СИСТЕМА ПЫЛЕГАЗОПОДАВЛЕНИЯ, ПРОВЕТРИВАНИЯ И ПОЖАРОТУШЕНИЯ ПРИ КРУПНОМАСШТАБНЫХ НАЗЕМНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВАХ, ЭНДОГЕННЫХ И ОТКРЫТЫХ ПОЖАРАХ НА ТРУДНОДОСТУПНЫХ ОБЪЕКТАХ И БОЛЬШИХ ПЛОЩАДЯХ Российский патент 2015 года по МПК E21F5/14 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с пылью и газами при массовых взрывах в шахтах, на карьерах, в горных породах любой категории прочности и степени обводненности, а также при пожаротушении больших площадей крупных стационарных и труднодоступных объектов.

Известен способ пылегазоподавления при массивных взрывах при проведении горных работ в подземных условиях, включающий бурение шпуров в забое с последующим размещением в них зарядов BB, нагнетанием воды и уплотнением устья шпура. После взрыва зарядов ВВ вода орошает пылевое облако и продукты взрыва, образованные в процессе разрушения массива пород горных [1].

Недостатком этого способа является низкая эффективность пылегазоподавления ввиду ограниченного количества воды, содержащейся в шпуре, и низкой степени диспергации воды.

Известен способ пылегазоподавления при массовых взрывах при проведении горных работ, включающий перекрытие жидкостной завесой пылегазового облака, образованного при взрывах зарядов ВВ в массиве горных пород, путем вытеснения жидкости из емкостей посредством генераторов давления [2].

Недостатками данного способа являются локальное воздействие на площадь карьера (небольшая площадь и дальность водяной завесы), наличие громоздкого оборудования на уступах карьера и низкая эффективность при производстве крупномасштабных массовых взрывов в шахтах и карьерах.

Задачей изобретения является повышение степени пылегазоподавления при крупномасштабных взрывах, проветривания глубоких карьеров и горных выработок за счет увеличения динамики трехфазных потоков, объемов тонкодисперсных водяных завес и площади перекрытия пылегазового облака на открытых и подземных работах, а также повышения эффективности пожаротушения на больших и труднодоступных объектах.

Поставленная задача достигается тем, что предложенная система пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, крупномасштабных взрывах, открытых, подземных, как эндогенных, так и экзогенных пожаров на труднодоступных объектах и больших площадях, характеризующаяся тем, что она содержит:

- первый блок, состоящий из шахтного поля (а) с отработанными камерами (1) и горными выработками(2) карьера (б), водоносного горизонта (7), дренажного комплекса (5), соединенные в единую систему, имеющую выходы в открытое пространство;

- по меньшей мере, один второй блок для формирования трехфазного потока, смонтированный на выходе в открытое пространство и состоящий из эжекторного устройства (18), в состав которых входит турбокомпрессор (22), криогенная установка (24), аккумулятор давления (26), криогенная камера с встроенным на выходе соплом Лаваля (28);

- третий блок управления очередностью включения в работу узлов системы;

- отработанные камеры (1) сообщаются с водоносным горизонтом (7) и служат емкостями для хранения воды, подаваемой в эжекторную установку (18) для формирования трехфазной завесы (31) над взрывами пылегазовыми выбросами и (или) доставки трехфазной смеси в очаг возгорания.

В другом варианте система пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, крупномасштабных взрывах, открытых, подземных как эндогенных, так и экзогенных пожарах на труднодоступных объектах и больших площадях, характеризующаяся тем, что она содержит:

- первый блок, состоящий из шахтного поля (а) с отработанными камерами (1) и

горными выработками, карьера (б), водоносного горизонта (7), дренажного комплекса (5), соединенные в единую систему, имеющую выходы в открытое пространство (17);

- по меньшей мере, один второй блок для формирования трехфазного потока, смонтированный на выходе в открытое пространство и состоящий из эжекторного устройства(устройств) (18), в состав которых входит турбокомпрессор (22), криогенная установка (24), аккумулятор давления (26), соединенный с камерой (25), на выходе которой смонтировано сопло Лаваля, - аккумулятор давления (29), имеющий на выходе поворотную насадку (49) с соплом Лаваля (28);

- третий блок контроля и управления очередностью включения в работу узлов системы;

- отработанные камеры (1) сообщаются с водоносным горизонтом (7) и служат емкостями для хранения воды, подаваемой в эжекторную установку (18) для формирования трехфазной завесы (31) над взрывом, пылегазовыми выбросами и (или) доставки трехфазной смеси в очаг пожара

Варианты системы имеют исполнения, улучшающие их работу.

Система, в которой шахтное поле (а) имеет горизонтальные и вертикальные выработки, через которые проложены магистрали для транспортирования воды из водоносного горизонта (7) в отработанные камеры, а также магистрали для подачи воздуха, служащие компонентами многофазной рабочей среды для пылегазоподавления и (или) пожаротушения, причем для формирования трехфазного потока добавляются реагенты, твердая фаза формируется кристаллами льда, а газообразная - высокоскоростным и низкотемпературным водовоздушно-кристаллическими потоками.

