PL228266B1 - Urzadzenie do aktywnego tłumienia wybuchu - Google Patents

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228266 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 411227 (51) Int.CI.

E21F 5/00 (2006.01) A62C 3/02 (2006.01) A62C 37/36 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 10.02.2015 (54)

Urządzenie do aktywnego tłumienia wybuchu

	(73) Uprawniony z patentu:
	INSTYTUT TECHNIKI GÓRNICZEJ KOMAG,
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Gliwice, PL
16.08.2016 BUP 17/16	(72) Twórca(y) wynalazku:
	ZBIGNIEW SZKUDLAREK, Gliwice, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.03.2018 WUP 03/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Elżbieta Olbrzymek

co co

CM

CM

CM

Ω.

PL 228 266 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do aktywnego tłumienia wybuchu mające zastosowanie w prowadzeniu prac górniczych w podziemiach kopalń, gdzie występuje niebezpieczeństwo pojawienia się metanu mogącego spowodować jego zapalenie się i wybuch.

Kopalnia jest specyficznym zakładem produkcyjnym z uwagi na jej lokalizację pod ziemią oraz skalę zagrożeń wybuchowych i pożarowych związanych z wydobywaniem węgla, któremu ciągle towarzyszy wytwarzanie pyłu węglowego i wydzielanie metanu. Zazwyczaj, zapalenie się metanu i jego wybuch powodują powstanie i wybuch chmury pyłu węglowego, który może rozprzestrzenić się w podziemnych wyrobiskach, powodując znaczne straty zarówno osobowe, jak i materialne. Ograniczenie lub wykluczenie prawdopodobieństwa powstania zapłonu oraz wybuchu metanu zmniejsza możliwość występowania zjawiska wybuchu pyłu węglowego.

Obecnie nie są znane układy do tłumienia wybuchu metanu. W podziemnych wyrobiskach kopalni stosowane się jedynie układy tłumienia wybuchu pyłu węglowego, które mają charakter pasywny, co oznacza, że do skutecznego ich działania konieczny jest już rozwinięty wybuch posiadający odpowiednią energię mogącą wyzwolić układy przeciwwybuchowe. Zwykle potrzeba na to kilku sekund, co w skali dynamicznego zjawiska wybuchu przekłada się na odległość co najmniej 60-100 m. Skuteczność takich układów jest osiągana dopiero na przestrzeni kilkuset metrów. Są to wartości zbyt duże, aby mówić np. o minimalizacji skutków wybuchu lub o ochronie bezpośrednio w przodku korytarzowym, gdzie przebywają pracownicy. Zatem zadaniem tych układów jest jedynie przeciwdziałanie propagacji wybuchu pyłu węglowego, a nie ochrona pracowników w bliskim sąsiedztwie czoła przodka. Ponadto istniejące środki zaradcze w postaci np. opylania zrobów i ociosów pyłem skalnym (np. sproszkowany wapień), zwilżania miejsc gromadzenia pyłu, zraszania w przodkach ścianowych, odpylania w przodkach korytarzowych zabezpieczają jedynie przed nadmiernym powstawaniem zapylenia pyłami węglowymi i nie eliminują zagrożenia wybuchem pyłu węglowego, lecz jedynie je zmniejszają.

