Михеев А.А. - Способ сжигания метановоздушной смеси

Реферат

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения взрывов в угольных шахтах. Способ сжигания метановоздушной смеси включает поджигание метановоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в горную выработку инициаторами зажигания, для чего постоянно действующие инициаторы зажигания располагают вдоль продольного направления горной выработки. Кроме того, в потолочной части, поперек продольного направления горной выработки, устанавливают перегородки, которые образуют секции с газонепроницаемыми стенками. Позволяет предотвратить катастрофические взрывы метановоздушной смеси в угольных шахтах, а также контролировать количество и скорость выделяемого метана по количеству и периодичности мини-взрывов. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, преимущественно к угольной, и может быть использовано для предотвращения катастроф в горных выработках.

Известны различные способы и устройства для предотвращения взрыва метановоздушной смеси в горных выработках, основанные на предупреждении взрыва метана.

Так, известны средства для предотвращения взрыва метана и угольной пыли в шахтах, использующие физико-химическое воздействие на метаноугольновоздушную смесь. Авторское свидетельство СССР № 977822, Е21F 5/00, опубл. 30.11.82.

Такими средствами являются хлористый натрий, вода с добавками поверхностно-активных веществ, хлористый калий.

Однако, поскольку выброс метаноугольновоздушной смеси носит вероятностный характер, то эффективно использовать эти средства сложно, так как трудно предугадать время и место выброса.

Более близким техническим решением для способа, как объекта настоящего изобретения, является способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси в горных выработках, включающий физическое воздействие от источника на метаноугольновоздушную смесь.

Авторское свидетельство СССР № 926324, Е21F 5/00, опубл. 07.05.92. Известное устройство содержит соответствующий источник воздействия на метаноугольновоздушную смесь. В этом способе подают в призабойное пространство горной выработки воду и сжатый воздух для создания в ней водовоздушной завесы. Распыление воды производят потоком сжатого воздуха через пневматические эжекторы, при этом воздух предварительно пропускают через поглотители кислорода. Таким образом, способ предусматривает создание невзрывоопасной концентрации компонентов метаноугольновоздушной завесы.

Ограничениями способа являются: возможность предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси только при работе в забое в особо опасных по газу и пыли горизонтальных и восстающих горных выработках, что не гарантирует абсолютную надежность в предотвращении катастроф от взрыва метаноугольновоздушной смеси в шахтах; отсутствует возможность предотвращения взрыва по всей длине шахты; невозможно предотвратить взрыв при внезапных выбросах метана вдали от призабойной зоны.

В настоящее время системы безопасности на угольных шахтах представляют собой установление датчиков, тестирующих концентрацию метана. На шахте "Ульяновская" в Кемеровской области было установлено новейшее оборудование из Великобритании, которое должно было реагировать на опасную концентрацию метана. При срабатывании датчиков моментально отключалось электрооборудование, чтобы не вызвать искры.

Но шахтеры признавались, что затыкали эти датчики чем придется, чтобы не тормозить работу. Источники "Коммерсанта" в Ростехнадзоре сообщили, что выявленные нарушения касались в основном эксплуатации установленной в "Ульяновской" и других шахтах "Южкузбассугля" систем MineWATCH PC21 метанового мониторинга английской компании Davis Derby. Они были приобретены за 100 млн руб. в 2005 году (еще в 400 млн руб. обошлось их внедрение на предприятиях концерна) после взрыва на еще одной шахте "Южкузбассугля" - "Есаульской", в результате которого погибли 25 человек, MineWATCH PC21, как утверждают шахтеры, била тревогу до нескольких раз за смену. В результате из-за частых остановок техники шахтеры "Ульяновской" никак не могли выполнить планы по добыче угля, что, соответственно, сказывалось на их доходах. Тогда горняки, на свой страх и риск, стали нейтрализовывать метановые датчики, используя для этого ветошь, одежду и проч. Так делается на всех шахтах - прикрытый тряпкой датчик теряет чувствительность. Сами же шахтеры считают, что небольшое превышение концентрации метана не является критическим - к взрыву приводит загазованность на уровне от 4 % до 15,5 %.

Недостатки систем MineWATCH PC21 метанового мониторинга английской компании Davis Derby следующие.

1. При выбросе минимального и безопасного количества метана рядом с датчиком система бьет тревогу и останавливает работу шахты, при этом тревога, по сути, является ложной.

2. Отличить ложную тревогу (малый выброс метана) от обоснованной тревоги (большой выброс метана) система MineWATCH PC21 не может.

