Способ локализации взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли и устройство для его осуществления
METHOD OF LOCALIZATION OF EXPLOSION OF METHANE-AIR MIXTURE AND COAL DUST AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к способам и устройствам локализации взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли.
Как известно, целью локализации взрывов метана и угольной пыли, является ограничение области распространения по сети горных выработок фронта пламени, формирующегося в результате этих взрывов.
В настоящее время для локализации взрывов в угольных шахтах, опасных по газу и пыли, применяются пассивные сланцевые и водяные заслоны, а также автоматические системы локализации взрывов [1].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату техническим решением, принятым за прототип, заявленного способа локализации взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли, является способ, описанный в патенте РФ №2244833 [2].
Сущность прототипа рассмотрена с учетом схемы на фигуре 1.
Прототип характеризуется следующими признаками.
Способ локализации взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли, включающий образование на пути распространения фронта пламени по горным выработкам пламегасящего заслона в виде облака пламегасящего порошка во взвешенном состоянии, в котором одновременно с формированием основного заслона в виде пламегасящего облака формируют дополнительные пламегасящие заслоны - пламегасящие облака в горной выработке еще до прихода фронта пламени, при этом все пламегасящие заслоны - пламегасящие облака формируют энергией сжатого воздуха или другого инертного газа высокого давления и порошком во взвешенном состоянии, обладающим свойствами флегматизации пылевоздушных смесей и ингибирования метановоздушных смесей.
Недостатки способа по прототипу исходят из следующих положений.
Существует три принципиальных способа ликвидации очага дефлаграционного или детонационного горения (взрыва) метанопылевоздушных смесей [4]:
а) прекратить доступ кислорода к очагу (или понизить его содержание в горючей смеси до 125, когда горение прекращается);
б) охладить очаг ниже температуры воспламенения;
в) существенно замедлить или прервать цепные реакции горения, за счет ингибирования взрывоопасной смеси.
3
Прекратить (затруднить) доступ кислорода к очагу с помощью пламегасящего порошка по способу прототипа, практически, невозможно, так как для того, чтобы понизить объемную долю кислорода в метановоздушной смеси с 21 до 12%, необходимы сотни килограммов огнетушащего порошка на 1 м газовой смеси.
При тушении пламени порошком на его испарение затрачивается лишь несколько процентов теплоты, выделяемой очагом, однако для реальной ситуации полное испарение порошкового облака, в котором каждая частица экранирована несколькими соседними, маловероятно. К тому же, следует учесть быструю седиментацию частиц порошка и, следовательно, трудно осуществить охлаждение очага порошком.
Гетерогенное ингибирование, несомненно, один из основных (и сложнейших) факторов воздействия порошка на пламя. Что касается вклада гомогенного ингибирования, то он впрямую зависит от степени испарения (разложения) частиц порошкового облака в очаге горения (взрыва). Однако, если тушение очага может длиться секундами и даже десятки секунд, то на подавление (локализацию) взрыва отводится не более 100 мс. Поэтому, для взрывоподавляющего порошка ингибирующие и охлаждающие свойства должны быть совмещены в одном веществе или их смеси. В устройстве по выбранному прототипу, а также в иных аналогичных устройствах, применяются, в основном, пламегасящие порошки с незначительным эффектом гомогенного ингибирования продуктами испарения (разложения) этого порошка, так как нет производства взрывоподавляющих порошков со значительным эффектом ингибирования взрывоопасных смесей.
2
2
В способе по прототипу заявляемого способа пламегасящее облако порошка формируют сжатым воздухом или инертным газом высокого давления, прежде всего азотом (N) или углекислым газом (СО), распыление порошка сжатым воздухом обеспечивает подачу окислителя, т.е. кислорода в зону взрыва метана и угольной пыли, что является отрицательным фактором.
2
2
Защитные концентрации углекислого газа и азота зависят от содержания метана в смеси. Максимальные значения их, равные для СО - 33% и N - 55%, наблюдаются при содержании метана 4,5%. Для стехнометрической смеси метана с кислородом защитное содержание углекислого газа равно 16% и азота - 32% [5]. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в прототипе применение инертных газов, из-за значительных объемов, технологически невозможно, это подтверждается практикой, когда в автоматических системах локализации взрывов в настоящее время пламегасящие порошки распыляются только сжатым воздухом.
