УДК 69.059.4:69.059.7
Карагандинский государственный университет
защита от взрывов пыли на угольных шахтах с использованием сланцевых заслонов
ТОРЕГЕЛЬДИН М.М., Сельдюгаев О.Б., Танашева Н.К.
Пассивные или конструктивные средства взрывозащиты во всех горнодобывающих странах традиционно оснащаются пламегасящим средством "вода" или "инертная пыль". В то время как вода применяется в так называемых "водяных корытных заслонах" или в заслонах с водяными карманами (мешками) инертная пыль традиционно применяется в так называемых "сланцевых заслонах".
Решения в пользу или против применения определенного пламегасящего средства принимаются как с технической точки зрения, так и под действием влияния других факторов: мнения специалистов исследовательских организаций, активность и технические нововведения поставщиков сосудов для пламегасящих средств, технические предписания горного надзора и т.п.
Находящиеся в настоящее время в международном применении различные альтернативы пассивных противовзрывных заслонов доказали свою эффективность именно в гашении пламени взрыва и, таким образом, право на использование в угольных шахтах.
На шахтах УД АО "АрселорМиттал Темиртау" при выполнении мероприятий по предупреждению и локализации взрывов угольной пыли осуществляется сланцевая пылевзрывозащита, гидропылевзрывозащита или их комбинирование. При сланцевой пылевзрывозащите для локализации взрывов устанавливаются сланцевые заслоны с загрузкой инертной пылью. С 2009 г. поставка инертной пыли производится расфасованной в полипропиленовые (бумажные) мешки весом 25 кг (английский стандарт) [1].
Используемые в настоящее время на шахтах пылевзрывозащитные мешки с инертной пылью на полках сланцевого заслона подрезаются по бокам (периметру) с целью мгновенного их распыления по сечению выработки при взрыве метана и угольной пыли. Однако, в процессе эксплуатации сланцевая пыль со временем высыпается из боковых надрезов в следствии чего, часть порошкового заслона теряется и соответственно при взрыве снижается его пылевзрывогасящий эффект. Поэтому частью исследований является исключение потерь сланцевого заслона в полипропиленовых мешках путем нанесения разреза в средней части в виде (Х), за исключением уголков.
При использовании водяных заслонов в полиэтиленовых сосудах подвешиваемых на крючках к крепи по периметру выработки, происходит значительная потеря влаги из-за естественного ее испарения, что требует частого (периодического) пополнения сосуда водой до необходимого объема и соответственно значительных трудозатрат. С целью исключения последних возникла необходимость исследовать эффективность работы пылевых заслонов взамен водяных, путем заполнения полиэтиленовых сосудов водяных заслонов (ВЗП) инертной пылью массой до 10 кг.
Исследование эффективности предлагаемых способов и средств пылевзрывозащиты были выполнены в рамках НИР между ДГП "КазНИИБГП" и УД АО "АрселорМиттал Темиртау" в 2010 г.
Соисполнителем НИР был Центральный штаб профессиональных аварийно-спасательных служб, в частности филиал ВАСС "К?мiр" Карагандинского бассейна.
При подготовке испытательного полигона и непосредственно при проведении экспериментальных взрывов для приемочных испытаний порошковых и водяных заслонов в комбинации с огнезащитной сеткой на договорной основе участвовали и другие организации.
Расчеты элементов ударной трубы Т-1420 на прочность и техническую экспертизу выполнило ТОО "Интеграл-2006".
Метрологическое и информационное обеспечение, включающее датчики давления и регистрации пламени, программное обеспечение, разработано и изготовлено АО "Казчерметавтоматика".
Работы по монтажу заслонов, установке ограждающих перемычек, формированию зоны с взрывной концентрацией метано-воздушной смеси, разгазирование и демонтаж оборудования после взрывов производились военизированным подразделением филиала ВАСС "К?мiр" как газоопасные работы по плану мероприятий, утвержденным и согласованным в установленном порядке.
Работы по восстановлению испытательного полигона, основной частью которого является ударная труба, изготовлению и тестированию метрологической системы были завершены в октябре 2010 г., а экспериментальные взрывы для проведения приемочных испытаний заслонов начаты 05.11.2010 г.
За период с 5 по 17 ноября 2010 года произведено 5 экспериментальных взрывов с целью испытаний различных видов заслонов и их комбинаций в части способности локализовать воздействие ударной волны и пламени и препятствовать дальнейшему их распространению.
