Автоматическая Система защиты газовоздушных скважин от взрыва Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 658.284/.3:681.5

А.В. Ремезов, В.Г. Харитонов, К.А. Филимонов, П.С. Коротаев, А.В. Рогачков

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СКВАЖИН ОТ ВЗРЫВА

С развитием комбинированного проветривания очистных забоев [1] возникла необходимость в бурении одиночных или групповых газоотсасывающих скважин с дневной поверхности в отработанное пространство или отдельного очистного забоя, или в отработанное пространство панели, горизонта и т.д.

Для улучшения эффективности газоотсасывающих установок пришлось увеличивать диаметр газоотсасывающих скважин с диаметра 100-150 мм до 500-1000 мм и более, при этом разрабатывать новые газоотсасывающие вентиляторы с увеличенной их производительностью от 9 до 38 м3/с. В настоящее время разработан и выпускается целый пирометрический ряд газоотсасывающих вентиляторов: УВЦГ-7, УВЦГ-9, УВЦГ-15, производитель-

ность которых соответственно 9; 18,5; 38 м3/с.

Первоначально правилами ПБ разрешалось из выработанного пространства отсасывать через скважины газовоздушную смесь с содержанием метана (СН4) до 100 %. В дальнейшем при эксплуатации газоотсасывающих установок произошел ряд аварий с большими людскими жертвами, например на ОАО «Шахта «Комсомолец». Произошли также аварии на шахтах «Есаульская», «Зыря-новская», им. С.М. Кирова. Последний случай произошел на ЗАО «Шахта «Распадская», когда разряд молнии ударил в канал газоотсасывающего вентилятора, воспламенил газовоздушную смесь и затем через газоотсасывающую скважину проник в отработанное горное пространство. Причиной этих аварий послужило нарушение

регламента производства ремонта газоотсасывающих установок, т.е. ведение огневых работ на оборудовании, входящем в состав газоотсасывающей установки без перекрытия и герметизации устьев газоотсасывающих установок.

После тщательного анализа причин произошедших аварий специальными комиссиями Гостехнадзора, Гостехнадзор принял решение, которое обязывало эксплуатационников до разработки специальных средств и устройств предотвращающих распространение пламени горения метана с поверхности через газоотсасывающие скважины в подземные горные выработки снизить содержание газа метана (СН4) в отсасываемой из горных выработок на поверхность газовоздушной смеси до 2 % (в исключительных случаях до 3 %). Принятие такого решения по

Аштмч» Ш1К-1 Ді

wt»w

^ Vf'/Vty/> -'ЛУУ/' УуууХу V у//У/, Ч: V

Рис.1. Система локализации пламени СЛПШ

снижению содержания газа метана в газовоздушной смеси резко снизило эффективность комбинированного проветривания.

Своим письмом от 11.06.02 № 04-35/332 Гостехнадзор России принял решение с 01.08.02 оснащать все вновь вводимые в эксплуатацию газоотсасывающие и вакуум-насосные установки системами локализации пламени.

В настоящее время на шахтах Кузбасса применяются: «Система локализации пламени шахтная» (СЛПШ), разработанная и изготавливаемая ООО НПП «Шахтпожсервис»

(г. Кемерово) и «Система взрывозащиты газоотводящей сети» (СВГС-900), разработанная ООО НПП «Системы промышленной безопасности»

(г. Бийск). «Система взрывозащиты газоотводящей сети» (СВГС) проходила эксплуатационные испытания на шахтах «Комсомолец», «Чертинская».

«Система локализации пламени шахтная» (СЛПШ)

оборудованы газоотсасывающие установки на шахтах «Октябрьская», «Полысаевская»,

«Заречная», им. С.М. Кирова, «Грамотеинская» и оборудуются другие шахты. Элементы системы СЛПШ располагаются в основном в соединительном канале, соединяющим вентилятор со скважиной (рис. 1).