Взрыв полевого аэрозоля в свете современной теории горения [6] можно представить следующим образом: за счет энергии источника воспламенения угольные частицы прогреваются и выделяют продукты пиролиза, которые образуют вокруг них газовую оболочку. При соответствующих температурных условиях и взрывчатой концентрации происходит воспламенение газовой оболочки. Тепловой импульс от горящей частицы, за счет излучения и теплопроводности, передается к негорящим частицам, которые, воспламеняясь, являются источником воспламенения других, при этом происходит нарастание температуры за счет разогретых продуктов взрыва, что способствует созданию условий для развития быстрого лавинообразного процесса горения. При этом можно выделить следующие зоны непрерывного фронта пламени в облаке угольной пыли: I - зона исходной пылевоздушной смеси; II - зона подогрева смеси; III - зона кинетического горения; IV - зона горения коксового остатка; V - зона разогретых продуктов взрыва.
В прототипе заявленного способа пламегасящее облако порошка воздействует, в основном, в зонах I, II и III, при этом совершенно не предусмотрено воздействие порошка в зонах горения коксового остатка разогретых продуктов взрыва, что является недостатком этого способа локализации взрыва.
При взрывах угольной пыли в значительных количествах выделяются горючие газы. В сумме горючие газы (окись углерода, водород, метан и его гомологи) могут загазировать по нижнему пределу взрываемости 6,3 объема чистого воздуха по отношению к объему распространения фронта пламени [7]. При этом основным конечным продуктом взрыва является окись углерода, у которой нижний концентрированный предел воспламенения 12,5%, а верхний 74%, что является потенциальным источником возникновения экзогенных пожаров в сети горных выработок, а также вторичным источником взрыва в шахте уже созданных продуктов взрыва первичного взрыва, при этом эти взрывы могут происходить со значительной задержкой по времени, когда взрывоподавляющая способность аэрозольного порошкового облака уже исчерпана.
Для заявленного устройства, наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату техническим решением, принятым за прототип, является устройство локализации взрывов, описанное в патенте РФ №2342535 [2] и представленное на фигурах 6 и 7 с аксиальным расположением сферического скользящего механизма до и после срабатывания, соответственно.
Прототип заявленного устройства характеризуется следующими признаками.
Устройство локализации взрывов метана и угольной пыли, включающее корпус, бункер, наполненный пламегасящим порошком и на выходе перекрытый легко разрушаемой диафрагмой и распылителем, рабочую камеру с поршнем, перекрывающим выхлопные отверстия рабочей камеры, приемный щит в виде диска, стопорный болт и штуцеры, в котором в корпусе установлен сферический подвижный механизм, выполненный в форме шток-поршня и расположенный аксиально в цилиндрической полости полого поршня, перекрывающего выхлопные отверстия рабочей камеры, причем шток-поршень перекрыт защитным стаканом, а в радиальных проточках полого поршня размещены металлические шарики, которые выступают в створ радиальных проточек, имеющихся в корпусе рабочей камеры.
Недостатки устройства по прототипу выражаются в следующем.
Конструкция устройства локализации взрыва (УЛВ) по времени срабатывания, не позволяет флегматизировать зону разогретых продуктов взрыва, так как предусматривает основную функцию подавления фронта пламени взрыва, а соответственно, не может предотвратить возможный вторичный взрыв разогретых горючих продуктов взрыва (окись углерода, водород, метан и его гомологи).
Конструкция устройства ликвидации взрыва прототипа обеспечивает локализацию взрыва, распространяющегося по горной выработке и подходящего к устройству, только со стороны примерного щита ударной воздушной волны. Вследствие этого, для защиты горной выработки в одной ее точке устанавливают два УЛВ с разнонаправленным их размещением, так как взрыв в выработке может распространяться в любых направлениях, это как минимум удваивает стоимость взрывозащитных мероприятий.