Система, в которой шахтное поле связано с карьером посредством горных выработок, которые соединены с дренажными комплексом и генераторами формирования трехфазных потоков, включающих турбокомпрессор, криогенную установку, газодинамические аккумуляторы давления и эжекторные устройства для формирования сверхзвукового трехфазного потока, тонкодисперсных завес, блок управления содержит датчики контроля состояния воздушной среды, атмосферы шахты, карьера, очага пожара, взрыва.

Система, в которой выход рабочей полости турбокомпрессора (22) связан с начальной зоной криогенной установки (24), снабженной криогенной камерой (25) выполнена по крайней мере, цилиндрической, спиральной формы, изготовленной из прочного термостойкого материала, и имеющую продольную протяженность до выхода из криогенной установки, причем выход камеры оборудован соплом Лаваля для создания сверхзвукового низкотемпературного газового потока, причем вход криогенной камеры (25) соединен с первым аккумулятором давления (26), установленным коаксиально криогенной установке (24).

Система, в которой выход второго аккумулятора давления (29) для формирования сверхзвукового высокотемпературного газового потока расположен над выходом криогенной камеры(25), обеспечивая положение зоны высокотемпературного газового потока над зоной низкотемпературного трехфазного потока.

Система, в которой аккумуляторы давления выполнены секционными по типу револьверного магазина и смонтированы с возможностью шагового поворота с остановками, по крайней мере, на время выработки порохового заряда в одной секции этих аккумуляторов.

Система, в которой криогенная камера (25) смонтирована с возможностью пошагового поворота с остановкой, по крайней мере, на время выработки порохового заряда в одной из секций аккумулятора давления(26).

Система, в которой она имеет средства (21, 23, 30) для подачи в турбокомпрессор (22) воды из отработанных камер (1), загрязненного воздуха из выработанного пространства (23) и реагентов стимулирующих кристаллообразование по меньшей мере твердой углекислоты, йодистого серебра.

В другом варианте способ пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, крупномасштабных взрывах, открытых, подземных, как эндогенных, так и экзогенных пожаров на труднодоступных объектах и больших площадях, заключающийся в том, что осуществляют следующие операции:

- формируют один низкотемпературный трехфазный поток или

- формируют два потока, один низкотемпературный трехфазный, другой газовый высокотемпературный;

- низкотемпературный поток или низкотемпературный и высокотемпературный потоки подают над взрывом пылегазовым облаком или очагом пожара одновременно или с задержкой по времени относительно времени инициирования взрыва;

- подачу высокотемпературного газового потока осуществляют над низкотемпературным трехфазным потоком.

Способ, в которой водовоздушно-кристаллический поток на выходе из турбокомпрессора (22) подвергается воздействию ультразвуковых колебаний в диапазоне 10-1500 кГц, а в воду добавляют реагенты N₂CO_3.N_a2SiO_2.

Способ, в котором водовоздушно-кристаллический поток на выходе из турбокомпрессора (22) подвергают воздействию электрических разрядов или электромагнитной импульсной обработке от накопителей энергии таких как емкостные, или индуктивные накопители причем при магнитно-импульсной обработке индукция магнитного поля составляют порядка 0,5-1,5 Тл, длительность импульсов от 10^-2-10^-8 с.

Способ, в котором запас воды приближают к возможным очагам возгорания, взрыва, пылегазовыделения путем ее подачи из водоносного горизонта в отработанные камеры.

Способ, в котором запасы воды приближают к возможному очагу возгорания, взрыва, пылегазовыделения путем ее подачи из водоносного горизонта в искусственные или естественные емкости.

Изобретение поясняется схемами, на которых на фиг. 1 показан совмещенный план шахтного (а) и карьерного полей (б). Шахтное поле представлено отработанными камерами 1 и горными выработками 2, штреками и квершлагами. На плане карьерного поля показаны нерабочие борта 3, граница предельного контура карьера 4, дренажный комплекс 5 и генераторы многофазного (твердого, жидкого, газообразного) потока 6. Шахтное поле связано с карьером посредством горных выработок 2, которые соединены с

дренажным комплексом 5 и генераторами формирования трехфазных потоков 6.

На фиг. 2 показаны в разрезе покрывающие породы, пространственное расположение водоносного горизонта, положение горизонтов шахты и карьера, подземные горные выработки, например, при камерно-столбовой системе разработки, а также отработанные камеры и отдельные элементы дренажного комплекса.