Устройство и работа «Системы локализации пламени» (СЛПШ)

Структуры технических средств СЛПШ для ГОУ наземного комплекса представлены на рис. 2. На рис. 2, а представлена СЛПШ для ГОУ наземного комплекса с ручным управлением, т.е. перекрытие потока МВС в газопроводе 5 и подача свежего воздуха для охлаждения и продувки элементов СЛПШ и ГОУ осуществляется с помощью поворотных затворов машинистом установки. СЛПШ включает в себя: огнепрегради-тель коммуникационный ППК-

1; поворотные затворы 7; датчики температуры 10; блоки питания, защиты 4; прибор вторичный (устройство сопряжения); блок сигнализации 3 и может быть доукомплектована сепаратором газо-водяной смеси СГВС 6 и датчиком разности давлений 11.

На рис.2, б представлена СЛПШ для ГОУ надземного комплекса, т.е. перекрытие потока МВС в газопроводе 5 и подача свежего воздуха осуществляется по команде устройства сопряжения 2 на блок управления 12. схема позволяет перейти на дистанционное управление, а при отказе электроприборов 13 на ручное управление. Эта СЛПШ может быть доукомплектована поз. 8 и 11 по заказу потребителя.

В процессе эксплуатации на ГОУ наземного или подземного комплексов СЛПШ находится в следующих режимах:

рабочий (длительный) - поток МВС свободно проходит через ее элементы с незначительными потерями давления на их сопротивлении, которое со временем с момента начала эксплуатации может увеличиться и достичь величины выше допустимой;

аварийный (кратковременный) - при воспламенении пламени МВС в газопроводе на стороне вентиляторной установки на ГОУ наземного комплекса или на любой из сторон огнепреградителя ППК-1 на ГОУ подземного комплекса.

В аварийном режиме ударная волна сжатой МВС дойдет по газопроводу до огнепрегра-дителя ППК-1 и разрушится, пламя же, дойдя до пламегася-щего элемента огнепреградите-ля ППК-1, может продолжить гореть, подпитываясь свежей горючей смесью, или прекратит горение. При подходе и «посадке» пламени МВС на пламега-сящем элементе огнепрегради-теля ППК-1 происходит разогрев чувствительного элемента датчика температуры, который выдает сигнал:

электрический в СЛПШ на ГОУ наземного комплекса, преобразованный в световую и звуковую сигнализации и, при наличии, включения электроприборов поворотных затворов;

гидравлический в СЛПШ на ГОУ подземного комплекса, преобразованный в электрический для включения световой и звуковой сигнализации.

При использовании СЛПШ на ГОУ наземного комплекса датчика давления его показания можно считывать визуально, также как и датчика температуры на цифровом табло (циферблате) вторичного прибора, а сигнал, превышающий уставку, использовать для световой и звуковой сигнализации. Для периодического измерения давления потока МВС на элементах СЛПШ имеются герметично закрытые штуцера. Переход СЛПШ из рабочего режима в аварийный осуществляется без участия обслуживающего персонала по сигналу от датчиков температуры.

На ГОУ наземного комплекса с ручным управлением затворов необходимо в течение 8 минут выполнить операции:

- закрыть затвор, установленный по потоку;

- открыть затвор, установленный перпендикулярно потоку.

На затворах с электроприводами эти операции осуществляются автоматически.

На ГОУ подземного комплекса перекрытие потока и гашение пламени МВС осуществляется автоматически распыленной водой из оросителей.

На ГОУ наземного комплекса во взрывоопасной зоне (газопровод) элементы СЛПШ питаются от искробезопасных источников, которые обеспечивают по одной и той же цепи питания и передачу токовых сигналов величиной от 4 до 20 мА.

Во вторичный прибор сигнал приходит искроопасным по величине равный искробезопасному сигналу от датчика. На

а) с местным ручным управлением потоком МВС 2 3

мвс-

\ ,УЬ

aA!4U/\a

....М>

Гм) \

V

-І+- —

f ГОУ

свсжий воыу*

б) с автоматическим (дистанционным) управлением потоком МВС

ГОУ подземного комплекса все элементы СЛ111ТТ находятся во взрывоопасной зоне и, поэтому, имеют рудничное взрывозащищенное исполнение с искробезопасными цепями.

