СТАЦИОНАРНАЯ УСТАНОВКА НА ЭЖЕКЦИЮ ДЛЯ ВЫБРОСА НА ПОВЕРХНОСТЬ ЗАБОЙНОГО ВОЗДУХА С МЕТАНОМ

Полезная модель «Стационарная установка на эжекцию для выброса на поверхность забойного воздуха с метаном» (в дальнейшем «Стационарная установка…») относится к производству горных работ, в частности, к угледобывающей промышленности.
…По статистике, добыча углеводородного сырья подземным способом сопряжена с высокой степенью именно не предсказуемой опасности - взрывом метана. Главная причина в том, что практически невозможно предупредить трагедию: метан не имеет запаха.
Безопасная работа шахтеров всегда была предметом пристального внимания. Для этого использовали:
- связанные между собой выработки, по которым исходящая воздушная струя забойного воздуха с метаном движется к выходу на поверхность;
- вентиляционный шахтный ствол, предназначенный в основном для вывода из шахты загрязненного и подачи в шахту свежего воздуха;
- вентиляционные штреки.
…В эксплуатации применяли:
- «шахтные» вентиляционные установки, предназначенные для подачи воздуха в забой в количествах, обеспечивающих поддержание в них предписанных «Правилами безопасности» норм чистоты воздуха;
- установки стационарного или полустационарного типа, работавшие в течение всего срока службы шахты или отдельных его «крыльев». Эти установки располагаются на поверхности у канала вентилятора, соединенного с шахтным стволом. (То есть, чтобы не допустить электрической искры, могущей воспламенить скопившийся у кровли концентрации газа (метан легче воздуха, его удельный вес 0,72). Именно ЭТО вызывало главное опасение при эксплуатации). И при кажущейся дееспособности, такие установки не в состоянии разбавить забойный воздух и гарантировать шахтерам безопасную работу. Эта технологическая линия очень громоздкая, металлоемкая, трудно монтируемая, требует крупных подъемных механизмов, огромных капитальных вложений и чрезвычайно энергозатратная. При всей кажущейся их пользе, это не позволяет расположить вентилятор в забое: электрическая искра рано или поздно приведет к взрыву метана)
…Используют три основные группы газоанализаторов:
- габаритные объемно-оптические 001-2М, хроматографы ХГС-1М, Газохром 3101, «Поиск» и другие;
- переносные, индивидуального и группового пользования ГХ-5, ГХ-6 и У1-2;
- стационарные, осуществляющие постоянный автоматический контроль (в основном) содержания метана;
- аппараты АМТ-3, АМТ-3М, комплекс «Метан»;
- аппараты специального назначения типа ТМРК-3 с предупредительной аварийной сигнализацией и последующим отключением электроэнергии;
- в дегазационных сетях - приборы ШИ-3;
- приборы, устанавливаемые на комбайнах и других машинах.
…Используют и другие анализаторы:
- для фиксации критической шкалы содержания метана в забойном воздухе;
- подсказывающие, что пора выводить людей на поверхность;
- только лишь предупреждающих, что возможны авария, трагедия; однако анализаторы, при всех их достоинствах, не в силах упредить форсмажорную ситуацию.
…Трубопроводами нагнетают свежую струю атмосферного воздуха Этим «разубоживают возможные локальные скопления метана у кровли выработок», но не могут предотвратить взрыва. Тогда в пожарном порядке - всех «свистают» наверх, чтобы уберечь людей от взрыва.
…Ученые предлагают иметь «Индивидуальную карту» на каждую шахту, которая бы учитывала «совокупность каналов, потоков газов и давала в руки прогноз развития ситуации». Метан же проснется раньше, чем НАВЕРХУ примут радикальные меры по «предупреждению и развитию ситуации…»
…Разработано и множество приборов индивидуального, группового использования, методов определения критического уровня содержания метана в забойном воздухе.
…Для обуздания метана предлагали использовать метод эжекции -смешение двух сред: забойного воздуха и метана.
Суть функций аналога.
…Эжектор используется как устройство для перемещения воздуха или жидкостей, в котором происходит передача энергии от одной среды, движущейся с большой рабочей скоростью, к другой - подсасываемой. Передача энергии происходит в процессе смешения обеих сред, причем кинетическая энергия «рабочей среды» частично сообщается подсасываемой и частично же теряется из-за значительных вихреобразований в результате турбулентности потока.