Нижележащий водоносный горизонт 7 по отношению к покрывающим породам 8 расположен над отработанными 1 и рабочими камерами 9 в рудном массиве 10, между которыми имеются междукамерные целики 11. На земной поверхности установлено дренажное оборудование 12, соединенное, например, с нижележащими горизонтами -25 м, -75 м, -125 м, -175 м, -225 м (позиции 13) посредством скважины 14, которая, в свою очередь, связана с камерами 1. Для предотвращения прорыва воды в рабочие камеры 9 из скважины 14 в местах сопряжения рабочих и нерабочих зон установлены защитные гидроизоляционные перемычки 15. В рабочем пространстве горизонтальных выработок 13 расположена протяженная система пылегазоподавления и проветривания 16, сообщающаяся с открытым пространством зоны карьера 17 посредством эжекторных устройств 18, и системы формирования трехфазных потоков тонкодисперсных завес 19.

На фиг. 3 изображена система формирования трехфазного потока с целью создания тонкодисперсной завесы для пылегазоподавления при крупномасштабных массовых взрывах. Данная система установлена на станине 20, которая расположена на почве горной выработки 13. Скважина 21 соединена с рабочей полостью турбокомпрессора 22 (с возможностью регулирования объема подаваемой воды), которая подается в выработанное пространство 23. Выход рабочей полости турбокомпрессора 22 связан с начальной зоной криогенной установки 24 посредством фланцевого соединения (на фиг. 3 не показано). Криогенная установка 24 снабжена камерой 25 цилиндрической, спиральной или другой формы. Коаксиально криогенной установке 24 расположен газодинамический аккумулятор давления 26. В качестве газодинамического генератора можно использовать пороховые аккумуляторы давления (ПАД). Газы, выходящие из газодинамического генератора, истекают со скоростью не менее 2000 м/с [3]. Выход аккумулятора давления 26 коаксиально соединен с замкнутым пространством 27 посредством криогенной камеры 25 (цилиндрической или другой формы, изготовленной из прочного термостойкого материала), имеющей продольную протяженность до выхода из криогенной установки 24. Причем участок выхода камеры 25 для создания сверхзвукового низкотемпературного газового потока может быть обеспечен возможностью оборудования его соплом Лаваля 28. На выходе криогенной установки 24 коаксиально внешней рабочей поверхности расположен, например, пороховой аккумулятор давления (ПАД) 29, для формирования сверхзвукового высокотемпературного газового потока. Причем выходной участок формирователя трехфазного потока 28 для создания градиента температуры от (ПАД) 29 снабжен диффузором 32, который расположен над выходной частью формирователя трехфазного потока.

На фиг. 4 показана система управления пылегазоподавлением и проветриванием глубоких карьеров и шахт при крупномасштабных массовых взрывах. Она состоит из следующих основных элементов:

- промышленного компьютера с операционной системой реального времени Vx Work RTLinux 33;

- А/Ц преобразователей для локальных датчиков 34, 35, 36 и исполнительных устройств 37и, 38и, 39и, 40и;

- исполнительных устройств силовых агрегатов: для турбокомпрессора 40, криогенной установки 24, газодинамических аккумуляторов давления 26, сервоприводов управления положения сопел Лаваля 41;

- локальных датчиков скорости и температуры газовых потоков 34;

- локальные пылемеры 36 типа CIP-10;

- мультигазовых датчиков типа ТХ652 или ТХ6523 с «интеллектуальными» газо-чувствительными модулями: инфракрасные газовые сенсоры 35, электрохимические сенсоры 36, термокаталитические сенсоры 49;

- микропроцессоров (12-тибитный А/Ц преобразователь сигнала) 42;

- акустооптических спектрометров (для оперативного измерения в реальном

времени концентрации вредных газов 43 и тонкодисперсных частиц 44 в больших объемах и на больших площадях);

- лазерных анализаторов состава атмосферы (осуществляет измерение в реальном времени больших объемов и скорости пылегазовых выбросов) с управлением по оптоволоконным линиям связи и/или радиосигналу 45;

-центральный пункт управления для контроля разнесенных элементов системы с телеметрическими датчиками 46,47.

Система дополнительно снабжена программным комплексом, например, «Мониторинг» или другим программным комплексом. При этом вышеуказанные датчики и исполнительные устройства подключены через блок аналого-цифрового преобразователя 42 и шину 48 (марки RS 485) к промышленному компьютеру 33, например, к компьютеру с операционной системой реального времени Vx Work RTLinux, выход которого через управляющую шину типа CANBUS, MODBUS подсоединен к исполнительным устройствам. В качестве исполнительного блока 40и используют также формирователь импульсов управления, выход которого через механизм перемещения, соединен с сервоприводом управления сопел Лаваля.

Система пылегазоподавления проветривания и пожаротушения при крупномасштабных наземных и подземных взрывах, эндогенных и открытых пожарах на труднодоступных объектах и больших площадях работает следующим образом.