3. Из-за многократных эвакуаций по тревоге снижается добыча угля со всеми последствиями.

4. Высокая цена систем MineWATCH PC21 при низкой эффективности.

5. Система выполняет роль статиста метановых выбросов. Система MineWATCH PC21 не перспективна.

Аналогом предлагаемого изобретения является (Способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси и устройство для его осуществления) RU 2129211.

Задачей этого изобретения является предотвращение вероятности возникновения взрыва. Способ включает поджигание метаноугольновоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в шахту. Для этого используют систему инициаторов зажигания, которую располагают вдоль продольной оси участка шахты и включают до поступления в шахту метаноугольновоздушной смеси. После включения инициаторы зажигания функционируют постоянно во времени. В качестве инициаторов зажигания может быть использована керосиновая лампа, лампада, электроспираль или нить накаливания.

Недостатки этого изобретения следующие.

1. Выделяемый газ (метан) будет растекаться по потолку горной выработки не достигая нужной концентрации от 6 % до 9,5 %.

2. Когда газ достигнет нужной концентрации, его может собраться так много, что произойдет взрыв не меньший, чем стихийный взрыв газа метана.

3. Предлагаемые в качестве инициаторов зажигания керосиновая лампа и лампада будут гаснуть от взрыва и их придется каждый раз снова зажигать.

4. Электроспираль или нить накаливания, расположенные вдоль продольной оси участка шахты, в практических условиях шахты (химически агрессивные среды, сырость, контакт с грунтом, возможность поражения электрическим током) трудноприменимы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является предотвращение опасного для человека большого взрыва метановоздушной смеси.

Как показывает практика, взрывается именно метановоздушная смесь, а угольная пыль участия во взрыве не принимает.

Термин «метаноугольновоздушная смесь» употребляется для усложнения видимости задачи. В том плане, что с метановоздушной смесью справиться еще можно, а с прибавлением угольной составляющей задача усложняется, и перспективы ее решения уменьшаются.

Поставленная задача обеспечивается методом разделения большого взрыва газа на множество мелких и потому безопасных взрывов, что также обеспечивает возможности использования обычного, а не искрозащищенного оборудования в шахте.

Технология стихийных взрывов метана на всех шахтах примерно одинаковая. В течение 30–40 минут выделяется 300–500 куб. метров газа и случайная искра вызывает взрыв.

Учитывая недостатки современных систем безопасности на угольных шахтах и исходя из поведения метановых выбросов, предлагается новая система безопасности на угольных шахтах.

По всей протяженности горной выработки в потолочной части (от потолка вниз) устанавливаются перегородки. Расстояние между перегородками примерно 3–5 метров. Перегородки выполнены из газонепроницаемого и негорючего материала и расположены поперек хода горной выработки.

Размер перегородок от стенки до стенки горной выработки полностью, от потолка вниз, от 0,5 метра до одного метра. В центре этого потолочного короба установлен источник огня, например, периодически проскакивающая электрическая искра, способная воспламенить образующуюся воздушно-газовую смесь. Инициатором зажигания метановоздушной смеси в каждой секции может быть открытая электронагревательная спираль, действующая постоянно во времени или с интервалом 3–7 и более секунд.

Метан поступает не из всей протяженности горной выработки, а из ограниченных трещин и сразу же скапливается у потолка из-за своего легкого удельного веса. Перегородки не позволяют метану растекаться по всей длине потолка и тем самым накапливаться в больших количествах.

Ограниченный в пространстве перегородками выделенный метан при объеме 1 куб. метр и воздух 15–20 куб. метров создают взрывоопасную воздушно-газовую смесь с концентрацией метана 5–6 %. Периодически поступающий электрический разряд воспламеняет воздушно-газовую смесь.

Этот взрыв является безопасным для людей и конструкции шахты, так-как он примерно в пятьсот раз слабее стихийного взрыва.

Как показывает практика, 300 куб. метров метана выделяется в среднем за 30 минут или 1800 секунд. 1800:300 равно 6. Значит 1 куб. метр метана выделяется за 6 секунд. Если метан будет поступать в одну и ту же секцию, то мини-взрывы будут происходить с периодичностью в шесть секунд. Но метан будет поступать в разные секции, и в отдельно взятой секции мини-взрыв будет происходить не чаще одного раза в 30 секунд. Такую нагрузку способна выдержать секция, выполненная из доступных материалов. В итоге вместо одного взрыва мощностью 300 куб. метров газа, который уничтожает шахту и ведет к гибели людей, произойдет 300 мини-взрывов.

