УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПЫЛЕВОГО ОБЛАКА ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЗРЫВОВ Российский патент 2008 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к области средств, обеспечивающих повышение уровня безопасности эксплуатации горных выработок, и может использоваться в качестве взрыволокализующих заслонов в первую очередь в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.

Основной задачей взрыволокализующих заслонов является создание условий для прекращения горения метана и/или угольной пыли и предотвращения последующего распространения фронта пламени по горным выработкам.

Известны действующие в настоящее время локализующие заслоны, применяемые для защиты подземных выработок от воздействия фронта пламени, следующего за воздушной ударной волной (ВУВ) взрыва метановоздушной смеси и/или угольной пыли, которые создают на пути распространения фронта завесу из взвеси инертной пыли или водяных капель (см. «Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ - 05-618-03)», издательство ФГУП НТЦ Промышленная безопасность г.Москва, 2003 г.).

Конструктивно эти заслоны представляют ряды полок с нейтральной пылью (пылевой заслон) или сосудов с водой (водяной заслон), которые разрушаются при прохождении взрывной волны. При этом образуется плотное облако пыли (или, в случае водяных заслонов, водяных капель), под действием которого фронт пламени затухает.

Основными недостатками таких локализующих заслонов являются большая инерционность срабатывания устройств, малое время существования облака взвеси пыли или водяных капель, необходимость размещения в горных выработках большого количества инертной пыли или воды.

Известно также взрывоподавляющее устройство (патент РФ 2225512, МПК E21F 5/00 от 30.07.02 г.), включающее корпус, разделенный на отсеки проницаемыми, стационарными перегородками (решетками), совмещенными с разрывными диафрагмами. В заднем отсеке на глухой торцевой стенке корпуса соосно размещен газогенератор с соплами. В среднем отсеке между стационарными решетками размещен пламегасящий порошок, который за счет газа высокого давления, выделяемого газогенератором, через разрывные мембраны (диафрагмы) выдавливается в передний отсек. В этом отсеке закреплен распылитель, через который порошок выбрасывается в защищаемый объем. Запуск устройства обеспечивается по сигналу датчика пламени при помощи электровоспламенительного патрона, который инициирует работу газогенератора. Под воздействием высокого давления газа, выделяемого генератором, разрываются диафрагмы и порошок выбрасывается в окружающее пространство.

Основными недостатками таких устройств являются односторонность действия (т.е. выброс порошка только в одну сторону) и необходимость электропитания элементов устройства. Конструкция устройства такова, что оно не способно реагировать на избыточное давление ударной волны взрыва и не может быть использовано для локализации взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли.

Известно устройство для локализации взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли (патент РФ 2244833, МПК E21F 5/00 от 14.03.03), содержащее корпус, заполненный пламегасящим порошком и имеющий на выходе легко разрушаемую диафрагму, рассекатель, камеру высокого давления, размещенную коаксиально корпусу, систему подачи газа в корпус с порошком и механизм инициации.

Ввиду того, что это устройство наиболее близко к предлагаемому устройству, оно принято за прототип.

Внутри корпуса по всей его длине соосно располагается перфорированная камера (баллон) и ряд рабочих взаимосвязанных камер, заправляемых газом высокого давления, которые закреплены на входном торце корпуса и через выходные отверстия и систему поршнезолотниковых механизмов распределяют газ высокого давления вдоль всего корпуса, обеспечивая выброс порошка. Механизм инициации устройства состоит из фиксируемого шариковым замком ступенчатого поршня, перекрывающего выход для газа высокого давления, и скользящей муфты, к торцу которой прикреплена штанга (труба длиной до 6 м) с приемным диском, воспринимающим воздействие взрывной волны.

Сущность работы устройства заключается в выбросе огнетушащего порошка из корпуса (бункера) за счет энергии сжатого воздуха, истекающего из камеры (баллона) высокого давления, при воздействии воздушной ударной волны взрыва на приемный диск. При сдвиге штангой скользящей муфты освобождается шариковый замок, происходит смещение ступенчатого поршня и открываются выхлопные отверстия для подачи и распределения воздуха высокого давления внутри корпуса.