В зависимости от рода участвующих в процессе сред, различают три типа эжекторов: воздушно-воздушные, воздушно-жидкостные, жидкостно-газовые. Эжектор состоит из сопла, в котором создается поток рабочей среды, всасывающей камеры и диффузора. В шахтной практике эжекторы применяются, как:
- вентиляционное устройство;
- побудитель тяги, питаемый сжатым воздухом;
- в установках для сухого пылеулавливания;
- пульверизатор жидкости в пылеуловителях и
- аспиратор в приборах пылевого контроля.
Таким я представляю АНАЛОГ моей Полезной модели.
Описанный эжектор, как спасительное средство от непредсказуемого взрыва, не эффективен. Потому что, для его «оживления» требуется кинетическая энергия.
Как показывает практика, нет и оптимального варианта безопасности: метан не обезоружен. Именно в кровле забоя он и набирает силу, чтобы нанести удар.
Однако ни один из выше приведенных приборов не может застраховать беззащитных шахтеров от трагедии.
Обезнадеженность в средствах борьбы с метаном и явилась фактом такой трагедии 09.05.2010 года на шахте «Распадская» в Кемеровской области. Она адекватна взрыву на Саяно-Шушенской ГЭС.И уже 16 июня 2010 года мной была разработана технологическая линия, завязанная на «Стационарную установку…»
Эжекция, «как процесс смешения», в средстве борьбы с метаном сможет выиграть только в тандеме с моим «Воздухозаборником для ветродвигателя» (патент №30873 от 04 ноября 2007 года). Суть заявки…
«Стационарная установка...» - СПОСОБ беспрерывного действия. В нем использован КПД разности уровней атмосферного и забойного воздуха с метаном в естественной вытяжке на поверхность. Примененная мной «разность уровней» уже дает (по физическим законам) возможность усилить скорость вытяжки, что позволяет забойному воздуху выходить из сопла направленным потоком. Это первое существенное резюме в пользу моей полезной модели. Потому что, в том эжекторе воздух, вытянутый из сопла, в диффузоре претерпевает значительные вихреобразования, теряя свою силу, чем снижает КПД.
…Турбулентный же атмосферный поток, попав в сужающуюся воронку-диффузор моего воздухозаборника, преобразуется в направленный, в разы увеличивает напор, чем механически подхватывает из сопла скважины естественно вытянутый на поверхность направленный забойный воздух с метаном. Этим искючается «частичная потеря» (как в аналоге) кинетической энергии, чему в «Стационарной установке…» способствует разность уровней вытяжки. Так практически и применяется СПОСОБ полезной модели в сочетании с моим же «Воздухозаборником для ветродвигателя».
Теперь изложу суть заявки описанием чертежа.
Поставленная задача решается более чем простым, доступным и дешевым монтажом из пластмассовых труб (диаметром 50 миллиметров) воздуховода, который пойдет по пятам за комбайном. То есть, откачка метана проводится постоянно. На Фиг.1 показана последовательность осуществления СПОСОБА.
Технологическая линия состоит из пластмассовых труб 1 обязательно белого цвета диаметром 50 мм и длиной по 5 метров, перфорированных двумя отверстиями 2 диаметром 5 мм в векторе 1000 мм от каждого конца трубы 1.
С одного конца труба 1 имеет раструб 3 с резиновым сальником внутри; он обеспечивает герметичность соединения труб в плети. У самой кровли под середину каждой трубы 1 вбивается штырь 4. Каждая наращенная труба 1 заглушается резиновой пробкой или поролоновой заглушкой 5 для поддержания естественной вытяжки до наращивания очередной трубой 1.
Приемная камера 6 сверху имеет стальную крышку 7 с отверстием диаметром 130 мм, на который приваривается конусообразный цилиндр 8, плотно соединяющийся с основанием вентиляционной скважины 9. В нижней плоскости приемной камеры 6 имеется дверца/заслонка 10 с ручкой и пружинной защелкой 11 для открытия/закрытия дверцы/заслонки 10 и очищения приемной камеры 6 от предметов, осыпавшихся с стен вентиляционной скважины 9 диаметром 100 мм.
Подсоединение труб 1 к приемной камере 6 производится диагонально; отверстия по остальным двум углам заглушаются на случай подключения отводов к ответвлениям новых выработок.
