СИСТЕМА ЛОКАЛИЗАЦИИ И ПОДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВОВ МЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ И/ИЛИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Российский патент 2010 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к области горного дела, в частности к способам и устройствам взрывозащиты и противопожарной безопасности в шахтах.

Подавляющее большинство взрывов в шахтах происходит при первичном воспламенении метана и/или других горючих газов, которые при детонации взметывают угольную пыль, поджигают ее. Развитие взрывного процесса угольной пыли далее может идти самостоятельно или с участием горючих газов до того, как будут полностью расходованы их запасы.

Согласно «Правилам безопасности в угольных шахтах ПБ 05-618-03, 2004 г.» основными средствами локализации взрыва метаногазовоздушной смеси и угольной пыли в горных выработках являются сланцевые и водяные заслоны различного устройства.

Поскольку для их срабатывания необходимо воздействие ударной волны достаточно высокой интенсивности, их, как правило, устанавливают на сравнительно больших расстояниях (60…300 м) от потенциальных очагов взрыва. При этом имеет место значительное развитие взрывного процесса, сопряженного с образованием больших количеств оксида углерода, разрушением горных выработок и оборудования, а также травматизмом и гибелью горнорабочих.

Более того, обладая большой инерционностью, заслон не гарантирует распределение взрывоподавляющей концентрации огнетушащего вещества во всем защищенном пространстве.

Этих нежелательных последствий взрыва попытались избежать при использовании для его локализации разрабатываемых у нас в стране и за рубежом заслонов принудительного действия, автоматических взрывоподавительных устройств, способных погасить взрыв в начальной стадии его возникновения непосредственно у источника воспламенения взрывчатой пыли, метановоздушной смеси и, тем самым предупредить его распространение по выработкам на большом расстоянии (РД - 05-94-95, §253-260). Однако, сохранив принцип реагирования на взрыв, сохранились те же недостатки. По этому поводу есть категоричные высказывания специалистов о том, что, прежде всего, физика и химия взрыва решительно отличаются от процессов горения, поэтому ни огнетушащие вещества, ни огнетушащая техника, абсолютно не пригодны и не приспосабливаемы для борьбы со взрывами.

Стоит особо отметить, что этот «принцип» при скоротечности взрывного процесса и инерционности исполнительного устройства не позволяет своевременно проинформировать шахтеров об опасности, в результате чего до 70% рабочих гибнет не от увечий в результате действия ударной волны, а от отравления продуктами взрыва, не успев использовать средства индивидуальной защиты.

Опыт эксплуатации водяных заслонов на шахтах России и за рубежом показал их низкую надежность и неэффективность локализовать взрыв в загазованных выработках (С.А.Телятников «Взрывозащита конвейерных выработок», автореферат), т.к. они начинают функционировать в ответ на появление взрыва метана и/или угольной пыли, когда процесс уже начал распространяться и не реагируют на дефрагментарное горение. Водяные и сланцевые заслоны, в зависимости от длины пути, могут сработать раньше подхода фронта волны, либо их запаса может не хватить для подавления взрыва или пламени большой мощности.

Известны устройства, осуществляющие автоматическую локализацию и подавление взрывов метано-газовоздушных смесей (патент РФ №2278270, МПК E21F 5/00, опубл.20.06.2006). Устройство включает датчики контроля ударной волны и открытого пламени. Датчики связаны со средствами разгазирования, препятствия и подавления распространения пламени ударной волны на определенном участке. Это устройство основано на детектировании и подавлении уже появившихся в атмосфере продуктов пламени и взрыва и не обладает достаточной надежностью для людей и оборудования в горной выработке.

Известны варианты устройств, с помощью которых осуществляется способ-прототип (патент РФ №2342535, МПК E21F 5/00, опубл.27.12.2008). Устройства выполнены в виде конусного корпуса с центральным размещением в нем сферического подвижного механизма для срабатывания устройства и изоляции его от внешней среды, в котором за счет применения во взаимодействующих узлах противокомпрессорных каналов, сообщающихся с атмосферой, используется сжатый воздух для подачи инертного газа для образования взрыволокализующих заслонов при срабатывании от детектирующего устройства в виде выносной металлической штанги с приемным щитом, принимающим на себя силу ударной волны и воздействующим на срабатывание заслона.