Прототипу присущи следующие недостатки:

- односторонность действия, т.е. конструктивно-компоновочная схема построения устройства показывает, что оно воспринимает воздействие взрывной волны только с одного направления и выбрасывает порошок только в одну сторону. Чтобы обеспечить работу устройства в два противоположных направления необходимо зеркально соединять друг с другом два одинаковых устройства, что вызывает дополнительные затраты;

- газодинамический выброс порошка, т.е. струей газа высокого давления;

- малая масса порошка в корпусе (не более 25 кг). Для увеличения массы порошка необходима установка дополнительных устройств;

- снаряженное, заправленное и находящееся в режиме ожидания устройство имеет баллон с газом высокого давления (150 кгс/см² и более), что усложняет эксплуатацию устройства, поскольку требует постоянного надзора за величиной давления, регулярной дозаправки устройства и соответствующих регламентных работ. Кроме того, баллон, заполненный газом высокого давления, в составе устройства является потенциальным источником опасности для персонала и оборудования;

- выносная штанга (труба длиной 2-6 м), обеспечивающая передачу механического импульса взрывной волны, воспринимаемого приемным диском, на скользящую муфту механизма инициации, для достижения свободного перемещения требует специальных отдельных подвесов с их точной установкой и последующей регулировкой, поскольку перекос штанги может привести к возрастанию уровня избыточного давления, необходимого для запуска устройства, и соответственно к ухудшению временных параметров устройства и даже к отказу устройства в целом;

- используемая в устройстве распределенная схема подачи газа в корпус с порошком на основе поршнезолотникового механизма (состоящего из ряда последовательно соединенных рабочих камер с последовательно уменьшающимися объемами, а выхлопные отверстия из камер перекрываются подпружиненными дифференциальными золотниками, в которых имеются перепускные калибровочные каналы равных сечений, располагаемые под различными углами (от 45° до 90°) относительно продольной оси корпуса и выполненные равных диаметров винтообразно с различным шагом витка) не способствует эффективному выбросу порошка и является, как следует даже из приведенного краткого описания, достаточно сложным элементом (и с технологической, и с производственной стороны), который может являться фактором низкой надежности устройства;

- конусообразная форма корпуса (бункера), из которого производится выброс порошка, не способствует эффективному формированию пылевого облака из огнетушащего порошка, поскольку давление газа, уже сниженное при подходе к расширяющемуся сечению, резко падает при выходе в большой объем горной выработки, что приводит также к резкому снижению скорости выброса порошка и значительная часть его просыпается на почву выработки.

Указанные выше недостатки могут быть устранены в предлагаемом изобретении - устройстве формирования пылевого облака для локализации взрывов (УЛВ), целью которого является повышение эффективности формирования пылевого облака, обеспечивающего локализацию горения, в замкнутом объеме горной выработки за счет обеспечения возможности запуска устройства при приходе ВУВ с любого из двух противоположных направлений, выброса порошка в разные стороны (навстречу и по ходу фронта ВУВ) из одного устройства и активного формирования пылевого облака (ПО) из пламегасящего порошка за счет минометной схемы выброса порошка и возрастания скорости его выброса.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство локализации взрывов содержит корпус, разделенный на три отсека, крайние из которых заполнены огнетушащим порошком, а средний разделен на две полости перегородкой, в которой соосно корпусу размещен генератор газа, не поддерживающего горение, с соплами, направленными в обе полости, который выделяет газ высокого давления в эти свободные полости, реализуя при этом сосредоточенную схему подачи газа к порошку. Кроме того, генератор содержит два механизма инициации, каждый из которых включает в себя капсюль и боек, застопоренный пружиной, а хвостовик бойка через штырь, размещенный внутри трубки коаксиально корпусу, сопряжен с приемным элементом, причем между средним и крайними отсеками установлены непроницаемые гибкие, подвижные перегородки типа «пыж», а выходные торцы корпуса защищены крышкой.

