УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЗРЫВОВ ПЫЛЕГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Предлагаемая полезная модель 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 (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 метановоздушных смесей (патент на изобретение РФ №2278270, МПК-2006.01 E21F 5/00, опубликовано 2006 г). Устройство включает датчики 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 и не обладает достаточной надежностью для людей и оборудования в горной выработке.
Известно устройство, осуществляющие автоматическую локализацию и подавление взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках, включающее емкость, выполненную в виде усеченного конуса, заполненную огнетушащим порошком и на ее выходе в переднем торце перекрытую легко разрушаемой диафрагмой, размещенную внутри емкости коаксиально ей камеру высокого давления с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми подвижным поршнем, размещенным внутри камеры высокого давления, и механизм срабатывания, приводящий в действие подвижный поршень, при этом камера высокого давления снабжена штуцером для подачи сжатого газа и прибором для измерения давления в ней (патент на изобретение RU №2342535, МПК E21F 5/00, приоритет 14.05.2007). Устройство работает автономно, не требует электропитания, благодаря высокому быстродействию и продолжительному времени нахождения во взвешенном состоянии огнетушащего порошка, динамически выброшенного энергией сжатого воздуха (или специальным газом) при его срабатывании, локализует взрывы пылегазовоздушных смесей от самых слабых взрывов в начальной стадии до развитых взрывов. Однако известное устройство имеет существенный недостаток, связанный с аэродинамикой выхлопа сжатого газа через емкость, которая обуславливает преимущественное истечение газа из верхней части емкости, частично свободной от огнетушащего порошка вследствие его уплотнения, что влечет за собой неполный выброс объема огнетушащего порошка из нижней части емкости и неполную дальность его выброса, т.е. неполную реализацию возможностей устройства локализации взрыва при его включении.
Указанного недостатка лишено устройство для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках (принятое за прототип настоящей полезной модели), включающее емкость, выполненную в виде усеченного конуса, передний торец которого скошен наклонной сверху вниз секущей плоскостью, заполненный огнетушащим порошком и на его выходе в переднем торце перекрытый легко разрушаемой диафрагмой, размещенную внутри емкости коаксиально ему камеру высокого давления с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми подвижным поршнем, размещенным внутри камеры высокого давления, и механизм срабатывания, приводящий в действие подвижный поршень, при этом камера высокого давления снабжена штуцером для подачи сжатого газа и прибором для измерения давления  в ней (патент на изобретение RU №2651821, МПК E21F 5/14, приоритет 21.04.2017).
Однако выполнение переднего торца емкости скошенным наклонной сверху вниз секущей плоскостью, направленное на оптимизацию аэродинамических характеристик устройства, затрудняет размещение штуцера для подачи сжатого газа в камеру высокого давления и прибора для измерения давления в ней, а также производство технологических операций с ними (монтаж указанного оборудования, заправка камеры высокого давления сжатым газом и снятие показаний с прибора для измерения давления) ввиду значительной стесненности пространства, ограниченного секущей плоскостью и наружной поверхностью камеры высокого давления в области переднего торца последней. С другой стороны, возможное размещение штуцера для подачи сжатого газа в камеру высокого давления и прибора для измерения давления в ней непосредственно на камере высокого давления требует увеличения осевых габаритов устройства за счет удлинения указанной камеры с выносом ее переднего торца за пределы пространства, ограниченного секущей плоскостью и наружной поверхностью камеры высокого давления. Указанные обстоятельства затрудняют сборку известного устройства и его подготовку к использованию в условиях подземных горных выработок, характеризующихся и без того стесненностью рабочего пространства. Кроме того, размещение штуцера для подачи сжатого газа в камеру высокого давления и прибора для измерения давления в ней радиально камеры высокого давления на ее передней части приводит к их повреждениям при срабатывании устройства, поскольку они находятся непосредственно на траектории разлета огнетушащего порошка при срабатывании устройства.
Указанных недостатков лишено устройство для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках, включающее емкость, заполненную огнетушащим порошком, размещенную внутри емкости камеру высокого давления с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми подвижным поршнем, размещенным внутри камеры высокого давления, и механизм инициирования перемещения поршня, включающий скользящую муфту, соединенную с приемным щитом, при этом на боковой поверхности камеры высокого давления размещен штуцер для заправки ее сжатым газом, а на переднем торце камеры высокого давления размещен прибор для измерения давления в ней (патент на изобретение RU №2440496, МПК E21F 5/14, приоритет 05.10.2010).
