Способ увеличения сопротивления потоку газа в шахте (варианты)

Способ увеличения сопротивления потоку газа в шахте (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение относится к способам управления потоком газов в шахте. Настоящее изобретение полезно при добыче полезных ископаемых, например при производстве вруба, для управления потоком газа.

Известно применение пены для подавления угольной пыли, при котором пенообразующую композицию наносят на падающую массу угля либо в забое подземной выработки, либо в позиции перегрузки транспортера. Известно также применение пены для создания временного барьерного слоя над захоронением отходов для защиты атмосферы от запахов и разлетающегося мусора. Некоторые пены, основанные на солях ионов металлов, можно использовать для управления и минимизации генерирования сульфида водорода. Известно также использование пены при управлении пожарами на заброшенных шахтах, когда пену можно нагнетать под землю под давлением. Пена может вытеснять воздух для горения и газы, образующиеся в результате горения, может тушить зоны активного горения, отводить теплоту от окружающих пластов и наносить известные химические противопожарные ингредиенты.

Хотя пену предлагалось использовать для решения столь не похожих друг на друга задач, использование пены для управления потоком газа, т.е. для увеличения сопротивления потоку газа, в частности, в шахтах при активной добыче полезных ископаемых, не предлагалось. При шахтной добыче угля (в шахту) может проникать метан. Метан взрывоопасен в присутствии прибл. 12-21% кислорода при содержании метана от прибл. 5% до прибл. 15%. Таким образом, при активной добыче полезных ископаемых существует необходимость регулировать относительное количество газов (т.е. кислорода и метана). Типично такое регулирование осуществляется вентиляционными системами. Хотя вентиляционные системы адекватно решают эту задачу, они дороги, и поэтому имеется потребность в недорогом способе регулирования газов.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение направлено на способы использования пены для управления потоком газа на конкретных участках определенных операций подземной выработки. Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к способу повышения сопротивления потоку газа в пустом пространстве шахты, который содержит этап подачи пены от одного из следующих компонентов: короткозабойный выемочный комбайн, длиннозабойный выемочный комбайн, машина для извлечения целиков, часть короткозабойного выемочного комбайна, часть длиннозабойного выемочного комбайна, часть машины для извлечения целиков. Термин "часть" используется для обозначения любой детали машин или любого компонента машин.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения во время производства вруба, по мере того как врубовое устройство (устройство, которое удаляет из забоя необогащенную руду) перемещает щит, возникает выработанное пространство. За активной поверхностью создают уплотнения, примыкающие к выработанному пространству для получения полууплотненного выработанного пространства. Уплотнения могут создаваться на подходящих квершлагах. Уплотнение может быть оснащено трубами так, чтобы можно было нагнетать инертный газ, например, азот, для снижения концентрации кислорода. В пустое пространство рядом с уплотнением можно нагнетать пену для создания барьера для потока газа (например, метана из выработанного пространства или кислорода в выработанное пространство).

Согласно другому аспекту, врубовая машина может быть снабжена одним или более устройствами подачи пены, например соплом для направления пены по настоящему изобретению в район головного штрека или в район хвостового штрека для создания барьера для потока газа (например, метана из выработанного пространства или кислорода в выработанное пространство).

Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предусматривается снижение содержание метана в хвостовом штреке по меньшей мере на 0,1% по весу. В этом отношении, в настоящем изобретении предусматривается уменьшение содержания метана в хвостовом штреке на величину, составляющую от прибл. 0,1% до прибл. 1% по весу. Дополнительно, в настоящем изобретении предусматривается уменьшение содержание метана в хвостовом штреке на величину, составляющую от прибл. 0,2% до прибл. 0,8% по весу или от прибл. 0,3% до прибл. 0,6% по весу и по существу от прибл. 0,4% до прибл. 0,5% по весу.

Пену подают с расходом и в количестве, достаточном для заполнения пустот, созданных уплотнением, примыкающим к выработанному пространству. Пену выбирают так, чтобы она имела время выдержки, достаточное для проведения дополнительных горных операций. Например, пена будет иметь время выдержки, равное по меньшей мере нескольким часам, или суткам, или нескольким суткам, или неделе, или нескольким неделям, или месяцу, или нескольким месяцам, или одному году или нескольким годам. Другими словами, время выдержки должно быть равно половине срока службы (времени, после которого сохраняется половина первоначального объема пены) порядка по меньшей мере прибл. 50 ч, желательно прибл. 100 ч, соответственно прибл. 200 ч, хотя предусмотрено и более длительное время, такое как 300, 400, 500, 600, 700, 1000 часов или более.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид сверху иллюстративной залежи полезных ископаемых, размеченной на параллельные выемочные панели, отделенные от остальной выработки целиками.

