СПОСОБ ОЦЕНКИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПЕРЕМЫЧЕК Российский патент 1995 года по МПК E21F1/14 E21F5/00 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам контроля герметичности изолирующих перемычек в горных выработках.

Своевременная и качественная изоляция отработанных участков и неиспользованных горных выработок в значительной степени определяет надежность проветривания очистных и подготовительных забоев. Кроме того, изоляция выработанных пространств является основной мерой предупреждения самовозгорания угля, а в ряде случаев и главным средством тушения как эндогенных, так и экзогенных пожаров. Для изоляции в шахтах используют разнообразные по материалам и конструкциям перемычки.

Известен способ оценки качества перемычек, заключающийся в том, что измеряют потери воздуха (Р) в вентиляционной струе, проходящей мимо перемычки (Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. Углетехиздат, 1951, с. 365). Перемычки считают очень хорошими, если Р≅5%, хорошими - 10%≥Р≥5%, посредственными - 20%≥Р > 10%, плохими - 50%≥Р > 20% и очень плохими при Р > 50%.

Недостатком известного способа является то, что эти нормы не могут быть использованы для характеристики качества перемычек, изолирующих отработанные и пожарные участки, т.к. с точки зрения эндогенной пожароопасности важно, чтобы в изолированное пространство не поступал воздух в количестве, которое может вызвать самовозгорание угля или способствовать развитию и активизации пожара.

Известен также способ [1] оценки герметичности изолирующих перемычек по величине удельных утечек воздуха, которые определяются специальными замерами или по формуле
Δq = K·S· где К - коэффициент воздухопроницаемости;
h - перепад давлений на перемычке;
S - сечение выработки;
b - толщина перемычки.

Недостатки данного способа - высокая трудоемкость и низкая достоверность полученного результата вследствие большой погрешности измерительных приборов, особенно при малых скоростях фильтрации воздуха. Кроме того, достоверность известного способа значительно зависит от коэффициентов воздухопроницаемости материалов и элементов изолирующих сооружений, которые определяются, как правило, в лабораторных условиях могут значительно отличаться от фактических значений.

В качестве прототипа принят способ [2] оценки герметичности, учитывающий режим движения воздуха через перемычку и ее аэродинамическое сопротивление. Критерием оценки герметичности перемычки является количество просасывающегося воздуха, определяемое из математического выражения
q = где n - показатель, характеризующий режим движения воздуха;
h - перепад давления на перемычке;
R - аэродинамическое сопротивление перемычки.

Величина аэродинамического сопротивления однотипных перемычек не одинакова и колеблется в очень широких пределах. Она может изменяться в десятки раз в зависимости от качества и влажности материала, от места установки перемычек, технологии их возведения и т.д. Отсутствует также единое мнение о величине показателя режима движения воздуха. Имеются рекомендации считать режим движения воздуха через перемычки близким к турбулентному (n = 2), к ламинарному (n = 1) или промежуточному (2 > n > 1). Таким образом, и аэродинамическое сопротивление, и показатель, характеризующий режим движения воздуха через перемычку, зависят от большого числа факторов. В шахтных условиях они не поддаются учету и в каждом конкретном случае будут иметь совершенно определенное значение. Исходя из этого, основным недостатком известного способа является невысокая достоверность полученного критерия оценки герметичности перемычек.

Предложен способ оценки герметичности изолирующих перемычек в горных выработках, основанный на том, что в качестве критерия оценки выбран перепад давления на перемычке. Новым в предложенном способе является то, что одновременно с перепадом давления измеряют действующий напор с обеих сторон перемычки и сравнивают фактический перепад давления с минимально допустимым при измеренном действующем напоре для перемычек данного типа. Минимально допустимый перепад давления определяют из математической зависимости
Δh_g = a˙Hⁿ, где а - (2,1-165,0)˙10^-3 - коэффициент пропорциональности, характеризующий материал перемычки;
Н - наибольшая из измеренных величина действующего напора;
n = (1,0-2,0) - показатель режима фильтрации воздуха через перемычку.

Перемычки относят к герметичным, если величина фактического перепада давления равна или превышает минимально допустимый.

Способ может быть использован для контроля воздухопроницаемости перемычек, изолирующих выработанное пространство, имеющее аэродинамическую связь с земной поверхностью, отработанными сближенными пластами, горизонтами и слоями, а также на участках, где перемычки, возведенные для изоляции выработанного пространства от свежей и исходящей струй воздуха, имеют аэродинамическую связь через обрушенные породы и не полностью погашенные выработки. Основным преимуществом способа является более высокая достоверность его, т. к. выбранный критерий определяет воздухопроницаемость изолирующего сооружения в целом: тело перемычки, ее сопряжение с породами по врубу и вмещающие породы, что выгодно отличает его от всех известных способов. Для определения критериев оценки используют только приборы для измерения давления, точность которых значительно выше, чем у приборов для измерения расходов, особенно при малых скоростях движения воздуха. Математическая зависимость для определения базы сравнения выведена на основании обширных многолетних наблюдений за перемычками различного типа. Использованные в ней коэффициенты и показатели установлены экспериментально путем обработки на ЭВМ фактических замеров действующих напоров и перепадов давлений по каждому типу перемычек. При предварительно подготовленной базе сравнения способ позволяет значительно сократить затраты времени на контроль герметичности перемычек. В частности, по сравнению с известным способом оценки герметичности путем измерения утечек воздуха через тело перемычки, затраты времени на контроль сокращаются с 3 до 15 мин. Предлагаемый способ позволяет снизить расходы на ремонт перемычек, т.к. база сравнения выбрана исходя из минимально допустимого для данной перемычки перепада давления.

