АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПНЕВМОГИДРООРОШЕНИЯ И ИНГИБИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ (ВАРИАНТЫ)
AUTOMATIC SYSTEM OF PNEUMATIC HYDRO-SPRINKLING AND INHIBITION OF HIGHLY EXPLOSIVE METHANE-AIR MIXTURE (VERSIONS)

Изобретение относится к угольной промышленности и предназначено для контроля и предотвращения взрыва пылеметановвоздушной смеси и повышения безопасности ведения горных работ в шахтах.
Известна автоматизированная система контроля и предотвращения взрыва пылеметановоздушной смеси в комплексно-механизированном забое (патент №2459958 Российская Федерация, заявка №2010150745, МПК E21F 5/00, дата приоритета 10.12.2010 г., дата публикации 27.08.2012 г.). Известная система включает систему орошения с форсунками, измерительные приборы метана, оксида углерода, влажности, запыленности, скорости движения воздуха, установленные в начале и конце забоя и непосредственно на комбайне, измерительные приборы давления воды, блок управления. Работа известной автоматизированной системы направлена на поддержание определенного уровня влажности с учетом фактической температуры.
Недостаток известной системы в том, что производится только процесс пылеподавления и контроль уровня концентрации метана, а не предотвращение нарастания его концентрации.
Известно устройство для образования тумана (device for water-mist sprinkling патент WO 2011144193, заявка PCT/DE 2011/000315, кл. МПК Е21С 35/23, дата публикации 24.11.2011 г.). Формула раскрывает работу режущего органа проходческого комбайна с установленной трубой для распыления водовоздушной смеси. Труба для распыления водовоздушной смеси имеет на своей нижней стороне упругую перегородку, в трубу вмонтированы распылительные форсунки. Труба имеет симметрично расположенные входы для воздуха и воды.
Недостатком является то, что осуществляется мелкодисперсное орошение рабочих органов комбайна и пылеподавление без учета уровня концентрации метана в зоне рабочих органов.
Известно устройство для получения газожидкостной смеси в непосредственной близости от режущих инструментов (device for producing a gas-liquid mixture in the vicinity of cutting tools патент US 7198332, заявка PCT/AT 03/00253, кл. МПК E21C 35/23, дата публ. 08.04.2004 г.). Устройство содержит трубу с расположенными в ней соплами для выбрасывания струй газа и жидкости. Оси сопел для газа и жидкости сопряжены между собой под углом от 45° до 135°. Верхняя струя жидкости поджимает нижнюю струю газа, создавая при этом смесь воды и газа в направлении режущих органов горной машины.
Недостатком известного устройства является то, что невозможно применять для распыления отдельные виды ингибиторов, использование которых невозможно одновременно с водой. Кроме того, нет системы контроля необходимости подачи ингибирующего газа, что приводит к значительным затратам на его непрерывное распыление.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является нейтрализация взрывоопасных скоплений пылегазового облака в местах работы горных машин путем пневмогидроорошения и дозированной подачи ингибитора.
Известные на сегодня в России и за рубежом способы предупреждения взрывов метана в шахтах ведутся в направлении обеспечения интенсивной вентиляции, подачи в забой инертных газов, откачки метана. При этом устройства, применяемые для обеспечения безопасности шахтеров, как правило, стационарные, дорогостоящие, имеющие высокую энергоемкость. Установки, применяемые для этих целей, в основном выполняют функции пылеподавления (патент №2295035, заявка RU 2002133901, UA 53078, UA 25249). Нет универсальной установки, позволяющей использовать варианты ингибирования метана одновременно с орошением, через систему пневмогидроорошения в непосредственной близости к режущим органам горных машин, оперативно реагирующей на предельные уровни концентраций метана в воздухе и дозирующей подачу ингибитора в случае необходимости в атмосферу шахты.
Предложено три варианта выполнения автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси.
В первом варианте автоматическая система пневмогидрооршения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси включает каналы подачи воды и воздуха, фильтры, электронные манометры, датчик метана.