Głównym źródłem zapłonu metanu w obrębie czoła wyrobiska korytarzowego jest kontakt narzędzia maszyny urabiającej z piaskowcem lub kwarcem znajdującym się w drążonym wyrobisku korytarzowym. Aby zmniejszyć ryzyko zapłonu metanu, maszyny wyposaża się w wodne lub powietrznowodne systemy ciągłego zraszania, a w wyrobiskach korytarzowych umieszczane są układy do pomiaru stężenia metanu oraz prowadzona jest wentylacja zapobiegająca gromadzeniu się metanu. Jednak, mimo takiej intensyfikacji zabezpieczeń w jednym miejscu, zapłonu metanu nie da się uniknąć. Jest to spowodowane tym, że w każdej chwili w procesie urabiania skał i węgla może pojawić się iskra o energii wystarczającej do zapalenia skoncentrowanej objętości metanu (np. w trakcie jego wyrzutu z czoła wyrobiska w wyniku odspojenia calizny o dużej objętości), mimo działania układów zraszania wodnego. Również nie jest możliwe skuteczne kontrolowanie bezpiecznego stężenia metanu bezpośrednio w rejonie czoła wyrobiska, ponieważ ilość wydobywania metanu z urabianej calizny ma przebieg stochastyczny i nie da się go bezpiecznie kontrolować w miejscu, gdzie występuje bezpośredni kontakt narzędzia urabiającego z urabianą calizną.

Znane są natomiast liczne rozwiązania urządzeń do gaszenia pożarów i tłumienia wybuchów przeznaczone do neutralizacji zagrożeń wybuchowych zwłaszcza w zbiornikach, rurociągach i magazynach substancji łatwopalnych i wybuchowych. Przykładem może być urząd zenie do samoczynnego tłumienia wybuchów przedstawione w opisie patentowym PL 212055, które składa się z zamkniętego od góry cylindrycznego korpusu, z przymocowaną od dołu dyszą wylotową. W górnej części korpusu znajduje się komora spalania z ładunkiem wybuchowym, a w dolnej części korpusu umieszczony jest materiał gaśniczy. Ponadto urządzenie ma membranę oddzielającą materiał gaśniczy od dyszy wylotowej. Dysza wylotowa jest zakończona głowicą rozpylającą z otworami rozdzielającymi strumień rozpylonego materiału gaśniczego na wylocie dyszy, co ma wpływ na zwiększenie kątowego rozproszenia materiału tłumiącego względem osi urządzenia i zwiększenie obszaru objętego ochroną. Urządzenie ma dyszę wspomagającą zbieżną w kierunku membrany i usytuowaną współosiowo w dolnej części korpusu, która posiada na obwodzie w pobliżu membrany otwory wspomagające. Dysza ta ma ułatwiać rozpylenie materiału gaśniczego na całej jego długości oraz umożliwiać uzyskanie w dyszy wylotowej równomiernie rozproszonej fazy materiału gaśniczego w gazach spalinowych.

Ponadto znane jest z brytyjskiego zgłoszenia patentowego GB1364754 oraz amerykańskiego zgłoszenia patentowego US3515217 rozwiązanie do tłumienia wybuchu w korytarzowych wyrobiskach górniczych, w którym pojemniki gaśnicze i uruchamiające je detektory płomienia usytuowane są na kadłubie (korpusie) maszyny urabiającej przemieszczającej się w wyrobisku ruchem posuwistoPL 228 266 B1 zwrotnym. Usytuowanie elementów detekcji i gaszenia na korpusie sprawia, że obszar detekcji i gaszenia jest usytuowany tylko w świetle korpusu maszyny urabiającej. Jest to niekorzystne, ponieważ narzędzie urabiające, usytuowane na końcu ruchomego ramienia maszyny, wykonującego ruch w płaszczyźnie pionowej i poziomej, znajduje się w większości poza wyznaczonym obszarem, co może być przyczyną powstawania wybuchów.