Фиг.2 - увеличенный вид сверху одной выемочной панели по фиг.1.

Фиг.3 - увеличенный частичный вид сверху выемочной панели по фиг.2 после начала разработки длинными забоями.

Фиг.4 - увеличенный частичный вид сверху выемочной панели по фиг.2 после начала разработки короткими забоями.

Фиг.5 - схематический вид сверху врубовой машины, имеющей группу опорных узлов, схематически иллюстрирующий наличие устройства для подачи пены согласно принципам настоящего изобретения.

Фиг.6 - диаграмма, иллюстрирующая уровни метана, измеренные в хвостовом штреке, подачу пены в головной штрек, барометрическое давление, подачу азота и положение щита врубовой машины в первый день эксперимента.

Фиг.7 - те же данные, что и на фиг.6, за исключением того, что абсцисса была продлена, чтобы показать только время между 06:00 и 22:00.

Фиг.8 - диаграмма, иллюстрирующая уровни метана, измеренные в хвостовом штреке, барометрическое давление, подачу азота и положение щита врубовой машины без подачи пены на второй день эксперимента.

Фиг.9 - диаграмма, иллюстрирующая уровни метана, измеренные в хвостовом штреке, подачу пены в головном штреке (HG), подачу пены в хвостовом штреке (TG), барометрическое давление, подачу азота и положение щита врубовой машины в день, следующий за днем, показанным на фиг.9 (sic).

Фиг.10 - диаграмма, иллюстрирующая уровни метана, измеренные в хвостовом штреке, подачу пены в хвостовом штреке (TG), подачу пены в головном штреке (HG), барометрическое давление, подачу азота и положение щита врубовой машины в третий день эксперимента.

Фиг.11 - те же данные, что на фиг.10, за исключением того, что абсцисса была продлена, чтобы показать только время между 00:00 и 14:00.

Подробное описание

Хотя способ по настоящему изобретению может быть применим к различным операциям добычи полезных ископаемых, считается, что он будет эффективным для разработки с извлечением целиков, разработки короткими забоями и разработки длинными забоями. При таких операциях залежь 10 делится на выемочные панели 12, как показано на фиг.1, которые размечаются и разрабатываются. Залежи угля, поддающиеся разработке соседними параллельными выемочными панелями (панели 1-8 на фиг.1), являются наиболее желательными, поскольку они облегчают разработку панелей и позволяют перемещать оборудование на более короткие расстояния. Как показано на чертеже, выемочные панели 12 обычно являются прямоугольными и имеют входы 14 (головной штрек и хвостовой штрек), проходящие вдоль каждой длины, и все они соединены на одном конце главными штреками 16. Эти выемочные панели 12 разрабатываются с использованием известных врубовых машин или комбайнов непрерывного действия. В системах разработки длинными забоями выемочные панели обычно имеют ширину 400-1200 футов (121,92-365,76 м) и длину от 4000 до 20000 футов (1219,2-6096 м). При выемке целиков или в системах разработки короткими забоями выемочные панели коротких забоев обычно имеют ширину 100-200 футов (30,48-60,96 м) и длину 2000-4000 (609,6-1219,2 м). Добыча угля или других осадочных отложений начинается на одном конце выемочной панели 12 с подготовительной выработки 18 для разработки пласта вдоль его грани или стенки в направлении, показанном стрелкой 19.

На фиг.2 выемочная панель 12 по фиг.1 показана более подробно как выемочная панель 20, имеющая головные штреки 22а-с, совместно именуемые головные штреки 22, и хвостовые штреки 24а-с, совместно именуемые хвостовые штреки 24. Каждый из головных штреков 22а-с и хвостовых штреков 24а-с определены чередующимися или соседними опорами или целиками 21а-b и 23a-b соответственно.