Отличием является то, что дополнительно установлены электронный блок управления, принимающий и анализирующий сигналы от датчиков метана, манометров, электронного расходомера воды, элементы для контроля подачи воздуха и воды и регулирования давления, а каналы подачи воздуха и воды соединены с блоками форсунок для распыления водовоздушной смеси, которые состоят из двух изолированных камер для подачи воды и воздуха, каждая из которых соединена с отдельными входами распылительных форсунок, к каналу подачи воздуха через дозирующее устройство подключены баллоны с ингибитором, электронные манометры встроены в каналы подачи воды и воздуха и баллоны с ингибитором.
Отличием является также и то, что блоков форсунок для распыления водовоздушной смеси две.
Во втором варианте выполнения автоматическая система пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси включает каналы подачи воды и воздуха, фильтры, электронные манометры, датчик метана.
Отличием является то, что дополнительно установлены электронный блок управления, принимающий и анализирующий сигналы от датчиков метана, манометров, электронных расходомеров ингибитора, воды и воздуха, элементы для контроля подачи воздуха и воды и регулирования давления, а каналы для подачи воздуха и воды соединены с блоками форсунок для распыления водовоздушной смеси, которые состоят из двух изолированных камер для подачи воды и воздуха, каждая из которых соединена с отдельными входами распылительных форсунок, к каналу подачи воздуха через электронный расходомер и дозирующее устройство дополнительно подключены баллоны с ингибитором, объем подаваемого ингибитора регулируется, электронные манометры встроены в каналы подачи воды и воздуха и баллоны с ингибитором.
Другим отличием является то, что блоков форсунок для распыления водовоздушной смеси две.
В третьем варианте автоматическая система пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси включает каналы для подачи воды и воздуха, фильтры, электронные манометры, датчик метана.
Отличием является то, что дополнительно установлены электронный блок управления, принимающий и анализирующий сигналы от датчиков метана, манометров, электронного расходомера воды и передающий команду о подаче ингибитора, элементы для контроля подачи воздуха и воды и регулирования давления, а подача воздуха, воды и ингибитора к блокам форсунок производится по отдельным каналам, блоки форсунок состоят из трех изолированных камер для подачи воды, воздуха и ингибитора, камеры для подачи воды и воздуха соединены с отдельными входами распылительных форсунок для водовоздушной смеси, а камера для подачи ингибитора с распылительными соплами, электронные манометры встроены в каналы подачи воды и воздуха и баллоны с ингибитором.
Термин «ингибитор» в формуле и описании заявки означает вещество (газообразное), замедляющее или предотвращающее течение химической реакции горения метана. Например, могут использоваться комплексные составы на основе фторированных углеводородов, которые вступают в химическую реакцию с метаном, приводящую к образованию малоактивных продуктов и обрыву реакционных цепей процесса горения на начальной стадии их возникновения, либо другие ингибирующие составы.
Сущность изобретения проиллюстрирована на чертежах, где на фиг.1 показана схема первого варианта изобретения, на фиг.2 показана схема второго варианта изобретения, на фиг.3 - схема третьего варианта изобретения, на фиг.4 - вид блока форсунок для распыления водовоздушной смеси по первому и второму вариантам, на фиг.5 - вид блока форсунок для распыления водовоздушной смеси сбоку, на фиг.6 - разрез блока форсунок А-А по первому и второму вариантам. На фиг.7 показан блок распыления форсунок в трехкамерном исполнении по третьему варианту. На фиг.8 показан разрез Б-Б блока форсунок в трехкамерном исполнении.
Вариант №1 показан на фиг.1.
Канал для подачи воды обозначен 1, для подачи воздуха 2, фильтры для очистки воды и воздуха обозначены 3, манометры 4. Элементы для контроля подачи воздуха и воды и регулирования давления включают в себя двухходовый клапан для воздуха 5, редукционный клапан для воды 6 и блок регулирования давления подаваемого воздуха 8. Фильтры 3 предохраняют попадание твердых частиц в систему подачи воздуха, предотвращая повреждение двухходового клапана 5.
Двухходовый клапан 5 регулирует подачу воздуха в заданном объеме.
