Устройства для нейтрализации метанавоздушных смесей взрывоопасных концентраций

А. А. Трубицын

д-р техн. наук, проф., заместитель директора по научной работе ООО «НИИГП»

А. А. Христофоров

ведущий конструктор ООО «Горный ЦОТ»

А. А. Малахов

ведущий конструктор ООО «ВостЭКО»

УДК 622.817.4

УСТРОЙСТВА для НЕЙТРАЛИЗАЦИИ МЕТАНАВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ

Рассмотрены проблемы скопления метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт взрывоопасной концентрации, внезапных выбросов метана, доставки оборудования в труднодоступные места при авариях. Особое внимание обращается на ингибирование как эффективный метод предотвращения воспламенения и взрыва горючих газов. Предложены конструкции мобильного устройства для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт, а так же показано применение технологии инертизации на проходческих комбайнах в системе пневмоги-дроорошения.

Ключевые слова: РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ, ИНГИБИРОВАНИЕ, МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ, СИСТЕМА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ, МОДЕРНИЗАЦИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОВЫШЕНИЕ, ФАКЕЛ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ВЫДУВАНИЕ МЕТАНА, ПРОВЕТРИВАНИЕ, МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА, УСТРОЙСТВО, ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ, ДЕТОНАЦИЯ

Ингибитор (от лат. inhibere - задерживать) -вещество, замедляющее или предотвращающее течение какой-либо химической реакции: коррозии металла, старения полимеров, окисления топлива и смазочных масел, пищевых жиров и др.

Актуальность проблемы

Увеличение темпов проведения и протяженности подготовительных выработок приводит к значительному росту мета-новыделения. Из-за выделения метана в процессе выемки угля на многих шахтах мира возникают опасные условия для ведения работ, последствиями которых являются гибель людей и разрушения оборудования вследствие взрывов.

Надлежащая практика обеспечения безопасности в угольных шахтах заключается в исключении образования взрывоопасных концентраций метановоздушных смесей, сокращении метановыделения в горные выработки, предотвращении возможности воспламенения и взрывов метана.

Применение различных возможных ком-

Краткая химическая энциклопедия

бинаций способов проветривания очистных забоев и тупиковых подготовительных выработок с целью разбавления интенсивно выделяющихся газов не всегда способствует достижению требуемой степени турбулизации в местах источников газовыделения, что порождает формирование зон повышенных концентраций метана. Так, например, при нагнетательном способе проветривания из-за несимметричного расположения трубопровода относительно центра и шероховатостей стенок выработки может возникнуть такое направление движения воздуха, при котором даже небольшая газообильность в выработке приведет к образованию непроветриваемых или слабопроветриваемых зон с местным и слоевым скоплением метана [5].

Из вышесказанного следует, что вопросы, связанные с внезапными выбросами газа, засто-

А А научно-технический журнал № 1-2014

44 вестник

ями в зонах, малодоступных при непрерывном проветривании, нейтрализацией взрывоопасной концентрации метана остаются открытыми.

Горение является сложным физико-химическим процессом, поэтому для борьбы с ним должны использоваться наиболее эффективные методы, непосредственно влияющие на сам механизм, такие как добавление химически активных присадок (в малых количествах), состав которых зависит от свойства горючих газов, интенсивно реагирующих с атомами и радикалами, образуя малоактивные продукты, неспособные участвовать в цепном процессе горения [1, 2].

Коллективом авторов были проведены теоретические и экспериментальные исследования в области предотвращения воспламенения и взрыва горючих газов. В основу изысканий положена теория Н. Н. Семенова, в которой широко использовался механизм ингибирования, получившая развитие в теории неизотермических цепных процессов [1, 2].

Было установлено, что, если ингибитор не полностью предотвращает горение, например в результате очень малого количества, то он устраняет взрыв и детонацию, предотвращая тем самым присущее этим режимам горения разрушающее действие [1, 2].