Хотя направление добычи проходит по стрелке 19, при выработке короткими забоями выработка или струговая выемка угля всегда ведется от головного штрека 22 к хвостовому штреку 24 в направлении, показанном стрелкой 25, и потенциально в обоих направлениях в системах с длинным забоем, как более подробно будет описано ниже. В системе добычи с тремя штреками используется три главных штрека 16а-с, совместно - главные штреки 16, три головных штрека 22а-с и три хвостовых штрека 24а-с, которые совместно используются для создания вентиляционных каналов, путей эвакуации и выполняют другие функции. Система позволяет установить в центральном штреке ленточный транспортер и создать проход, а один внешний штрек позволяет использовать как возвратный воздуховод. Хотя настоящее изобретение описано в связи с "трехштрековой" системой добычи, специалистам понятно, что настоящее изобретение может также использоваться в других системах, как будет понятно из нижеследующего описания.

По завершении разработки выемочных панелей 12, как показано на фиг.3 и 4, соответственно, начинается извлечение длинными забоями, короткими забоями или извлечение целиков. Более конкретно, как показано на фиг.3, оборудование 30 для извлечения длинными забоями и шахтеры защищены крепью 32, 33, выполненной с возможностью выдерживать огромное давление перекрывающих пород. Материал, содержащий ископаемый минерал (напр., уголь, поташ, трону, или другие пластовые рудные тела), вырубают с торца залежи стругом, выемочным комбайном, комбайном непрерывного действия или другим устройством для измельчения минерала и извлечения его из его состояния на месте 34 залегания перед оборудованием 30 для извлечения длинными забоями или другим оборудованием, и грузят на призабойную транспортную систему (не показана) для транспортировки на главную конвейерную систему 36, которая в свою очередь транспортирует материал на поверхность. По мере того, как добыча в выемочной панели продвигается, свод в забое укрепляется механизированной крепью 32, 33 или остающимися целиками и, там, где это используется, призабойный транспортер подается в пласт в направлении, показанном стрелкой 19, создавая пустое пространство за крепью 32, 33 или остающимися целиками, для формирования так называемого завала 38 или выработанного пространства. Если используется механизированная крепь 32, 33, она не только подается в направлении добычи, но раздвигается известным способом, и на чертежах крепь 32 показана в раздвинутой конфигурации, а крепь 33 показана в сдвинутой конфигурации.

Как показано на фиг.4, короткозабойное оборудование 40 и шахтеры также защищены крепью 42, 43, выполненной с возможностью выдерживать огромные давления перекрывающих пород. В отличие от длиннозабойного комбайна, который стругает пласт параллельно его торцу, режущая головка 44 короткозабойного комбайна 40, имеющая ширину прибл. 10-12 футов (3,048-3,6576 м), осуществляет резание в направлении, по существу перпендикулярном торцу пласта, и сбрасывает материал на конвейерную систему (не показана) или на подвижные вагонетки для транспортировки к главной конвейерной системе 46, которая, в свою очередь, транспортирует материал на поверхность. Последовательные заходки выполняются вдоль торца пласта от головного штрека 22 к хвостовому штреку 24 в направлении, показанном стрелкой 25, при этом крепь 42, 43 и скребковый цепной конвейер подаются в пласт в направлении добычи, показанном стрелкой 19, позволяя перекрывающим породам осыпаться или обрушиваться за крепью 42, 43, образуя завал 48. Крепь перемещается не только в направлении добычи, как показано крепью 42а, 42b, но раздвигается известным способом, при этом крепь 42 показана в раздвинутой конфигурации, а крепь 43 показана в сдвинутой конфигурации.

Возвращаясь к фиг.2, известны уплотнения или перегородки на определенных участках головного и хвостового штреков для лучшего направления и регулирования потоков свежего воздуха и возвратного воздуха. Во многих случаях уплотнения создают в квершлагах, которые соединяют соседние штреки. Для инертизации газов, которые образуются в выработанном пространстве, можно использовать смеси газов с низким содержанием кислорода, вытесняя или изолируя кислород и создавая инертную и безвредную атмосферу. Альтернативно, для инертизациии можно использовать чистый газ, такой как азот.

