УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЗРЫВОВ ПЫЛЕГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ
DEVICE FOR LOCALIZATION OF EXPLOSIONS OF DUST AND GAS-AIR MIXTURES IN UNDERGROUND MINE WORKINGS

Предлагаемое изобретение относится к горной промышленности, в частности, к технологии и техническим средствам защиты производственного и иного персонала, находящегося в подземных горных выработках, оборудования, размещенного в них и самих подземных горных выработок от взрывов смесей шахтного газа или(и) угольной пыли с воздухом (пылегазовоздушные смеси), содержащихся в атмосфере угольных шахт.
Как известно, целью локализации взрывов пылегазовоздушных смесей является максимально возможное ограничение области распространения по подземным горным выработкам фронта пламени, образующегося в результате этих взрывов и в свою очередь инициирующего новые, зачастую более мощные взрывы указанных субстанций.
С этой целью с 1930 г. в угольных шахтах, опасных по газу или(и) пыли, начали применять сначала сланцевые, а позже и водяные заслоны.
Многолетний опыт эксплуатации сланцевых и водяных заслонов на шахтах России и за рубежом показал их недостаточную надежность и эффективность при локализации взрывов в загазованных выработках, т.к. их срабатывание имеет пассивный характер, они выполняют свою функцию только за счет энергии ударной воздушной волны, подошедшей от взрыва пылегазовоздушные смеси.
С целью повышения надежности локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в угольных шахтах к настоящему времени разработано значительное количество автоматических систем и устройств, различных по принципу срабатывания и технической реализации.
Так, известно устройство, осуществляющие автоматическую локализацию и подавление взрывов пылегазовоздушных смесей (патент на изобретение РФ №2278270, МПК-2006.01 E21F 5/00, опубликовано 20.06.2006, бюл. №17). Устройство включает датчики параметров взрыва - контроля ударной волны и открытого пламени. Датчики связаны со средствами разгазирования, препятствия и подавления распространения пламени и ударной волны на определенном участке. Это устройство основано на детектировании и подавлении уже появившихся в атмосфере продуктов пламени и взрыва, но не обладает достаточной надежностью для людей и оборудования в горной выработке, в связи с задержкой приведения в действие взрыволокализующих средств.
Известно устройство для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках, включающее емкость, заполненную огнетушащим порошком, размещенную внутри емкости камеру высокого давления для заполнения ее сжатым газом, выполненную с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми полым поршнем, механизм срабатывания, обеспечивающий перемещение поршня от камеры высокого давления за счет перепада давления и открытие вследствие этого выхлопных отверстий, и перепускную систему, связывающую полость поршня с атмосферой (патент РФ на изобретение №2342535, МПК-2006.01 E21F 5/00, опубликовано 27.12.2008, бюл. №36). Данное устройство работает автономно, не требует электропитания, локализует взрывы пылегазовоздушных смесей от самых слабых в начальной стадии их развития до развитых взрывов, благодаря продолжительному времени нахождения во взвешенном состоянии огнетушащего порошка, динамически выброшенного энергией сжатого воздуха (или иного газа) при его срабатывании. Однако указанное устройство имеет ряд существенных недостатков, наиболее существенными из которых являются технологическая сложность его изготовления и обусловленная конструктивной сложностью механизма срабатывания низкая надежность. Конструктивная сложность механизма срабатывания выражается в том, что он включает три взаимно подвижных детали, требующих высокой точности изготовления и громоздкий узел соединения механизма срабатывания с механическим датчиком (щитом) параметров взрыва. Перепускная система представляет собой разветвленную сеть воздуховодных каналов, что существенно усложняет технологию ее изготовления и требует тщательного контроля отсутствия засорения каналов. Кроме того, наличие в известном устройстве щита, реагирующего на избыточное давление ударной волны, механически жестко соединенного с механизмом срабатывания посредством штанги, снижает возможность точного подбора времени срабатывания устройства применительно к взрывам различной мощности.