Анализ аварий на угольных шахтах России показал, что в УЛВ прототипа остается до 20% огнетушащего порошка, что снижает эффективность подавления взрывов метана и угольной пыли. Причиной остатка порошка в УЛВ является его конструктивная особенность - это использование бункера для размещения порошка конусной формы, а также физическое свойство слеживаемости порошка со временем. Через полгода (срок регламентных работ по замене огнетушащего порошка) уровень порошка, из-за его свойства слеживаемости, значительно снижается, в момент срабатывания УЛВ (при взрыве в горной выработке) сжатый воздух прорывается по линии наименьшего сопротивления, через порошок, в образовавшееся воздушное пространство в конусном бункере, вследствие чего давление воздуха падает и его не хватает для выброса всего объема пламегасящего порошка.
Из вышеизложенного следует недостаточная эффективность способа по прототипу, включающего выполнение быстрого формирования на пути распространения фронта пламени взрыволокализующего заслона в виде облака пламегасящего порошка, сформированного энергией сжатого воздуха или другого инертного газа высокого давления, из-за ненадежного выполнения признака, предусматривающего формирование первичного взрыволокализующего заслона и невозможности подавить возможные вторичные взрывы уже полученных продуктов первого взрыва (окиси углерода, водорода, метана и его гомологов).
Техническим результатом заявленного способа является повышение эффективности локализации взрывов метана, но прежде всего угольной пыли, распространяющихся по сети горных выработок, за счет того, что взрыволокализующий заслон содержит пламегасящий порошок и газообразный ингибитор, а также за счет флегматизации продуктов взрыва метана и угольной пыли газообразным ингибитором, как при формировании первичного, так и вторичного взрыволокализующих заслонов.
Результат достигается тем, что в способе локализации взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли, включающем формирование первичного взрыволокализующего заслона - пламегасящего облака, на пути распространения фронта пламени по горным выработкам, с использованием облака пламегасящего порошка во взвешенном состоянии, в котором первичный взрыволокализующий заслон - пламегасящее облако, формируют энергией сжатого газообразного ингибитора в дополнение к порошку во взвешенном состоянии, в потоке ударной воздушной волны, при этом с замедлением после формирования первичного взрыволокализующего заслона из пламегасящего порошка во взвешенном состоянии и газообразного ингибитора перед распространяющимся фронтом пламени, формируют вторичный заслон из газообразного ингибитора за фронтом пламени в зоне разогретых продуктов взрыва, состоящих из окиси углерода, водорода и гомологов метана, способных взрываться и воспламеняться, причем вторичный взрыволокализующий заслон формируют энергией сжатого газообразного ингибитора, подаваемого в поток разогретых продуктов взрыва, при этом, совместное воздействие двух взрыволокализующих заслонов обеспечивает ингибирование взрывоопасных смесей и охлаждение температуры на фронте пламени и продуктов взрыва за ним, что приводит к локализации взрыва в горной выработке.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение надежности и эффективности формирования первичного взрыволокализующего заслона (порошкового ингибированного облака) и ингибиторного вторичного заслона за фронтом пламени в зоне продуктов взрыва метана и угольной пыли за счет использования энергии сжатого газообразного ингибитора, а также возможности срабатывания устройства при подходе ударной волны, распространяющейся по горной выработке, с любой стороны.
Результат достигается тем, устройство для локализации взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли, включающее бункер для размещения пламегасящего порошка, рабочую камеру с выхлопными отверстиями, ориентироваными под углом 45 градусов относительно центральной оси корпуса рабочей камеры, и цилиндрическим поршнем с центральной калиброванной полостью, перекрывающим выхлопные отверстия рабочей камеры, коаксиально размещенной в бункере конусной формы, перекрытым легко разрушаемой диафрагмой и распылителем, металлическую выносную штангу с приемным щитом, узел присоединения выносной металлической штанги, опорные металлические шарики, которые выступают в створ радиальных проточек, в котором рабочая камера заполненная сжатым газообразным ингибитором разделена, с помощью перфорированной металлической мембраны, на две равные емкости V1 и V2, при этом, в левой части поршня имеется выступ для опоры металлических шариков за счет уменьшения диаметра поршня, а в правой части поршня размещены уплотнители, узел, соединенный с выносной металлической штангой, соединен со скользящей муфтой, выполненной с двумя проточками для перемещения опорных металлических шариков при срабатывании устройства от воздействия ударной воздушной волны, выносная металлическая штанга с обоих концов оснащена двумя щитами для приема силового воздействия ударной воздушной волны, как со стороны выносной штанги, так и со стороны конусного бункера, а бункер для размещения огнетушащего порошка выполнен в форме усеченного конуса.