В результате перепада давления (фиг. 2) вода между вышележащими и нижележащими горизонтами поступает в отработанные камеры по трубопроводам 16, расположенных в выработках 13. При этом для предотвращения прорыва воды в рабочую зону на сопряжении рабочих и нерабочих зон устанавливают защитные гидроизоляционные перемычки 15. Отработанные камеры 1 используют в качестве аккумулирующих емкостей для воды, которые соединены с системами формирования трехфазных потоков, имеющих выход к открытому пространству зоны карьера 17 посредством эжекторного устройства 18.

Из выработанного пространства 23 (фиг. 3) поступает загрязненный воздух на вход работающего турбокомпрессора 22. Из скважины 21 подается вода в рабочую зону турбокомпрессора 22, где она диспергируется до мелкодисперсного состояния. Для формирования трехфазного потока по скважине 30 подаются реагенты. Твердая фаза формируется кристаллами льда, а газообразная - высокоскоростным низкотемпературным воздушно-газовым потоком. В настоящее время наиболее широкое применение нашли два реагента: твердая углекислота и йодистое серебро, которые используются для воздействия на естественные переохлажденные мелкодисперсные фракции капель воды с целью инициировать их кристаллизацию и вызвать выпадение осадков. Кроме того, можно использовать такие реагенты, как Na₂CO3, Na₂SiO₃ и другие.

С целью создания твердой фазы потока загрязненный воздух (фиг. 3) засасывается турбиной 22 и смешивается с водой и частицами реагента. В итоге получается тонкодисперсная пыле-воздушно-водяная смесь 31, которая подается в зону криогенной установки 24 и под воздействием напора турбины 22

этот поток продолжает движение по внутреннему пространству криогенной камеры 24. В результате охлаждения частицы укрупняются до образования кристаллического состояния и продолжают движение до устья выходного отверстия формирователя трехфазного потока. Коаксиально холодильнику расположены камеры 25 порохового аккумулятора давления (ПАД)26, которые позволяют создавать на устье холодильника сверхзвуковую скорость истечения газового потока.

Камеры ПАД, например, «револьверного типа» имеют возможность поворота по продольной оси для обеспечения перезарядки газогенератора. Охлаждение камер газогенераторов осуществляется низкотемпературным трехфазным потоком 31, который направлен к устью криогенной камеры, сообщающейся с открытой атмосферой карьера.

В результате на срезе устья криогенной камеры 24 образуется зона разряжения, в которую эжектируются конгломераты кристаллов льда и выбрасываются в открытое пространство. Одновременно на срезе (выходе) холодильника над его верхней частью расположен формирователь теплого воздушно-газового потока, который проходит через сопло Лаваля 28 и выбрасывается в открытое пространство со сверхзвуковой скоростью.

Формирование трехфазного потока зависит, главным образом, от окружающей температуры и наличия переохлажденной влаги. Первоначально в пыле-воздушно-водяной массе возникает перенасыщенная влагой область, где происходит интенсивная конденсация водяных паров на тонко дисперсных частицах пыли.

Если температура в этом образовании ниже 0°C (начальная зона криогенной установки 24, фиг. 3), то создаются условия для последующего зарождения поликристаллов льда. Это происходит при температуре около -5°C, что вызывает интенсивный процесс формирования и укрупнения мельчайших частиц поликристаллов льда. Например, начальный диаметр кристаллов меньше 75 мкм. При движении по продольной оси криогенной установки 24 под действием начального пыле-воздушно-газового потока от турбокомпрессора 22 размеры кристаллов могут превышать 200-300 мкм. Скорость воздушно-газового потока от турбокомпрессора 22 для создания необходимых размеров фракции твердой фазы, регулируется от 0 до номинальной скорости и определяется расчетным путем по соответствующей программе. Интенсивный процесс укрупнения кристаллов, как правило, происходит при температурах от -5° до -20°C. В зависимости от времени нахождения частиц в зоне криогенной камеры 25 кристаллы размером порядка 250 мкм могут достичь 1-2 мм и более. Установлено, что чем большее расстояние они проходят во внутренней полости криогенной установки, тем больших размеров они могут достигать (вплоть до нескольких сантиметров).

При сверхзвуковом истечении (фиг. 3) газового потока через сопло Лаваля 28 в выходной трубе каждого генератора водяной завесы происходит эжекция поликристаллов льда. Причем, чем больше масса кристаллов льда, тем на большее расстояние возможна доставка трехфазного потока в рабочую зону карьера за счет кинетической энергии частиц.

Для увеличения кинетической скорости ледяных фракций или тонкодисперсных фракций воды и для генерации низкотемпературного сверхзвукового газового потока, служит, например, пороховой аккумулятор давления 29 (ПАД). Он обеспечен возможностью регулирования результирующего вектора скорости по отношению к линии горизонта за счет наличия поворотных сопел Лаваля (с тремя степенями свободы).