В качестве устройства подачи воды приняты элементы установки автоматического пожаротушения УАП, в состав которого входят: сетчатый

фильтр УАП 01, мембранный клапан УАП 02, оросители УАП-Л 00.08, датчик температуры ТД 516 М мод А и сигнализирующий манометр

ДМ 8017СгУ2.

Принцип устройства подачи воды:

в рабочем режиме вода из пожарно-оросительного трубопровода через отвод, задвижку и фильтр поступает в напорную камеру клапана и через калиброванное отверстие в мембране в побудительную камеру и далее к элементам побудительной системы (датчикам температуры и манометру);

в аварийном режиме чувствительные элементы датчиков температуры разрушаются, происходит разгерметизация побудительной системы и побудительной камеры клапана и снижение давления воды в них до атмосферного.

Под действием напора воды со стороны напорной камеры мембрана, сжимая пружину, переходит в противоположное положение, открывая тем самым проход воде из пожарнооросительного трубопроводам к оросителям, распыляющим воду на пламегасящий элемент огне-преградителя.

Огнепреградитель коммуникационный ППК-1

Предназначен для гашения пламени и ударной волны взрыва метановоздушной смеси (МВС) в газопроводах дегазационных и газоотсасывающих систем угольных шахт.

В зависимости от типоразмера и технической и другой документации ППК-1 обозначается: ППК-1-01; ППК-1-02;

1 - аппаратная;

2 - вторичный прибор;

3 - блок сигнализации;

4 * блок питания и искрозащиты;

5 - газопровод ГОУ;

6 - штуцер для измерения давления;

7 - узел поворотных затворов;

ППК-1-03; ППК-1-04. Общий вид огнепреградителя показан на рис. 3. По устойчивости к воздействию климатических факторов внешней среды ППК-1 соответствует исполнению УХЛ категории 1 по ГОСТ 15150. ППК-1 устанавливается на наземных газопроводах, по которым транспортируется метановоздушная смесь (СН4) любой концентрации горючего компонента на минимальном удалении от возможного места воспламенения.

Устройство и работа.

Гасящее действие ППК-1 основано на принципе интенсивного теплообмена, который происходит между стенками каналов кассет и продуктами горения. Конструкция ППК-1

8 - сепаратор газо-водяной смеси СГВС;

9 - огнепреградитель ППК-1;

10 - датчик температуры;

11 - датчик давления;

12 - блок питания и управления эл. приводами;

13 - электропривод;

____л.с,___ линия связи, поставляемая по заказу.

рассчитана на давление детонационной волны и ее гашение за счет предохранительных устройств, которые одновременно являются смотровыми люками для проведения работ внутри ППК-1.

В рабочем режиме метановоздушная смесь свободно проходит через ППК-1, оказывая незначительное сопротивление потоку.

В аварийном режиме, в случае воспламенения СН4 в трубопроводе, фронт пламени дойдя до пламегасящего элемента (поз.5), задерживается. Воздействие пламени на кассету (поз.4) должно быть не более 10 мин.

Кассета пламегасящего элемента ППК-1 состоит из

Рис. 2. Схема структурная технических средств СЛПШ на ГОУ наземного комплекса

1 - корпус огнепреградителя

2 - штуцер датчика температуры

3 - ответный фланец

4 - кассета

Рис.З. Огнепреградитель

концентрически навитых гофрированной и плоской металлических лент, уложенных в обечайку.

Кассета и пламегасящий элемент устанавливаются в корпусе ППК-1 (поз.1) герметично. В корпусе ППК-1 имеются:

- штуцер (поз б) для дренажа жидкости;

- смотровые люки (поз 7);

- штуцера: для тепловых датчиков (поз.2), для датчика давления (поз.8).

ППК-1 должен эксплуатироваться с температурными датчиками у пламегасящего элемента.

«Система взрывозащиты газоотводящей сети» (СВГС)

Проходила эксплуатационные испытания на шахтах «Комсомолец», «Чертинская».

Эксплуатационные испытания закончены, установка находится на стадии сертификации и получения разрешения на применение на предприятиях, подконтрольных Ростехнадзору.