Согласно принципам настоящего изобретения, газовая смесь с низким содержанием кислорода, используемая для инертизации пространства, также может использоваться для генерирования пены, которую, в свою очередь, можно использовать для заполнения пустот, как созданных, так и встретившихся во время процесса извлечения, включая, помимо прочего, объем квершлага. До, во время и или после строительства вентиляционных регулирующих устройств, более конкретно, уплотнений и перегородок, может быть полезным создавать временные или полупостоянные препятствия потоку или инфильтрации газа в пустоты, которые могут быть созданы или встретиться во время проходки. Соответственно, настоящее изобретение предусматривает композицию, которую можно заставить вспениваться при соответствующем смешивании с газом, таким, как газ с низким содержанием кислорода или азот. Пена может подаваться любым пригодным способом, так, чтобы пена расширялась и заполняла пустоты между соседними перегородками, образуя барьер для присутствия или потока любого газа.

Дополнительно, по мере образования газа, было бы желательно уменьшить или предотвратить проход газа или смеси газов через или выработанное пространство или из выработанного пространства в активную забойную область, где могут присутствовать люди. Соответственно, согласно настоящему изобретению предлагается способ повышения сопротивления потоку газа через выработанное пространство путем нагнетания пены в пустое выработанное пространство, по мере его формирования. Для этого по меньшей мере одна подающая форсунка может быть прикреплена к одной или более задней рамной структуре конвейера, на стороне щита или щита выработанного пространства. Каждая форсунка должна быть выполнена с возможностью подавать пенообразующую композицию для создания "пробки" или создания покрытия и, тем самым, создать сопротивление потоку газа или заполнить объем, который в противном случае заполнился бы газом или газовой смесью.

В одном примере настоящего изобретения во время операции длиннозабойной проходки или короткозабойной проходки, пенообразующую композицию подают от конвейерной системы, длиннозабойного комбайна или короткозабойного комбайна в выработанное пространство, в котором поданная пенообразующая композиция вспенивается и создает барьер или сопротивление потоку газа, текущему из выработанного пространства или через выработанное пространство в активную зону забоя. По существу газ с низким содержанием кислорода или инертный газ, например, азот, смешивают с пенообразующей композицией для того, чтобы композиция вспенилась и образовала требуемую пену. Дополнительно, полученная пена должна быть инертной, огнестойкой и/или негорючей. Поэтому пена может образовать барьер или сопротивление потоку метана от выработанного пространства к участкам, примыкающим к выработанному пространству. Альтернативно или одновременно, пена может создавать барьер или сопротивление главному вентиляционному потоку газа в выработанное пространство, что может способствовать повышению эффективности вентиляционных скважин выработанного пространства.

На фиг.5 представлен схематический вид сверху иллюстративного выемочного комбайна, полезного для реализации настоящего изобретения. Специалистам понятно, что показанный комбайн является просто иллюстрацией и принципы настоящего изобретения могут применяться к любому подходящему подземному горнодобывающему оборудованию. Поэтому, хотя настоящее изобретение будет описано со ссылками на комбайн, показанный на фиг.5, следует понимать, что настоящее изобретение этим вариантом не ограничивается.

Выемочный комбайн 100 выполнен с возможностью перемещения в направлении выемки, показанном стрелкой 19. Он содержит две врубовые головки 102 и 104, срезающие торец выемочной панели 20. Срезанная руда загружается выемочным комбайном 100, иногда называемым "врубонавалочной машиной", на конвейер. Конвейер состоит из канала 106, в котором вдоль торца выемочной панели движется скребковый цепной транспортер. Выемочный комбайн 100 выполнен с возможностью перемещения вдоль торца выемочной панели 20. Канал 106 разделен на отдельные узлы, соединенные друг с другом, но выполненные с возможностью совершать перемещения относительно друг друга в рабочем направлении или в направлении проходки, показанном стрелкой 19. Каждый из узлов канала соединен с опорным узлом 110 (110а-110r, соответственно) посредством узла 112, состоящего из цилиндра и поршня (подающего поршня). Каждый опорный узел 110 предназначен для поддержки забоя. Для этого используется еще один узел цилиндра и поршня (не показан), который удерживает плиту основания относительно плиты свода. На переднем конце плиты свода, обращенном к рудному пласту, установлен так называемый ограничитель забоя пласта (не показан). Ограничитель обычно выполнен в форме заслонки, которую можно опускать перед разрабатываемым забоем. Ограничитель забоя необходимо поднимать перед приближающимся выемочным комбайном 100. Для этого используется еще один также не показанный узел цилиндра и поршня. Эти рабочие элементы описаны только для примера, поскольку эти машины известны. Разумеется, имеются и другие рабочие элементы, но их описание можно опустить для облегчения понимания изобретения.

