Пристрій для запобігання негативним наслідкам вибуху метано-повітряної суміші

Реферат: Пристрій для запобігання негативним наслідкам вибуху метано-повітряної суміші включає спорудження ізоляційної перемички. Пристрій виконаний у вигляді опорних металевих балок, кінці яких замонолічені жорстко у гірський масив, на яких розміщені проміжні металеві балки, вкриті жорстким листом, залитим міцним гіпсовим шаром, на поверхні якого встановлені еластичні ємності з рідиною з додаванням у неї інгібіторів, наприклад NaCl, для створення водяної завіси для нейтралізації полум'я і охолодження ударно-вогневої хвилі, що рухається по стовбуру від місця вибуху вертикально вгору. Для створення герметичності калориферний канал в кріпленні (стінках) стовбура перекривають переважно бентонітовою перемичкою. UA 111053 U (12) UA 111053 U UA 111053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до гірської промисловості, зокрема для швидкої ізоляції вертикального стовбура від аварійної ділянки і нейтралізації полум'я та охолодження ударновогневої хвилі від вибуху, що рухається по стволу вертикально вгору. Аварійна перемичка (Патент РФ № 224261722365598, E21F 17/103, Е21F 5/00.Опубл. 20.12.2004 р.) і Спосіб захисту від ударної повітряної хвилі тимчасовою породною перемичкою (Патент РФ № 2236598, Е21F 5/00, E21F 17/103. Опубл. 24.03.2003 р.) для запобігання негативних наслідків вибуху. Відомий спосіб захисту від ударної повітряної хвилі тимчасовою породною перемичкою, що включає в себе пристрій для захисту від негативних наслідків вибуху за допомогою спорудження ізоляційної перемички (Спосіб захисту від ударної повітряної хвилі тимчасовою породною перемичкою. Патент РФ № 2236598, Е21F 5/00, E21F 17/103. Опубл. 24.03.2003 p.) (прототип). Недоліком відомого пристрою (прототип) є відсутність мобільності при його спорудженні, складність його ліквідації при усуненні небезпеки і неможливість створення умов великої потужності для нейтралізації і охолодження ударно-вогневої хвилі, що рухається по стовбуру від місця вибуху вертикально вгору. Вищевідзначені недоліки ставлять задачу оперативного монтажу пристрою - ізоляційної перемички для ліквідації можливих негативних наслідків від вибуху метано-повітряної суміші і подальшого її демонтажу після усунення небезпеки без руйнування основних конструкцій кріплення стовбура. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій виконаний у вигляді опорних металевих балок, кінці яких замонолічені жорстко у гірський масив, де розміщені проміжні металеві балки, вкриті жорстким листом, залитим міцним гіпсовим шаром, на поверхні якого встановлені еластичні ємності з рідиною з додаванням у неї інгібіторів, наприклад NaCl, для створення водяної завіси для нейтралізації полум'я і охолодження ударно-вогневої хвилі, що рухається по стовбуру від місця вибуху вертикально вгору, причому, для створення герметичності калориферний канал в кріпленні (стінках) стовбура перекривають, переважно бетонітовою перемичкою. Крім цього у пристрої показники за міцністю, зокрема розрахунковий згинальний момент (Ммах) опорних металевих балок, приймають відповідно до залежності (1): Ммах = K3 (Qм.лист+Qрід.+Qгіпс.п.+Qопор.б.+Qпром.б.)  D  σт/24  W x.x, (1) де: K3 - коефіцієнт запасу міцності; Qм.лист - вага металевого листа; Qрід, - вага рідини в ємності; Qгіпс.п. - вага гіпсового шару; Qопор.б… - вага опорних балок; Qпром.б. - вага проміжних балок; D - діаметр стовбура; σт - межа плинності (текучості) матеріалу балки; W x.x розрахунковий момент опору перерізу балки. При цьому, у пристрої еластичні ємності виготовляють наприклад з ПХВ тканин, армованих синтетичним матеріалом, а висоту еластичних ємностей (h) визначають з урахуванням сили фронту ударно-вогневої хвилі, що підходить до перемички, використовуючи залежність (2): h = [K3 · (Fr·Fстат) - (Qм.