Это устройство не реагирует на дефлаграционное горение газов, сложно по конструкции, требует постоянного наблюдения за его рабочим состоянием и, главное, срабатывает только на появление ударной волны. Это снижает надежность работы таких устройств, а в зонах свободного дефлаграционного горения в ограниченном объеме они не работают.

Таким образом, основной задачей предлагаемой системы локализации и взрывоподавления является повышение надежности и эффективности пожаровзрывозащиты горных выработок и готовности шахтеров к индивидуальной защите от последствий при дефлаграционном и детонационном горении метановоздушных смесей и/или угольной пыли за счет определения периода формирования угрозы взрыва путем регистрации параметров нижнего предела взрываемости и опережающем взрыв включении устройств взрывоподавления, предупреждения, локализации и гашения ударной волны.

Поставленная задача решается тем, что в системе локализации и подавления пламени и взрыва метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли, включающей устройство автоматической регистрации состояния атмосферы в сети горных выработок путем регистрации показателей концентраций метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли до концентраций нижнего предела взрываемости с помощью устройства автоматической регистрации составляющих атмосферы и устройства локализации взрывов и пожара, предлагается в устройство автоматической регистрации состояния показателей составляющих атмосферы - метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли включить датчик метана, датчик окиси углерода, датчик водорода, датчик кислорода, датчик пыли и датчик температуры, которые по линиям электрической связи передают сигналы измеряемых значений параметров атмосферы в вычислительное устройство, управляющее работой заслона, срабатывающего на регистрацию по меньшей мере одним из датчиков показателя нижнего предела взрываемости атмосферы и локализующее взрыв заслоном.

При этом в него дополнительно включен узел контроля управления взрывоподавляющим заслоном, подключенный к сети пожарооросительного водоснабжения шахты, а также узел предупредительной сигнализации взрывоопасности по сети горных выработок и устройства горного диспетчера.

Схема системы локализации и подавления взрывов в горных выработках приведена на чертеже.

Система включает устройство датчиков автоматической регистрации показателей шахтной атмосферы, которые устанавливаются в местах возможного возникновения взрывов и пожара. В устройство входят датчики метана - 1, окиси углерода - 2, водорода - 3, кислорода - 4, угольной пыли - 5 и температуры 6, т.е. основных показателей взрывоопасности, которые по линиям электрической связи передают сигналы измеренных значений параметров атмосферы в вычислительное устройство 7. Устройство 7 запрограммировано по каждому каналу датчиков на определенные показатели атмосферы таким образом, что при подходе хотя бы одного показателя к заданному нижнему пределу взрываемости, т.е. при угрозе взрыва, оно выдает команду на включение гидравлического узла управления 8 заслоном-завесой 9, выполненным в виде труб с распылителями, например, в виде дренчерных труб с форсунками, размещенных по периметру горной выработки, которая может быть дополнена лабиринтной преградой в виде лабиринтно-тканевой завесы или лабиринтно-сетчатых перегородок. Вода под давлением от насоса из сети 10 пожарного водоснабжения через узел управления 8 направляется в оросительную завесу и лабиринтную преграду, образующие заслон 9 (взрыволокализующее устройство) и распыляет взрывоподавляющую концентрацию по всему поперечному сечению горной выработки и в местах установки лабиринтной преграды, которая может быть выполнена в виде лабиринтно-сетчатых перегородок, каждая из которых перекрывает 2/3 сечения горной выработки. Контроль за работой заслона производится сигнализирующим устройством 11 (манометром), присоединенным к вычислительному устройству 7. Одновременно вычислительное устройство 7 формирует предупредительную сигнализацию 12 по сети горных выработок, возможного прохождения ударной волны взрыва и продуктов взрыва, и на устройство горного диспетчера 13, а также команду на управление средствами проветривания 14.

Гидравлические параметры заслона 9 рассчитываются с учетом конкретных горно-технических условий горной выработки и максимально возможного объема взрывоопасной среды в потенциально опасных зонах и не ограничены для срабатывания повторных воспламенений и взрывов.

Интенсивность, глубина подачи огнетушащего вещества и параметры лабиринтной преграды рассчитываются из условия подавления взрывного горения и разлета высокотемпературных продуктов взрыва.