Обычно с каждой опорой 110 соединено устройство 114 управления проходческим щитом. С группой опор 110 или с группой устройство 114 управления проходческим щитом может быть связано управляющее устройство 120. Система 122 управления осуществляет сбор и хранение данных и программирование.

Устройство 200 подачи пены содержит бак 202, для хранения пенообразующей композиции или концентрата, и насос 210 для подачи пенообразующей композиции. Бак 202 содержит входную линию 204 для загрузки пенообразующей композиции или концентрата. Выход 206 бака находится в сообщении с входом 208 насоса 210. Линия 212 подачи воды соединена или с выходом 206 бака, или со входом 208 насоса. Вода подается с расходом, достаточным для разбавления пенообразующей композиции или концентрата для требуемого уровня. Насос 210 смешивает воду и пенообразующую композицию или концентрат и подает смесь на выход 212. Выход 212 ведет в пеногенератор 214, подробное описание которого опускается, поскольку он хорошо известен. Бак 202 и насос 210 могут быть установлены на салазках 220 так, чтобы устройство 200 подачи пены можно было транспортировать или перемещать вместе с движением выемочного комбайна 100.

Пеногенератор 214 содержит источник 216 газа так, чтобы газ смешивался с выходом 212 насоса для вспенивания жидкости, выходящей из насоса, и создания пены, которая затем выпускается через форсунку 218. Пену можно генерировать известными способами, например, взбалтыванием пенообразующего раствора по настоящему изобретению в присутствии газа и, в частности, инертного газа, не являющегося воздухом, например, азота. Одно устройство для этой цели принудительно пропускает пенообразующий раствор через ограниченный канал под высоким давлением и впрыскивает газ в раствор после этого сужения. Затем пену можно распылять на подложку через форсунку 218.

Во время производства пены пенообразующий раствор можно прокачивать с манометрическим давлением прибл. 400-500 фунтов на кв. дюйм (2757,903-3447,379 кПа) через канал управления потоком с заранее определенным расходом. После канала управления потоком жидкости в поток жидкости подмешивается газ и смешивается с жидкостью. Это может осуществляться с помощью газового канала для управления потоком так же, как и на жидкостной стороне системы. После соединения двух потоков смесь проходит через выпускной канал, например, шланг, который может иметь или не иметь распределительную форсунку. Затем пену можно распределять по обрабатываемой зоне вручную или автоматически (или с дистанционным управлением), направляя форсунку. Аналогично, выход может направляться в многопортовую магистраль для распределения. Для распределения пены вручную или автоматически (т.е. с дистанционным управлением), можно использовать магистраль, в зависимости от ее размера и от расхода пены.

Как показано на фиг.5, пеногенератор 214 может быть соединен с выемочным комбайном 100, который может быть короткозабойным комбайном, длиннозабойным комбайном, частью короткозабойного комбайна, частью длиннозабойного комбайна. Например, пеногенератор может быть связан с частью комбайна, примыкающей к головному штреку, хвостовому штреку или к обоим. Кроме того пеногенератор может быть связан со структурой задней рамы, со стороной щита, со щитом выработанного пространства или с другими подходящими местами, позволяющими достичь целей настоящего изобретения. Кроме того, на чертеже показано, что пеногенератор 214 может быть не зависим от выемочного комбайна 100 и может быть портативным или соединен устройством для извлечения целиков так, что пену можно подавать в зоны, примыкающие к уплотнению квершлага.

Таким образом, согласно настоящему изобретению далее предлагается пена, генерируемая способами по настоящему изобретению. Полученная пена, в частности, полезна как барьерный слой. Желательно, пена по изобретению обладает следующими характеристиками: время выдержки пены является очень большим (длительным) и может быть продлено за счет повышения концентрации (т.е. снижения степени разбавления); прочность пены позволяет покрывать вертикальную поверхность материала выработанного пространства или материала уплотнения, при этом пена обладает прекрасной сохраняемостью.