Для создания положительного градиента температуры между нижележащим и вышележащим газовыми потоками системы используются вышележащие группы наклонных сопел Лаваля 28 по отношению к оси камеры 25 с возможностью регулирования их угла наклона относительно линии горизонта. Эти группы включаются синхронно с инициированием ПАД 29 низкотемпературного сверхзвукового газового потока. Благодаря положительному градиенту температур, имеется возможность регулирования результирующего вектора скорости частиц трехфазного потока, что, в свою очередь, позволяет создание завес в любой точке карьерного поля над взрываемыми блоками в любое заданное программой время. Поскольку температура этого газового потока гораздо выше предыдущего, то создается высокий градиент газового потока, позволяющий согласно законам баллистики доставлять твердую кристаллическую фазу потока в любую точку карьера, а при пожаротушении завесы над крупными очагами пожаров. Под воздействием так называемых «термиков» от взрывов скважинных зарядов BB частицы конгломерата льда, содержащие адсорбенты, токсичные элементы, тонкодисперсные частицы пыли, окончательно распадаются на пар, воду с адсорбентами и твердые частицы, которые, в свою очередь, (тонкодисперсные фракции пыли) коагулируются, укрупняются и выпадают в виде осадков в пределах карьерного поля [3].

Рассмотрим далее работу системы пылегазоподавления и проветривания глубоких горных выработок, например, применительно к Лебединскому карьеру.

Число массовых взрывов в год с массой ВВ превышающих 100 т может достигать более 30. За один массовый взрыв масса ВВ может составлять 800-900 т. Ветер у поверхности земли достигает 5 м/с. После подрыва всех зарядов ВВ, как показывают исследования, формируется единое газопылевое облако диаметром 3-4 км и высотой 300-400 м, содержащее до 800 т пылевых частиц размером от 1 мкм до 1 см. Объем пылегазового облака, например, при взрывании 200-300 т BB достигает 15-19,5 млн м³, начальная концентрация пыли превышает 4000 мг/м³, а визуально наблюдаемая длина его распространения по ветру достигает 15 км. При крупномасштабных массовых взрывах (около 1000 т ВВ) до опасных концентраций загрязняется до 4 млрд м³ атмосферного воздуха.

Без системы пылегазоподавления и проветривания карьера при крупномасштабных массовых взрывах пылегазовое облако размером около 15 км достигает города Старый Оскол. При этом масса выпавшей пыли составляет от 10 до 100 кг/км² или 1,4 -14 г на одного жителя, а на расстоянии 7 км до города Губкин при соответствующем направлении ветра масса выпавшей пыли составляет 150-200 кг/км² и соответственно до 3-30 г тонкодисперсной пыли (в большинстве случаев содержащей радионуклиды и другие элементы - токсиканты) на одного жителя.

Следует отметить, что согласно плану развития открытых горных работ взрывной рудоподготовке подвергается более 50 млн т.руды в год. Это постоянно требует обеспечения производства значительного объема взрывных работ и ВВ. В связи с большим объемом взрывных работ и, соответственно, выделением больших пылегазовых выбросов, с целью перекрытия данной площади тонкодисперсной водяной завесой воды, создаваемой при помощи трехфазных потоков от системы пылегазоподавления, количество подземных камер должно составлять порядка 5-10 шт. Объем камеры может достигать от 50 до 80 тыс./м³. Камеры располагают по периметру карьера в зоне предельного контура карьера и дренажной системы на расстояниях, обеспечивающих взаимное перекрытие водяных завес. Камеры соединены с системой формирования трехфазных потоков, которая, в свою очередь, включает газовый турбокомпрессор 22 (фиг. 3), криогенную установку 24, газодинамические генераторы 26, например, на базе баллиститного твердого топлива. Данные генераторы способны обеспечить формирование трехфазного потока до высоты 300-500 м и на расстояние до 2000-3000 м с последующим формированием тонкодисперсной водяной завесы над взрываемыми блоками над любой точкой карьера. В качестве генератора давления могут быть использованы, например, газодинамические генераторы на твердом ракетном топливе. Состав баллистического топлива может быть РСИ, НРСИ, но могут использоваться и другие составы, и газодинамические генераторы. В настоящее время отдельные газодинамическим генераторам от твердотопливных баллистических ракет могут быть доступны для использования в промышленности, в связи со снятием их с эксплуатации, как отслужившие свой ресурс и подлежащие утилизации и переработке. При норме 0,2 л воды на 1 м³ загрязненного воздуха для перекрытия пылегазового облака радиусом 2-2,5 км и высотой 500-600 м потребуется значительное количество воды, которое может быть размещено в 5-10 отработанных подземных камерах соседнего рудника.

Рассмотрим работу системы для условий ведения подземных горных работ, например, ОАО «КМАРуда». В процессе проходки горных выработок и взрывании комплекта шпуров с обычным зарядом 20-30 кг на взрыв в воздух поступает более 800-1000 г пыли. При массовых взрывах в камерах в воздух поступает значительно большее количество пыли, которое в выработках сечением 10-12 м² на протяжении 1 км может загрязнить воздух так, что запыленность его в десятки и более раз превысит предельно допустимые нормы. Скорость воздушной струи в подземных выработках составляет порядка 0,2 м/сек. При этом скорости пылевое облако после взрыва, например, шпуров за 1,4 ч может переместиться на 1 км от забоя и в воздухе остается до 80% взвешенной пыли. Абсолютная величина загрязненности воздуха в данном месте при стандартной забойке будет равна 77,8 мг/м³, а при применении тонкодисперсной водяной завесы 5 мг/м³ при ПДК ≈4 мг/м³.

