Пеногель

Изобретение относится к области получения вспененного геля кремнезема, структурированного нанодобавками, который может быть использован в качестве низкоплотной забойки взрывных скважин или шпуров при дроблении горного массива при добыче твердых полезных ископаемых. Предложен пеногель, состоящий из (% масс.) силиката натрия (10-15), кремнезоля «наносил-30» (0,05-0,15), пенообразователя АБСК (3-5), ортофосфорной кислота (5-8) и хлорида железа (0,1-0,3), остальное - вода. Технический результат – создание нового устойчивого состава пеногеля, получение которого осуществляется на месте его применения в качестве забойки скважинного заряда на открытых горных работах или в шахтах при механическом смешивании сжатым воздухом до кратности 5-15 единиц водных растворов указанных веществ. 2 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области получения вспененного геля кремнезема, структурированного нано добавками и который может быть использован в качестве низкоплотной забойки взрывных скважин или шпуров для дробления горного массива при добыче твердых полезных ископаемых.

Попытки использовать водорастворимые полимеры для повышения устойчивости противопожарных пен, которые могли бы быть использованы в качестве забойки, показали, что для введения в пенообразующий состав сополимера в концентрации 0,01-0,5% связано с гелеобразованием. При этом происходит повышение устойчивости пены до 14 раз. Время ее полного разрушения возрастает до 1,5 раз. Полиакриламид, добавляемый в пенообразователь высокой молярной массы в концентрации 0,01-0,5% приводит к повышению устойчивости пены в 18 раз. Время полного разрушения пены увеличивается в 2 раза. Установлено, что добавление в пенообразователь полиакриламида наиболее эффективно для повышения устойчивости противопожарной пены [Любимов В.Н., Скушникова А.И. Влияние полимеров акриламида на свойства противопожарных пен // Технологии техносферной безопасности, http://ipb.mos.ru/ttb. - 2014. - Вып.№1 (53). - С. 1-6.; Шароварников А.Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. - М.: Знак, 2000. - 464 с.; Шаптала М.В., Скушникова А.И., Шаглаева Н.С. Влияние полимеров акриламида на свойства огнетушащих водопенных составов // Вестник ВСИ МВД РФ. - 2009. - №1. - С. 37-42]. Несмотря на то, что устойчивость пен для пожаротушения увеличивается на порядок, она составляет не более 0,3 часа, что явно не может представлять интерес как низкоплотный забоечный материал.

Известен гелеобразующий состав на основе акрилового полимера. В качестве акрилового полимера используют гидролизованные в щелочи отходы волокна или тканей полиакрилонитрила, силиката натрия и хлористого кальция при следующем соотношении компонентов, масс. %: гидролизованные в щелочи отходы волокна или тканей полиакрилонитрила 1,0-5,0; силикат натрия 0,3-3,0; хлористый кальций 2,0-5,0; вода остальное [Экологические аспекты испытания водорастворимых полимеров акриламида в пожаротушении // Сб. трудов научно-практической конференции «Молодежь XXI века». - Благовещенск, 2006. - С. 129-130]. В состав не входит пенообразователь.

Другие работы по использованию гелеобразующих составов, например, в нефтедобывающей промышленности относится, в частности, к составам для регулирования проницаемости пласта, изоляции водопритоков и капитального ремонта скважин (КРС). Один из известных гелеобразующих составов содержит следующие компоненты, масс. %: высокоглиноземистый цемент 5-10, соляная кислота 10-95, водорастворимое неионогенное или катионоактивное поверхностно-активное вещество 0,2-3, вода - остальное. В качестве гелеобразователя, предлагаемый состав содержит высокоглиноземистый цемент (ВГЦ). В качестве регулятора скорости гелеобразования применяют водорастворимые неионогенные и катионоактивные поверхностно-активные вещества (соответственно НПАВ и КПАВ), а также ингибиторы коррозии на основе КПАВ. Используется соляная кислота, в которой не менее 5% хлористого водорода. Техническим результатом технического решения является повышение эффективности и технологичности состава за счет регулирования времени гелеобразования. [Патент SU №2064571. Гелеобразующий состав для изоляции водопритоков и увеличения добычи нефти. Исмагилов Т.А., Хисамутдинов Н.И., Телин А.Г., Игдавлетова М.З., Обиход А.П., Воротилин О.И. 27.07. 1996.; Григоращенко Г.И., Зайцев Ю.В., Кукин В.В., и др. Применение полимеров в добыче нефти. - М.: Недра, 1978. - 214 с.; Умрихина Е.Н., Блажевич В.А. Изоляция притока пластовых вод в нефтяных скважинах. - М.: Недра, 1966. - 164 с.; Поддубный Ю.А., Сазонова В.М. и др. Применение новых водоизолирующих материалов для ограничения притока вод в нефтяные скважины. - М.: ВНИИОЭНГ, сер. Нефтепромысловое дело, 1977. - 62 с.]. В эти гелеобразующие составы также не входит пенообразователь.

На открытых горных работах известно применение гидрогелей для забойки скважин на рудных карьерах. Так Криворожским горнорудным институтом предложена гидрогелевая забойка скважин. В состав гидрогеля входит аммиачная селитра (3-4%), жидкое стекло (6-8%), поваренная соль (1-2%) и остальное вода [Авторское свидетельство СССР №641121, кл. Ε21Ρ 5/00, Состав для пылеподавления при взрывных работах. Турин А.А. 1976.; Патент SU №1634801. МПК E21F 5/06. Состав для пылегазоподавления при взрывных работах. Турин А.А., Ратушный В.М., Николаенко Н.И., Шевченко В.И., Смоляник С.А. 03.15.1991]. Использование гидрогелей для забойки скважин экономически не выгодно, т.к. требуются большие объемы гидрогеля.