Редукционный клапан 6 предназначен для поддержания постоянного заданного уровня давления воды на выходе, предотвращая незапланированное повышение давления воды в системе. В случае снижения уровня давления воздуха и воды соответствующие сигналы с манометров 4 и электронного расходомера воды 9 подаются на электронный блок управления 7, электронный блок 7 направляет сигнал на двухходовый клапан 5 о закрытии. Для дополнительного регулирования постоянного расхода воды установлен балансировочный клапан 14.
Каналы для подачи воздуха 2 и воды 1 связаны между собой. При повышении давления в канале подачи воздуха 2 под давлением происходит открытие управляющего клапана 15, встроенного в канал для подачи воды и вода под давлением подается к блокам форсунок 16. В случае резкого падения давления воздуха в канале 2 происходит закрытие управляющего клапана 15. Таким образом, предотвращается излишний, ненужный расход воды и случаи неэффективной работы системы пневмогидроорошения.
Установка двухходового клапана 5 в канал для подачи воздуха и редукционного клапана 6 в канал для подачи воды позволяет предохранить от выхода из строя автоматическую систему пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси, что делает ее использование более надежной. Одновременно, контрольные сигналы об уровне давления в баллоне с ингибитором 10 подаются на электронный блок 7 с установленного манометра 4, что позволяет контролировать момент, когда ингибитор закончился.
Канал для подачи воздуха оборудован блоком регулирования давления 8, который связан с дозирующим устройством 11. Подача ингибитора в канал подачи воздуха 2 осуществляется из баллона 10 через редукционный клапан 12 и дозирующее устройство 11. Редукционный клапан 12 задает необходимый уровень давления при подаче ингибитора в канал для подачи воздуха 2.
В обычном режиме, когда концентрация метана в воздухе не превышает значения 2%, происходит только процесс пылеподавления путем мелкодисперсного орошения рабочей зоны во время ведения проходческих работ.
В случае превышения заданной величины концентрации метана в воздухе датчик метана 13 передает сигнал на электронный блок управления 7, электронный блок управления 7 подает сигнал и открывает клапан, расположенный внутри дозирующего устройства 11 (клапан не показан) и ингибитор из баллона 10 распыляется в канал для подачи воздуха 2, образуя ингибированную воздушную смесь, которая подается к блокам форсунок 16. Происходит нейтрализация пылегазового облака одновременно орошением и распылением ингибитора.
При снижении уровня взрывоопасной концентрации метана и поступлении соответствующего сигнала от датчика метана 13 электронный блок 7 подает сигнал и закрывает клапан, расположенный внутри дозирующего устройства 11, и подача ингибитора прекращается.
Электронный расходомер воды 9 учитывает расход воды в системе. Для исключения обратного забрасывания водовоздушной смеси из блока форсунок 16 в каналы для подачи воды и воздуха предусмотрены обратные клапаны 17.
Блок форсунок показан на фиг.4, фиг.5, фиг.6, где распылительные форсунки для водовоздушной смеси показаны 18, перегородка 19. На разрезе А-А фиг.6 показаны две камеры: для воды и воздуха, а также вариант распылительной форсунки 18 в разрезе. Воздушная смесь и вода подается в распылительную форсунку по отдельным каналам, канал для воздуха 20, канал для воды 21, смешение происходит непосредственно в распылительном сопле 22 форсунки. Это позволяет использовать различные варианты ингибирования и водного орошения, совмещая их.
Вариант 2 показан на фиг.2.
Канал для подачи воды обозначен 1, для подачи воздуха 2, фильтры для очистки воды и воздуха обозначены 3, манометры 4. Элементы для контроля подачи воздуха и воды и регулирования давления включают в себя двухходовый клапан для воздуха 5, редукционный клапан воды 6 и блок регулирования давления подаваемого воздуха 8. Фильтры 3 предохраняют попадание твердых частиц в систему подачи воздуха, предотвращая повреждение двухходового клапана 5.
Двухходовый клапан 5 регулирует подачу воздуха в заданном объеме.
Редукционный клапан 6 предназначен для поддержания постоянного заданного уровня давления воды на выходе, предотвращая незапланированное повышение давления воды. В случае падения уровня давления воздуха и воды, снижения объемов поступающих в систему воды и воздуха соответствующие сигналы с манометров 4, расходомеров воды 9 и воздуха 24 подаются на электронный блок управления 7 и подача воды и воздуха в систему автоматически прекращается.