Эффективность подавления пылегазового облака можно повысить за счет Na₂CO₃, Na₂SiO₃ с вредными газами (NO₃ и СО), содержащими полярные адсорбенты Fe₂O₃, СаО и другие.

Возможно подавление пылегазового облака с помощью водных растворов

солей кремневой кислоты с образованием силикагеля из гидрогеля, Н₂ S_IO_3, являющегося хорошим полярным адсорбентом. Тонкодисперсное распыление воды (жидкости) до состояния тумана создается дополнительно специальными установками туманнообразователями. Осаждение пыли происходит в результате конденсации паров воды на поверхности частиц пыли и соударения тончайших капелек с частицами пыли, и коагуляции, и утяжеления. Для обеспечения тонкодисперсного распыления больших объемов воды и рабочей жидкости их диспергацию можно осуществить под воздействием сверхзвукового истечения газового потока. При небольших скоростях газо-водяного потока на выходе из турбокомпрессора 22 (фиг. 3) диспергацию воды и рабочей жидкости можно также осуществлять дополнительно с помощью воздействия ультразвуковых колебаний на поток жидкости в диапазоне 18-1500 кГц. При скоростях воздушно-водяного потока близких к сверхзвуковым, его подвергают воздействию электрическими разрядами от генератора тока или электромагнитной импульсивной обработке от накопителей энергии (емкостных, индуктивных и др.).

Эффективность пылеподавления туманнообразователями достигает 90-95% при давлении воды от 0,5 мПа и сжатого воздуха от 0,6 мПа. При высоконапорном орошении происходит диспергирование жидкости, за счет чего увеличивается число капель в единице объема воздуха, поток становится более насыщенным каплями жидкости, увеличивается скорость полета капель.

Расход жидкости при высоконапорном орошении составляет 0,07-0,25 л/м³ запыленного воздуха. Эффективность очистки воздуха от пыли при высоконапорном орошении составляет до 97%, при этом повышается степень улавливания тонко-динамических частиц пыли размером 5 мкм.

Известно, что частицы пыли несут на себе заряды различных знаков. При этом напряженность электрического поля пылевого аэрозоля достигает ЗВ/м. Зная знак заряда на пылинках, капли жидкости заряжают противоположным знаком еще вначале криогенной установки 24 (фиг. 3).

При гидроакустическом орошении на пылевой аэрозоль одновременно оказывают воздействие акустические колебания, создаваемые струей жидкости на выходе турбокомпрессора 22 или сопла Лаваля 28 (фиг. 3). Для эффективного пылеподавления необходимо выдержать следующие параметры: давление воды от 1 мПа, расход жидкости от 0,2 л/м³, частота колебаний от 10 кГц. Удельная акустическая мощность от 25 Вт/м².

При электромагнитной обработке жидкости (магнитоимпульсной) параметры поля В≈1,5-2 Тл. Длительность импульсов от 10^-2 до 10^-8 с. Для создания импульсов могут быть использованы индуктивные, емкостные накопители и другие импульсные генераторы.

В условиях шахты им. Губкина Комбинат КМА руда в качестве камер для размещения жидкости (фиг. 3) могут быть использованы уже отработанные камеры размерами 50×50×30 м, которые соединены с системой пылегазоподавления, включающей турбокомпрессоры 22, криогенную установку 24, генераторы давления 26. При небольших объемах пылегазовых выбросов для диспергации жидкости и образования тумана на выходе турбокомпрессора 22 может быть применен дополнительно ультразвуковой диспергатор с частотой 10-150 кГц. В воду добавляют реагенты Na₂CO₃, Na₂SiO₃ и другие.

Для интенсивного проветривания шахты с использованием данной системы могут использоваться как вертикальные, так и горизонтальные выработки. Как для открытых, так и для подземных горных работ инициирование зарядов BB в массиве и инициирование газодинамических генераторов происходят одновременно или с паузой по времени необходимой для создания тонкодисперсной завесы двух- или трехфазного потока (от мс до нескольких минут). Время зависит от многих факторов, например, от расстояния до взрываемого блока, скорости и направления ветра, температуры окружающей среды, степени запыленности и загазованности и многих других факторов, параметры которых фиксируются соответствующими датчиками и передаются на ЦПУ.

Включение генератора водяных завес осуществляют в соответствии с программой буровзрывных работ (фиг. 4) посредством инициирования ПАД в заданный программой момент времени и с учетом момента инициирования зарядов BB по каждому блоку. При этом предпочтительно, чтобы завеса создавалась на несколько секунд ранее момента взрыва конкретных групп зарядов ВВ.

