СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЗРЫВА МЕТАНОУГОЛЬНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности, преимущественно к угольной, и может быть использовано для предотвращения катастроф в горных выработках.

Известны различные способы и устройства для предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси в горных выработках, основанные на предупреждении взрыва метана.

Так, известны средства для предотвращения взрыва метана и угольной пыли в шахтах, использующие физико-химическое воздействие на метаноугольновоздушную смесь [1].

Такими средствами являются хлористый натрий, вода с добавками поверхностно-активных веществ, хлористый калий.

Однако, поскольку выброс метаноугольновоздушной смеси носит вероятностный характер, то эффективно использовать эти средства сложно, так как трудно предугадать время и место выброса.

Известны, также способы дегазации метанообильных угольных пластов, включающие бурение дегазационных скважин и отсасывание по ним газа [2].

Такие способы позволяют снизить количество метана в угольном пласте, но полностью извлечь газ из пласта не удается, в результате чего существует вероятность как медленного поступления взрывоопасного газа в шахту, так и внезапный выброс метаноугольновоздушной смеси.

Известен способ предотвращения взрыва пылегазовых смесей при проходке горных выработок с помощью буровзрывных работ, включающий физическое воздействие от источника на метаноугольновоздушную смесь [3].

В этом способе воздействие осуществляют инертной средой, например газом, нагнетаемым в эластичную оболочку, расположенную непосредственно у забоя выработки и разрушаемую при взрывании шпуров.

Ограничением способа является воздействие инертной средой на пылегазовую смесь только в момент проведения взрывных работ, что не исключает поступления в шахту метана в последующем.

Известен способ дегазации угольного пласта, включающий физическое воздействие на метаноугольновоздушную смесь от источников, которые располагают вдоль оси участка шахты горной выработки [4].

В этом способе физическое воздействие осуществляют после бурения пластовых скважин в лаве. В качестве источников используют расположенные в скважине электроды с электролитом. При подаче напряжения на электроды переводят сорбированный углем газ в свободное состояние.

Этот способ не предотвращает поступления газа в дальнейшем и его внезапные выбросы, т.к. дегазации подвергаются только зоны, расположенные на глубине лавы 5-15 м. Способ дорогостоящ, особенно при обработке длинных взрывоопасных участков шахты. Способ не предназначен для предотвращения взрыва пылегазовых смесей и может использоваться для обработки только наиболее метаморфизированной пачки угля.

Все вышеперечисленные способы являются дорогостоящими при их осуществлении и не предотвращают возможность взрыва метаноугольновоздушной смеси.

Наиболее близким техническим решением для способа, как объекта настоящего изобретения, является способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси в горных выработках, включающий физическое воздействие от источника на метаноугольновоздушную смесь [5].

Известное устройство содержит соответствующий источник воздействия на метаноугольновоздушную смесь [5].

В этом способе подают в призабойное пространство горной выработки воду и сжатый воздух для создания в ней водовоздушной завесы. Распыление воды производят потоком сжатого воздуха через пневматические эжекторы, при этом воздух предварительно пропускают через поглотители кислорода. Таким образом, способ предусматривает создание невзрывоопасной концентрации компонентов метаноугольновоздушной завесы.

Ограничениями способа являются: возможность предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси только при работе в забое в особо опасных по газу и пыли горизонтальных и восстающих горных выработках, что не гарантирует абсолютную надежность в предотвращении катастроф от взрыва метаноугольновоздушной смеси в шахтах; отсутствует возможность предотвращения взрыва по всей длине шахты; невозможно предотвратить взрыв при внезапных выбросах метана вдали от призабойной зоны.

Ограничением устройства является его сложность.