При этом в корпусе рабочей камеры выполнены отверстия, ориентированные под углом 90 градусов относительно ее центральной продольной оси, для размещения металлических шариков, а скользящая муфта выполнена со стопорным болтом-предохранителем.
Изобретательский уровень заявленного способа состоит в преодолении технических противоречий в способе по прототипу, которые решаются нижеследующими отличительными признаками, необходимыми и достаточными для решения поставленной цели.
Формирование первичного взрыволокализующего заслона для подавления распространяющегося с определенной скоростью фронта пламени осуществляют за счет сжатого газообразного ингибитора, а не за счет распыления пламегасящего порошка сжатым воздухом или инертным газами, что обеспечивает более высокую флегматизирующую и ингибирующую способность порошково-ингибиторного заслона (облака).
Обеспечение процесса формирования вторичного взрыволокализующего заслона из газообразного ингибитора за фронтом пламени в зоне высокотемпературных продуктов взрыва метана и угольной пыли и совместное воздействие двух взрыволокализующих заслонов обеспечивает ингибирование взрывоопасных смесей и охлаждение температуры на фронте пламени и продуктов взрыва за ним, что приводит к локализации взрыва в горной выработке и исключает возможность взрыва.
Изобретательский уровень заявляемого устройства достигается отличительными признаками, необходимыми и достаточными для решения поставленной цели, за счет обеспечения локализации и подавления фронта пламени, а также флегматизации продуктов взрыва метана и угольной пыли, обеспечения срабатывания устройства при подходе распространяющейся ударной воздушной волны по горной выработке с любой стороны, обеспечения полного выброса пламегасящего порошка за счет механизма срабатывания и выполнения бункера в виде усеченного конуса, что позволяет снять негативный эффект слеживаемости пламегасящего порошка.
Сущность способа поясняется схемой, представленной на фиг. 1, где 1 - очаг взрыва метана и угольной пыли, 2 - фронт ударной волны взрыва (УВВ), образованный в результате взрыва метана и угольной пыли, 3 - фронт пламени, 4 - граница зоны разогретых продуктов взрыва, 5 - зона разогретых продуктов взрыва, 6 - взрыволокализующий заслон (облако из пламегасящего порошка и газообразного ингибитора), 7 - взрыволокализующий заслон из газообразного ингибитора, 8 - устройство локализации взрыва (УЛВ), 9 - приемный щит УЛВ, 10 - выносная металлическая штанга, 11 - анкерное крепление с подвеской УЛВ, 12 - горная выработка.
На фиг. 1 изображен начальный момент формирования первичного взрыволокализующего заслона, когда УЛВ воспринимает сигнал от УВВ, при взрыве метана и угольной пыли, на его срабатывание.
На фиг. 1б изображен промежуточный момент, когда УЛВ сработало и произошло полное формирование первичного взрыволокализующего заслона из пламегасящего порошка и газообразного ингибитора и вторичного заслона из газообразного ингибитора для продуктов взрыва.
На фиг. 1в изображен окончательный момент локализации взрыва метана и угольной пыли, когда фронт пламени подавляется.
