Способ понижения температуры и сорбации продуктов горения и взрыва в горных выработках и туннелях и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК E21F5/14 

Настоящее изобретение предназначено для понижения температуры и сорбации продуктов горения и взрыва в подземных горных выработках и туннелях.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для локализации и сорбации продуктов горения и взрыва, которые возникают при возгораниях и при проведении взрывных работ в горных выработках и туннелях.

Проблема сорбации продуктов горения и взрыва заключается в том, что они имеют большую температуру, содержат опасные для здоровья человека вещества, а их воздействие может привести к значительным разрушениям выработки.

В качестве основного способа локализации и сорбации продуктов горения и взрыва применяются устройства, использующие воду в качестве рабочего тела или углекислотные огнетушители.

В патентах РФ в качестве такого способа и устройств предлагается использовать подвесные водяные резервуары или двойные водяные карманы, подвешенные на S-образных крюках.

В патенте РФ №2490471 «Противовзрывное заграждение из двойных водяных карманов» от 20.08.2013 года [1], описывается устройство, состоящее из множества одинаково выполненных, так называемых, двойных водяных карманов. Карманы подвешены на S-образных крюках. В боковой части карманов имеются отверстия для наполнения и слива воды. Заграждение легко монтируется и демонтируется, легко наполняется водой и в случае необходимости быстро переносится.

В патенте РФ №2154165 «Способ и устройство для подвешивания и установки взрывозаградительных водяных резервуаров в подземных горных разработках и туннелях» от 10.08.2000 года [2], описывается устройство, состоящее из водяных резервуаров на подвесных устройствах. S-образные крюки этих устройств подцепляют к крепи верхними концами, а на нижние концы крюков надевают цепи, причем в две навешенные рядом цепи вводят несколько расположенных друг над другом подвесных кронштейнов, а водяные резервуары навешивают или укладывают на поперечные балки, установленные на подвесных кронштейнах.

Основной недостаток представленных в этих патентах способов и устройств состоит в том, что в качестве наполнителя используется вода. При прохождении раскаленных газов может произойти нарушение целостности резервуара или двойного кармана с вытеканием воды на пол. Времени взаимодействия потока продуктов горения и взрыва с водой может быть недостаточно для его охлаждения. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,19 кДж энергии [3]. Время необходимое для полного поглощения тепла значительно больше времени распространения продуктов горения и взрыва. Пролившись на пол, вода будет испаряться, создавая водяным паром дополнительную нагрузку на крепь и стены горной выработки, что может привести к аварийному обрушению туннеля. Кроме того, оставшаяся в туннеле вода может содержать в себе опасные для человека продукты взрыва, что требует дополнительных мер по очистке туннеля.

В патенте РФ №2750194 «Способ поглощения продуктов горения и взрыва в горных выработках и туннелях и устройство для его осуществления» от 23.06.2021 года [4], описывается способ, заключающийся в гашении пламени с помощью испарения сухого льда (диоксида углерода в твердой фазе) с последующим поглощением угольным сорбентом продуктов горения и взрыва и устройство для его осуществления, представляющее собой ряд двойных карманов, наполненных сухим льдом и угольным сорбентом.

Основной недостаток данного способа и устройства заключается в том, что из-за высокой скорости распространения раскаленного потока продуктов горения и взрыва сухой лед и угольный сорбент, находящийся в пакетах, не полностью реагирует вследствие малой рабочей поверхности и времени контакта.

Описанные в патенте РФ №2750194 способ и устройство принимаются в качестве прототипа.

Целью изобретения является повышение эффективности сорбации продуктов горения и взрыва с наиболее полной реакцией диоксида углерода и угольного сорбента.

Технический результат заключается в разработке универсально применимых способа и устройства для локализации и сорбации продуктов горения и взрыва.

Технический результат достигается тем, что сорбент в виде мелкодисперсного угольного порошка распыляется в струе газообразного диоксида углерода.

Способ основан на охлаждении горячих продуктов горения и взрыва с поглощением и осаждением их мелкодисперсным угольным сорбентом.

Предлагаемый способ включает размещение емкостей со сжиженным диоксидом углерода под давлением, из которых по сигналу датчиков температуры выпускается содержимое, и перфорированных бумажных пакетов с мелкодисперсным угольным сорбентом, который образует грубодисперсный аэрозоль на основе диоксида углерода.