Известен пеногель, состоящий из силиката натрия, хлорида кальция и пенообразователя. При смешивании Na₂SiO₃ с CaCl происходит реакция, образующая малорастворимое вещество: CaSiO₃+2NaCl. Так как CaSiO₃ имеет ПР=4,4⋅10^-9, то такой гель «схватывается» практически сразу после смешивания компонентов. При малой концентрации электролита-коагулятора до 1% время гелеобразования относительно велико, а при его избытке (≥5%) начинается процесс расслоения системы с видимым ее разрушением. Получение пеногеля осуществляется при смешивании сжатым воздухом водных растворов указанных веществ с пенообразователем [Катанов И.Б. Рациональное содержание компонентов в пеногелеобразующих составах скважинных зарядов // Вестник КузГТУ. - 2009. - №6. - С. 35-37]. Для повышения устойчивости пеногеля указанного состава, был добавлен хлористый натрий [Катанов И. Б. Обоснование рационального состава пеногелей для забойки скважин // Вестник КузГТУ. - 2018. - №3. - С. 22-29]. Недостаток в том, что устойчивость такого пеногеля недостаточна для проведения в течение рабочей смены полноценного цикла взрывных работ. Высота столба пеногелевой забойки в скважинах, заряженных в начале смены, значительно меньше по сравнению со столбом забойки в скважинах, заряженных в конце смены.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению являются вспененный гель кремнезема, используемый в качестве огнетушащего средства при взрывопожаропредотвращении, а также в качестве изолирующего и наполняющего материала в строительстве и в иных отраслях промышленности. Вспененный гель кремнезема получают воздушно-механическим вспениванием смеси водного раствора силиката щелочного металла с пенообразующим поверхностно-активным веществом и водного раствора активатора золеобразования кремнезема из силиката щелочного металла в виде водного раствора уксусной кислоты, хлорводородной кислоты или хлорида аммония (патент на изобретение RU 2590379 С1 МПК С01В 33/16. Абдурагимов Иосиф Микаелевич и др.). Недостаток прототипа в том, что состояние устойчивости (24 ч) вспененного геля, как следует из описания примеров, начинается при концентрации кремнезема более 30%, который становится экономически не выгодным для забойки скважин в условиях горных работ.

Технический результат изобретения - создание нового устойчивого состава пеногеля на основе силиката натрия с добавлением нанодобавки - «наносил-30», электролита коагулятора, в качестве которого принята соль сильной кислоты хлорид железа в смеси с ортофосфорной кислотой и пенообразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве исходных веществ используются наиболее доступный и дешевый компонент силикат натрия 10-15% масс; в качестве нано добавки используется «наносил-30» 0,05-0,15% масс, усиливающий золь-гель процесс; ортофосфорная кислота 5-8% масс; хлорид железа 0,1-0,3% масс; пенообразователь АБСК 3-5% масс и вода 71,55-81,85% масс. Получение пеногеля осуществляется на месте его применения в качестве забойки скважинного заряда на открытых горных работах или в шахтах при механическом смешивании сжатым воздухом водных растворов указанных веществ. В зависимости от количества сжатого воздуха кратность пеногеля варьирует от 5 до 15 единиц. Поскольку известно, что пеногель средней и высокой кратности для забойки взрывных скважин не эффективен, то есть не обеспечивает запирание продуктов взрыва.

Пример.

В соотношениях, указанных в таблице, в одну емкость заливается силикат натрия, пенообразователь и «наносил-30», а в другую емкость ортофосфорная кислота и хлорид железа, вода добавляется поровну до 100% масс. При перемешивании сжатым воздухом сначала образуется гель

2H₃PO₄+3Na₂SiO₃=2Na₃PO₄+3H₂SiO₃, который вспенивается до требуемой кратности.

По результатам лабораторных анализов характеристики состава пеногеля изменились за сутки (фиг. 1, 2).

На фиг. 1 приведен результат получения пеногеля кратности 5-15 ед. в зависимости от времени перемешивания растворов до момента получения стабильного объема. Позиция 1 соответствует составу пеногеля кратностью 5 единиц, а позиция 2 соответственно 15 единиц.

На фиг. 2 представлены обобщенные зависимости изменения объема пеногеля в течение суток. Позиция 1 соответствует изменению объема пеногеля кратностью 5 единиц, а позиция 2 соответственно 15 единиц.

Анализ зависимостей на фиг. 1 и 2 показывает, что растворы переходит во вспененное состояние в зависимости от количества сжатого воздуха, определяющего кратность пеногеля. Характеристики контролируются в течение суток:

- плотность изменилась с 0,0567 до 0,063 г/см³;

- устойчивость при уменьшении объема на 11% составила более 24 ч.

Проведено моделирование химической технологии приготовления пеногелей в условиях приближенным к производственным. Пеногель заполнялся в ампулы, которые используются при изготовления гирозабойки шпуров.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что состав можно использовать для забойки скважин (шпуров) в соответствии с требованиями безопасности при взрывных работах.

Пеногель, включающий водные растворы жидкого стекла, коагулятора и пенообразователя, смешанные сжатым воздухом, и используемый в конструкции скважинного (шпурового) заряда в качестве забойки, инертного промежутка и придонного компенсатора, отличающийся тем, что с целью повышения устойчивости он дополнительно содержит нанодобавку кремнезоль – «наносил-30», в качестве коагулятора содержит смесь хлорида железа и ортофосфорной кислоты, а в качестве пенообразователя используют пенообразователь АБСК при следующем соотношении компонентов, % масс.:

силикат натрия	10-15
кремнезоль «наносил-30»	0,05-0,15
хлорид железа	0,1-0,3
ортофосфорная кислота	5-8
пенообразователь АБСК	3-5
вода	71,55-81,85