Принципиальная схема установки СВГС показана на рис. 4 и 5. СВГС предназначена для локализации и тушения объемного возгорания метановоздушной смеси, переходящего во взрыв при возникновении по-

5 - пламегасящий элемент

6 - штуцер вентиля дренажа жидкости

7 - смотровой люк

8 - штуцер датчика давления

коммуникационный ППК-1

жара класса С (загорание газообразных веществ по ГОСТ 27331-87), и предотвращения проникновения огня и ударной волны в газоотсасывающую скважину без участия человека. СВГС монтируется на объекте между устьем газоотводящей скважины и входной коробкой газоотсасывающего вентилятора.

В основу физических прин-

ципов взрывозащиты, реализованных в установке СВГС, положено три возможных механизма гашения пламени: тепловой (теплопотери), кинематический (потеря энергии при транспортировании флегматиза-тора - распыление в потоке газа воды) и аэродинамический (потеря энергии на преодоление турбулентного трения).

При возгорании метановоздушной смеси и возникновении взрыва происходит гашение открытого и взрывного горения гидрозолем, снижается давление во фронте ударной волны за счет вскрытия предохранительных мембран взрывопрегради-теля, а также обеспечивается автоматическое перекрытие аэродинамического канала между камерой огнепреградителя и входным патрубком СВГС (газоотводящей скважиной) посредством гидрозатвора.

Условно СВГС можно разделить на три функциональные части. Первая (входная) часть установки (рис. 4) включает входной патрубок, резервный бак 3 и бак эвакуации жидкости 15 с элементами управления рабочим уровнем жидкости в корпусе СВГС - краны баков

Рис. 4. Принципиальная схема взрывозащиты поверхностной газоотводящей сети (СВГС): 1 - входной патрубок; 2 - корпус СВГС; 3 —резервный бак; 4 - вышибные мембраны;5 -ротоклон; 6 - стяжные болты; 7 - антициклон; 8 - выходной патрубок; 9 - окно уровня жидкости в корпусе; 11 -разъём корпуса; 12 - технологическая заглушка; 13, 14 - кран соответственно бака и бака эвакуации

жидкости;

Вид А

1 11 1 щ \\\

Рис.5. Принципиальная схема ротоклона огнепреградителя:

1 ~ корпус ротоклона; 2 - верхняя панель корпуса СВГС; 3 - уровень жидкостив корпусе СВГС; 4 - аэродинамические лопатки-перемычки; 5 - входное сечение в щелевую часть ротоклона; 6 -щели ротоклона; 7 - направление движения транзитного газа в щелях ротоклона; 8 - геометрия опуска ротоклона

резервного 13 и эвакуации излишек жидкости 14.

Вторая часть установки -взрывоогнепреградитель - располагается в ее центральной части и отделяется герметично от входной установки ротокло-ном 5 (рис. 5).

Ротоклон - это устройство, предотвращающее проникновение пламени в газоотводящую скважину и уменьшающее в 5-6 раз скоростной напор транзитного газа для снижения аэродинамического сопротивления ВСГС.

В настоящем исполнении (рис.5.) ротоклон состоит из четырех не связанных друг с другом герметичных полостей 6, в нижней части которых имеются выходные щели (вид А), опущенные в жидкость (воду) на некоторую глубину 3 -величину, называемую «опус-ком» ротоклона.

Аэродинамическая геометрия ротоклона спроектирована таким образом, что осуществляется распределением газового потока вдоль его опуска. Для этой цели предназначены и аэродинамические лопатки-

перемычки 4.

Третья функциональная часть установки СВГС представляет собой устройство для отделения капель жидкости из транзитного потока газа, возвращения жидкости в корпус СВГС и представляет собой два спаренных антициклона 7 (рис. 4), установленных для уменьшения аэродинамического сопротивления СВГС в параллель.

Работа СВГС заключается в следующем. В исходном состоянии, при выключенном вентиляторе, опуск ротоклона отделяет газоотводящую скважину от вентилятора (выход газа в атмосферу) гидрозатвором (вид А, рис. 5). При включении вентилятора транзитный газ (рис. 5, поз. 7) из газоотводящей скважины поступает в расширительную часть 5 щелей ротоклона.