Плеть от приемной камеры 6 наращивается по мере продвижения комбайна в забое до 500 метров и подключается к новой приемной камере 6, которая своим конусообразным цилиндром 8 впрессовывается в основание очередной вентиляционной скважины 9, от которой продолжается наращивание труб до нового вектора 500 метров - к точке бурения очередной вентиляционной скважины… На этом и основана естественная беспрерывная вытяжка на поверхность забойного воздуха с метаном по всем выработкам шахты.
Для лучшей герметизации и устойчивого крепления приемной камеры 6 в вентиляционной скважине 9, на конусообразный цилиндр 8 надевается «горжетка» из поролона или другого эластичного материала. Фиксация приемной камеры 6 в кровле к скважине 9 достигается домкратом 12. На этом основана беспрерывная очистка забойного воздуха от метана:
во-первых, за счет естественной вытяжки благодаря разности уровней забойного и атмосферного воздуха;
во-вторых, применением на поверхности моего «Воздухозаборника…» с диффузором в разы усиливается выброс забойного воздуха с метаном в атмосферу.
Итак, описанием Фиг.1. мы поднялись на атмосферный простор. Здесь пятиметровая труба 13 на два метра зацементирована в вентиляционной скважине 9 диаметром 100 мм. На высоте 200 см от поверхности земли - приварен ободок 14. На скважинную трубу 13 поверх ободка 14 надевают 3-4 тонкие стальные шайбы 15 с графитовой смазкой для облегчения вращения воздухозаборника 18 на 360 градусов.
Выше шайб 15 к трубе 13 приваривают два ободка 16 с наружним диаметром на 2 мм меньше внутреннего диаметра рубашки 17 - для центровки их соосности при вращении по ветру. Интенсивным выбросом из сопла 19 забойного воздуха с метаном на поверхность, завершается второй этап с принуждением к естественной вытяжке.
На поверхности, воздухозаборник 18 кронштейном 21 укреплен на рубашке 17. Воздухозаборник 18, сужающийся к соплу 19, переходит в диффузор 24, где турбулентный атмосферный поток преобразуется в направленный, выбасывается в конечное отверстие 24 (размером 20×20 см) диффузора. Этим еще более усиливается объем «выброса на поверхность забойного воздуха с метаном». Сверху воздухозаборника 18 укреплен флюгер 20, стабилизирующий направление к ветру; для его устойчивости, он с двух сторон подпирается фиксаторами 25.
Ниже ободка 14 с четырех сторон устье вентиляционной скважины 13 подпирается стальной арматурой-«десяткой» 22 и под углом 30 градусов привариваются к вбитым в грунт штырям 23.
Воздухозаборник 18 с экраном 60×150 см, переходит в диффузор с окном 24 размером 20×20 см для подхвата выбрасываемого из сопла 19 забойного воздуха с метаном. Именно турбулентный поток, преобразуемый в диффузоре в направленный, еще в разы увеличивает силу эжекции для подъема из шахты забойного воздуха с метаном.
Эта «Стационарная установка…» - мой третий окончательный вариант с учетом уже ранее поданных (на эту тему) заявок в 2010 году.
(Вторую заявку я просил придержать до досыла этого третьего варианта технологической линии с окончательной доработкой замечаний «Кузбасского Технопарка». Но ее, как сообщили из ФИПС, отозвали. Написали, что надо вновь заявлять, Задержка случилась по поводу поиска мной аналога в «Горное дело. Терминологический словарь». «Недра». 1980, с.107, что я нынче и делаю).
Предложения «Кузбасского Технопарка» в письме №9/424 от 02.09.2010 г. Технологическая линия (Фиг.1) отвечает всем вопросам, высказанным мне его Генеральным Директором С.А.Муравьевым: «Осуществление полезной модели должно строиться на экономическом расчете!».
…Более чем максимально я удешевил свою полезную модель, но не без вентиляционной скважины на каждые 500 метров проходки. На первый взгляд это покажется заметной статьей расходов, но она не должна смущать. В сравнении с прежними затратами на разубоживание, генераторы, электроэнергию, обслуживание, большие материальные и финансовые издержки, сложность, трудоемкость монтажа, капитальный ремонт, возможные взрывы… много крат затратнее с невосполнимыми человеческими трагедиями. Само «разубоживание», как таковое, не исключит трагедию; метан (вопреки всему) будет накапливаться под самой кровлей и ждать своей концентрации до зашкаливания и самовзрыва. Моя полезная модель и призвана, чтобы… предупредить повторения нового форс-мажора..