лист.+Qгіпс.п.+Qопор.б.+Qпром.б.)] / (Qм.лист+Qрід.+Qгіпс.п.+Qопор.б.+Qпром.б.) Sств  γ, (2) де: K3 - коефіцієнт запасу міцності; Fr - сила від газового потоку, що діє на перемичку; Fстат сила діюча на перемичку від статичного тиску; Qм.лист - вага металевого листа; Qрід - вага рідини в ємності; Qrіпс.п. - вага гіпсового шару; Qопор.б - вага опорних балок; Qпром.б - вага проміжних балок; Sств - переріз (січення) стовбура; γ - об'ємна вага рідини. Конструктивна схема запропонованого у заявці пристрою приведена на ілюстраціях (фіг. 1, 2, 3). На фіг. 1 представлений поздовжній розріз ствола зі змонтованим у ньому запропонованим пристроєм. На фіг. 2 і 3 представлено запропонований нами пристрій у поперечному розрізі ствола. Пристрій складається з наступних основних елементів: 1 - монолітне бетонне кріплення стовбура; 2 - опорні металеві балки; 3 - проміжні металеві балки;4 - жорсткий лист; 5 - міцний гіпсовий шар; 6 - еластичні ємності; 7 - бетонітова перемичка, що перекриває калориферний канал; 8 - дренажний трубопровід; 9 - лінія "Дістоп"; 10 - устя стовбура. Пристрій для запобігання негативним наслідкам вибуху метано-повітряної суміші, що включає спорудження ізоляційної перемички, виконується наступним чином. У верхній частині ствола встановлюють закріплені, наприклад, монолітним бетонним кріпленням 1 в усті стовбура опорні металеві балки 2, кінці яких замонолічують жорстко у гірський масив. На опорні балки 2 розміщують проміжні металеві балки 3, які покривають жорстким листом, наприклад металевим листом 4 товщиною 10 мм. На жорсткий лист 4 заливають міцний гіпсовий шар 5. На поверхні гіпсового шару 5 встановлюють еластичні 1 UA 111053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ємності 6, які заповнюють рідиною. Еластичні ємності 6 виготовляють наприклад з ПХВ тканин, армованих синтетичним матеріалом. Як опорні балки використовуємо, наприклад, двотаврові металеві балки № 65 (розрахунок балок наведено нижче). Кінці балок після їх вивірки горизонтально вводять у спеціально обладнані лунки, які потім замонолічують, наприклад бетоном. Опорні балки встановлюють зі спеціального помосту у стовбурі. Лунки для установки балок споруджують, наприклад звичайним відбійним молотком, для чого їх виробляють в кріпленні (стіні) стовбура і заглиблюють приблизно на 0,5 м у гірський масив. Навантажують опорні балки після того, як бетон застиг (схопився). Опорні балки встановлюють строго горизонтально. Балки встановлюють за допомогою крана. Як проміжні металеві балки застосовують наприклад двотаврові балки № 36 (розрахунок цих балок наведено нижче). Перед заливанням гіпсової перемички в неї встановлюють труби для розміщення в них дренажних трубопроводів 8, а для контролю складу атмосфери і відбору проб рудникового повітря, в ізольованому повітряподаючому стовбурі у перекритті споруджують металеву трубу діаметром не менше 50 мм для прокладки в ній лінії "Дістоп" 9. При цьому здійснюють ізоляцію трубопроводів, кабелів, армування стовбура в місцях їх контакту з гіпсовим розчином, наприклад за допомогою шматків вентиляційної труби, обмотаної навколо вузла, а ущільнення зазорів обмазують гіпсовим розчином, причому шматки вентиляційної труби і гіпсового розчину розміщують пошарово не менше 3-х разів. Для створення водяної завіси, спрямованої на нейтралізацію полум'я і охолодження ударновогневої хвилі, що рухається по стовбуру від місця вибуху у рідину, якою заповнені еластичні ємності 6, додають спеціальні інгібітори, наприклад NaCl. Для створення герметичності калориферний канал в кріпленні (стінках) стовбура перекривають переважно бентонітовою перемичкою 7. Подібний пристрій змонтовано на Державному підприємстві "Вугільна компанія "Краснолиманська" у вентиляційному стовбурі. При спорудженні пристрою - ізоляційної перемички, попередньо обчислюють необхідні параметри міцності (наприклад розрахунковий згинальний момент (М мах) опорних металевих балок приймають відповідно до залежності (1): Ммах = K3 (Qм.