Кроме того, на каждом торце корпуса дополнительно установлен отсек, имеющий диаметр, равный диаметру корпуса.

Кроме того, дополнительный отсек выполнен с винтообразными направляющими по внутренней поверхности отсека.

Кроме того, приемный элемент выполнен в форме усеченного конуса.

Кроме того, торцевые выходы корпуса УЛВ перекрыты внешней гибкой подвижной перегородкой.

Кроме того, крышка, защищающая торцы корпуса, выполнена сферической формы с эластичной вставкой в ее средней части напротив приемного элемента механизма инициации.

Кроме того, отсеки на выходных торцах корпуса выполнены в форме усеченного конуса.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения вытекают из дальнейшего детального описания примера его осуществления и прилагаемых чертежей, в которых: на фиг.1 приведены результаты расчетов пространственного распределения порошка (фиг.1а) в объеме выработки и поля скоростей (фиг.1б) движения порошка; на фиг.2 изображена функциональная схема устройства для локализации взрывов.

Для ускорения выброса порошка из корпуса, защиты генератора от порошка и образования в среднем отсеке корпуса свободных полостей перед порошком, для сосредоточения в них газа с избыточным давлением, между средним и крайними отсеками установлены гибкие подвижные, непроницаемые перегородки с достаточной жесткостью. Кроме того, в торцевых выходах корпуса установлены внешние подвижные перегородки, «запирающие» порошок в корпусе, что позволяет реализовать принцип минометного выброса порошка из УЛВ.

Подвижные перегородки, действуя «аля пыж», способствуют наиболее полному выбросу (выдавливанию) порошка из корпуса УЛВ. Сочетание объема с избыточным давлением газа, запираемого с двух сторон массой порошка, с внутренней подвижной перегородкой, размещенной перед порошком, позволяет использовать сосредоточенную схему подачи газа, формируя усилие на выброс порошка в поперечном сечении корпуса УЛВ. Порошок, «зажатый» между внутренним и внешним пыжами, выбрасывается из корпуса в начальный момент в виде пробки со скоростью 5÷10 м/с. В этом случае, как показывают оценки (для определенных уровней давления газа в свободном объеме перед порошком), при выходе порошка в пространстве выработки образуются вихри и создаются условия для лучшего перемешивания порошка и эффективного формирования пылевого облака (см. фиг.1). Для защиты размещенной на выходе устройства разрываемой диафрагмы от случайного или преднамеренного разрушения (не отработавшего УЛВ) торцы корпуса закрыты сбрасываемой крышкой. Устройство локализации закрепляется под кровлей выработки при помощи узла подвески.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2. УЛВ состоит из цилиндрического корпуса 1, разделенного на отсеки 2, 3. Крайние отсеки 3 заполняются огнетушащим порошком, а средний отсек 2 разделен на две полости перегородкой 4, в которой коаксиально корпусу закреплен генератор газа 5, выделяющий газ высокого давления через сопла 6 в обе полости. Генератор газа 5 имеет два механизма инициации 7, каждый из которых содержит капсюль 8, боек 9, застопоренный пружинной 10. Хвостовик бойка 9 через штырь 11, который размещен коаксимально корпусу внутри трубки 12, сопрягается с приемным элементом 13, воспринимающим воздействие фронта воздушной ударной волны 14. Приемный элемент 13 может быть выполнен в том числе в виде усеченного конуса. Для реализации сосредоточенной схемы подачи газа между средним и крайними отсеками установлены гибкие, подвижные перегородки 15, 17 типа «пыж»: внутренний пыж 15 и внешний пыж 17. Перед внешним пыжом 17 установлен рассекатель 16. Торцовые выходы из корпуса 1 закрываются разрушаемой диафрагмой 18. Для предотвращения несанкционированного или случайного нарушения целостности диафрагмы 18 торцы УЛВ закрываются крышкой 19.