Существенным недостатком описанного устройства является сложность выполнения многочисленных газовых каналов в системе механизма инициирования перемещения поршня и связанное с этим высокое значение аэродинамического сопротивления, приводящее к недопустимо медленному срабатыванию устройства по причине затрудненного истечения сжатого газа из надпоршневой полости в атмосферу и вследствие этого медленного роста перепада давлений между надпоршневой и подпоршневой полостями. При этом время срабатывания устройства от момента восприятия приемным щитом избыточного давления ударной волны до момента окончания выброса огнетушащего порошка является жизненно важным для надежного обеспечения локализации взрывов пылегазовоздушных смесей
Технической задачей, решение которой обеспечивается настоящей полезной моделью, является повышение быстродействия устройства и за счет этого повышение надежности локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках.
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 с выхлопными отверстиями, выходящими в емкость и перекрываемыми подвижным поршнем, размещенным внутри камеры высокого давления, и механизм инициирования перемещения поршня, включающий скользящую муфту, соединенную с приемным щитом, при этом на боковой поверхности камеры высокого давления размещен штуцер для заправки ее сжатым газом, а на переднем торце камеры высокого давления размещен прибор для измерения давления в ней, подвижный поршень в его задней части выполнен со ступенчатым упором, выполненным за счет уменьшения диаметра, а механизм инициирования перемещения поршня состоит из шариков, опирающихся на ступенчатый упор в задней части подвижного поршня и зафиксированных в радиальных отверстиях, выполненных в задней части камеры высокого давления, путем их поджатия к внутренней поверхности скользящей муфты, при этом скользящая муфта установлена на камере высокого давления с возможностью освобождения шариков от упора в подвижный поршень при ее перемещении к переднему торцу камеры высокого давления.
Выполнение механизма инициирования перемещения поршня указанным выше образом обеспечивает существенное сокращение времени срабатывания всего устройства в целом, поскольку изначально, еще в режиме ожидания, между надпоршневой и подпоршневой полостями камеры высокого давления имеется максимальная разница в давлениях, которая сразу после освобождения шариков обуславливает перемещение поршня с максимальной скоростью. Конечный результат предлагаемого выполнения устройства для локализации взрывов заключается в повышении надежности локализации взрывов пылегазовоздушных смесей и вследствие этого - к повышению безопасности работ при его использовании в угольных шахтах.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором приведен продольный схематический разрез по оси устройства для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках.
Устройство для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках включает емкость 1, выполненную в виде усеченного конуса, передний торец которого скошен наклонной сверху вниз секущей плоскостью. Емкость 1 заполнена огнетушащим порошком 2, который с течением времени под действием сил тяжести и сил поверхностного натяжения уплотняется в нижней части емкости, освобождая верхнюю часть ее объема. Для гидроизоляции порошка и предотвращения его высыпания из емкости выход последней из переднего торца перекрыт легко разрушаемой диафрагмой 3, выполненной, например, из полиэтилена. В емкости размещена камера высокого давления 4 с выхлопными отверстиями 5, ориентированными под углом, например, 40°, к продольной оси камеры высокого давления и перекрываемые подвижным поршнем 6, размещенным внутри камеры высокого давления. Подвижный поршень 6 удерживается в режиме ожидания в исходном положении механизмом инициирования его перемещения. Для этого поршень в задней части выполнен со ступенчатым упором 7, выполненным за счет уменьшения его диаметра. В передней части поршень снабжен уплотнительными элементами 8. На заднюю часть подвижного поршня 6, имеющую уменьшенный диаметр, опираются шарики 9 механизма срабатывания, зафиксированные в радиальных отверстиях 10, выполненных в задней части камеры высокого давления. Фиксация шариков 9 в радиальных отверстиях 10 осуществлена путем их поджатия к внутренней поверхности скользящей муфты 11 за счет передачи усилия сжатого газа, находящегося в камере высокого давления 4, на передний торец подвижного поршня 6 и через ступенчатый упор 7 последнего - на шарики 9. Скользящая муфта 11, установленная с возможностью продольного перемещения относительно камеры