Таким образом, технология полной или частичной инертизации шахтной атмосферы позволяет радикально изменить ситуацию на местах при ведении горных работ, создавая безопасные условия для труда шахтеров и работы оборудования.

Подводя небольшой итог, отметим, что разработка устройства для ингибирования атмосферы является не только актуальным направлением, но и необходимым требованием обеспечения безопасности условий труда работников на производстве.

Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси

При проведении поисковых, очистных работ и разборе завалов на аварийных участках шахты, т. е. в местах явного изменения сечения выработки и, как следствие, условий и режима проветривания, возникают трудности с доставкой спасательного оборудования. Работы проходят в условиях повышенной опасности, а счет времени идет на минуты. В ситуации, когда существует опасность повторных выбросов и доступ оборудования для снижения взрывоопасной концентрации метановоздушной смеси ограничен, наиболее актуальными являются перенос-

ные мобильные малогабаритные устройства.

На основе результатов ранее проведенных исследований и собственных разработок специалистами ООО «ВостЭКО» и «Горный ЦОТ» разрабатывается мобильное устройство для ин-гибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт (МУИВМС), предназначенное для контроля, нейтрализации взрывоопасных скоплений газа в пылегазовом облаке в местах работы горных машин и обеспечения безопасности. В перспективе, уже на стадии проектирования будут определяться все опасные по слоевым скоплениям метана зоны и, соответственно, оснащаться такими установками в обязательном порядке, что, в свою очередь, должно существенно повысить взрывобезопас-ность шахт.

На начальном этапе разработки были обозначены требования мобильности и удобства использования в любых труднодоступных местах, которые определили основные особенности конструкции устройства в зависимости от исполнения: ранцевого (переносного, индивидуального на рюкзаке) или передвижного на тележке, которую можно будет легко переместить к месту предполагаемого метановыделения.

Установка должна иметь электронный блок управления для мониторинга, управления и регистрации информации, а также осуществления связи по выделенному каналу с оператором шахты.

Одним из основных факторов, которые необходимо учесть при проектировании устройства, являются свойства газов. В тех случаях, когда газы имеют свойство расслаиваться, необходимо подавать их по схеме с двумя отдельными баллонами и смешивать непосредственно в форсунке.

МУИВМС ранцевого исполнения (переносное, индивидуальное на рюкзаке).

Устройство предназначено для использования в местах локального скопления метана, где нет возможности подвести или поставить стационарно тележку.

Принципиальная схема МУИВМС ранцевого исполнения показана на рисунке 1.

Краткое описание

Устройство ранцевого типа включает в себя: ранец (9), на котором располагаются баллоны с газом и ингибитором (1 и 2), устройства контроля и регулирования потоков (3), клапан (5), форсунка (в которой происходит смешение компонентов, если газ бинарный) (7), а также соединительный рукав и телескопическая трубка (11).

8 10 11 7 5

Рисунок 1 - Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах ранцевого исполнения:

1 - баллон с ингибитором (компонент 1);

2 - баллон с ингибитором (компонент 2);

3 - регулирующий блок; 4 - газоанализатор; 5 - управляющий клапан; 6 - кнопка управления; 7 - форсунка; 8 - манометр; 9 - ранец;

10 - соединительный рукав;

11 - трубка телескопическая

Устройство также комплектуется газоанализатором типа GaSense (разработанным в ООО «Горный ЦОТ») (4), который располагается на ранце в свободном доступе для работника шахты или спасателя.

Принцип работы

При срабатывании сигнала датчика о превышении предельно допустимого уровня метана в атмосфере работник шахты или спасатель вручную открывает клапан, газ из баллона, проходя через блок контроля, подаётся к форсунке, и далее ингибитор с большой скоростью поступает в атмосферу.