Celem wynalazku jest jakościowe i ilościowe zmniejszenie następstw skutków wybuchu metanu z wykorzystaniem układu tłumienia wybuchu, którego zadaniem jest bezpośrednia likwidacja przyczyn mogących spowodować wybuch metanu.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do aktywnego tłumienia wybuchu w korytarzowych wyrobiskach górniczych w podziemiach kopalń zamontowane jest na pracującej w wyrobisku maszynie urabiającej i zawiera uruchamiane za pośrednictwem detektorów pojemniki gaśnicze posiadające komorę proszkową ze środkiem gaśniczym oraz komorę wybuchową. Istotą rozwiązania jest to, że układ detekcji i gaszenia urządzenia zamocowany jest na ruchomym ramieniu maszyny. Zgodnie z wynalazkiem urządzenie ma co najmniej dwa pojemniki gaśnicze uruchamiane za pośrednictwem detektorów płomienia zamocowane na ruchomym ramieniu maszyny urabiającej, wyposażonym w głowicę tnącą tak, że ich usytuowanie względem czoła przodka wyrobiska zmienia się wraz z ruchem ramienia podczas pracy maszyny urabiającej w wyrobisku górniczym.

Korzystne jest gdy pojemniki gaśnicze umieszczone są w odległości L > 1 m od czoła przodka wyrobiska.

Istotne jest by zasięg działania pojemników gaśniczych obejmował co najmniej strefę wybuchu, której obszar wyznaczony jest przez obrys ostrzy noży skrawających głowicy tnącej, którego lokalizacja zmienia się wraz ze zmianą położenia głowicy tnącej.

Ponadto korzystne jest gdy pojemnik gaśniczy ma elastyczną membranę oddzielającą komorę wybuchową od komory proszkowej ze środkiem gaśniczym.

Powiązanie układu detekcji i gaszenia bezpośrednio z ramieniem, sprawia, że obszary oddziaływania układu detekcji i gaszenia podążają za ruchem ramienia.

Przedmiot wynalazku ukazano w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry maszyny urabiającej ustawionej wzdłuż wyrobiska korytarzowego wyposażonej w urządzenie do tłumienia wybuchu, fig. 2 - widok tej samej maszyny z boku, fig. 3 - osiowy przekrój podłużny przez pojemnik gaśniczy będący wyposażeniem urządzenia do tłumienia wybuchu metanu.

Maszyna górnicza 1, którą jest przykładowo górniczy kombajn chodnikowy, pracuje w wyrobisku korytarzowym 2. Maszyna górnicza 1 jest wyposażona w zamocowaną na ruchomym ramieniu 19 głowicę tnącą 3, która urabia kawałki węgla i skał z czoła przodka 4 wyrobiska. Urobiony węgiel i skały są przemieszczane od czoła przodka 4, wzdłuż wyrobiska korytarzowego 2 za pomocą typowych urządzeń transportowych, jak podajniki taśmowe lub łańcuchowe.

Urządzenie do tłumienia wybuchu metanu zabudowane jest na maszynie górniczej 1 i składa się z zespołu gaszącego zawierającego co najmniej dwa pojemniki gaśnicze 6 z wylotami skierowanymi w kierunku czoła przodka 4 wyrobiska, zamocowane na ruchomym ramieniu 19 maszyny górniczej 1. Zespół gaszący jest aktywowany przez detektory płomienia 5, wchodzące w skład zespołu detekcji. Urządzenie do tłumienia wybuchu metanu znajduje się w stałej odległości od czoła przodka 4 wyrobiska korytarzowego, zależnej od położenia maszyny górniczej 1 oraz jej głowicy tnącej 3. Pojemniki gaśnicze 6 wchodzące w skład urządzenia znajdują się przed operatorem maszyny górniczej 1, aby skutecznie ograniczyć wpływ skutków zapłonu i wybuchu metanu na operatora.

W wyrobisku korytarzowym 2, gdzie pracuje maszyna górnicza 1 wyposażona w układ gaśniczy oraz układ detekcji, wyróżnia się trzy strefy oddziaływania:

• strefę wybuchu A, w której powstaje płomień metanu i rozwija się wybuch we wczesnej jego fazie. Strefa wybuchu A może się przestrzennie przemieszczać w zależności od chwilowego położenia ramienia 19 maszyny górniczej i. Strefa wybuchu A tworzy przestrzeń wyznaczoną przez obrys ostrzy noży skrawających głowicy tnącej 3;