Пена может подаваться с любым подходящим расходом, хотя желательно подавать пену быстро. Для этого пену можно подавать с расходом от прибл. 100 галлонов (378,5412 л) в минуту до прибл. 1200 галлонов (4542,494 л) в минуту. В некоторых вариантах пену можно подавать с расходом от прибл. 200 галлонов (757,0824 л) в минуту до прибл. (3785,412 л) в минуту, или от прибл. 400 галлонов (1514,165 л) в минуту до прибл. 800 галлонов (3028,329 л) в минуту, или от прибл. 500 галлонов (1892,706 л) в минуту до прибл. 700 галлонов (2649,788 л) в минуту, или с расходом прибл. 600 галлонов (2271,247 л) в минуту.

Пена имеет время выдержки по меньшей мере несколько часов, или суток, или несколько суток, или неделю, или несколько недель, или месяц, или несколько месяцев, или один год, или несколько лет. Другими словами, время выдержки должно иметь половину срока службы (время, после которого остается половина объема пены), порядка, по меньшей мере, прибл. 50 часов, желательно 100 часов, прибл. 200 часов, хотя предусмотрено и более длительное время 300, 400, 500, 600, 700, 1000 часов и более.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предусматривается, что во время операции выемки и после подачи пены содержание метана на хвостовом штреке можно уменьшить по меньшей мере на 0,1% по весу. Для этого в настоящем изобретении предусматривается снижение содержания метана на хвостовом штреке на величину от прибл. 0,1% по весу до прибл. 1,0% по весу. Дополнительно, в настоящем изобретении предусматривается снижение содержание метана на хвостовом штреке на величину от прибл. 0,2% дл прибл. 0,8% по весу, или от прибл. 0,3% до прибл. 0,6% и по существу на величину от прибл. 0,4% до прибл. 0,5%.

Известно множество пенообразующих композиций, и (в настоящем изобретении) предусматривается, что многие композиции будут пригодны для решения стоящих задач. По существу пенообразующая композиция должна быть такой, чтобы ее можно было подавать к нужному месту, должна иметь достаточную прочность, чтобы сохранять целостность и непрерывность в течение периода времени, необходимого для выполнения требуемой функции, и должна иметь достаточно длительное время выдержки, чтобы можно было покрывать вертикальные и негоризонтальные поверхности. Типично, пена должна иметь такую прочность, чтобы сохранять целостность в течение по меньшей мере нескольких часов, или суток, или нескольких суток, или недели, или нескольких недель, или месяца, или нескольких месяцев, или одного года или нескольких лет. Желательно также, чтобы пена могла разлагаться микроорганизмами или была нетоксичной, чтобы при закрытии шахты, или в любое другое время, когда барьер больше не нужен, пена не оказывала нежелательного влияния на окружающую среду. Пенообразующая композиция может содержать химические управляющие агенты для таких веществ, как сульфид водорода, который может присутствовать или образовываться во время разработки шахты. Пена, кроме того, может иметь такой состав, чтобы являться буфером для любой кислотности или щелочности любой присутствующей воды.

Ниже следует описание нескольких пенообразующих композиций, отвечающих вышеперечисленным требованиям. Однако, специалистам понятно, что эти композиции являются просто примерами и пенообразующие композиции могут иметь разнообразные ингредиенты, чтобы такая пенообразующая композиция достигала вышеперечисленных целей.

Одним примером пенообразующей композиции, полезной в процессе, по настоящему изобретению является пена, приготовленная из водной композиции, содержащей приблизительно в молярном отношении 1:1 (А) анионное поверхностно-активное вещество и (В) соль карбоновой кислоты, R₂COOM₁, где R₂ - алкильная группа, содержащая от 8 до 30 атомов углерода, а M₁ - одновалентный катион. Анионное поверхностно-активное вещество может быть сульфатом, имеющим следующую формулу:

,

где -OR является алкокси-, алкиленокси- или алкарилоксигруппой, имеющей от 10 до 20 атомов углерода, или алкилполиэфирной группой

,

где R¹ - алкильная группа, содержащая от 10 до 20 атомов углерода, R²-Н или алкильная группа, содержащая до 4 атомов углерода, например, С или СН₃, а n - целое число от 1 до 1, предпочтительно от 3 до 6, и где M - одновалентный катион. М может быть ионом щелочного металла, ионом аммония или алкил-замещенным или гидроксиалкилзамещенным аммонием.