В соответствии с программой работы системы пылегазоподавления, учитывающей в совокупности все факторы и порядок производства массового взрыва, конкретно по каждому блоку на карьере или в шахте определяют порядок инициирования гидродинамических генераторов и время их работы, зависящий от расстояния до взрываемых блоков, прогнозируемого объема пылегазового и других факторов. Это позволяет создать водяные завесы различных пространственных параметров, заданных объемов с тонкодисперсным распылением воды с различными линейными размерами завесы в пределах карьерного поля или горной выработки.

Наличие единой гидравлической системы, соединенной с дренажной системой, позволяет обеспечить необходимое количество выбрасываемой воды для перекрытия пылегазового облака во всех зонах карьера или шахты при заданных объемах массовых взрывов. При пожаротушении могут использоваться также наземные гидравлические системы (открытые водоемы, каналы и пр.).

Данная система помимо интенсивного проветривания глубоких карьеров и шахт способна создавать водяные завесы объемом от 10⁴ до 10⁵ м³ степенью пылегазоподавления порядка 97-98% при снижении капитальных затрат на 40-50% по сравнению с установками, содержащими мощные вентиляторы и турбодвигатели.

Система может использоваться в решении геоэкологических проблем при добыче и переработке полезных ископаемых, где производятся крупномасштабные массовые взрывы, а также при пожаротушении на больших площадях и в труднодоступных местах [4].

Источники информации:

1. Водяная забойка шпуров. П.А. Демчук. Изд-во «Недра» 1964 г., с. 32. 2. Авторское свидетельство №1457517 СССР. Способ пылегазоподавления, 16.04.87.

2. В.Н. Анисимов, В.А. Белин, А.В. Дугарцыренов. Пылеобразование и пылегазоподавление при крупномасштабных массовых взрывах на карьерах. Горный журнал, №12, 2007.

3. В.Н. Анисимов, Е.А. Котенко, В.К. Кушнеренко, В.Н. Морозов. Пути решения геоэкологических проблем безопасной эксплуатации горнометаллургического комплекса КМА. ГИАБ, №1, 2002, стр. 105.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с пылью и газами при массовых взрывах в шахтах и на карьерах в горных породах любой категории прочности и степени обводненности, а также при пожаротушении больших площадей труднодоступных стационарных объектов. Техническим результатом является повышение степени пылегазоподавления при крупномасштабных массовых взрывах и проветривания глубоких карьеров и горных выработок. Предложена система пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, которая содержит: первый блок, состоящий из шахтного поля с отработанными камерами и горными выработками, карьера, водоносного горизонта, дренажного комплекса, соединенные в единую систему, имеющую выходы в открытое пространство; по меньшей мере, один второй блок для формирования трехфазного потока, смонтированный на выходе в открытое пространство и состоящий из эжекторного устройства, в состав которых входит турбокомпрессор, криогенная установка, аккумулятор давления, криогенная камера с встроенным на выходе соплом Лаваля; третий блок управления очередностью включения в работу узлов системы. При этом отработанные камеры сообщаются с водоносным горизонтом и служат емкостями для хранения воды, подаваемой в эжекторную установку для формирования трехфазной завесы над взрывами пылегазовыми выбросами и/или доставки трехфазной смеси в очаг возгорания. Раскрыт также способ пылегазоподавления с применением указанной системы. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, крупномасштабных взрывах, открытых, подземных, как эндогенных, так и экзогенных пожаров на труднодоступных объектах и больших площадях, характеризующаяся тем, что она содержит:
- первый блок, состоящий из шахтного поля (а) с отработанными камерами (1) и горными выработками(2) карьера (б), водоносного горизонта (7), дренажного комплекса (5), соединенные в единую систему, имеющую выходы в открытое пространство;
- по меньшей мере, один второй блок для формирования трехфазного потока, смонтированный на выходе в открытое пространство и состоящий из эжекторного устройства (18), в состав которых входит турбокомпрессор (22), криогенная установка (24), аккумулятор давления (26), криогенная камера с встроенным на выходе соплом Лаваля (28);
- третий блок управления очередностью включения в работу узлов системы;
- отработанные камеры (1) сообщаются с водоносным горизонтом (7) и служат емкостями для хранения воды, подаваемой в эжекторную установку (18) для формирования трехфазной завесы (31) над взрывами пылегазовыми выбросами и (или) доставки трехфазной смеси в очаг возгорания.