Заслон завеса будет работать до тех пор, пока не будет ликвидирована взрывопожароопасная ситуация в опасной зоне горной выработки и отключена автоматически дистанционно или вручную.

Средства системы позволяют проводить регламентные проверки работоспособности и аварийное включение (отключение) узла управления заслона-завесы дистанционно с диспетчерских устройств 13 на поверхности или с места 8 в горной выработке.

Вычислительное устройство 7 при возникновении аварийной ситуации (включении взрыволокализующего устройства) посылает предупредительную сигнализацию по сети выработок, где могут распространиться продукты горения, и на устройство горного диспетчера. Кроме этого, для нормализации атмосферы в опасной зоне вычислительное устройство формирует команды на управление устройствами, участвующими в этом процессе.

Ниже приведены примеры реализации способа в следящем режиме.

Пример 1. В потенциально опасных местах горной выработки датчиками 1-4 контролируются параметры горючих газов (метан СН₄; оксид углерода СО; водород Н), а также кислород О₂. Каждый датчик выдает сигнал, по которому вычислительное устройство (ВУ) 7 рассчитывает текущие значения концентрации по объему этих газов и расчетным путем по специальной программе определяет взрываемость газовой смеси с помощью треугольника взрываемости [1]. В случае возникновения опасности взрыва, т.е. расчетная точка смеси горючих газов попадает в площадь соответствующего расчетного треугольника взрываемости, ВУ подает команду в коммуникационный аппарат узла управления 8 взрыволокализующим устройством-заслоном 9, рассчитанным на гашение фронта пламени и ударной волны взрыва. Узел управления 8, открываясь, пропускает воду в заслон-завесу из пожарно-оросительного трубопровода, проложенного в этой выработке или подает другой ингибитор или флегматизатор и предотвращает взрывную волну до ее возникновения.

Пример 2. В потенциально опасных местах горной выработки контролируются параметры горючих газов (метан CH₄; оксид углерода СО; водород Н). При достижении какого-либо из этих газов концентрации 50% об. от нижнего предела взрываемости (НПВ) [2] СН₄ - 2,5% об. Н - 2% и СО - 6% ВУ 7 подает команду в коммуникационный аппарат гидравлического узла управления 8 взрыволокализующим устройством-заслоном 9, рассчитанным на гашение фронта пламени и ударной волны взрыва. Узел управления 8 пропускает воду в завесу из пожарно-оросительного трубопровода, проложенного в этой выработке, и упреждает взрывоопасную ситуацию.

Пример 3. В потенциально опасных местах горной выработки контролируются параметры метана СН₄ и кислорода О₂, так как при определенных значениях метана СН₄ и кислорода О₂ их смесь является взрывоопасной. Значения концентрации по объему метана СН₄ и кислорода O₂ передаются на ВУ, которое расчетным путем по специальной программе определяет взрываемость смеси с помощью треугольника взрываемости [3]. В случае возникновения опасности взрыва, т.е. расчетная точка метана СН₄ и кислорода О₂ попадает в площадь треугольника взрываемости, ВУ подает команду в коммуникационный аппарат узла управления 8 взрыволокализующим устройством-заслоном, рассчитанным на гашение фронта пламени и ударной волны взрыва. Узел управления 8 пропускает воду в завесу из пожарно-оросительного трубопровода, проложенного в этой выработке, или направляет флегматизатор в лабиринтно-сетчатую преграду и упреждает взрывоопасную ситуацию.

Пример 4. В потенциально опасных местах горной выработки контролируются параметры запыленности воздуха и горючего газа метана СН₄. Так, при разных значениях концентрации метана нижний предел взрываемости (НПВ) угольной пыли меняется, например, при СН₄=0% об. НПВ угольной пыли - 40 г/м, при СН₄=0,5% об. НПВ угольной пыли - 30 г/м³, а при СН₄=2% об. НПВ угольной пыли - 10 г/м. Таким образом, значения запыленности воздуха и концентрации метана СН₄ передаются на ВУ 7, которое при достижении показателя запыленности воздуха ниже НПВ угольной пыли при соответствующем значении газа метана СН₄ формирует команду в коммуникационный аппарат узла управления взрыволокализующим устройством, рассчитанным на гашение фронта пламени и ударной волны взрыва. Узел управления, открываясь, пропускает воду в завесу из пожарно-оросительного трубопровода, проложенного в этой выработке, или другой ингибитор или флегматизатор, и упреждает взрывы и пожар.