высокого давления 4, на своей внутренней поверхности имеет кольцевую проточку 12, в которую имеют возможность утапливаться шарики 9 при перемещении скользящей муфты 11 вперед. Скользящая муфта 11 жестко связана с выносной штангой 13, на заднем конце которой закреплен приемный щит 14 для восприятия воздействия ударной воздушной волны. Для упрощения конструкции и снижения ее продольных габаритов приемный щит может быть закреплен непосредственно к заднему торцу скользящей муфты 11. Для заправки камеры высокого давления 4 сжатым газом устройство снабжено заправочным штуцером 15 с обратным клапаном, предотвращающим утечку сжатого газа из камеры высокого давления 4 в атмосферу. Заправочный штуцер 15 размещен на наружном торце 16 полого патрубка 17, установленного радиально во внутреннем объеме емкости 1, выступая за пределы боковой поверхности последней и выходя в камеру высокого давления 4 внутренним торцом 18. На наружном торце 19 камеры высокого давления 4 коаксиально ей размещен прибор для измерения давления 20 при заправке последней сжатым газом и для контроля работоспособности устройства в целом при его эксплуатации в режиме ожидания. Указанный прибор может представлять собой механический, электрический или электронный манометр для визуального контроля параметров сжатого газа в камере высокого давления 4 или их модификацию, позволяющую одновременно с этим направлять данные в централизованную систему контроля состояния безопасности в шахте. Прибор для измерения давления в камере высокого давления может быть выполнен также в виде датчика давления, обеспечивающего непрерывный дистанционный контроль состояния устройства для локализации взрывов пылегазовоздушных смесей. Для обеспечения безопасности при заполнении камеры высокого давления 4 сжатым газом служит стопорный элемент 21, выполненный в виде болта или винта, или поворотной рукоятки и т.п, ввинчиваемый в боковую поверхность камеры высокого давления 4 через скользящую муфту 11 и предотвращающего случайное смещение последней вперед и вызванное таким образом несанкционированное срабатывание устройства. Полый патрубок 17 может быть смещен вдоль продольной оси камеры высокого давления 4 и повернут относительно вертикальной плоскости под необходимым углом, исходя из условий удобного доступа к штуцеру и прибору для измерения давления и безопасного обращения с устройством при его снаряжении огнетушащим порошком, заправке сжатым газом и установке в горной выработке.
Устройство подготавливают к работе следующим образом. Вращением по часовой стрелке стопорного элемента 21 до упора скользящую муфту 11 фиксируют в неподвижном положении. В емкости 1 размещают огнетушащий порошок 2, передний скошенный торец емкости перекрывают полиэтиленовой легко разрушаемой диафрагмой 3. Скользящую муфту 11 через выносную штангу 13 соединяют с приемным щитом 14. Устройство подвешивают под кровлей горной выработки на ее защищаемом участке с помощью специальных крепежных деталей. Через штуцер 15 с обратным клапаном заполняют камеру высокого давления 4 сжатым газом. При этом величину давления сжатого газа контролируют с помощью прибора для измерения давления 20. После этого вывинчивают стопорный элемент 21. В таком положении устройство подготовлено для выполнения своей функции в режиме ожидания.
Устройство работает следующим образом. При взрыве метана и/или угольной пыли по подземной горной выработке распространяется ударная воздушная волна, которая воздействует на приемный щит 14. Под действием ударной волны приемный щит 14 через выносную штангу 13 передает усилие на скользящую муфту 11, за счет чего она получает импульс для перемещения по направлению к передней части устройства. Вследствие перемещения скользящей муфты 11 происходит совмещение пространств радиальных отверстий 10 в камере высокого давления 4 с кольцевой проточкой 12 на внутренней поверхности скользящей муфты 11. Далее под действием избыточного давления сжатого газа в камере высокого давления 4 подвижный поршень 5 перемещается в сторону заднего торца камеры высокого давления 4 и ступенчатыми упорами 7 выталкивает шарики 9 в пространство кольцевой проточки 12. Освободившись от фиксирующих его шариков 9, подвижный поршень 6 продолжает перемещение в сторону заднего торца камеры высокого давления 4, открывая в конечном итоге выхлопные отверстия 5. При этом сжатый газ, поступая через выхлопные отверстия 5 в емкость 1, интенсивно перемешивается с огнетушащим порошком 2 и, разрывая легко разрушаемую диафрагму в торце передней части емкости, выбрасывает его в горную выработку, формируя в ней взрыволокализующий заслон.