В случае, когда ингибитор является двух-компонентным газом - в баллонах 1 и 2 в сжиженном состоянии находятся ингибитор и инертный газ (например СО2 или После открытия клапана инертный газ и ингибитор под необходимым давлением поступают в форсунку, где происходит смешение в заданной пропорции. Затем готовая смесь поступает в атмосферу.

МУИВМС, смонтированное на тележке

Разработанное в ООО «Горный ЦОТ» мобильное устройство может располагаться в местах разбучивания камер на крутом падении, в кутках очистных забоев, на пологом падении, а также в любых труднодоступных местах слоевых скоплений метана.

Принципиальные схемы МУИВМС, смонтированного на тележке, в зависимости от количества компонентов используемого газа, показаны на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 - Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах, смонтированное на тележке (с однокомпонентным газом): 1, 2 - баллоны с ингибитором; 3 - газоанализатор; 4 - электронный манометр; 5 - блок управления системой; 6 - управляющий клапан; 7 - блок регулирующий; 8 - блок с форсунками; 9 - тележка

46

Рисунок 3 - Мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах, смонтированное на тележке (с двухкомпонентным газом): 1 - баллоны с ингибитором (компонент 1); 2 - баллоны с ингибитором (компонент 2);

3 - газоанализатор; 4 - электронный манометр; 5 - блок управления системой; 6 - управляющий клапан; 7 - блок регулирующий; 8 - блок с форсунками; 9 - тележка

Краткое описание

Устройство передвижного типа в общем случае состоит из баллонов с газом-ингибитором (1 и 2), которые монтируются на тележке (9), газоанализатора (3), блоков управления и регулирования (5 и 7), блока с форсунками (8).

В случае, когда ингибитор является одно-компонентным газом, предлагается использовать форсунки стандартной конструкции для газов. Тогда используется однокамерный блок с форсунками упрощенной конструкции (см. рис. 2).

Если ингибитор является двухкомпонент-ным газом, применяется другой тип блока с форсунками (см. рис. 3).

Монтаж устройства может осуществляться как в постоянном пункте возможного скопления метана, так и иметь передвижной характер (например, на энергопоезде), поэтому предусмотрен альтернативный источник питания (аккумуляторная батарея) для бесперебойной автономной работы.

Важную роль в эффективной работе системы играет расстояние от устройства до источника образования и зоны прохождения потоков. Для выбора оптимального расстояния с учетом эжектирующих способностей факелов форсунок, компенсации инерционности газоанализатора и поступления на блок управления более объективной информации при установке в кутковых зонах очистных забоев МИУВМС может быть дистанционно привязано к обязательному стационарному кутковому датчику метана.

Параметры, при которых работает устройство, и количество оросителей рассчитываются, исходя из места установки, площади и длины выработки и автоматически регулируются блоком управления.

Автоматизация устройства

Управление и контроль МУИВМС осуществляется автоматически с помощью блока управления, который регулирует (возможно дистанционно) параметры газовоздушных сред, собирает, анализирует, передает информацию с приборов диспетчеру на шахту по системе контроля и мониторинга. Оснащение устройства блоком питания и аккумуляторной батареей для бесперебойной автономной работы позволяет свести влияние внешних факторов к минимуму.

Принцип работы

На мобильной тележке или в постоянном пункте возможного скопления метана располагаются баллоны со сжатым инертным газом и ингибитором. На борту располагается газоанализатор типа GaSense либо метан-реле ТМРК. При достижении установленного порога концентрации метана в атмосфере (3 %) блок управления дает команду на открытие клапана. Инертный газ и ингибитор под давлением начинают свое движение, проходят через регулирующие блоки, понижающие давление до требуемого, и поступают к форсункам, которые установлены в блок с раздельными камерами. Далее газы смешиваются в заданных пропорциях, и готовая смесь поступает в атмосферу.