Пример 5. В потенциально опасных местах горной выработки контролируются параметры температуры воздуха. Повышение температуры является признаком эндогенного или экзогенного пожара, который может являться источником зажигания для метановоздушной и пылевоздушной смесей, поэтому при достижении датчиком температуры плюс 40°С и выше, ВУ формирует команду в коммуникационный аппарат узла управления взрыволокализующим устройством, рассчитанным на гашение фронта пламени и ударной волны взрыва. Узел управления 8 пропускает воду в завесу из пожарно-оросительного трубопровода, проложенного в этой выработке, и упреждает взрывы и пожар.

Пример 6. Функционально система предусматривает с помощью этого же взрыволокализующего устройства осуществлять мероприятия по предупреждению взрывов угольной пыли [3], т.е. обмыв и смачивание угольной пыли, находящейся на почве, крепи, бортах и кровле выработки на длину взрывобезопасной зоны. Длина этой зоны определяется из горнотехнических условий выработки и устанавливается такой, чтобы погасить в ней за счет отсутствия горючего фронт пламени взрыва. Периодичность включения может быть 1 раз в смену (сутки) или больше, в зависимости от интенсивности запыленности воздуха. При этом ВУ формирует команду на управление узлом управления 8 взрыволокализующего устройства 9, но с меньшей интенсивностью орошения и времени работы.

Такой новый подход обнаружения угрозы взрыва в сетях горных выработок по показаниям критических значений показателей приборов взрывоопасности, который в то же время не доводит до появления самих продуктов горения и взрывов, а также использование в качестве взрывоподавляющего вещества воды и других огнегасящих средств из сетей пожарного водоснабжения, которые можно использовать в любых необходимых количествах без каких-либо ограничений, позволяет существенно повысить пожаро-взрывобезопасность в шахтах, спасти не только от пожаров, но и от удушья продуктами горения горнорабочих в шахтах, а также значительно снизить затраты на взрывоподавление и усовершенствовать систему оповещения о приближении взрывоопасной ситуации.

Используемая литература

1. Устав военизированной горноспасательной части (ВГСЧ) по организации и ведению горноспасательных работ на предприятиях угольной и сланцевой промышленности, Москва, 1997.

2. ПБ 08-662-03 Правила безопасности для газоперерабатывающих заводов и производств.

3. А.Е.Умнов и др. «Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях», изд. Недра, 1990.

4. А.А.Мясников, С.П.Старков, В.И.Чикунов «Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах», М.: Недра, 1985.

Изобретение относится к области горного дела, в частности к системам взрывозащиты и противопожарной безопасности в шахтах. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности пожаровзрывозащиты горных выработок путем образования заслона на пути распространения взрывов и пламени до появления продуктов горения. Система включает устройство автоматической регистрации состояния показателей составляющих шахтной атмосферы - метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли. Устройство содержит датчики метана, окиси углерода, водорода, кислорода, пыли и температуры. Датчики, регистрирующие практически все взрывоопасные параметры, автоматически передают измеряемые значения параметров в вычислительное устройство, управляющее работой заслона. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система для осуществления способа локализации и подавления пламени и взрыва метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли, включающая устройство автоматической регистрации состояния атмосферы в сети горных выработок путем регистрации показателей концентраций метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли до концентраций нижнего предела взрываемости с помощью устройства автоматической регистрации составляющих атмосферы и устройства локализации взрывов и пожара, отличающаяся тем, что в устройство автоматической регистрации состояния показателей составляющих атмосферы - метано-газовоздушных смесей и/или угольной пыли включены датчик метана, датчик окиси углерода, датчик водорода, датчик кислорода, датчик пыли и датчик температуры, которые по линиям электрической связи передают сигналы измеряемых значений параметров атмосферы в вычислительное устройство, управляющее работой заслона, срабатывающего на регистрацию по меньшей мере одним из датчиков показателя нижнего предела взрываемости атмосферы, и локализующее взрыв заслоном.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в него дополнительно включен узел контроля управления взрывоподавляющим заслоном, подключенный к сети пожаро-оросительного водоснабжения шахты, а также узел предупредительной сигнализации взрывоопасности по сети горных выработок и устройства горного диспетчера.