СПОСОБ КОНТРОЛЯ АВАРИЙНОЙ ЗАГАЗОВАННОСТИ ПРОСТРАНСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области горного дела и химической промышленности и может быть использовано для распознавания наличия в окружающей атмосфере аварийной загазованности среды и предотвращения, таким образом, взрыва или пожара. К аварийной загазованности относятся все случаи превышения норм концентрации газовой смеси выше нижнего и ниже верхнего предела взрываемости (например, для CH₄ 5-15% в поперечном сечении горных выработок в свету) на участке пространства более "k", на котором взрыв приводит к существенным последствиям.

Перечень таких участков пространства определяется Правилами [2]. Так на стр. 251 Правил [2, 1973 г] минимальная допустимая длина [k] загазованного участка горной выработки составляет 2 м.

Как известно [1], при внезапном выбросе угля и газа концентрация метана в забоях и выработках быстро увеличивается (таблица) и может образоваться взрывоопасная метановоздушная смесь. И чтобы избежать возникновения источников поджигания смеси и предотвратить возможный взрыв, необходимо своевременно выключить все оборудование и остановить технологические процессы.

Концентрация рудничной атмосферы выше нижнего предела взрываемости происходит и в других случаях, например, при нарушении нормального проветривания и др. [2] стр. 269.

Известен способ контроля концентрации метана во всех выработках, где может выделяться или скапливаться метан, заключающийся в том, что в определенных местах выработки (оговоренных правилами [2]) устанавливаются стационарные автоматические приборы контроля содержания метана с установками на концентрацию (п. 15 стр. 290) [2] 0,5, 1, 1,3, 2%. Кроме того на диспетчерском пункте производится запись показаний этих приборов, их расшифровка на ЭВМ при условии, что концентрация метана у датчика не превышала верхний предел измерения (п. 6 стр. 283) [2].

Контроль концентрации метана производится также переносными автоматическими приборами, например, с диапазоном измерения объемной доли CH₄% (0,3).

Контроль и обнаружение слоевых и местных скоплений метана в горных выработках с концентрацией 2% и более (п. 29 стр. 292) [2] должен производиться горными мастерами не реже одного раза в сутки (п. 33 стр. 293).

Кроме того контроль содержания метана производится переносными приборами эпизодического действия (п. 16 стр. 290) [2] и предохранительной бензиновой лампой (п. 27 стр. 292) [2] с содержанием метана до 4%.

Основными недостатками указанных способов является то, что они не могут достоверно и оперативно сигнализировать об образовании взрывоопасной метановоздушной смеси с содержанием газа выше нижнего предела взрываемости и не могут контролировать образование минимальной длины "k" аварийного загазированного участка горной выработки. Перечисленные недостатки известного способа контроля приводят в конечном счете к тому, что при встрече этого загазированного участка, длиной более "k" метров, с источником поджигания происходит взрыв с трагическими последствиями.

Например, если один датчик ДМВ аппаратуры АТЗ-1 [3] установлен на исходящей вентиляционной струе, а другой на 200 м от него, то длина L_н неконтролируемого аварийного загазованного участка с учетом времени t3 задержки на срабатывание аппаратуры равна:
L_н = 200 + U_нпв•t'3 = 200 + 0,25(0,5)15,
где для аппаратуры АТЗ-1 [3] t'3 = 15 с;
U_нпв - скорость распространения газовой смеси в соответствии с [2] должна быть 0,25 (0,5) м/с.

Время t1 распространения газовой смеси с НПВ в горной выработке от одного датчика до другого равно:

Из примера видно, что участок пространства шахты, при существующих способах контроля и времени (< 2,84 сек. таблица) нарастания концентрации от начального до нижнего предела взрываемости, находится без контроля за аварийной газовой средой в течении 800 сек.