Когда М является щелочным металлом, щелочным металлом может быть натрий, калий или литий. Когда М является аммонием с замещенной алкильной или гидроксиалкильной группой, он по существу имеет до шести или, предпочтительно, до 3 атомов углерода. К соответствующим алкильным группам относятся метил, этил, изопропил и прочие радикалы. К соответствующим гидроксиалкильным группам относятся гидроксиэтил, гидроксипропил и прочие радикалы. Примерами замещенных радикалов аммония являются моно-, ди- и три-алкил радикалы аммония, содержащие 1-3 атома в каждой замещающей группе, и моно-, ди- и триалканоламмониевые группы, имеющие 2-3 атома углерода в каждой замещающей группе. Замещенные группы аммония включают моно-, ди- и триэтаноламмониевые радикалы.

Типичными составляющими R¹ являются алкилы, такие как децил, додецил, тетрадецил, гексадецил, октадецил и пр.; алкениловые группы, такие как 1-додеценил, 1-тетрадеценил, 2-гексадеценил, и пр.; и алкариловые группы, такие как додеценилбензол, изопропилнафталин, гексадецилтетраэтокси (?) и пр.

Альтернативно, анионным поверхностно-активным веществом может быть сульфонат, имеющий формулу:

,

где R₁ - алкил, алкилен, или алкильная группа, содержащая от 10 до 20 атомов углерода, и где М - одновалентный катион, описанный выше. К типичным заместителям R₁ относятся алкилы, такие как децил, додецил, тетрадецил, гексадецил, октадецил и пр., алкенильные группы, такие как 1-додецил, 1-тетрадецил, 2-гексадецил, и пр., и алкильные группы, такие как додецилбензол, изопропилнафталин и пр.

Поверхностно-активные вещества на основе сульфоната, желательные для использования в настоящем изобретении, включают калий додецилсульфонат, натрий 1-додецилсульфонат, натрий додецилбензоленсульфонат, аммоний изопропилнафталинсульфонат и пр. Желательно, сульфонаты включают натрий альфа-олефинсульфонат, смесь, образованная по существу альфа-олефиновыми радикалами С₁₂ и С₁₄.

Поверхностно-активные вещества на основе сульфата, которые желательно использовать в настоящем изобретении, включают алкилсульфаты, такие как натрий лаурилсульфат, алкенилсульфаты, такие как калий 1-додеценилсульфат, алкарилсульфаты, такие как аммоний додецилбендолсульфат, и алкилполиэфирсульфаты, такие как натрий октодецилтетраэтоксисульфат. К подходящим сульфатам относятся алкилполиэфирсульфаты. Можно также применять смешанные сульфонаты и/или сульфаты, т.е., смеси сульфонатов или смеси сульфатов или смеси сульфонатов и сульфатов, имеющие различные составляющие.

Для некоторых вариантов применения может оказаться желательным использовать сульфонаты и/или сульфаты, имеющие в качестве заместителя R или R' радикал, содержащий гетероатом. В дополнение к атомам углерода и водорода, может присутствовать кислород в форме карбоксила, простого эфира или других групп. Анионное поверхностно-активное вещество может присутствовать в композициях по настоящему изобретению в концентрациях в диапазоне прибл. 10-30% и по существу, прибл. 15-25% на основе общего сухого веса композиции.

Пены, приготовленные, как описано выше, имеют более длительный срок жизни по сравнению с водными пенами в целом и имеют прочность, сходную с прочностью "сахарной ваты". Таким образом, эти пены можно наносить на неравномерную, шероховатую или наклонную поверхность, на которой они сохраняют свою целостность и непрерывность.

Одним из двух главных компонентов пенообразующей композиции, используемой по одному аспекту настоящего изобретения, является анионный поверхностно-активный сульфат или сульфонат, имеющий соответствующие формулы, показанные и описанные выше. R, R' и R₁ являются относительно большими группами, содержащими 10-20 атомов углерода. Примерами алкильных групп для R, R' и R₁ являются лаурил, миристил, пальмитил и стеарил. Примерами алкиленовых групп для OR и R₁ являются альфа-олефины С₁₀ - С₁₆. Примерами алкариловых групп для OR и R₁ являются децилбензол, додецилбензол и пропилнафталин. Примерами алкильных полиэфирных групп являются

и полученные из коммерческих сходных смесей, в которых, например, R' может быть смесями алкильных групп С₁₀ и С₁₂ или С₁₂ и С₁₄ и n может быть целым числом в указанных диапазонах. Предпочтительными -OR группами являются алкиленоксигруппы, особенно альфа-олефины, содержащие от 10 до 14 атомов углерода, и алкилбензилоксигруппы, в которых алкильные группы содержат от 10 до 16 атомов углерода.