Решаемая изобретением задача - повышение эффективности и надежности предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси, а также обеспечение возможности использования обычного, а не искрозащищенного оборудования в шахте.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - предотвращение вероятности возникновения взрыва, повышение эффективности борьбы со взрывом как при медленном, так и интенсивном выбросе метана, обеспечение возможности предотвращения взрыва по всей длине шахты.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - предотвращение вероятности возникновения взрыва и упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи в известном способе предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси, включающем физическое воздействие от источника на метаноугольновоздушную смесь, согласно изобретению физическое воздействие производят путем поджигания метаноугольновоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в шахту, для чего в качестве источника воздействия используют систему инициаторов зажигания, которую располагают вдоль продольной оси участка шахты, и включают инициаторы зажигания до поступления в шахту метаноугольновоздушной смеси, а после включения инициаторы зажигания функционируют постоянно во времени.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы система инициаторов зажигания была выполнена точечной, в которой каждый из инициаторов зажигания располагают в отдельной точке участка шахты; поджигание метаноугольновоздушной смеси производили открытым пламенем; поджигание метаноугольновоздушной смеси производили посредством электроспирали или нити накаливания; инициаторы зажигания располагали равномерно вдоль продольной оси участка шахты через 10-20 м между ними; система инициаторов зажигания была выполнена непрерывной, в которой поджигание метаноугольновоздушной смеси производят электроспиралью или нитью накаливания, протянутой вдоль продольной оси участка шахты; инициаторы зажигания располагали бы на взрывоопасных участках шахты; инициаторы зажигания располагали за взрывоопасным участком шахты на расстоянии 50-500 м от него;
Для решения поставленной задачи в известном устройстве для предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси, содержащем источник воздействия на метаноугольновоздушную смесь, согласно изобретению в качестве источника воздействия использована система инициаторов зажигания метаноугольновоздушной смеси, установленная вдоль продольной оси участка шахты.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы в качестве инициатора зажигания была выбрана керосиновая лампа; в качестве инициатора зажигания была выбрана лампада; в качестве инициатора зажигания была выбрана электроспираль или нить накаливания, подсоединенная к аккумулятору или электросети; электроспираль или нить накаливания была установлена вдоль продольной оси участка шахты.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые рисунки.

Фиг. 1 изображает схему размещения на участке шахты инициаторов зажигания метаноугольновоздушной смеси в соответствии с заявленным устройством;
фиг. 2 - то же, что фиг. 1, при выполнении системы инициаторов зажигания непрерывной.

Поскольку заявленный способ реализуется при работе устройства, то его описание приведено в разделе работы устройства.

Устройство для предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси (фиг. 1, 2) содержит источник воздействия на метаноугольновоздушную смесь, который выполнен из системы инициаторов 1 зажигания. Система инициаторов 1 зажигания установлена вдоль продольной оси участка шахты 2.

При выполнении системы инициаторов 1 точечной (фиг. 1) каждый инициатор 1 зажигания установлен вдоль продольной оси участка шахты 2.

В качестве инициатора 1 может быть выбрана керосиновая лампа. В этом случае она также может выполнять дополнительную функцию освещения шахты 2. В качестве инициатора 1 может быть выбрана лампада (соответственно модифицированная для условий шахты 2, работающая на масле).

В качестве инициатора 1 может быть выбрана электроспираль или нить накаливания длиной 1-5 см, подсоединенные к аккумулятору с напряжением до 6 В или для длинных электроспиралей или нитей к электросети с напряжением 110-220 В.

При выполнении системы инициаторов 1 непрерывной (фиг. 2), что целесообразно при возможности образования завалов в шахте 2, инициаторы 1 желательно выполнять в виде электроспирали или нити накаливания, протянутой вдоль продольной оси участка шахты 2 и расположенной в перфорированной отверстиями трубе, предохраняющей ее от повреждения.

Работает устройство (фиг. 1, 2) следующим образом.

Поджигание метаноугольновоздушной смеси происходит на самой ранней стадии ее поступления в шахту 2. Для этого используют систему инициаторов 1 зажигания, которые располагают вдоль продольной оси участка шахты 2 и включают до поступления в нее метаноугольновоздушной смеси.

После включения система инициаторов функционирует постоянно, переходя в режим ожидания выброса метана.