Способ осуществляют следующим образом. В первичный момент времени (фиг. 1а) до 30 мс при возникновении очага взрыва метана и угольной пыли (поз. 1) в горной выработке (поз. 12) от него распространяются фронты УВВ (поз. 20) и пламени (поз. 3), причем фронт пламени (ФП) отстает от УВВ, т.к. скорость его распространения меньше. При подходе фронта УВВ (поз. 2) к УЛВ (поз. 8), он воздействует на приемный щит (поз. 9) УЛВ. При этом через приемный щит (поз. 9) УЛВ и выносную металлическую штангу (поз. 10) передается механический сигнал на срабатывание УЛВ, в результате чего происходит выброс из бункера УЛВ огнетушащего порошка при помощи газообразного ингибитора и начинается формирование первичного заслона (облака) из пламегасящего порошка и газообразного ингибитора (поз. 6). В промежуточный момент времени 30-50 мс после взрыва (фиг. 1б) распространяющийся фронт УЛВ (поз. 2) окончательно формирует первичный заслон из пламегасящего порошка и газообразного ингибитора (поз. 6), в который входит фронт пламени (поз. 3), и наступает момент его подавления за счет охлаждения очага ниже температуры воспламенения метана и угольной пыли, а также прерывания цепных реакций горения за счет ингибирования взрывоопасной смеси. При этом в зону разогретых продуктов взрыва (поз. 5), за фронтом пламени, подается газообразный ингибитор из УЛВ, что формирует вторичный взрыволокализующий заслон из газообразного ингибитора (поз. 7) и обеспечивает флегматизацию разогретых продуктов взрыва метана и угольной пыли (окись углерода, водорода, гомологи метана) и позволяет исключить вероятность их взрыва. В окончательный момент локализации взрыва метана и угольной пыли более 50 мс (фиг. 1в) происходит полное подавление ФП в первичном взрыволокализующем заслоне из пламегасящего порошка и газообразного ингибитора (поз. 6), заслон разогретых продуктов взрыва (поз. 5) полностью флегматизируется взрыволокализующим заслоном из газообразного ингибитора (поз. 7), а УВВ (поз. 2) не имея энергетической подпитки от повторных взрывов разогретых продуктов взрыва, а также вновь вовлеченного объема угольной пыли в процесс взрыва, начинает диссипировать и полностью затухает в процессе перемещения по горной выработке, т.е. предложенный способ позволяет эффективно локализовать очаг взрыва метана и угольной пыли.
На фиг. 2 и на фиг. 3 изображено устройство локализации взрыва до срабатывания (в ждущем режиме) и после срабатывания соответственно.
Изображенное на фиг. 2 и фиг. 3 устройство включает бункер 24 в форме усеченного конуса, заполненный пламегасящим порошком 25, и закрепленный у входа бункера рассекатель 26. Для гидроизоляции порошка и его высыпания бункер 24 перекрыт полиэтиленовой легко разрушающейся диафрагмой 27. В бункере коаксиально размещена рабочая камера 28 с выхлопными отверстиями 29, которые ориентированы под углом 45 градусов относительно центральной продольной оси корпуса рабочей камеры и перекрываемые цилиндрическим поршнем 30. Поршень 30 имеет центральную калиброванную полость 31, в левой части упорный выступ 32 за счет уменьшения диаметра цилиндра поршня, а в правой части поршня размещены уплотнители 33. На левую часть поршня с уменьшенным диаметром опираются металлические шарики 34, размещенные в отверстиях 35, которые просверлены в корпусе рабочей камеры и ориентированы под углом 90 градусов относительно ее центральной продольной оси. Шарики перекрываются скользящей муфтой 13, в которой имеется две проточки 14 и 15, в которых перемещаются шарики при срабатывании устройства. Скользящая муфта 13 резьбовым соединением связана с выносной штангой 16 с помощью специального узла 17. На двух концах выносной штанги 16 расположены два приемных щита 18 и 19 для приема УВВ, которые подходят к устройству с двух противоположных сторон. Для заполнения газообразным ингибитором рабочей камеры 28, разделенной на две емкости V1 и V2 с помощью перфорированной металлической мембраны 20, а также контроля давления в ней, предусмотрены заправочный штуцер 21 и датчик давления 22. Для предотвращения случайного срабатывания устройства при его заполнении пламегасящим порошком 25 и заправки сжатым газообразным ингибитором предусмотрен стопорный болт-предохранитель 23.