Что касается соли карбоновой кислоты, R₂ предпочтительно является алкильной группой с прямой цепочкой и может иметь от 8 до 20 атомов углерода. Примерами алкильных групп для R₂ являются пеларгонил, лаурил, миристил, пальмитил, стеарил и т.п.

M - это одновалентный катион, обеспечивающий растворимость в воде, например, солей щелочных металлов, таких как натрий, калий или литий; аммоний или замещенный аммоний. Для M пригодны натрий, калий и аммоний.

Смесь готовится простым смешиванием анионного поверхностно-активного вещества на основе сульфата или сульфоната и соли карбоновой кислоты в воде. Один или более из компонентов можно формировать на месте. Например, соль карбоновой кислоты можно формировать на месте, добавляя карбоновую кислоту к требуемому основанию. Для облегчения растворения может потребоваться нагревание.

Водородный показатель рН должен быть нейтральным или слабощелочным и составлять от прибл. 7,5 до прибл. 8,5. Можно использовать комбинации сульфоната и сульфата, хотя по существу используется либо один, либо другой.

С точки зрения формирования пены, концентрация комбинации в воде может меняться в широких пределах от прибл. 1% до прибл. 30% по весу. Однако, с точки зрения хранения и транспортировки, желательно получить высокую концентрацию, чтобы избежать транспортировки лишней воды. Затем концентрат разбавляют водой на месте использования. Во время производства пены, концентрация соединенных вспенивающих агентов А и В предпочтительно составляет от прибл. 1% до прибл. 3% по весу.

Во время производства пены, жидкую композицию можно прокачивать под манометрическим давлением, напр., от 400 до 500 фунтов на кв. дюйм (2757,903-3447,379 кПа), через пеногенератор 214 например, канал регулирования потока при заранее определенном расходе. После канала регулирования потока жидкости, в поток жидкости нагнетают газ, который смешивается с жидкостью. Это можно осуществлять с помощью канала для управления потоком так же, как и на жидкостной стороне системы. После того, как два потока соединятся, смесь проходит на выход, которым, например, является конец шланга, который может быть оснащен, или может быть не оснащен распределительной форсункой.

Затем пену можно распределять по покрываемой зоне. Аналогично, выход (пеногенератора) для распределения можно направить в магистраль с множеством портов. Эта магистраль, в зависимости от ее размера и расхода пены, может использоваться для распределения пены.

На срок существования полученной пены может влиять жесткость воды, используемой для производства пены по настоящему изобретению. Соответственно, в ситуации, когда жесткость воды, имеющейся в наличии для приготовления композиции в форме концентрата или на месте, может оказывать вредное влияние на требуемую пену, в композицию можно вводить агент, регулирующий жесткость воды, для связывания кальция и/или магния, содержащегося в воде. Примерами подходящих агентов, регулирующих жесткость воды, являются этилендиаминтетрауксусная кислота, триполифосфат натрия и калия и полиакрилаты. Количество умягчающего агента определяется, как известно, степенью жесткости конкретной доступной воды и степенью, в которой желательно снизить жесткость. Триполифосфат калия является иллюстративным желательным умягчающим агентом.

В состав, который будет преобразован в пену, можно вводить загуститель/диспергатор, и примерами растворимого загустителя/диспергатора являются полимерные акрилаты, выпускаемые как загустители/диспергаторы, такие как Acrysol ICS-1 и Acrisol A-3, выпускаемые компанией Rohm & Haas Company.

Другой пример композиции, которая может использоваться для приготовления пенообразующей композиции для использования в настоящем изобретении, может содержать белковый гидролизат кератина, модифицированный крахмал, компонент ионов двухвалентного железа и диспергатор.

Белковый компонент композиции может включать белковый гидролизат кератина. Белковый гидролизат кератина может быть сухим, например в форме, выпускаемой компанией Indusria Suma Ltda (Бразилия), или в растворе, выпускаемом другими компаниями, напр., Croda Kerr (Англия), Angus Fire (Канада), National Foam (США). Белок кератин, используемый в композиции, может быть получен из рогов и копыт животных. В то же время можно найти и использовать другие подходящие источники бе