Инициаторы 1 зажигания располагают равномерно вдоль продольной оси участка шахты 2 в интервале 10-20 м. При меньшем диаметре шахты 2 выбирают меньшее расстояние между инициаторами 1 (фиг. 1), а при большем диаметре - соответственно большее расстояние между инициаторами 1. В случае использования в качестве инициаторов 1 зажигания ламп расстояние между ними вдоль продольной оси участка шахты 2 выбирают не большим пяти диаметров шахты 2.

По мере выхода в шахту 2 из угольных пластов метана его концентрация в шахте 2, как известно, меняется от нуля до максимально возможных значений, зависящих от интенсивности и времени выброса, геометрии участка шахты 2, условий вентилирования. Реально в существующих условиях могут накапливаться большие объемы газа. При достижении концентрации метана от 5 до 15% и появлении какого-либо источника зажигания газа, например при электрическом искрении действующего оборудования шахты 2, происходит взрывное горение с возникновением интенсивной волны сжатия (в пределе - ударной волны), которая приводит к гибели находящихся в шахте 2 людей, разрушению оборудования и конструкций, образованию завалов.

Включение же в соответствии с заявленным способом инициаторов 1 до поступления в шахту 2 метаноугольновоздушной смеси, т.е. работающих в режиме ожидания выброса метана, существенно изменяет общую картину. При расположении инициаторов 1 на взрывоопасных участках шахты 2 и их постоянном функционировании горение смеси начнется при достижении нижнего концентрационного предела около пяти процентов по объему. При этом, как показывают исследования, по причине малой скорости горения и ограниченного, т.е. небольшого количества одновременно горящего газа (в каждый момент времени) по шахте 2 будет распространяться слабая волна сжатия с давлением в 5-10 раз ниже допустимого безопасного уровня, что гарантирует отсутствие каких-либо разрушений и завалов и тем более - гибели людей.

Описанное выше реализуется в соответствии с предложенным способом при достаточно медленном выбросе метана. Однако, способ эффективен и для мгновенного выброса метана в больших количествах. На практике при возникновении катастрофы концентрация метана в зоне выброса может достигать весьма больших значений (в пределе 100%). Горение метана при его концентрациях выше 15% невозможно. Однако, с течением времени в результате диффузии при таком выбросе образуется метаноугольновоздушная смесь, причем в значительной своей массе она лежит во взрывоопасных концентрационных пределах (5-15%). Любой источник зажигания в этом случае приводит к взрывному горению, сопровождающему катастрофические явления (наиболее опасная концентрация (7-12%).

Установка инициаторов 1, выполненных в виде керосиновых ламп или масляных лампад с открытым пламенем, в местах интенсивного (мгновенного) выброса приведет к гашению их пламени метаном при его концентрации более 15%. Однако, в этом случае на взрывоопасных участках шахты могут быть установлены электроспирали или нити накаливания, которые при снижении концентрации метана в метаноугольновоздушной смеси менее 15% поджигают его. Кроме того, на некотором расстоянии от области интенсивного выброса также расположены другие инициаторы 1 (их количество по длине шахты 2 может быть выбрано достаточно большим). Инициаторы 1, расположенные, например, сразу за участком интенсивного выброса метана, подожгут смесь, когда с течением времени диффузионный процесс приведет к повышению концентрации метана в смеси от 0 до 5%. При этом количество горящего газа будет ограниченным и взрыв не происходит.

Таким образом, эффективность предлагаемого способа гарантируется как при медленном, так и интенсивном выбросе метана.

При возможности образования завалов или при наличии в шахте 2 каких-либо замкнутых пространств целесообразно применять непрерывную систему инициаторов 1 (фиг. 2), в которой поджигание метаноугольновоздушной смеси производят электроспиралью или нитью накаливания, протянутой вдоль продольной оси участка шахты 2, при этом длину спирали или нити выбирают равной длине участка шахты 2. Электроспираль или нить с целью их механической защиты может быть размещена в трубе, в которой выполнены отверстия для проникновения внутрь трубы газа.