• strefę detekcji B, która kontrolowana jest przez detektory płomienia 5. Strefa detekcji B ma stały zakres względem osi podłużnej ramienia głowicy, a jej granice stanowią co najmniej skrajne położenia ramienia głowicy maszyny górniczej. Strefa detekcji B tworzy przestrzeń wyznaczoną przez linie detekcji 8 kąta bryłowego wyznaczającego obszar działania detektora płomienia 5;

• strefę tłumienia C, obejmującą przestrzeń na którą oddziałuje strumień środka gaszącego wydostający się z pojemników gaszących 6. Strefa tłumienia C pokrywa się co najmniej ze

PL 228 266 B1 strefą detekcji B i tworzy przestrzeń wyznaczoną przez linie tłumienia 7 kąta bryłowego wyznaczającego obszar działania pojemników gaśniczych 6.

Zamontowane na maszyny górniczej 1 detektory płomienia 5 do wykrywania wybuchu metanu reagują na promieniowanie optyczne. Detektory płomienia 5 działają w strefie detekcji B i posiadają zasięg ograniczony liniami detekcji 8 i linią czoła przodka 4 oraz obejmują, w każdym położeniu głowicy tnącej 3, swoim zasięgiem strefę wybuchu A.

Strefa tłumienia C, chroniona przez zespół gaszący złożony z pojemników gaśniczych 6, jest ograniczona liniami tłumienia 7 wynikającymi z kąta rozproszenia środka gaśniczego wypływającego z dyszy 18 każdego pojemnika gaśniczego 6 zespołu gaszącego. Strefy tłumienia C, pochodzące od poszczególnych pojemników gaśniczych 6 zachodzą na siebie (przenikają się), co sprawia, że obszar chroniony jest skutecznie zabezpieczony przed przedostawaniem się płomienia, powstającego w wyniku zapalenia się metanu w strefie wybuchu A ograniczonej linią wybuchu 9. Strefa tłumienia C swoim zasięgiem sięga co najmniej poza strefę detekcji B.

Aby zapewnić właściwe pole widzenia dla operatora maszyny pojemnik gaśniczy 6 powinien posiadać korzystnie położenie poziome, gdzie oś pojemnika jest równoległa do osi podłużnej wyrobiska 11.

Najkorzystniej jest, gdy pojemnik gaśniczy 6 składa się z dwóch wydzielonych komór: proszkowej 12 i wybuchowej 13, oddzielonych od siebie elastyczną membraną 14. Elastyczna membrana 14 zapobiega przed przemieszczaniem się z przestrzeni komory proszkowej 12 środka gaśniczego 15 w przestrzeń komory wybuchowej 13, w której oddziałuje ładunek wybuchowy 16 umieszczony w perforowanej komorze spalania 11. Jest to istotne zwłaszcza w czasie pracy maszyny, kiedy to powstające drgania powodują ubijanie i zbrylanie się środka gaśniczego 15.

Do komory proszkowej 12, poprzez membranę metalową 17 mocowana jest stożkowa dysza wylotowa 18. Otwarty i stożkowy wylot dyszy wylotowej 18 pozwala uzyskać właściwy kąt rozproszenia i prędkość wylotu strugi środka gaśniczego 15 i gazów z procesu spalania ładunku wybuchowego wewnątrz komory wybuchowej 13 oraz nie powoduje zatykania przekroju wylotu przez np. oderwane kawałki membrany elastycznej 14 i membrany metalowej 17.

Korzystnie jest przeprowadzać detekcję w sposób ciągły i automatyczny za pomocą detektorów płomienia 5 zamocowanych na maszynie górniczej 1, a pojemniki gaśnicze 6 również korzystnie jest mocować na maszynie. Aby uzyskać jednorodne środowisko zdolne stłumić wybuch detektory płomienia 5 powinny jednocześnie aktywować wszystkie pojemniki gaśnicze 6. Uruchomienie urządzenia do tłumienia wybuchu powinno działać autonomicznie bez względu na czynności operatora maszyny górniczej. Jedynie w ten sposób można zapewnić szybką reakcję urządzenia po zauważeniu płomienia będącego początkiem zjawiska wybuchu.