лист+Qрід.+Qгіпс.п.+Qопор.б.+Qпром.б.)  D  σт/24  W x-x, (1) де: K3 - коефіцієнт запасу міцності; Qм.лист - вага металевого листа; Qрід, - вага рідини в ємності; Qгіпс.п. - вага гіпсового шару; Qопор.б. - вага опорних балок; Qпром.б. - вага проміжних балок; D - діаметр стовбура; σт - межа плинності (текучості) матеріалу балки; W x.x - розрахунковий момент опору перерізу балки. А висоту еластичних ємностей (h) визначають з урахуванням сили фронту ударно-вогневої хвилі, що підходить до перемички, використовуючи залежність (2): h =[K3  (Fr  Fстат) - (Qм.лист.+Qгіпс.п.+Qопор.б.+Qпром.б.)] /(Qм.лист+Qрід.+Qгіпс.п.+Qопор.б.+Qпром.б.) Sств γ, (2) де: K3 - коефіцієнт запасу міцності; Fr - сила від газового потоку, що діє на перемичку; Fстат – сила, діюча на перемичку від статичного тиску; Qм.лист - вага металевого листа; Qрід - вага рідини в ємності; Qrіпс.п. - вага гіпсового шару; Qопор.б - вага опорних балок; Qпром.б - вага проміжних балок; Sств - переріз (січення) стовбура; γ - об'ємна вага рідини. Приклад розрахунку опорних і проміжних балок, які використовуються у пристрої. Як опорні балки приймаємо двотавр № 65, а як проміжну балку - приймаємо двотавр № 36. Вважаємо, що для спрощення розрахунку усі види навантажень, що діють на спецпрофілі двотаврів № 36 і № 65 рівномірно розподілені по довжині кожної балки. 1. Визначимо загальну вагу двотаврових балок № 36, які у кількості 13 штук з кроком 0,5 м укладені на два несучих двотавра № 65 по довжині 6,3 м. Q№ 36=nqпог.м №36l№ 36, де: n - кількість балок; n=13; l№36 - довжина однієї балки дорівнює 5,6 м; qпог.м №36=48,6 кг (сталь прокатна по ДОСТ 8239-72 В.І. Феодос'єв. Опір матеріалів. - М.: Наука, 1972 р.). Q(№ 36) = nqпог.м №36l№ 36=13·48,6·5,6=3538 кг. 2. Визначимо загальну вагу і погонну вагу листа товщиною h=10 мм, який покладено зверху на двотаврові балки № 36: 2 Qлист. = πR hρсталі, 3 де: R - радіус ствола, м; R=4 м; h - товщина листа, м; ρсталі=7850 кг/м . 2 Qлист. = πR hρсталі = 3,14420,017850=3945,4 кг. На кожну балку двотавру № 36 доводиться вага листа Q1лист Q1лист = Qлист/n; Q1лист = Qлист/n=3945,4/13=303 кг. Погонне навантаження на кожен метр балки № 36 від листа металу буде 2 UA 111053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 qлист = Q1лист/l№ 36=303/5,6=54,2 кг/м. Визначення ваги гіпсової підливки і погонного навантаження від гіпсової підливки на двотаврову балку № 36 2 Qгіпс.підл. = πR hпідл. ρгіпса, 3 де: hпідл. - висота гіпсової підливки, м; hпідл. = 0,5 м; ρгіпса - щільність гіпсу, кг/м ; ρгіпса = 2300 3 кг/м . 2 2 Qгіпс.підл. = πR hпідл. ρгіпса = 3,144 0,52300=57799 кг. Вага гіпсової підливки, яка припадає на одну балку № 36: Q1підл. = Qгіпс.підл./n; Q1підл. = 57799/13=4446 кг. Погонне навантаження від гіпсової підливки припадає на 1 м балки двотавру № 36: qпог.підл. = Q1підл./l№36; Qпог.підл. = 4446/5,6=793 кг/м. Визначення ваги води в ємностях і погонного навантаження на балку № 36: 2 Qводи = πR hводиPводи; 3 де: hводи - висота рівня води в ємностях, м; hводи=3,71 м; ρводи - щільність води, 1000 кг/м . 2 2 Qводи = πR hводи·ρводи =3,144 3,71·1000=186465 кг. Вага води, що припадає на одну балку № 36: Q1води = Qводи/n, Q1води = Qводи/n=186465/13=14343 кг. Погонне навантаження від води, яке припадає на 1 м балки № 36: qпог.води=Q1води/l№36; qпог.води=Q1води/l№36=14343/5,6=2561 Кг/м. Інші навантаження на 1 погонний метр балки № 36: qінші=10 кг/м. Загальне питоме навантаження на погонний метр балки № 36 з урахуванням її власної ваги буде дорівнювати: qзаг.=qпог.м №36+qпог.листа+qпог.