Сущность предлагаемого способа заключается в выполнении следующих операций:

в горной выработке (туннеле) размещаются емкости с диоксидом углерода под давлением и мелкодисперсный угольный сорбент;

в выработке по направлению к источнику продуктов горения или взрыва устанавливаются датчики температуры, по сигналу которых происходит открытие запорных клапанов емкостей, и диоксид углерода выбрасывается в пространство туннеля;

выбрасываемый под давлением диоксид углерода формирует из угольного сорбента грубодисперсный аэрозоль, который выносит в своем потоке в пространство горной выработки (туннеля), где сорбент поглощает и осаждает продукты горения и взрыва;

истекающий из емкостей диоксид углерода расширяясь, остывает и вытесняет из окружающего пространства окислитель (воздух), что приводит к остановке процесса горения и понижению температуры продуктов горения и взрыва.

Истечение диоксида углерода из емкости под давлением происходит со скоростью много большей, чем при испарении сухого льда [5], что позволяет снизить температуру в большем объеме горной выработки (туннеля). Истечение диоксида углерода происходит со скоростью, близкой к постоянной, в течение длительного времени (по сравнению со временем контакта продуктов горения и взрыва с сухим льдом).

Расстояние, на котором установлены датчики температуры, определяется исходя из объема баллонов с диоксидом углерода, пропускной способности системы выпуска и ожидаемой скорости распространения продуктов горения или взрыва. Так, например, при использовании 40-литровых баллонов с диоксидом углерода, электромагнитного клапана ASCO Numatics 223 (SC В223А012, по 1 клапану на баллон) и ожидаемой скорости движения продуктов горения и взрыва от 25 до 100 м/с, датчики должны быть установлены на расстоянии 500 метров. При этом время полного выпуска диоксида углерода из баллонов составит ~21,5 с (с учетом времени срабатывания клапана), а к моменту подхода потока продуктов горения и взрыва будет выпущено от 20 до 100% объема газа. При выборе расстояния необходимо учесть, что часть диоксида углерода (10-20%) должна быть выпущена из емкостей до подхода продуктов горения или взрыва, чтобы аэрозоль успел заполнить все пространство выработки.

Устройство поглощения продуктов горения и взрыва представляет собой конструкцию, содержащую баллоны высокого давления (при использовании 40-литровых баллонов по 1 баллону на каждые 10 м³ объема, в котором предполагается поглощение и осаждение продуктов горения и взрыва), систему выпуска диоксида углерода из баллонов, которая обеспечивает равномерное заполнение объема выработки, перфорированные бумажные пакеты с мелкодисперсным угольным сорбентом (50 кг на каждые 10 м³ объема, в котором предполагается поглощение и осаждение продуктов горения и взрыва), систему датчиков температуры, установленных по контуру горной выработки (туннеля). Система выпуска должна быть оборудована клапаном (или клапанами), позволяющим устройству находится в режиме готовности к работе не менее 48 часов, например, нормально закрытым электромагнитным клапаном высокого давления ASCO Numatics 223. Раструбы системы выпуска должны обеспечивать равномерное заполнение объема выработки диоксидом углерода и захват потоком газа максимально возможного количества угольного сорбента. Схема устройства представлена на фиг. 1.

На фиг. 1 показаны баллоны с диоксидом углерода под давлением (1), подключенные через запорной клапан (2) к раструбам (3) с помощью шлангов высокого давления (9). Перед раструбами расположены перфорированные бумажные пакеты с мелкодисперсным угольным сорбентом (4). Раструбы и пакеты с сорбентом закреплены на полу (7) и потолке (8) выработки. На пути распространения продуктов горения и взрыва расположены датчики температуры (5), связанные с запорным клапаном (2). Электропитание датчиков и запорного клапана обеспечивается источником питания (6) посредством линий электроснабжения (10).

Преимущества предлагаемого устройства заключаются в том, что использование диоксида углерода в баллонах под давлением вместо сухого льда позволяет увеличить объем рабочей площади соприкосновения продуктов горения и взрыва с диоксидом углерода, увеличив одновременно время их контакта, тем самым повысив эффективность охлаждения, а распыление мелкодисперсного угольного сорбента в струе диоксида углерода позволит также увеличить эффективность поглощения продуктов горения и взрыва сорбентом. Использование баллонов с диоксидом углерода под давлением по сравнению с сухим льдом повышает эксплуатационную технологичность устройства: снижаются требования к условиям хранения, повышается срок нахождения устройства в готовом к работе состоянии.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «новизна».

