасности (гидроцианид НСМ), а также аэрозоли в виде твердых частиц.

Показатели пожароопасное™ (ГОСТ 12.1.044-89) опытных образцов изделий из стеклопластиков и ба-зальтопластиков представлены в табл. 3.

Результаты испытаний (см. табл. 3) характеризуют Стеклопластиковые и базальтопластиковые материалы в основном как умеренно опасные по по казателю токсичности продуктов горения

таблица 2

Наименование

Газовая фаза термической деструкции, мг/г

Аэрозольная фаза термической де­струкции, мг/г

СО

CO2

CH2O

NO+NO2

SO2

HCN

HCl

Труба: стеклопластиковая стеклоэпоксидная

9,7 11,3

163,0 43,2

0,07 0,00

0,13 0,01

0,00 0,00

0,00 0,00

0,00 0,00

59,4 51,2

Стеклопластиковые соединитель­ные детали для труб

125,7

363,9

0,00

0,01

0,00

0,02

0,02

31,5

Арматура композитная: базальтопластиковая стеклопластиковая

29,9 71,4

122,1 450,0

0,27 0,60

0,16 0,50

0,06 0,62

0,14 0,00

0,00 0,01

21,0 39,2

Стойка пневматическая стекло-эпоксидная

78,0

207,4

0,24

0,38

0,07

0,01

0,00

57,6

Анкер стеклопластиковый

59,5

249,9

0,81

0,06

0,00

0,00

0,00

44,5

Крепь анкерная: стеклопластиковая базальтопластиковая

52,3 19,2

313,0 90,3

1,30 1,68

0,30 0,26

0,67 0,29

0,00 0,00

0,00 0,09

37,0 34,6

 

 

Таблица 3

Наименование

Показа­тель ток­сичности, мг/г

Класс опасности материала по по­казателю токсич­ности продуктов горения

Коэффици­ент дымо-образова-ния, м2 • кг1

Дымообра­зующая способ­ность мате­риала

Кисло­родный индекс,

%

Группа горючести материалов

Труба: стеклопластиковая

стеклоэпоксидная

'   56,5 68,4

Умеренно опасный Тоже

347,6 307,2

Умеренная

- « -

30,0 33,0

Горючие средней вос­пламеняемости Трудногорючие

Стеклопластиковые соединительные детали для труб

241,0

Высоко опасный

469,1

- « -

40,5

- « -

Арматура композитная: базальтопластиковая

стеклопластиковая

44,6 99,4

Умеренно опасный Тоже

575,7 455,5

Высокая Умеренная

43,5 41,0

Горючие трудновос­пламеняемые

Тоже

Стойка пневматическая стеклоэпоксидная

90,3

- « -

870,6

Высокая

34,2

- « -

Анкер стеклопластиковый

93,3

- « -

920,3

- « -

38,0

Трудногорючие

Анкерная крепь: стеклопластиковая

базальтопластиковая

77,9 90,2

- «-

244,8 261,2

Умеренная

- « -

36,2 34,0

Горючие трудновос­пламеняемые

Высокое значение кислородного индекса (более 30 %} гово­рит о том, что материалы склонны к самозатуханию в обычных условиях. По группе горючести компози­ты относят в основном к трудногорючим и горючим трудновоспламеняемым. Следует отметить, что по показателю склонности к дымообразованию треть представленных материалов имеет высокую дымо­образующую способность.

Таким образом, при высоких эксплуатационных характеристиках композиты из стеклопластика и базальтопластика в основном соответствуют критериям пожароопасности, исключая показатель склонности к дымообразованию.

Проведенные специалистами ВостНИИ испы­тания, позволяющие установить пожароопасные и токсические свойства материалов, используемых в подземных условиях, доказывают актуальность подобных исследований для создания безопасных, экологичных условий труда горняков и имеют опре­деляющее значение для допуска таких материалов к применению в подземных условиях.

Изменения в российской нормативной базе, произошедшие в последние годы, требуют но-вых подходов к системе контроля пожарных и токсических свойств полимерных веществ для обеспечения безопасности их использования. Со­гласно Федеральному закону от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» к обязательным по­казателям твердых веществ и материалов относят: группу горючести, температуру воспламенения и самовоспламенения, коэффициент дымообразова-ния и показатель токсичности продуктов горения. На практике лишь немногие предприятия-изгото­вители проводят подобные испытания, так как тех­нические регламенты на эти вещества и материалы не разработаны, они не подлежат обязательной сер­тификации и декларированию и на их применение не требуется разрешение Ростехнадзора.

В настоящее время ряд научных, научно-произ­водственных организаций, предприятий-изготови­телей и ведущих горнодобывающих предприятий договорились об организации системы доброволь­ной сертификации и мониторинга качества про­дукции для крепления горных выработок на базе добровольного объединения предприятий-изгото­вителей, а также выпуска постоянного Бюллетеня соответствия требованиям безопасности материалов и изделий, применяемых на горных предприятиях.

Научным центром ВостНИИ подготовлены предложения о разработке и создании Техническо­го регламента Таможенного союза «О безопасности веществ и материалов, применяемых на опасных производственных объектах» и соответствующих ГОСТов. В этих документах будут установлены тре­бования по пожаробезопасности и токсической безопасности, предъявляемые к оборудованию, материалам и изделиям, применяемым на горно­добывающих предприятиях. Предлагается также документально оформить систему добровольной сертификации и государственного надзора по

оценке соответствия этой продукции требованиям безопасности: порядок испытаний, регистрации, подтверждения соответствия, приемки и ввода ее в эксплуатацию на опасных производственных объ­ектах.

горная промышленность