Газ, проходя через опуск, образует у стенок ротоклона псевдосжиженную газоводяную

смесь - гидрозоль. В вертикальном сечении гидрозоль условно подразделяется на три зоны (рис. 6): I - жидкость, II - жидкостно-пузырьковая смесь, III -пена.

При возгорании метановоздушной смеси перечисленные зоны гидрозоля создают надёжную преграду для проникновения огня в щелевую часть ротоклона, а, следовательно, и в газоотводящую скважину.

При возникновении аварийной ситуации (возгорание метановоздушной смеси, переходящего во взрыв) мембрана срывается с места крепления под воздействием падающей на неё ударной волны или при давлении в корпусе СВГС, превышающем атмосферное на 40-50 ДаПа.

Срыв вышибных мембран 4 (рис. 7) приводит к резкому снижению давления во фронте ударной волны до уровня, при котором конструктивные элементы СВГС сохраняют свою прочность и не изменяют свою геометрию. При этом гидравлический затвор создаёт препятствие и не пропускает распространение ослабленной ударной волны в щели ротоклона и в газоотводящую скважину. Ти-

повая конструкция вышибной заглушки показана на рис. 7.

Первым недостатком системы СЛПШ является то, что она занимает часть канала, а в связи с тем, что огнепрегради-тель ППК-1-04 системы СЛПШ состоит из сетчатых лабиринтов, которые со временем забиваются разными пылевидными отходами, содержащимися в отсасываемой газовоздушной смеси, то это приводит к повышению компрессии и уменьшению производительности вентилятора, дополнительному расходу электроэнергии.

Вторым недостатком является то, что при остаточном пламени на огнепреградителе его тушение производится или от ручного воздействия машиниста газоотсасывающей установки (что связано с определенной инерционностью действия и возможностью вторичного взрыва смеси) или при автоматическом воздействии на остаточное пламя или высокую температуру огнепреградителя за счет подачи на него газоводяной смеси, что практически представляет определенную трудность в климатических условиях Сибири при температуре ниже 0 °С.

Исходное

состояние

Работа

вентилятора

оо по ,оо.

Рис. 6. Схема транзита газа через опуск ротоклона

^11*1 . /

(//////// и/¿¿./Л

Рис. 7. Схема вышибной заглушки:1 - корпус СВГС; 2 - ва.тк-окантвка; 3 - прорезиненная ткань - мембрана; 4 -решётка; о стяжная мкта; 6 - патрубок

Основные недостатки системы СВГС («Система взрывозащиты газоотводящей сети»)

1. Значительная громоздкость и сложность установки.

2. Работа ротоклона (устройство предотвращающее проникновение пламени в газоотсасывающую скважину) строится на пропускании и гашении пламени через слой воды. Эксплуатация такой установки в условиях низкой температуры является сложной.

Для устранения недостатков вышеописанных устройств нами разработана принципиально новая система предотвращения распространения воспламенения и взрыва газовоздушной смеси на поверхностной газоотсасывающей установке в подземные выработки через газоотсасывающую скважину (рис. 8.).

В состав данного разработанного устройства входят:

• пирометрический датчик обнаружения с высокой скоростью вспышки газовоздушной смеси (см. патент РФ № 2109345 от 20.04.1998. / Г.В. Леонов, Ю.Л.Станкевич, С.И. Каширин);

• генератор, способный с высокой скоростью выбросить в канал соединяющий газоотса-

для подавления пламени инертных холодных газов или другого ингибитора для подавления пламени, например, инертной пыли.

Пирометрический датчик располагается в газовоздушном канале, но так как он имеет малые размеры - диаметр 100 мм и длину 200 мм, то он занимает в канале мало места и не оказывает значительного сопротивления проходу газовоздушной

го вентилятора.

Генератор инертной среды расположен на внешней стороне канала. Мы предполагаем в разработанной нами установке использовать генератор двухстороннего действия, например типа УПВ-30П, БСП КР (см. Патент № 2070967) или другие подобной конструкции. С коробом канала данные сопрягаются только соплами и не оказывают вообще сопротивления проходу

сывающий вентилятор - скважину достаточное количество

смеси и не влияет отрицательно на характеристики работы само-

газовоздушной смеси.