Цель изобретения - повышение эффективности и оперативности защиты. Поставленная цель достигается тем, что способ контроля аварийной загазованности пространства, заключающийся в том, что контролируют наличие взрывного газа путем установки стационарных приборов, фиксирующих недопустимую концентрацию газа по объему, отличающийся тем, что производят фиксацию появления нижнего предела взрывчатости газовой смеси в нескольких точках контроля, для чего в каждой точке производят принудительное воспламенение атмосферы во взрывобезопасной камере сгорания, а расстояние между точками контроля принимают в зависимости от длины L_нпв допустимого аварийного загазованного пространства выработки с концентрацией газа выше нижнего предела взрываемости (НПВ) и определяют из условия K > L_нпв < U_нпв • t1, где U_нпв (м/сек) - скорость распространения газовой смеси, t1 (c) - время распространения газовой смеси до встречи с датчиком контроля, K - минимальная допустимая длина аварийного загазованного участка, расстояние Y между смежными точками контроля выбирают из условия K > Y < L_нпв, при этом L_нпв определяется при t1 = t2 + t3, где t2 (c) - время нарастания концентрации газа от начального до нижнего предела взрываемости, а t3 (c) - время с момента встречи потока газовой смеси с источником воспламенения ло момента взрыва.

Момент появления взрыва во взрывобезопасной камере сгорания определяют с помощью логической функции где H - наличие во взрывобезопасной камере сгорания (установленной в данной точке пространства) контроля нижнего предела взрываемости газа, T - наличие во взрывобезопасной камере сгорания, установленной в данной точке пространства контроля, температуры, достаточной для воспламенения взрывной концентрации газа, t3 - индукционный период, - знак конъюнкции.

Фиксируют этот момент одновременно с появлением пламени П и давления Д во взрывобезопасной камере сгорания, отождествляют одновременно появление пламени П и давления Д с наличием Н газа выше нижнего предела взрываемости как в точке установки камеры сгорания, так и в пространстве вокруг этой камеры, приводят в действие противоаварийную защиту и отключают систему электроснабжения и машины, тем самым предотвращают аварию раньше, чем поток газа достигнет источника зажигания, передают по участку пространства звуковую и речевую информацию персоналу о появлении опасной концентрации газовой смеси.

Известно устройство для обнаружения вспышек (взрывов) метана "CO-BA" (СВША), содержащее датчики пламени ДП, блок обработки информации БОИ, устройство сопряжения диспетчерского пункта УСП, блок питания БП 2412 и линии связи [4].

Недостатком известного устройства является то, что загазированный участок (точку) определяют уже после взрыва в начальной стадии его развития.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является устройство анализатор метана АТЗ-1 [3], предназначенный для непрерывного местного и централизованного контроля метана, содержащее аппарат сигнализации АС-9, датчик метана выносной ДМВ (3 шт.), преобразователь измерительный ППИ, сирену искробезопасную СИ-1, трубку телефонную искробезопасную ТИТ-1, радиальную линию связи к каждому датчику.

К числу недостатков известного устройства относится низкая информативность, не контролируется концентрация газовой смеси выше нижнего и ниже высшего предела взрываемости, а лишь контролируются пределы (0 - 2,5%) измеряемой объемной доли метана. Устройство не контролирует сверхаварийную загазованность участка горной выработки.

Цель изобретения - повышение эффективности и оперативности защиты за счет сокращения длины неконтролируемого аварийно-загазированного участка при предотвращении взрыва газовой смеси в горной выработке.

Поставленная цель достигается тем, что усовершенствуется устройство [3] контроля аварийной загазованности пространства, содержащее (см. чертеж) аппарат контроля 2, состоящий из блока искробезопасного источника питания 16, соединенного с магистральной кабельной линией 3, блока 17 приема сигналов от датчика через магистральную кабельную линию, блока 18 отключения электроэнергии и блока 19 звуковой и речевой сигнализации, отличающееся тем, что согласно изобретению в него введены датчики 1 фиксации нижнего предела взрывчатости газовой смеси, каждый из которых содержит:
- блок 4 питания датчика;
- блок 5 формирования сигналов от датчика в магистральную кабельную линию и в местную сигнализацию о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика;
- взрывобезопасную камеру сгорания 7, включающую изоляционную колодку 11 и смотровое окно 13;
- блок 6 принудительного воспламенения взрывчатой среды в камере сгорания, включающий воспламенитель 9, помещенный в камере сгорания, и преобразователь напряжений 10, соединенный через изоляционную колодку с воспламенителем и блоком 4 питания датчика, соединенного с магистральной кабельной линией 3;
- фиксатор воспламенения газовой смеси во взрывобезопасной камере сгорания 8, включающий датчик давления 14 и фотоприемник 13, помещенный во взрывобезопасной камере сгорания, а также блок 15 обработки информации, соединенный с датчиком давления 14 и фотоприемником 13, выход с которого соединен с блоком 5 формирования сигналов от датчика в магистральную кабельную линию и в местную сигнализацию о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика, выход с этого блока 5 соединен с магистральным кабелем, который связывает датчик с аппаратом 2 контроля аварийной загазованности пространства, и сигнал о появлении нижнего предела взрываемости газа воспринимается посредством блока 17 приема сигналов от датчика через магистральную кабельную линию и с его выхода сигнал воздействует на блок 18 отключения электроэнергии и блок 19 звуковой и речевой сигнализации.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема устройства контроля сверхаварийной загазованности участка горной выработки.