Эти мини-взрывы будут восприниматься как хлопки. Они не разрушают шахту и не приводят к гибели шахтеров. По периодичности мини-взрывов будет определяться скорость поступления метана в шахту, а по общему числу мини-взрывов его количество. Если один мини-взрыв будет происходить с периодичностью 40–50 секунд, то работу можно не останавливать.

При учащении мини-взрывов до одного взрыва на 20 секунд работу надо остановить до окончания выделения метана.

Изобретение поясняется чертежом, где изображен общий вид сбоку (рис. 1).

Рисунок 1 – Способ сжигания метановоздушной смеси

Дозатор сжигания метановоздушной смеси, расположенный в горной выработке 1, от потолка выработки 5 вниз поперек продольного направления горной выработки 6 установлены газонепроницаемые перегородки 2, закрепленные на оси 4.

В центре каждой секции установлены инициаторы зажигания 3.

Работа дозатора сжигания метановоздушной смеси осуществляется следующим образом. Метан, выделяемый в шахте 1, поднимается к потолку 5. Искусственные газонепроницаемые перегородки 2 не позволяют метану растекаться по потолку 5 в разные стороны. Метановоздушная смесь, достигнув концентрации содержания метана 5–6%, поджигается инициатором зажигания 3. Происходит мини-взрыв, который в 300–500 раз слабее стихийного взрыва. Газонепроницаемые перегородки 2 крепятся к потолку посредством осей 4, чтобы при мини-взрыве перегородки 2 отклонялись в сторону, тем самым рассеивая ударную волну и сберегая конструкцию секции.

После мини-взрыва происходит новое накопление метана в секции и новая порция метановоздушной смеси сжигается. И так постоянно во времени.

Если потолок 5 горной выработки 6 прямоугольной формы, то все стенки секций прямые, а оси 4 газонепроницаемых перегородок 2 установлены вплотную к потолку.

Если потолок 5 горной выработки 6 арочной формы, то боковые стенки полукруглые, а оси 4 газонепроницаемых перегородок 2 установлены ниже от потолка, на расстояние, позволяющее перегородке 2 отклоняться под действием взрывной волны. И так как перегородка 2 имеет прямоугольную или близкую к ней форму, то образованные сверху и по бокам газонепроницаемых перегородок 2 окна закрываются стационарными газонепроницаемыми пластинами, образующими вместе с перегородками 2 на осях 4 единые газонепроницаемые перегородки на каждой линии. При прохождении под секциями рабочего состава инициаторы зажигания временно отключаются.

В отличие от применяемых в настоящее время средств борьбы со стихийными взрывами в угольных шахтах «Дозатор сжигания метановоздушной смеси» дает гарантию недопущения накапливания в шахте газа метана, а значит и большого взрыва.

Формула изобретения

1. Способ сжигания метановоздушной смеси, включающий поджигание метановоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в горную выработку инициаторами зажигания, для чего постоянно действующие инициаторы зажигания располагают вдоль продольного направления горной выработки, отличающийся тем, что в потолочной части поперек продольного направления горной выработки установлены перегородки, которые образуют секции с газонепроницаемыми стенками.

2. Способ сжигания метановоздушной смеси по п.1, отличающийся тем, что каждая секция представляет собой перевернутый короб с полукруглыми по бокам стенками, открытый снизу, при этом две стенки короба, расположенные вдоль продольного направления горной выработки, – это боковые стенки горной выработки, другие две стенки короба, расположенные поперек продольного направления горной выработки, – это искусственные газонепроницаемые перегородки, а верхняя часть короба – это потолок шахты.

3. Способ сжигания метановоздушной смеси по п.1, отличающийся тем, что искусственные газонепроницаемые перегородки, расположенные поперек продольного направления горной выработки, закреплены на оси с возможностью отклоняться при мини-взрыве.

4. Способ сжигания метановоздушной смеси по п.1, отличающийся тем, что инициаторы зажигания установлены в потолочной части каждой секции и представляют собой генератор электрической искры достаточно мощной, чтобы зажечь метановоздушную смесь.

5. Способ сжигания метановоздушной смеси по п.1, отличающийся тем, что электрическая искра производится с периодичностью 3–7 и более секунд.

6. Способ сжигания метановоздушной смеси по п.1, отличающийся тем, что инициаторы зажигания в каждой секции представляют собой открытую электронагревательную спираль, действующую постоянно во времени или с интервалом 3–7 и более секунд.