Количество инертного ин-

Генератор (по необходимости один или несколько) инертных газов или устройство выброса ингибитора

Рис 8. Система предотвращения распространения воспламенения и взрыва газовоздушной смеси на поверхностной газоотсасывающей установке в подземные выработки через газоотсасывающую скважину

гибитора или инертных газов рассчитывается в соответствии с характеристикой газовоздушной скважины и характеристикой применяемого вентилятора.

Защитные характеристики разрабатываемого устройства позволят:

• устранить отрицатель-

ное воздействие применяемого устройства локализации пламени СЛПШ на общую характеристику газоотсасывающего устройства;

• повысить надежность предотвращения распространения пламени в шахту;

• повысить содержание

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

газа метана в газоотсасывающей установке до 100 %;

• повысить значительно эффективность самого комбинированного проветривания.

1. Руководство по проектированию комбинированного проветривания выемочных участков с применением газоотсасывающих вентиляторных установок для шахт ОАО «Компания «Кузбассуголь» / С.С. Золотых, Г.Г. Стекольщиков, Г.И. Денисенко и др.: Кемерово, 2000 г.

2. Руководство по эксплуатации «Системы локализации пламени шахтной» (СЛПШ) ООО НПП «Шахтпожсервис» (г. Кемерово).

3. Руководство эксплуатации «Система взрывозащиты газоотводящей сети» (СВГС-900) ООО НПП «Система промышленной безопасности» (г. Бийск).

□ Авторы статьи:

Ремезов Анатолий Владимирович

- докт. техн. наук, проф. каф. РМПИ

Харитонов Виталий Геннадьевич

- канд.техн. наук, ген. директор ОАО «Шахта «Заречная»

Филимонов Константин Александрович

- канд.техн. наук, доц. каф. РМПИ

Коротаев Павел Сергеевич -магистрант

Рогачков

Антон

Владимирович

-магистрант

УДК 622.012.3:625.86.001.2

В.А. Шаламанов, О.П. Афиногенов, С.Н. Шабаев

ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗЕРНОВЫХ СОСТАВОВ ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПОКРЫТИЙ И ОСНОВАНИЙ КАРЬЕРНЫХ ДОРОГ

По разным оценкам, доля угля, добываемого открытым способом, составляет в настоящее время 50-65% и наблюдается тенденция к ее увеличению. При этом одним из наиболее трудоемких и дорогостоящих процессов является транспортирование горной массы. В нем занято до половины работников горнодобывающих предпри-

ятий, а транспортные затраты достигают 40-70% от общих затрат на добычу полезных ископаемых [1,2]. Наиболее распространенный вид карьерного транспорта - автомобильный. На его долю приходится около 65% перевозок горной массы на карьерах России и 85% за рубежом. На разрезах Кузбасса автотранспортом перевозится до 65% вскрышных пород и практически весь уголь [3].

В большинстве случаев в качестве материалов для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог карьеров применяется фракционированный щебень (от 10-30 до 120150 мм) [4]. Важно отметить, что слои дорожной одежды зачастую устраивают без заклинки, что снижает их несущую способность, сдвигоустойчи-

вость [5], и не соответствует требованиям СНиП 2.05.07-91* [6]. Использование в покрытиях фракционированного щебня без заклинки снижает ходимость шин. Если учесть, что доля затрат на шины в структуре себестоимости транспортирования составляет до 30%, а общие затраты на шины за срок службы автосамосвала достигают 6080% его стоимости [7], становится очевидной необходимость

применения оптимальных смесей. Кроме того, дорожные покрытия из щебня, устроенного по способу заклинки, практически не ремонтопригодны. Таким образом, применение щебеночно-песчаных смесей - один из лучших вариантов, способных сократить себестоимость продукции горнодобывающих предприятий за счет увеличения сроков службы шин и снижения затрат на строительство слоев дорожных одежд, их содержания и ремонта.

Если для автомобильных дорог общего пользования зерновые составы щебеночнопесчаных смесей для устройства покрытий и оснований нормированы ГОСТ 25607-94 [8], то для карьерных дорог этот вопрос остается открытым. Ниже предлагаются предпосылки для