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в общедоступных источниках нет сведений о комбинированном способе поглощения продуктов горения и взрыва с использованием сжиженного диоксида углерода под давлением и мелкодисперсного угольного сорбента.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что с помощью встречного воздействия грубодисперсного аэрозоля угольного сорбента в диоксиде углерода может осуществляться понижение температуры и сорбация продуктов горения и взрыва.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «промышленная применимость».

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и широко распространенные материалы и технологии.

Результаты экспериментальной проверки реализации способа.

Для реализации предлагаемого изобретения не требуется разработка новых технологий и материалов и его работоспособность не вызывает сомнения.

Обоснование технико-экономической эффективности изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа и устройства, его реализующего, заключается в повышении надежности и эффективности поглощения продуктов горения и взрыва и снижении ущерба, наносимого оборудованию горной выработки.

Список источников

1. Шульте Клаус-Петер Противовзрывное заграждение из двойных водяных карманов. - Патент РФ №2490471, 2013 г.

2. Келлер Хельмут Способ и устройство для подвешивания и установки взрывозаградительных водяных резервуаров в подземных горных разработках и туннелях. - Патент РФ №2154165, 2000 г.

3. Water - Thermophysical Properties // Engineering ToolBox. - URL: https://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html (дата обращения: 27.09.2022).

4. Верисов A.H., Головкин В.В., Карасев Ю.А., Москвич Д.В., Пинюгин А.В., Сало А.А., Шуба Я.В., Нечунаев С.С. Способ поглощения продуктов горения и взрыва в горных выработках и туннелях и устройство для его осуществления. - Патент РФ №2750194, 2021 г.

5. Carbon Dioxide - Thermophysical Properties // Engineering ToolBox. - URL: https://www.engineeringtoolbox.com/CO2-carbon-dioxide-properties-d_2017.html (дата обращения: 27.09.2022)

Заявлена группа изобретений, включающая способ понижения температуры и сорбации продуктов горения и взрыва в горных выработках и туннелях и устройство для его осуществления. Технический результат заключается в разработке универсально применимых способа и устройства для локализации и сорбации продуктов горения и взрыва. Способ включает понижение температуры продуктов горения и взрыва вследствие испарения диоксида углерода и последующем поглощении продуктов горения и взрыва на мелкодисперсном угольном сорбенте. Диоксид углерода в жидкой фазе размещают в емкостях под давлением. Понижение температуры продуктов горения и взрыва осуществляют встречным распространением диоксида углерода после срабатывания датчиков температуры. Датчики размещают на пути распространения продуктов горения и взрыва. Сорбацию продуктов горения и взрыва осуществляют мелкодисперсным угольным сорбентом, распыленным в горной выработке потоком выходящего из емкостей диоксида углерода. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ понижения температуры и сорбации продуктов горения и взрыва в горных выработках и туннелях, заключающийся в понижении температуры продуктов горения и взрыва вследствие испарения диоксида углерода и последующем поглощении продуктов горения и взрыва на мелкодисперсном угольном сорбенте, отличающийся тем, что диоксид углерода в жидкой фазе размещают в емкостях под давлением, понижение температуры продуктов горения и взрыва осуществляют встречным распространением диоксида углерода после срабатывания датчиков температуры, размещенных на пути распространения продуктов горения и взрыва, а сорбацию продуктов горения и взрыва осуществляют мелкодисперсным угольным сорбентом, распыленным в горной выработке потоком выходящего из емкостей диоксида углерода.

2. Устройство для понижения температуры и сорбации продуктов горения и взрыва в горных выработках и туннелях, содержащее емкости с диоксидом углерода и с угольным сорбентом, отличающееся тем, что диоксид углерода размещен в баллонах в жидкой фазе и в устройство дополнительно включены последовательно установленные по направлению к источнику продуктов горения и взрыва: система выпуска с раструбами и запорным клапаном, перфорированные бумажные пакеты с мелкодисперсным угольным сорбентом, которые установлены перед раструбами системы выпуска, датчики температуры, установленные по контуру горной выработки, обеспечивающие своевременное открытие запорного клапана.