Urządzenie służy do zatrzymania wybuchu w czole wyrobiska korytarzowego 1 i nie pozwala na rozprzestrzenianie się go wzdłuż wyrobiska.

Do uruchomienia zapalnika ładunku wybuchowego 18 umieszczonego wewnątrz komory spalania 11 można użyć sygnału z dowolnego detektora płomienia 5 zdolnego rozpoznać obecność płomienia palącego się metanu.

Gdy detektor 5 jest aktywowany przez płomień powstały w czole wyrobiska to mechanizm detonacji aktywuje ładunek prochowy znajdujący się w każdym z pojemników 6. Ciśnienie powstałe w wyniku wybuchu w pojemniku powoduje pęknięcie membrany 17 i wyrzucenie materiału gaśniczego z pojemnika przez otwór wylotowy 18. Materiał gaśniczy jest rozpraszany w kierunku czoła przodka 4 wyrobiska i szybko tłumi wybuch w jego zarodku, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się wybuchu wzdłuż wyrobiska.

Urządzenie według wynalazku ma pojemnik w formie gaśnicy, wyposażony w detonator ładunku wybuchowego i membranę izolującą proszek gaśniczy od ładunku wybuchowego oraz membranę, która oddziela proszek gaśniczy od wylotu z pojemnika. Urządzenie obejmuje wykrywanie obecności płomienia w przodku wyrobiska i automatyczną detonację ładunku wybuchowego znajdującego się wewnątrz pojemnika i odprowadzenie materiału gaśniczego wraz z gazami z procesu spalania ładunku wybuchowego przez otwór zamknięty łamliwą membraną.

Urządzenie według wynalazku przedstawia rozwiązanie, którego zadziałanie, dzięki szybkiemu rozpoznaniu zjawiska wybuchu zachodzącego w np. przodku korytarzowym podczas prowadzenia robót górniczych, zapewni lepszą i bardziej efektywną metodę pozwalającą na niezawodne zapobieganie niszczących wybuchów metanu bezpośrednio w przodkach korytarzowych kopalni węgla kamiennego.

PL 228 266 Β1

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do aktywnego tłumienia wybuchu w korytarzowych wyrobiskach górniczych w podziemiach kopalń, które zamontowane jest na pracującej w wyrobisku maszynie urabiającej i zawiera uruchamiane za pośrednictwem detektorów pojemniki gaśnicze posiadające komorę proszkową, zawierającą środek gaśniczy oraz komorę wybuchową, znamienne tym, że co najmniej dwa pojemniki gaśnicze (6) uruchamiane za pośrednictwem detektorów (5) płomienia są zamocowane na ruchomym ramieniu (19) maszyny urabiającej, wyposażonym w głowicę tnącą (3) tak, że ich usytuowanie względem czoła przodka (4) wyrobiska zmienia się wraz z ruchem ramienia (19) podczas pracy maszyny urabiającej w wyrobisku górniczym.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pojemniki gaśnicze (6) umieszczone są w odległości L > 1 m od czoła przodka (4) wyrobiska.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zasięg działania detektorów płomienia (5) oraz pojemników gaśniczych (6) obejmuje co najmniej strefę wybuchu (A), której obszar wyznaczony jest przez obrys ostrzy noży skrawających głowicy tnącej (3), a jego lokalizacja zmienia się wraz ze zmianą położenia głowicy tnącej (3).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pojemnik gaśniczy (6) ma pomiędzy komorą proszkową (12) zawierającą środek gaśniczy (15) oraz komorą wybuchową (13) elastyczną membranę (14), oddzielającą te komory od siebie.