Ограничением предложенного метода является возникновение пожара в местах выброса метана. Однако его интенсивность будет в десятки раз меньше, чем при существующей в настоящее время практике, когда пожар начинается при наличии в шахте 2 больших количеств ранее выброшенного в шахту 2 метана. Наличие существующих систем сигнализации и противопожарной безопасности, средств тушения пожара, средств защиты обслуживающего персонала обеспечивает разумную степень безопасности от пожара. Кроме того, предлагаемый способ совместим с ранее известными способами тушения подземных пожаров, при этом можно отказаться от действующих требований недопустимости искрения в шахте 2 и появления открытого огня, что позволяет заменить дорогостоящее искрозащищенное оборудование шахты 2 на обычное. Предложенный способ проверен на действующих моделях, которые показывают возможность сведения процессов внезапного и медленного выброса метана в шахтах 2 на уровень происшествий. Существующие же методы и устройства, как показывает практика, не позволяют предотвратить серьезные катастрофы от выброса метана.

Наиболее успешно заявленные способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси и устройство для его осуществления могут быть использованы в угольной промышленности для предотвращения катастроф при внезапном или медленном выбросе метана.

Источники информации:
[1] . Авторское свидетельство СССР N 977822, E 21 F 5/00, опубл. 30.11.82.

[2] . Авторское свидетельство СССР N 636412, E 21 F 5/00, опубл. 05.12.78.

[3] . Авторское свидетельство СССР N 594330, E 21 F 5/00, опубл. 25.02.78.

[4] . Авторское свидетельство СССР N 1800060, E 21 F 5/00, опубл. 07.03.97.

[5] . Авторское свидетельство СССР N 926324, E 21 F 5/00, опубл. 07.05.92.

Изобретение относится к горной промышленности, преимущественно к угольной, и может быть использовано для предотвращения катастроф в горных выработках. Задачей изобретения является предотвращение вероятности возникновения взрыва и упрощение конструкции. Способ включает поджигание метаноугольновоздушной смеси на самой ранней стации ее поступления в шахту. Для этого используют систему инициаторов зажигания, которую располагают вдоль продольной оси участка шахты и включают до поступления в шахту метаноугольновоздушной смеси. После включения инициаторы зажигания функционируют постоянно во времени. В качестве инициаторов зажигания может быть использована керосиновая лампа, лампада, электроспираль или нить накаливания. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси, включающий физическое воздействие от источника на метаноугольновоздушную смесь, отличающийся тем, что физическое воздействие производят путем поджигания метаноугольновоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в шахту, для чего в качестве источника воздействия используют систему инициаторов зажигания, которую располагают вдоль продольной оси участка шахты, и включают инициаторы зажигания до поступления в шахту метаноугольновоздушной смеси, а после включения инициаторы зажигания функционируют постоянно во времени. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что система инициаторов зажигания выполнена точечной, в которой каждый из инициаторов зажигания располагают в отдельной точке участка шахты. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поджигание метаноугольновоздушной смеси производят открытым пламенем. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поджигание метаноугольновоздушной смеси производят посредством электроспирали или нити накаливания. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что инициаторы зажигания располагают равномерно вдоль продольной оси участка шахты через 10 - 20 м между ними. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что система инициаторов зажигания выполнена непрерывной, в которой поджигание метаноугольновоздушной смеси производят электроспиралью или нитью накаливания, протянутой вдоль продольной оси участка шахты. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициаторы зажигания располагают на взрывоопасных участках шахты. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициаторы зажигания располагают за взрывоопасным участком шахты на расстоянии 50 - 500 м от него. 9. Устройство для предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси, содержащее источник воздействия на метаноугольновоздушную смесь, отличающееся тем, что в качестве источника воздействия выбрана система инициаторов зажигания метаноугольновоздушной смеси, установленная вдоль продольной оси участка шахты. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве инициатора зажигания выбрана керосиновая лампа. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве инициатора зажигания выбрана лампада. 12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве инициатора зажигания выбрана электроспираль или нить накаливания, подсоединенная к аккумулятору или электросети. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что электроспираль или нить накаливания установлена вдоль продольной оси участка шахты.