Кроме того, на каждом торце корпуса дополнительно установлен отсек, имеющий одинаковый диаметр с основным корпусом, который не заполняется порошком и обеспечивает увеличение скорости выброса первых порций порошка из УЛВ, повышая таким образом эффективность формирования пылевого облака из пламегасящего порошка.

Также для повышения эффективности формирования пылевого облака на внутренней поверхности дополнительного отсека установлены винтообразные направляющие, обеспечивающие закручивание выбрасываемой массы порошка.

Наряду с этим для повышения эффективности формирования пылевого облака приемный элемент 13 механизма инициации, воспринимающий воздействие ударной волны взрыва, выполнен в форме усеченного конуса. При выбросе порошка из корпуса происходит обтекание конуса массой порошка и создаются условия для лучшего его распыления по сечению выработки.

Кроме того, для повышения дальности выброса порошка из УЛВ торцевые выходы корпуса устройства перекрыты внешней подвижной перегородкой 17 типа «пыж», однотипной с внутренней перегородкой. Внешняя перегородка «запирает» порошок в корпусе УЛВ и позволяет реализовать минометную схему выброса порошка из устройства.

Кроме того, крышка 19, защищающая диафрагму от несанкционированного разрушения (случайного или преднамеренного), выполнена сферической формы с эластичной вставкой в ее средней части напротив приемного элемента механизма инициации. Крышка состоит из 4-х или более секторов (перекрывающих выходное сечение), которые, как лепестки, раскрываются при выбросе порошка из УЛВ.

Кроме того, для увеличения скорости выброса порошка из УЛВ торцевые выходы корпуса устройства выполнены в форме усеченного конуса.

Функционирование предлагаемого устройства заключается в следующем. УЛВ, приведенное в рабочее состояние, находится в ждущем режиме.

В результате воздействия избыточного давления ВУВ 14, образованной при взрыве метановоздушной смеси и (или) угольной пыли, на приемный щит 13 механический импульс ударного действия через выносную штангу 11 передается на боек 9 механизма инициации 7. Боек, преодолевая сопротивление пружины 10 и сжимая ее, ударяет по капсюлю 8. Капсюль инициирует возгорание пиротехнического заполнителя генератора 5. Пиротехнический состав при горении выделяет газ, давление которого в корпусе генератора 5 за счет интенсивности сгорания состава быстро (за единицы миллисекунд) повышается до величины в 200 кг/см².

Сжатый газ, проходя через сопла 6, создает в свободном объеме генератора 5 перед внутренней перегородкой (пыжом) 15 избыточное давление, которое, воздействуя на перегородку 15, используемую в качестве пыжа, начинает сдвигать порошок, «зажатый» между перегородками 15 и 17, к диафрагме 18.

Порошок, взаимодействуя с диафрагмой 18, разрывает ее и выбрасывается из цилиндрического корпуса 1 в пространство горной выработки. Интенсивность выделения газа из генератора 5 такова, что на интервале выбрасывания порошка во все увеличивающемся объеме, освобождаемом при перемещении порошка, поддерживается избыточное давление от 20-30 кг/см² в свободном объеме генератора на начальном этапе движения до 7-10 кг/см² в выходном сечении корпуса при завершении движения порошка. При этом в объеме выработки по всему ее сечению на пути распространения фронта пламени формируется пламегасящий заслон в виде облака из взвеси выбрасываемого из 2-х корпусов огнетушащего порошка длиной не менее 30 м.

Использование предлагаемого устройства формирования пылевого облака для локализации взрывов позволяет:

- обеспечить формирование пылевого облака из огнетушащего порошка одним устройством независимо от направления прихода взрывной волны;

- увеличить массу порошка, выбрасываемого из одного устройства в объем выработки, и обеспечить требуемый удельный расход порошка для выработок различных сечений;

- отказаться от использования сосудов высокого давления и сброса воздуха в зону пожара;

- уменьшить длину штанги выносного механизма инициации, что повышает надежность срабатывания УЛВ;

- упростить техническое обслуживание и снизить эксплуатационные расходы;

- снизить вес и стоимость серийного образца УЛВ.