Устройство подготавливают к работе следующим образом. Поворотом по часовой стрелке предохранительного болта-предохранителя 23 до упора скользящую муфту 13 фиксируют в неподвижное положение. В бункере 24 размещают пламегасящий порошок 25, а выход бункера 24 перекрывают полиэтиленовой легко разрушаемой диафрагмой 27, прижимая ее к корпусу бункера рассекателем 26. Скользящую муфту 13 через стыковочный узел 17 соединяют с выносной штангой 16, а также приемными щитами 18 и 19. Устройство подвешивают под кровлей горной выработки на ее защищаемом участке с помощью специальных крепежных деталей. Через штуцер 21 с игольчатым клапаном сжатым газообразным ингибитором заполняют первую емкость (V1) рабочей камеры 28, через перфорацию металлической мембраны 20 газообразный ингибитор проникает во вторую емкость (V2) рабочей камеры, при этом емкости V1 и V2 равны.
Величину давления сжатого газообразного ингибитора контролируют с помощью датчика давления 22. После этого вывинчивают стопорный предохранительный болт 23. В таком (ждущем) положении устройство подготовлено для выполнения своей функции.
Устройство работает следующим образом. При взрыве метана и/или угольной пыли распространяется ударная воздушная волна, которая воздействует на приемные щиты 18 и 19, если фронт ударной воздушной волны подходит со стороны выносной штанги, то силовое ударное воздействие воспринимает приемный щит 18, а если со стороны бункера - приемный щит 19, при этом скользящая муфта 13 в первом случае перемещается вправо, а во втором случае влево. Вследствие перемещения скользящей муфты 13 соединяются пространства отверстий 35 в корпусе рабочей камеры 28 с проточками 14 и 15 в скользящей муфте 13. При этом под действием избыточного давления газообразного ингибитора в рабочей камере 28 цилиндрический поршень 30 перемещается и выталкивает металлические шарики в пространство проточки 14 или 15, вследствие чего открываются выхлопные отверстия 29 рабочей камеры 28. Через выхлопные отверстия 29 из первой емкости (V1) рабочей камеры 28 истекает сжатый газообразный ингибитор в бункер 24 и, интенсивно перемешиваясь с пламегасящим порошком 25, устремляется к выходу из бункера 24, прорывает полиэтиленовую диафрагму 27 и выбрасывает в горную выработку пламегасящий порошок 25, формируя перед фронтом пламени первичный взрыволокализующий заслон из аэровзвеси пламегасящего порошка 25 и газообразного ингибитора. После выброса пламегасящего порошка из бункера 24, избыточное давление газообразного ингибитора во второй емкости (V2) рабочей камеры 28 разрушает перфорированную металлическую мембрану 20, и с определенным замедлением происходит формирование вторичного взрыволокализующего заслона за счет истечения газообразного ингибитора за фронтом пламени в зону продуктов взрыва метана и угольной пыли.
Таким образом, заявленные способ и устройство позволяют устранить недостатки прототипов и существенно увеличить эффективность процесса локализации фронта пламени, а также предотвратить возможность повторного взрыва уже разогретых продуктов взрыва метана и угольной пыли.
Источники информации
1. А.В. Джигрин, А.Ю. Горлов, С.Н. Подображин. «Локализация взрывов метана и угольной пыли автоматическими системами». - Ж. «Безопасность труда в промышленности», №8, 2006 г. - С. 24-29.
2. «Способ локализации взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли и устройства для его осуществления (варианты)», патент на изобретение РФ №2244833, кл. E21F 5/00, публ. 20.01.2005.
3. «Способ локализации взрывов метановоздушной смеси и (или) угольной пыли в подземных горных выработках и устройства для его осуществления», патент на изобретение РФ №2342535, кл. E21F 5/00, публ. 27.12.2008.
4. М.Е. Краснянский «Огнетушащие и взрывоподавляющие порошки». - Донецк: Донбасс, 1990. С. 13.
5. В.Н. Саранчук, В.Н. Качан, В.В. Рекун и др. «Физико-химические основы гидрообеспыливания и предупреждения взрывов угольной пыли». - Киев: Наука думка, 1984 г. - С. 154-155.
6. М.И. Нецепляев, А.И. Любимова, П.М. Петрухин и др. «Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах». - М.: Недра, 1991 г. - С. 50-51.
7. А.А. Мясников, С.П. Старков, В.И. Чикунов. «Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах». - М.: Недра, 1985 г. - С. 29.