Прежде всего, на какой бы глубине ни нарезали угольные шахты, нельзя экономить на игнорировании вентиляционных скважин, почитая их очень затратными. Моя полезная модель стыкуется на экономичную вентиляционную скважину под долото диаметром всего 100 мм. Его малый размер не должен смущать: скважина служит круглосуточно.
…Моя «Стационарная установка…» полностью исключает тяжеловесный метал в качестве трубопровода для разубоживания забойного воздуха с метаном. Я предлагаю использовать легкие, несравненно дешевые, легко транспортируемые и быстро монтируемые трубы из пластических материалов. Это один из трех существенных (кроме энергозатрат и исключения электрической искры) требований шахтеров, как главных показателей экономической целесообразности. На каждую «плеть» в 500 м потребуется 4 пакета пластиковых труб в сечении 30×30 см.
…»Стационарная установка…» функционирует за счет естественной вытяжки, используя разность уровней забойного и атмосферного воздуха. На поверхности же, турбулентный атмосферный поток, попадающий в воздухозаборник, в его диффузоре превращается в направленный, чем в разы увеличивается выброс из сопла 19 забойного воздуха с метаном.
…Монтаж технологической линии очень прост, не требует сложных и габаритных подъемных кранов, механизмов, специалистов-профессионалов.
…Постоянная эжекция и движение по трубам забойного воздуха исключают концентрацию в больших объемах метана в кровле. Таким образом...
…Моя полезная модель в разы дешевле стоимости материалов, срокам монтажа и минимальным количеством обслуживающего персонала, тем более потерь от взрыва.
Эксплуатация самой «Стационарной установки…» полностью! исключает энергопотребление; гарантированно выигрывает экономически; локализуя метан, обеспечивает промышленную безопасность по предупреждению самовзрыва - главного врага шахтеров.
…Эксплуатационники выражали опасение «от возможного взрыва газов в точке выброса забойного воздуха на поверхность». Этого не случится: концентрацию чистого метана в трубопроводе исключает эжекция - смешение двух газов: забойного воздуха с метаном. Метан (его удельный вес 0,72) в смеси с забойным воздухом поднимется на поверхность, где рассеется и растворится в атмосферном воздухе.
…Кузбасских шахтеров заботит и «утилизация метана в точке выброса. Я не допускаю такой возможности. Она экономически нецелесообразна: не окупятся затраты на очистные сооружения.
…Такими я вижу свои ответы на вопросы Генерального Директора «Кузбасский Технопарк» С.А.Муравьева. Полагаю, что я справился с заданием эксплуатационников и ИСКЛЮЧИЛ энергопотребление вообще; МАКСИМАЛЬНО удешевил материалами, трудовыми затратами и обслуживанием от начала монтажа технологической линии до выброса на поверхность забойного воздуха с метаном.
Как Автор, я не вижу другого, более экономичного СПОСОБА или варианта борьбы с метаном.
«Стационарная установка…» обеспечивает системный круглосуточный выброс из-под кровли (где и скапливается метан с удельным весом 0.72) на поверхность тысяч кубометров забойного воздуха с метаном. То есть, не допускается:
- причина - зашкаливание в анализаторах показаний содержания метана;
- предупреждается его самовоспламенение и
- исключаются взрывы.
Моя модель «Стационарной установки...» будет работать на качество промышленной безопасности тех, кто спускается в шахту, как на последний бой.
Не будем лукавить, мы понимаем и состояние души этих людей, вынужденных совершать «прыжок в ничто», идти «ва-банк», рисковать самым дорогим: за их плечами - семьи. Это уже не лирическое отступление, а физика понимания суровой действительности.
Технико-экономический эффект от использования моей полезной модели уникален и тем, что от существующих СПОСОБОВ отличается простотой исполнения, не металлоемкая, вообще не требует энергетических и затрат на капитальный ремонт, прост в обслуживании и многократном повторном использовании элементов технологической линии, что тоже не имеет аналогов.
АНАЛИЗ известных аналогичных решений позволяют сделать вывод об отсутствии в них признаков в заявляемом СПОСОБЕ критериям «Новизна» и «Изобретательский уровень».
Источник информации
Горное дело. Терминологический словарь. Лидин Г.Д. и др. М. «Недра». 1990, с.116, 119, 161-162, 234-235, 310-312, 315, 564-565, 682-683.
Большая Советская Энциклопедия, 2-е издание:
Инжектор, т.18, с.152.
Струйный аппарат, т.41, с.154.
Эжектор, Эжекция, т.48, с.330-331.