Полигон в районе Чкаловского водохранилища представляет собой железобетонную испытательную конструкцию общей длиной 117 м включающую взрывную камеру с трубой для вентиляции газов, секционную ударную трубу, переходное кольцо, квадратный тоннель, бетонное ограждение, помещение для оборудования и паттерны для установки датчиков.
Основными элементами данной конструкции являются ударная труба из железобетона общей длиной 93 м состоящая из 18 секций по 5 м и железобетонного тоннеля длиной 20 м с паттернами для установок датчиков давления и пламени (рисунок 1).
Рисунок 1 - Момент загазирования ударной трубы метаном
Ударная труба смонтирована из железобетонной трубы марки ТНГ-1420 рассчитанной на рабочее давление до 10 атмосфер.
Трубы марки ТНГ-1420 соответствуют ГОСТ 26819-86 "Трубы железобетонные напорные со стальным сердечником. Технические условия". Исходные материалы для изготовления этих труб следующие:
портландцемент марки не ниже 400 по ГОСТ 10178-85 для изготовления труб, предназначенных к эксплуатации в грунтах и грунтовых водах с содержанием сульфат - ионов до 5000мг/л;
сульфатостойкий портландцемент марки не ниже 400 по ГОСТ 22266-76 для изготовления труб, предназначенных для эксплуатации в грунтах и грунтовых водах с содержанием сульфат - ионов до 5000мг/л;
песок по ГОСТ 10268-80.фракция песка более 5мм подлежат отсеву;
вода по ГОСТ 23732-79 для приготовления бетона;
сталь холоднокатанная обыкновенного качества марки ВСтЗсп или ВСтЗпс толщиной 3-5 мм.
горячекатанная лента толщиной 4 мм из углеродистой качественной конструкционной стали марки 08кп или 10кп по ГСТ 1050-74 для изготовления калиброванных соединительных колец (втулка, раструб) и закладочных изделий электрозащиты;
арматурная проволока класса Вр-1 диметром 5мм по ГОСТ 6727-80*, класса Врп-1 диаметром 6 мм по ТУ 14-170-119-80 или класс СЭТО по ТУ 14-4-1120-82 для армирования труб;
проволока цинковая или алюминиевая диаметром 1-2,2 для металлизации калиброванных соединительных колец. Сорта проволоки алюминиевой АТ (твердая, нагартованная), АПТ (полутвердая, полунагартованная) и АМ (мягкая, отожженная).
Наружный слой бетона труб должен быть пропитан композицией из петролатума (90+2%) и жирных высших кислот (10+1%) на глубину не менее 10 и не более 18мм.
Водопоглощение бетона внутреннего и наружного слоев труб не должно превышать значений, указанных в таблице 1.
Обследование труб ТНГ-1420 полностью подтвердило характеристики, приведенные выше.
Разгонная часть ударной трубы длиной 93 метра смонтирована из секций по 5 метров со сваркой мест стыковок металлических вставок. Для усиления герметичности с наружной стороны швы между секциями труб покрыты бетоном (балласт и цемент марки 400) и защищены бекроном, с внутренней стороны покрыты строительным гипсом.
В заранее предусмотренных местах разгонной трубы в процессе монтажа выполнены 12 сквозных отверстий диаметром 40 миллиметров для последующей установки в них датчиков измерения давления и регистрации пламени, подачи метана или другого газа для имитации взрыва (рисунок 2).
Рисунок 2 - Паттерна для установки датчиков и поджига
Во внутренней части трубы на каждом стыке секций приварены кольца из катанки диаметром 6 мм для крепления элементов заслона.
Разгонная часть ударной трубы соединена с взрывной камерой и с тоннельной частью квадратного сечения 2х2 метра длиной около 20 метров с бетонированием мест соединений с трубой. Общая протяженность ударной трубы Т - 1420 вместе со взрывной камерой и тоннельной частью составляет 117 метров.
Основным элементом сланцевых заслонов исследуемых в экспериментах является инертная пыль заполненная в стандартные полипропиленовые (бумажные) мешки по 25 кг и полиэтиленовые сосуды водяных заслонов (ВЗП) загружаемые инертной пылью по 10 кг применяемых в настоящее время на шахтах УД АО "АрселорМиттал Темиртау".