Устройство контроля аварийной загазованности пространства горной выработки включает:
1 - датчик фиксации нижнего предела взрываемости (НПВ) газовой смеси с воздухом;
2 - аппарат контроля аварийной загазованности пространства;
3 - магистральный кабель, связывающий датчик 1 с аппаратом 2;
Датчик 1 включает:
4 - блок питания датчика 1;
5 - блок формирования сигналов от датчика в магистральную кабельную линию и в местную сигнализацию о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика Di;
6 - блок принудительного воспламенения взрывчатой среды в камере сгорания;
7 - взрывобезопасная камера сгорания;
8 - фиксатор воспламенения газовой смеси во взрывобезопасной камере;
Блок 6 включает:
9 - воспламенитель;
10 - преобразователь напряжения;
Блок 7 включает:
11 - изоляционная колодка;
12 - смотровое окно;
Блок 8 включает:
13 - фотоприемник;
14 - датчик давления;
15 - блок обработки информации о взрыве.

Аппарат контроля аварийной загазованности пространства 2 включает:
16 - блок искробезопасного источника питания;
17 - блок приема сигналов от датчика 1 через магистральную кабельную линию 3;
18 - блок отключения электроэнергии;
19 - блок звуковой и речевой сигнализации.

Работа схемы заключается в следующем.

При появлении нижнего предела взрываемости газа у данного Di датчика 1 газ проходит внутрь взрывобезопасной камеры сгорания 7.

Под действием воспламенителя 9 блока 6 происходит принудительное воспламенение взрывчатой среды в камере сгорания 7, с появлением световой вспышки и давления в камере. При этом световая вспышка регистрируется фотоприемником 14, а повышение давления - датчиком давления 13.

При одновременном появлении сигналов на выходе блоков 13 и 14 схема совпадения блока 15 передает посредством блока 5 сигнал к блоку 2 через магистральную кабельную линию 3 и местную сигнализацию блока 5 о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика Di.

В анализаторе 2 сигнал о появлении нижнего предела взрываемости газа воспринимается посредством блока 17 и через блок 18 отключает систему электроснабжения и машины, тем самым предотвращает аварию раньше, чем поток газа достигнет источника зажигания.

При этом через блок 19 передают по участку пространства звуковую и речевую сигнализацию о появлении опасной концентрации газовой смеси.

Литература
1. В. П. Колосюк д.т.н., В.П. Коптиков к.т.д., В.С. Замжицкий инженер (МАКНИИ). Время отключения электропитания с электрооборудования и горных машин. Безопасность труда и промышленности. 92-4 Недра 1992 г.

2. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. Недра 1992 г.

3. Анализатор метана АТ1-1 и АТ3-1. Руководство по эксплуатации 136401.00000 Р.Э. Завод "Красный Металлист" 1991 г.

4. Автоматическая система взрывозащиты шахт СВША. Информационный лист. Макеевка 1995 г.