В целом, таким образом, обоснование возможности реализации предложенного устройства формирования пылевого облака для локализации взрывов метановоздушной и угольной пыли подтверждается всей совокупностью признаков, приведенных в описании, принципом действия и чертежами.

Образцы УЛВ прошли цикл испытаний (от стендовых до промышленных) и показали следующие основные результаты: суммарная масса выбрасываемого порошка не менее 60 кг, инерционность УЛВ ˜10 мс, масса снаряженного УЛВ ˜100 кг.

Изобретение относится к области средств, обеспечивающих повышение уровня безопасности горных выработок, и может использоваться в качестве взрыволокализующих заслонов в первую очередь в угольных шахтах, опасных по газу и пыли. Техническим результатом является повышение эффективности активного формирования пылевого облака из огнетушащего порошка, упрощение технического обслуживания и снижение эксплуатационных расходов. Корпус устройства включает три отсека, крайние из которых заполнены огнетушащим порошком, а средний отсек содержит перегородку, разделяющую его на две полости. В перегородке коаксиально корпусу закреплен газогенератор, выделяющий газ, не поддерживающий горение, через сопла в свободные объемы обеих полостей. Генератор включает два механизма инициации, каждый из которых содержит капсюль и боек, заблокированный пружиной. Хвостовик бойка через штырь сопряжен с приемным элементом, воспринимающим воздействие избыточного давления взрывной волны. Для формирования свободных объемов в полостях перед порошком и реализации сосредоточенной схемы подачи газа между средним и крайними отсеками установлены внутренние непроницаемые, гибкие, подвижные перегородки. На торцевых выходах установлены внешние, непроницаемые, гибкие, подвижные перегородки. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство формирования пылевого облака для локализации взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли, содержащее заполненный пламегасящим порошком корпус, имеющий на выходе легко разрушаемую диафрагму, рассекатель, камеру высокого давления, размещенную коаксиально корпусу, систему подачи газа в корпус с порошком и механизм инициации, отличающееся тем, что корпус устройства разделен на три отсека, крайние из которых заполнены пламегасящим порошком, а средний разделен на две полости перегородкой, в которой соосно корпусу размещен газогенератор с соплами, направленными в обе полости, с возможностью выделения газа высокого давления в эти полости и сосредоточения его в свободном объеме перед порошком, при этом генератор включает два механизма инициации, каждый из которых содержит капсюль и боек, застопоренный пружиной, хвостовик которого через штырь, размещенный внутри трубки коаксиально корпусу, сопряжен с приемным элементом, в корпусе между средним и крайними отсеками установлены внутренние, непроницаемые, гибкие перегородки с возможностью их перемещения к выходному торцу, а выходные торцы корпуса защищены сбрасываемой крышкой.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на торцах корпуса установлены два незаполняемые порошком отсека, имеющие диаметр, равный диаметру корпуса, и обеспечивающие увеличение скорости выброса из УЛВ первой порции порошка.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отсеки на торцах корпуса выполнены с винтообразными направляющими по внутренней поверхности отсека.4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что приемный элемент, воспринимающий воздействие взрывной волны, выполнен в форме усеченного конуса.5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что торцевые выходы в крайних отсеках, заполненных пламегасящим порошком, перекрыты внешней гибкой подвижной перегородкой типа «пыж», однотипной с внутренней перегородкой, установленной перед порошком.6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что крышка, защищающая торцы корпуса от несанкционированного проникновения, выполнена сферической формы с эластичной вставкой в ее средней части напротив приемного элемента механизма инициации.7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отсеки на торцах корпуса выполнены в форме усеченного конуса.