Механизм пылевзрывозащиты с использованием сланцевых заслонов основан на том, что под действием ударной волны взрыва происходит мелкодисперсное распыление инертной пыли из емкостей (мешок-сосуд) на пути прохождения фронта ударной волны, в следствии их механического разрушения и последующего адгезионного взаимодействия частиц угольной пыли с инертной приводящего к значительному уменьшению удельной поверхности угольного аэрозоля и аэрозоля, и как следствии этого гашению пламени[2].
Для измерения давления с целью оценки эффективности различных заслонов по гашению пламени и гашению (затуханию) ударной волны разработаны и изготовлены специальные датчики, устанавливаемые в ударной трубе в соответствии со схемой расстановки заслонов и расположении их по отношению к зоне загазвания.
Конструктивно корпус и мембрана датчика давления изготовлены из дюралюминия марки ВД - 95, который практически не имеет остаточной деформации после серии действия нагрузки и ее снятия, что имеет важное и принципиальное значение при измерении механических деформаций.
Корпусы датчиков имеют цилиндрическую форму с плоским широким фланцем в месте крепления датчика к пазу в ударной трубе. В верхней части датчика присутствует съемная крышка на резьбе, к торцу которой приклеены тензорезисторы сопротивления. На фланце выполнены 4 отверстия для надежного герметичного крепления корпуса датчика к пазу в ударной трубе. Сигнальные магистрали крепятся к датчику с помощью разъема УНЦРГ-09, что позволяет раздельно устанавливать датчики и по мере необходимости подсоединять кабели.
Измерительным элементом датчика давления является тензорезистор, который наклеивается на тонкую мембрану и изменяет свое электрическое сопротивление при деформации мембраны под действием давления. Компенсационный тензорезистор, включаемый в измерительный мост, наклеен на корпус датчика, для исключения влияния температурного фактора при измерениях. К каждому датчику давления разработан и изготовлен усилитель сигнала на базе ТЛ072, смонтированный недалеко от датчика, что позволяет располагать основной блок устройства считывания на расстоянии от 60 до 100 метров.
Калибровка (тарирование) датчиков давления осуществлялось с помощью специально сконструированной и изготовленной установки и разработанного программного модуля для ПК.
В процесс калибровки датчиков давления используется специальное устройство, позволяющее плавно изменять значение давления на калибруемом датчике Предварительно фиксируется нулевой сигнал при нулевом давлении, выполняется расчет нуля, а затем при данном давлении рассчитывается переводной коэффициент выходного сигнала аналогово-цифрового преобразователя в давление. Величина этого коэффициента зависит только от параметров усилителя сигнала и остается неизменной.
Давление газа через редуктор поступает на вход устройства калибровки и фиксируется манометром модели 112-02 или любым подходящим по диаметру входного клапана и максимально измеряемому давлению. Манометр проверен, точность измерения 0,4
Поскольку известно, что тензометры сопротивления имеют линейную характеристику зависимости выходного сигнала от величины нагрузки (в данном случае давления), калибровка производилась одной точкой при давлении 2,5 атмосферы с использованием баллона с сжатым газом пропаном.
По калибровочному графику вычислен передаточный коэффициент для всех датчиков давления, равный 0,227 атм./ед. сигнала АЦП.
Повторная калибровка проводится в случаях переклейки датчиков или изменении параметров усилителя сигналов.
Одним из основных требований к заслонам для предотвращения и локализации взрывов газа и угольной пыли в шахтах является исключение или по крайней мере уменьшение проскока пламени через заслон.
Для наблюдений за продвижением пламени и протяженности его распространения при проведении экспериментальных взрывов в процессе приемочных испытаний заслонов спроектированы и изготовлены специальные датчики регистрации пламени. Места установки датчиков пламени определялись в каждом конкретном случае в зависимости от характера и цели каждого эксперимента.
Конструктивно корпус датчика пламени выполнен аналогично датчику давления, в одном конце которого вмонтирован фотодиод марки ФД-263.
Разработанное специальное программное обеспечение системы измерений при проведении приемочных испытаний заслонов выполняет следующие функции:
- прием и обработка информации от аналого - цифрового преобразователя и запись ее в базу данных;
- установка и расчет нуля при калибровке датчиков давления;
- расчет и запоминание коэффициента передачи при калибровке датчиков давления;