Использование: в технике контроля окружающей среды, в частности в горном деле и в химической промышленности. Сущность изобретения: способ контроля аварийной загазованности пространства заключается в том, что контролируют наличие взрывного газа путем установки стационарных приборов, фиксирующих недопустимую концентрацию газа по объему. Особенность способа состоит в том, что производят фиксацию появления нижнего предела взрывчатости газовой смеси в нескольких точках контроля, для чего в каждой точке производят принудительное воспламенение атмосферы во взрывобезопасной камере сгорания, а расстояние между точками контроля принимают в зависимости от длины допустимого аварийного загазованного пространства выработки с концентрацией газа выше нижнего предела взрываемости и определяют по математическому выражению. Устройство контроля содержит аппарат контроля, соединенный через магистральный кабель с несколькими датчиками фиксации нижнего предела взрывчатости газовой смеси. Благодаря этому достигается достоверная и оперативная сигнализация об образовании взрывоопасной метановоздушной смеси с содержанием газа выше нижнего предела взрываемости. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ контроля аварийной загазованности пространства, заключающийся в том, что контролируют наличие взрывного газа путем установки стационарных приборов, фиксирующих недопустимую концентрацию газа по объему, отличающийся тем, что производят фиксацию появления нижнего предела взрывчатости газовой смеси в нескольких точках контроля, для чего в каждой точке производят принудительное воспламенение атмосферы во взрывобезопасной камере сгорания, а расстояние между точками контроля принимают в зависимости от длины L_НПВ допустимого аварийного загазованного пространства выработки с концентрацией газа выше нижнего предела взрываемости (НПВ) и определяют из условия
K > L_НПВ < U_НПВ • t1,
где L_НПВ (м/с) - скорость распространения газовой смеси;
t1 (с) - время распространения газовой смеси до встречи с датчиком контроля;
K - минимальная допустимая длина аварийного загазованного участка,
расстояние Y между смежными точками контроля выбирают из условия K > Y < L_НПВ, при этом L_НПВ определяется при t₁ = t₂ + t₃, где t₂ (с) - время нарастания концентрации газа от начального до нижнего предела взрываемости, а t3 (с) - время с момента встречи потока газовой смеси с источником воспламенения до момента взрыва, момент появления взрыва во взрывобезопасной камере сгорания определяют с помощью логической функции
Z = H_^T_^t₃,
где H - наличие во взрывобезопасной камере сгорания (установленной в данной точке пространства контроля) нижнего предела взрываемости газа;
T - наличие во взрывобезопасной камере сгорания, установленной в данной точке пространства контроля, температуры достаточной для воспламенения взрывной концентрации газа;
t₃ - индукционный период;
∧ - знак конъюнкции,
фиксируют этот момент M = П∧Д одновременно с появлением пламени П и давления Д во взрывобезопасной камере сгорания, отождествляют одновременно появление пламени П и давления Д с наличием Н газа выше нижнего предела взрываемости как в точке установки камеры сгорания, так и в пространстве вокруг этой камеры, приводят в действие противоаварийную защиту. 2. Устройство контроля аварийной загазованности пространства, содержащее аппарат контроля, состоящий из блока искробезопасного источника питания, соединенного с магистральной кабельной линией, блока приема сигналов от датчика через магистральную кабельную линию, блока отключения электроэнергии и блока звуковой и речевой сигнализации, отличающееся тем, что в него введены датчики фиксации нижнего предела взрывчатости газовой смеси, каждый из которых содержит блок питания датчика; блок формирования сигналов от датчика в магистральную кабельную линию и в местную сигнализацию о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика; взрывобезопасную камеру сгорания, включающую изоляционную колодку и смотровое окно; блок принудительного воспламенения взрывчатой среды в камере сгорания, включающий воспламенитель, помещенный в камере сгорания и преобразователь напряжений, соединенный через изоляционную колодку с воспламенителем и блоком питания датчика, соединенного с магистральной кабельной линией; фиксатор воспламенения газовой смеси во взрывобезопасной камере сжигания, включающий датчик давления и фотоприемник, помещенный во взрывобезопасной камере сгорания, а также блок обработки информации, соединенный с датчиком давления и фотоприемником, выход с которого соединен с блоком формирования сигналов от датчиков в магистральную кабельную линию и в местную сигнализацию о появлении нижнего предела взрываемости газа у данного датчика; выход с этого блока соединен с магистральным кабелем, который связывает датчик с аппаратом контроля аварийной загазованности пространства, и сигнал о появлении нижнего предела взрываемости газа воспринимается посредством блока приема сигналов от датчика через магистральную кабельную линию и с его выхода сигнал воздействует на блок отключения электроэнергии и блок звуковой и речевой сигнализации.