Известно устройство для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках, включающее емкость, заполненную огнетушащим порошком, размещенную внутри емкости камеру высокого давления для заполнения ее сжатым газом, выполненную с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми полым поршнем, механизм срабатывания, обеспечивающий перемещение поршня от камеры высокого давления за счет перепада давления и открытие вследствие этого выхлопных отверстий, и клапан, связывающий полость поршня с атмосферой (патент РФ на изобретение №2440496, МПК-2006.01 E21F 5/14, опубликовано 20.01.2012, бюл. №2). Данное устройство, принятое за прототип предлагаемого изобретения, имеет существенный недостаток, выражающийся в его недостаточном быстродействии, обусловленном низкой эффективностью выхлопа сжатого газа из камеры высокого давления в емкость с огнетушащим порошком вследствие высокого аэродинамического сопротивления сбросных каналов и сложностью настройки устройства, заключающейся в необходимости подбора давления в камере, соответствующего интенсивности конкретного взрыва. Кроме того, наличие в механизме срабатывания наружно расположенной скользящей муфты и вследствие этого подверженной интенсивным нагрузкам, вызванным взрывными процессами в горной выработке, значительно повышает риск повреждения этой муфты при срабатывании устройства, что не обеспечивает необходимой надежности рассматриваемого устройства.
Технической задачей, решение которой обеспечивается настоящим изобретением, является повышение надежности срабатывания устройства для локализации взрывов и обеспечение высокой точности времени его срабатывания независимо от мощности взрыва за счет изменения конструкции механизма срабатывания и принципа функционирования клапана, связывающего полость поршня с атмосферой.
Указанная техническая задача решается тем, что в устройстве для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках, включающем емкость, заполненную огнетушащим порошком, размещенную внутри емкости камеру высокого давления для заполнения ее сжатым газом, выполненную с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми полым поршнем, механизм срабатывания, обеспечивающий перемещение поршня от камеры высокого давления за счет перепада давления и открытие вследствие этого выхлопных отверстий, и клапан, связывающий полость поршня с атмосферой, указанный клапан выполнен управляемым, а механизм срабатывания представляет собой подвижный шток, установленный в полости поршня с образованием вспомогательной камеры, и сферические стопорные элементы, удерживающие поршень за счет упора в шток и освобождающие его при перемещении штока во вспомогательную камеру.
Повышение надежности устройства и повышение точности времени его срабатывания достигается за счет упрощения их базовой формы подвижных деталей до простых цилиндров, размещения их полностью внутри камеры высокого давления, что исключает возникновение возможных неполадок, связанных с их частичным нахождением в агрессивных условиях внутреннего пространства горных выработок. Вместо сложной системы воздуховодных каналов в предлагаемом устройстве сброс сжатого воздуха или газа происходит только через управляемый клапан непосредственно в атмосферу. Кроме того, обеспечение независимости времени срабатывания устройства от мощности взрыва обеспечивается применением управляемого клапана, срабатывание которого с высокой степенью точности происходит в момент поступления управляющего сигнала от датчика взрыва или от диспетчера.
В усовершенствованном варианте, развивающем техническое решение, охарактеризованное выше, для обеспечения возможности одновременной заправки камеры высокого давления и вспомогательной камеры одной технологической операцией шток может быть выполнен со сквозным каналом, в котором размещен дополнительный обратный клапан.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими изображениями, на которых приведены:
фиг. 1 - продольный схематический разрез по оси устройства для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках;
фиг. 2 - продольный схематический разрез по оси устройства для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках - усовершенствованный вариант выполнения.
Ниже приведены примеры конкретной реализации предложенного технического решения.