Сущность способа заключается в том, что предварительно было обследовано 2047 изолирующих перемычек в шахтах основных угольных месторождений восточных районов страны, в том числе двойных - 167, бетонных - 462, брусчатых - 239, кирпичных - 557, шлакоблочных - 294, чураковых - 328. Исследования включали определение расхода воздуха, проходящего мимо перемычек и утечек воздуха через них, определение оптимальных прососов воздуха, перепада давления воздуха через перемычки и действующий напор в районе ее возведения, установление закономерностей прососов воздуха через перемычки, показателей режима фильтрации и влияние материала, из которого изготовлена перемычка и т. д. В результате проведенных исследований установлено, что зависимость минимально допустимого перепада давления ( Δh_g) от действующего напора (Н) для всех типов изолирующих перемычек может быть выражена математическим выражением
Δh_g = a Hⁿ, где а - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала и типа перемычки;
n - показатель режима фильтрации воздуха через перемычку.

Путем измерения Δh_g при разных значениях Н и решения системы уравнений с двумя неизвестными были определены значения а и n для каждого типа перемычек (см.таблицу).

С использованием полученных значений а и n для каждого типа перемычек можно построить графики зависимости Δh_g от Н, которые используются в качестве базы сравнения при контроле перемычек. Оперативная часть работы заключается в том, что определяют тип перемычки, замеряют перепад давления на ней и действующий напор с обеих сторон перемычки. По полученным данным наносят точку на график, причем за действующий напор принимают большее значение измеренного напора. Если нанесенная на график точка попала на линию зависимости Δh_g от Н или находится выше ее, то перемычку относят к герметичной. Перемычку считают не соответствующей требованиям герметичности, если замеренная точка находится ниже линии.

Для оценки достоверности способа было проведено сравнение полученных данных по 83 перемычкам с результатами оценки другими способами, в частности по средним меньшим значениям воздухопроницаемости. Расхождения в результатах не превышают 12% и наблюдаются, в основном на перемычках с малыми скоростями движения воздуха. Учитывая, что измерения давления воздуха производят более точными приборами, чем при измерении скоростей воздуха, предпочтение в точности оценки может быть отдано оценке по предложенному способу.

На фиг. 1 показана перемычка, пропускающая воздух в изолированный участок; на фиг. 2 - то же, из изолированного участка; на фиг. 3 - график зависимости Δh_g от Н для чураковой перемычки.

П р и м е р. Необходимо оценить герметичность чураковой перемычки 1, изолирующей отработанный участок 2. Зависимость Δh_g от Н для чураковой перемычки представлена общей формулой
Δh_g = a˙Hⁿ, где а = 2,1˙10^-3; n = 1,88.

При этих значениях формула принимает вид
Δh_g = 2,1˙10^-3˙Н^1,88
С помощью депрессиометра или микробарометра 3 в контрольной трубе 4 измерены перепад давления на перемычке Δh = 3,7 мм. вод.ст. и действующий напор перед перемычкой (Н₁ = 48 мм вод.ст.) и за перемычкой (Н₂ = 44,3 мм вод. ст.). Действующий напор перед перемычкой (Н₁) превышает напор за перемычкой, поэтому используется в дальнейшем эта величина. На график наносят точку А, соответствующую Δh = 3,7 мм вод.ст. и Н = 48 мм вод.ст. Точка А находится в области выше линии Δh_g= f(H), т.е. перепад давления превышает минимально допустимый перепад, который для Н = 48 мм вод.ст. составляет Δh_g = 2,8 мм вод.ст. Контролируемая чураковая перемычка является герметичной.

Возможен вариант, когда действующий напор со стороны изолированного участка превышает действующий напор перед перемычкой, т.е. перемычка пропускает воздух со стороны изолированного участка (Н₂ > >Н₁). В этом случае для оценки герметичности используют действующий напор за перемычкой (Н₂).

Использование: для контроля герметичности изолирующих перемычек в горных выработках. Сущность изобретения: производят замер перепада давления на контролируемой перемычке и действующий напор по обе стороны перемычки. После этого сравнивают фактический перепад давления с минимально допустимым для перемычек данного типа при большей из измеренных величин действующего напора. Минимально допустимый перепад определяют из математической зависимости. Перемычки относят к герметичным при величинах фактического перепада давления, равных или превышающих минимально допустимый. 3 ил., 1 табл.

СПОСОБ ОЦЕНКИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПЕРЕМЫЧЕК в горных выработках, включающий измерение перепада давления на перемычке, отличающийся тем, что дополнительно измеряют действующий напор с обеих сторон перемычки, сравнивают фактический перепад давления с минимально допустимым при измеренном действующем напоре для перемычек данного типа и при величинах фактического перепада давления, равных или превышающих минимально допустимый, перемычки относят к герметичным, при этом минимально допустимый перепад давления определяют из математической зависимости
Δh_д= a·Hⁿ
где a = (2,1 - 165,0) · 10^-3 - коэффициент пропорциональности, характеризующий материал перемычки;
H - наибольшая из измеренных величина действующего напора;
n = 1 - 2 - показатель режима фильтрации воздуха через перемычку.