Применение технологии ингибирования

Следует отметить, что имеются все основания применения технологии ингибирования на проходческие комбайны в комплексе с системой пневмогидроорошения (ПГО) в момент работы исполнительного органа. ПГО используется достаточно эффективно в качестве одной из превентивных мер безопасности шахты, однако при больших объёмах выброса газа количество воздуха, которое эжектируется в пространство, может быть недостаточным для разбавления метана до безопасной концентрации. В таком случае комбинирование системы и технологии ингибирования шахтной атмосферы может сыграть решающую роль.

Создание системы на базе имеющегося опытного образца не ограничивает возможности для технических вариантов разработки различных конструктивных решений и их привязки к существующей конструкции.

Ранее были разработаны конструкции и испытаны экспериментальные образцы форсунок для орошения очагов пылеобразования, оп-

ределены основные параметры системы ПГО, оказывающие существенное влияние на эффективность её работы. На основании полученных данных нам удалось разработать экспериментальный новый образец автоматической системы пневмогидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси (далее - автоматической системы) за счет модернизации схемы блока управления, а также изменения в отдельном случае конструкции блока форсунок за счет добавления третьей камеры.

Примеры вариантов принципиальных схем автоматической системы представлены на рисунках 4-7.

Краткое описание

Автоматическая система в общем случае состоит из блока управления, в который входит электронный блок контроля, блок регулирования давления, дозирующего устройства (в зависимости от модификации) и другой контрольно-измерительной арматуры, а так же баллонов с компонентом(ми) и стандартного либо модерни-

Рисунок 4 - Пример принципиальной схемы автоматической системы с возможностью регулирования расхода ингибитора в автоматическом режиме электронным блоком управления системы ПГО: 1 - кран запорный; 2 - грязеуловитель (фильтр); 3 - электромагнитный клапан; 4 - блок регулирования давления; 5 - манометр электронный; 6 - клапан редукционный; 7 - клапан балансировочный; 8 - электронный расходомер; 9 - клапан управляющий с пневмоприводом; 10 - дозирующее устройство; 11 - электронный блок управления системы ПГО; 12 - клапан обратный; 13 - блок форсунок; 14 - датчик метана; 15 - баллон с ингибитором

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕстниК

зированного (с добавлением третьей камеры) блока форсунок (рис. 5).

Принцип работы

В момент срабатывания датчика метана электронный блок управления системой подаёт сигнал и открывает подачу ингибитора. Газ, минуя блок управления системой, в требуемой пропорции поступает к форсункам.

Газ-ингибитор может подаваться:

1. По воздушному каналу, подмешиваясь в пропорции, необходимой для разрыва цепной реакции горения. Пропорция высчитывается исходя из показаний датчика блока управления.

2. По воздушному каналу в концентрированном виде.

3. По водяному каналу в концентрированном виде, смешиваясь непосредственно в форсунке в необходимой пропорции.

4. По отдельному каналу в третью камеру блока форсунок, откуда и происходит его истечение через форсунку в концентрированном виде.

Предложенная разработка системы пнев-могидроорошения и ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси атмосферы угольных шахт обеспечит высокий уровень безопасности при ведении работ в горных выработках, позволит сократить время на простоях при внезапных выбросах метана, тем самым увеличить производительность.

На этапе научно-исследовательской работы проанализирован достигнутый уровень техники по аналогичным устройствам. Получен патент № 138710 (дата приоритета от 30.10.2013 г.) на автоматическую систему пневмогидрооро-шения и ингибирования взрывоопасной мета-новоздушной смеси, а так же поданы заявки на изобретение № 2013148543 и 2013136183 на мобильное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси в шахтах, № 2013136203 на распылительное устройство для ингибирования взрывоопасной метановоздуш-ной смеси в федеральную службу по интеллектуальной собственности (Роспатент).