Канал для подачи воздуха 2 оборудован блоком регулирования давления 8, который связан с дозирующим устройством 11.
В случае превышения заданной величины концентрации метана в воздухе датчик метана 13 передает сигнал на электронный блок управления 7. Одновременно на электронный блок управления 7 поступают сигналы с манометров 4, электронных расходомеров 9,24 о состоянии и изменении давления внутри системы. Поступающие сигналы анализируются на соответствие их заданным техническим характеристикам. Затем электронный блок управления 7 открывает клапан, расположенный внутри дозирующего устройства 11 (клапан не показан). Ингибитор через расходомер 23, дозирующее устройство 11 подается в канал для подачи воздуха 2.
Ингибитор из баллона 10 распыляется в канал для подачи воздуха и полученная ингибированная воздушная смесь под давлением подается к блокам форсунок 16. Одновременно, с расходомера подачи ингибитора 23 на электронный блок 7 подается сигнал об объеме подаваемого ингибитора. Электронный блок управления 7 направляет сигнал на дозирующее устройство 11 и тем самым регулирует и устанавливает заданную концентрацию ингибированной воздушной смеси через дозирующее устройство 11.
При снижении уровня метана и поступлении соответствующего сигнала от датчика метана 13 электронный блок 7 закрывает клапан, расположенный внутри дозирующего устройства 11 и подача ингибитора прекращается.
Использование второго варианта изобретения позволит задавать концентрацию ингибирующей воздушной смеси. В случае внезапного залпового выброса метана имеется возможность подачи ингибитора в большем объеме и формирование ингибирующей воздушной смеси высокой концентрации, в случае допустимого уровня концентрации метана ингибитор будет подаваться в незначительных объемах либо его подача будет отключаться полностью.
Вариант 3 показан на фиг.3.
Канал для подачи воды обозначен 1, для подачи воздуха 2, фильтры для очистки подаваемых в систему воды и воздуха обозначены 3, манометры 4. Элементы для контроля подачи воздуха и воды и регулирования давления включают в себя двухходовый клапан 5, редукционный клапан воды 6 и блок регулирования давления подаваемого воздуха 8. Фильтры 3 предохраняют попадание твердых частиц в систему подачи воздуха, предотвращая повреждение двухходового клапана 5.
Редукционный клапан 6 предназначен для поддержания постоянного заданного уровня давления воды на выходе.
В случае снижения уровня давления воздуха и воды соответствующие сигналы с манометров 4 и электронного расходомера воды 9 подаются на электронный блок управления 7, который направляет сигнал на двухходовый клапан 5 о закрытии. Прекращается подача воздуха в канал 2, давление воздуха падает и автоматически закрывается управляющий клапан 15, подача воды прекращается. Одновременно, контрольные сигналы об уровне давления в баллоне с ингибитором 10 подаются на электронный блок 7 с установленного манометра 4, что позволяет контролировать момент, когда ингибитор закончился.
Каналы для подачи воздуха 2, воды 1 и ингибитора 27 соединены с блоком форсунок 16 отдельными входами.
Подача ингибитора непосредственно к блоку форсунок осуществляется через редукционный клапан 12 и двухходовый клапан 25 по каналу 27. Редукционный клапан 12 задает необходимый уровень давления, а следовательно, и объем подаваемого ингибитора. Подача ингибитора осуществляется по каналу 27 в камеру для ингибитора, расположенную в корпусе блока форсунок 16.
В обычном режиме, когда концентрация метана в воздухе не превышает значения 2%, происходит только процесс пылеподавления путем мелкодисперсного орошения рабочей зоны во время ведения проходческих работ.
В случае превышения заданной величины концентрации метана в воздухе датчик метана 13 передает сигнал на электронный блок управления 7, электронный блок управления 7 подает сигнал на двухходовый клапан 25 и открывает его, и ингибитор из баллона 10 распыляется в отдельный канал 27 и подается к блокам форсунок 16 непосредственное камеру для ингибитора. Ингибитор распыляется поверх струи водовоздушного орошения, не смешиваясь на выходе. Происходит нейтрализация пылегазового облака путем распыления ингибитора и одновременно орошением.