Устройство для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках, показанное на фиг. 1, включает емкость 1, заполненную огнетушащим порошком, камеру высокого давления 2 с поршнем 3 и камеру низкого давления 4. Камера низкого давления 4 соединена с атмосферой отверстием 5, минимальный диаметр которого не ограничен, а максимальный ограничен размерами заднего торца 6 устройства. Отверстие 5 при перемещениях поршня 3 обеспечивает беспрепятственный переток атмосферного воздуха как внутрь камеры низкого давления 4, так и из нее. В камере высокого давления 2 выполнены радиальные выхлопные отверстия 7, ориентированные под углом к продольной оси камеры высокого давления 2 в сторону ее передней части. Выхлопные отверстия 7 соединяют камеру высокого давления 2 с внутренним объемом емкости 1, а в рабочем состоянии устройства (в «режиме ожидания») перекрыты поршнем 3, который удерживается в исходном положении механизмом срабатывания. Механизм срабатывания конструктивно полностью привязан к поршню 3 и выполнен в виде подвижного в продольном направлении штока 8 и сферических стопорных элементов 9. Шток 8 размещен во внутренней полости поршня 3 с возможностью продольного перемещения в ней по вспомогательной камере 10, образованной между днищем 11 заднего торца поршня 3 и задним торцом 12 штока 8. При перемещении штока 8 по внутренней полости поршня 3 (т.е. по вспомогательной камере 10) днище 11 заднего торца поршня 3 служит ограничителем его хода. В днище 11 заднего торца поршня 3 выполнено отверстие 13, в которое посажен управляемый клапан 14. Управляемый клапан 14 служит для заполнения вспомогательной камеры 10 сжатым газом (воздухом или иным рабочим агентом, например, ингибитором взрывчатой пьшегазовоздушной смеси) и удержания сжатого газа в нем до появления управляющего сигнала на срабатывание. Сферические стопорные элементы 9 свободно установлены в радиальных каналах 15 поршня 3 и зафиксированы в них за счет упора в заплечик 16 камеры высокого давления 2 с одной стороны и в наружную поверхность подвижного штока 8. Для заправки камеры высокого давления 2 при подготовке устройства к работе, используется штуцер 17, а для контроля давления в камере высокого давления 2 при ее заправке и при эксплуатации устройства в режиме ожидания - штуцер и манометр 18.
В усовершенствованном варианте выполнения предлагаемого изобретения, приведенном на фиг. 2, для обеспечения возможности заправки камеры высокого давления 2 и вспомогательной камеры 10 в составе одной технологической операции подвижный шток 8 выполнен со сквозным каналом 19, в котором размещен дополнительный обратный клапан 20.
Для приведения устройства в рабочее состояние (в режим ожидания) заполняют сжатым газом вспомогательную камеру 10 через управляемый клапан 14, а затем камеру высокого давления 2 через штуцер 17 (или дополнительный обратный клапан 20 и сквозной канал 19 в усовершенствованном варианте). После этого управляемый клапан 14 будет обеспечивать поддержание заданного давления во вспомогательной камере 10, а шток 8 - удерживать стопорные сферические элементы 9 в радиальных каналах 15 от их перемещения во внутреннюю полость поршня 3. Опираясь с другой стороны в заплечик 16, выполненный в камере высокого давления 2 за счет ступенчатого уменьшения ее диаметра в направлении к ее задней части, стопорные сферические элементы 9 удерживают поршень 3 от его движения к задней части устройства под воздействием давления сжатого газа в камере высокого давления 2 и преждевременного открытия выхлопных отверстий 7.
Устройство работает следующим образом. При взрыве метана и/или угольной пыли по подземной горной выработке распространяется ударная воздушная волна и фронт пламени, которые воздействуют на датчики параметров взрыва, установленные в выработке. Сигнал от датчиков через соответствующие коммутирующие сети (на графических изображениях не показаны) поступает в диспетчерскую службу горного предприятия и на соответствующие устройства для локализации взрывов.
При получении управляющей команды от датчика или от диспетчера управляемый клапан 14 открывается, обеспечивая беспрепятственный отток сжатого газа из вспомогательной камеры 10 через отверстия 5 и 13. За счет образовавшегося перепада давления между камерой высокого давления 2 и внутренней полостью поршня 3 во вспомогательной камере 10 подвижный шток 8 перемещается в сторону заднего торца 11 поршня 3, освобождая сферические стопорные элементы 9. Последние устремляются внутрь полости поршня 3, соскакивая с заплечика 16 камеры высокого давления 2, снимая таким образом поршень 3 со стопора и давая возможность последнему за счет перепада давления между камерой высокого давления 2 и камерой низкого давления 4 сдвигаться в сторону заднего торца 6 устройства. За счет этого сдвижения происходит открытие выхлопных отверстий 7, разблокируется пневматическая связь между камерой высокого давления 2 и емкостью 1, что приводит к выбросу огнетушащего порошка сжатым газом в зону взрыва пылегазовоздушной смеси.