Рисунок 5 - Пример принципиальной схемы автоматической системы без возможности регулирования расхода ингибитора электронным блоком управления системы ПГО: 1 - кран запорный; 2 - грязеуловитель (фильтр); 3 - электромагнитный клапан; 4 - блок регулирования давления; 5 - манометр электронный; 6 - клапан редукционный; 7 - клапан балансировочный; 8 - электронный расходомер; 9 - клапан управляющий с пневмоприводом; 10 - дозирующее устройство; 11 - электронный блок управления системы ПГО; 12 - клапан обратный; 13 - блок форсунок; 14 - датчик метана; 15 - баллон с ингибитором

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕстниК

49

Рисунок 6 - Пример принципиальной схемы автоматической системы с трехкамерным блоком форсунок: 1 - кран запорный; 2 - грязеуловитель (фильтр); 3 - электромагнитный клапан; 4 - блок регулирования давления; 5 - манометр электронный; 6 - клапан редукционный; 7 - клапан балансировочный; 8 - электронный расходомер; 9 - клапан управляющий с пневмоприводом; 10 - электронный блок управления системы ПГО; 11 - клапан обратный; 12 - блок форсунок; 13 - датчик метана; 14 - баллон с ингибитором

Рисунок 7 - Измененная конструкция блока форсунок: 1 - блок форсунок системы ПГО; 2 - камера для подачи воздуха; 3 - камера для подачи воды; 4 - камера для подачи ингибитора; 5 - форсунка для создания водовоздушного тумана системы ПГО;

6 - форсунка для распыления ингибитора

50

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕстниК

библиографический список

1. Азатян, В. В. Химические методы ингибирования взрывоопасных сред / В. В. Азатян [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 5. -С.38-46.

2. Азатян, В. В. Эффективные химические методы управления горением, взрывом и детонацией газов / В. В. Азатян, Т. Р. Тимербулатов, С. В. Шатиров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 4. - С. 27-36.

3. Шатиров, С. В. Повышение эффективности и улучшение характеристик технологии пылеподав-ления. Разработка системы пылеподавления с использованием энергии воздуха или газа / С. В. Шатиров, А. А. Христофоров, П. Ю. Филатов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.2 - С. 88-94.

4. Изыскать перспективные направления по созданию способов и средств прогнозирования, повышения эффективности управления газовыделением, борьбы с внезапными выбросами угля и газа и эндогенными пожарами : отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. А. А. Мясников, И. Д. Мащенко, С. П. Казаков, В. П. Птицын, И. А. Камышенский, Л. В. Цехин, А. В. Трубицын, В. Т. Медведев, С. В. Удотов, С. М. Авраменко, Л. Я. Лихачев, А. А. Гринюк, С. П. Ворошилов, Г. В. Чикунова, Н. К. Шмакова. - Кемерово, 1986. - 78 с.

DEVICES FOR NEUTRALIZATION FIREDAMP EXPLOSIVE CONCENTRATION

A. A. Trubitsyn, A. A. Khristoforov, A. A. Malakhov

Problems of explosive concentration of a firedamp accumulation in coal mine atmosphere, methane outburst, equipment delivery in hard-to-reach spots at accidents are considered. The special attention is paid on inhibition as an effective method to prevent ignition and explosion of combustible gases. Design of a mobile device to inhibit firedamp explosive in coal mine atmosphere is offered and the use of technology for inserting with tunnelling machine in pneumatic water spraying system.

Key words: DEVELOPMENT,

ANALYSIS, INHIBITION, METHANE EMISSION, DEDUSTING, AERO-HYDRODYNAMIC SYSTEM, MODERNIZATION, SAFETY, PRINCIPLE DIAGRAM, CONTROL UNIT, EFFICIENCY, INFLAMMATION, METHANE BLOWOUT, AERATION, MOBILE INSTALLATION, DEVICE, CHEMICAL METHODS, BURNING,

EXPLOSION, DETONATION

Трубицын Анатолий Александрович e-mail: atrubitsyn@rambler.ru

Христофоров Александр Александрович e-mail: knaz1984@gmail.com

Малахов Андрей Андреевич e-mail: uz.malahov@gmail.com

51