При снижении уровня метана и поступлении соответствующего сигнала от датчика метана 13 электронный блок 7 подает сигнал на двухходовый клапан 25 и закрывает его, подача ингибитора прекращается.
В канал для подачи воды встроен дополнительно балансировочный клапан 14 для дополнительного регулирования постоянного расхода воды и обеспечения контроля за поддержанием заданного уровня давления. Электронный расходомер 9 учитывает расход воды в системе. Подача воды в систему происходит при условии заданного уровня давления в канале для подачи воздуха 2.
При повышении давления в канале подачи воздуха 2 под давлением происходит открытие управляющего клапана 15, встроенного в канал для подачи воды и вода под давлением подается к блокам форсунок 16.
Для исключения обратного забрасывания водовоздушной смеси из блока форсунок в каналы для подачи воды и воздуха предусмотрены обратные клапаны 17.
На фиг.7 показан блок форсунок для распыления водовоздушной смеси по третьему варианту, где распылительные форсунки для водовоздушной смеси показаны 18. Распылительное сопло для ингибитора показано 26, перегородка 19. На фиг.8 показан разрез Б-Б. На разрезе указаны три отдельные камеры: для воды, воздуха, ингибитора. Распылительные форсунки (вариант) для водовоздушной смеси показаны 18, сопло для ингибитора 26.
Использование третьего варианта исполнения автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси позволит осуществлять оперативный контроль за уровнем концентрации метана в атмосфере шахты, своевременно нейтрализуя нарастание взрывоопасной концентрации. Что обеспечит гарантированную безопасность ведения работ. Дополнительно к получению заявленного технического результата система позволяет получить и экономический эффект. Ингибитор подается только в случае необходимости. Предлагаемая схема проста в изготовлении и дешевле. Кроме того, возможны варианты использования ингибитора.
Использование блока форсунок для распыления водовоздушной смеси в трехкамерном исполнении позволит применять для распыления ингибиторы, которые нельзя по техническим условиям распылять одновременно с водой. Что позволит значительно расширить диапазон применяемых ингибиторов для их распыления через систему пневмогидроорошения.
Ниже приводится примерный перечень используемых элементов автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси. При необходимости предлагаемые марки элементов могут быть заменены на элементы эквивалентные по своему техническому назначению. Элементы оборудования должны соответствовать требованиям «Правил безопасности в угольных шахтах» ПБ 05-618-03 (Москва ЗАО НТЦ ПБ 2013, утвержденным Госгортехнадзором РФ от 05.06.2003 №50, зарегистрированным Минюстом России 19.06.2003 №4737), и общим требованиям ГОСТ 51330.5-99 «Электрооборудование взрывозащитное».
В качестве электронного манометра может быть использован, например манометр ДМ 8017 Сг У2 (HHHttp://arsenal-td.ru/?p=m signv4), либо манометры фирмы «Грюнвельд».
Контроль уровня концентрации метана может осуществляться, например, датчиками ТМРК.3.1М (http://shtrih-rn.kuzbass.ru/production/700/item/89/.
Для очистки воздуха и воды применяются фильтры марки ФМФ (www.tehprom.ru/products/Filtrн-i-Rryazeviki/Filtry 5630/1700050003004.html).
Клапана предусматриваются для использования в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 12893-2005 «Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия» от 19.02.2008 №19-ст.
Двухходовый клапан, например, фирмы Danfoss (http://danfoss.com), фирмы «Грюнельвад» или фирмы Festo.
Редукционный клапан для регулирования давления при подаче ингибитора предназначенный для понижения давления газа, поступающего из баллона, и автоматического поддержания заданного рабочего давления постоянным может быть производства ОАО «Барнаульский аппаратно-механический завод» http://www.bamz.su/ru/catalog/one tovar/l-24-12-53.html.
В качестве управляющего клапана, как вариант, предлагается использовать клапан марки VZXF (festo.com/cat/ru_ru/products_VZXF).
Осуществимость изобретения подтверждается предоставленными схемами автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования вызрывоопасной смеси. Устройства данного типа в настоящее время востребованы и актуальны. На предприятии изготовлен и опробован опытный образец в действии. Испытания прошли успешно.