2. Система пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, крупномасштабных взрывах, открытых, подземных, как эндогенных, так и экзогенных пожарах на труднодоступных объектах и больших площадях, характеризующаяся тем, что она содержит:
- первый блок, состоящий из шахтного поля (а) с отработанными камерами (1) и горными выработками, карьера (б), водоносного горизонта (7), дренажного комплекса (5), соединенные в единую систему, имеющую выходы в открытое пространство (17);
- по меньшей мере, один второй блок для формирования трехфазного потока, смонтированный на выходе в открытое пространство и состоящий из эжекторного устройства(устройств) (18), в состав которых входит турбокомпрессор (22), криогенная установка (24), аккумулятор давления (26), соединенный с камерой (25), на выходе которой смонтировано сопло Лаваля, - аккумулятор давления (29), имеющий на выходе поворотную насадку (49) с соплом Лаваля (28);
- третий блок контроля и управления очередностью включения в работу узлов системы;
- отработанные камеры (1) сообщаются с водоносным горизонтом (7) и служат емкостями для хранения воды, подаваемой в эжекторную установку (18) для формирования трехфазной завесы (31) над взрывом, пылегазовыми выбросами и (или) доставки трехфазной смеси в очаг пожара

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что выход второго аккумулятора давления (29) для формирования сверхзвукового высокотемпературного газового потока расположен над выходом криогенной камеры (25), обеспечивая положение зоны высокотемпературного газового потока над зоной низкотемпературного трехфазного потока.

4. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что шахтное поле (а) имеет горизонтальные и вертикальные выработки, через которые проложены магистрали для транспортирования воды из водоносного горизонта (7) в отработанные камеры, а также магистрали для подачи воздуха, служащие компонентами многофазной рабочей среды для пылегазоподавления и (или) пожаротушения, причем для формирования трехфазного потока добавляются реагенты, твердая фаза формируется кристаллами льда, а газообразная - высокоскоростным и низкотемпературным водовоздушно-кристаллическими потоками.

5. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что шахтное поле связано с карьером посредством горных выработок, которые соединены с дренажными комплексом и генераторами формирования трехфазных потоков,
включающих турбокомпрессор, криогенную установку, газодинамические аккумуляторы давления и эжекторные устройства для формирования сверхзвукового трехфазного потока, тонкодисперсных завес, а блок управления содержит датчики контроля состояния воздушной среды, атмосферы шахты, карьера, очага пожара, взрыва.

6. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что выход рабочей полости турбокомпрессора (22) связан с начальной зоной криогенной установки (24), снабженной криогенной камерой (25) выполнена по крайней мере, цилиндрической, спиральной формы, изготовленной из прочного термостойкого материала, и имеющую продольную протяженность до выхода из криогенной установки, причем выход камеры оборудован соплом Лаваля для создания сверхзвукового низкотемпературного газового потока, причем вход криогенной камеры (25) соединен с первым аккумулятором давления (26), установленным коаксиально криогенной установке (24).

7. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что аккумуляторы давления выполнены секционными по типу револьверного магазина и смонтированы с возможностью шагового поворота с остановками, по крайней мере, на время выработки порохового заряда в одной секции этих аккумуляторов.

8. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что криогенная камера (25) смонтирована с возможностью пошагового поворота с остановкой по крайней мере на время выработки порохового заряда в одной из секций аккумулятора давления (26).

9. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она имеет средства (21, 23, 30) для подачи в турбокомпрессор (22) воды из отработанных камер (1), загрязненного воздуха из выработанного пространства (23) и реагентов стимулирующих кристаллообразование по меньшей мере твердой углекислоты, йодистого серебра.

10. Способ пылегазоподавления, проветривания и пожаротушения при горных разработках, крупномасштабных взрывах, открытых, подземных,
как эндогенных, так и экзогенных пожаров на труднодоступных объектах и больших площадях, заключающийся в том, что осуществляют следующие операции:
- формируют один низкотемпературный трехфазный поток или
- формируют два потока, один низкотемпературный трехфазный, другой газовый высокотемпературный;
- низкотемпературный поток или низкотемпературный и высокотемпературный потоки подают над взрывом пылегазовым облаком или очагом пожара одновременно, или с задержкой по времени относительно времени инициирования взрыва;
- подачу высокотемпературного газового потока осуществляют над низкотемпературным трехфазным потоком.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что водовоздушно-кристаллический поток на выходе из турбокомпрессора (22) подвергается воздействию ультразвуковых колебаний в диапазоне 10-1500 кГц, а в воду добавляют реагенты N₂CO₃. Na₂SiO_2.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что водовоздушно-кристаллический поток на выходе из турбокомпрессора (22) подвергают воздействию электрических разрядов или электромагнитной импульсной обработке от накопителей энергии, таких как емкостные или индуктивные накопители, причем при магнитно-импульсной обработке индукция магнитного поля составляют порядка 0,5-1,5 Тл, длительность импульсов от 10^-2-10^-8 с.

13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что запас воды приближают к возможным очагам возгорания, взрыва, пылегазовыделения путем ее подачи из водоносного горизонта в отработанные камеры.

14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что запасы воды приближают к возможному очагу возгорания, взрыва, пылегазовыделения путем ее подачи из водоносного горизонта в искусственные или естественные емкости.