підл.+qпог.води+qінші; qзаг. = 48,6+54,2+793+2561+10=3467 кг/м. Всі двотаврові балки № 36 працюють на вигин і не пов'язані один з одним, тому їх можна розраховувати окремо один від одного. Максимальний згинальний момент для окремої балки, вільно опертої на спецпрофіль № 65 по краях, будемо визначати за відомою формулою: 2 2 М= qзаг. l /8; М= 34675,6 /8=13590 кгм або 135900 Нм. Необхідний розрахунковий момент опору перерізу двотавру W x.x щодо осі х-х визначимо за відомою формулою: 3 W x-x = Μ/σт, см , де: σт - межа плинності (текучості) для прокатної сталі, що становить величину порядку 235365 МПа. 6 3 W x-x = Μ/σт = 135900/23510 =578,3 см . Можна прийняти найближчий до нього по сортаменту профіль двотавру № 33 з моментом 3 опору перерізу рівному W x-x=597 см . Момент опору перерізу двотавру № 36, який 3 використовували в розрахунку становить W x-x=743 см . Фактичні згинаючі напруги, діючі у двотаврі № 36, будуть такими: σф = M/W x-x; σф = 135900/743=183 МПа. Отже, фактичні напруги значно менше межі плинності (текучести) для прокатної сталі і міцність балок буде забезпечена. Коефіцієнт запасу міцності K буде таким: K= σт/σф = 235 МПа/183 МПа = 1,3. Якщо проводити розрахунок вище подібної системи по напрузі, що допускається, то у вихідних даних повинна бути вказана їх величина. Перевірка на міцність опорних балок - несучих двотаврів № 65. Визначимо загальну вагу конструкцій, що діють на два несучих двотавра № 65. Qзаг. = Q№36+Qлиста + Qгіпс.підлив. + Qводи + Q№65; Q№65 - власну вагу двох двотаврів № 65 довжиною 6,3 м кожен. Q№65=qпог.№652l№65; qпог.№65=120 кг по сортаменту ДОСТ 8239-56. Q№65=qпог.№652l№65=12026,3=1512 кг. Qзаг. = Q№65+Qлиста + Qгіпс.підлив. + Qводи + Q№65=3538+3945+57779+186465+1512=253259 кг. На одну балку № 65 діє вага Qзаг./2. Тобто 253259/2=126629 кг. Погонне навантаження qпог.№65 на одну балку складе величину: Qзаг./2/l№65=126629/6,3=20099,9 кг/м qпог.№65=20099,9 кг/м. Розрахунковий максимальний згинальний момент для жорстко затисненої по краях балки визначається за відомою формулою з опору матеріалів: 2 М = qпог.№65I №65/12; 2 2 М = qпог.№65I №65/12=20099,96,3 /12=66480 кг/м = 664800 Нм. 3 UA 111053 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Розрахунковий момент опору перерізу W x-x визначимо за формулою: 6 3 W x-x = Μ/σт = 664800/23510 =2829 см . Визначаємо по сортаменту для сталі прокатної для двотавра по ДОСТ 8239-56 найближчий 3 до нього більший момент опору перерізу W x-x. Він дорівнює 3120 см , що в точності відповідає профілю двотавра № 65, який використовується в задачі. Отже, дві несучі балки № 65 витримають вагу верхніх конструкцій без руйнування. Розрахункові напруги будуть: σp = Μ/W x-x σp=664800/2829=235 МПа. Фактичні напруги будуть: σф = 664800/3120=213 МПа. Коефіцієнт запасу міцності буде σp/σф = 235/213=1,1. Тобто, прийняті у нашому пристрої опорні і проміжні балки будуть стійкі. Перевірка пристрою - ізоляційної перемички на динамічні навантаження діють від вибуху, який відбувся у стовбура. Динамічне навантаження віддії раптового викиду складається зі статичного тиску і швидкісного напору метанового потоку. Дія зруйнованого вугілля або породи є істотним, але проявляється безпосередньо поблизу вибою стовбура на відстані, що не перевищує 50 м. Поміст встановлюється на значно більшій відстані від вибою стовбура і тому дія його на поміст не виявляється і враховуватися в даній задачі не буде. Швидкість газового потоку викиду не перевищує 70 м/с, а величина статичного тиску газового потоку складає величину від 0,01 до 0,3 МПа (за даними шахтних досліджень (Г.А. Шевельов. Динаміка викидів породи і газу). Визначимо величину швидкісного напору Ргазу від метанового потоку за формулою: 2 Ргазу = ρV /2; 3 3 де: ρ - щільність метану, кг/м ; ρ=0,7 кг/м ; V - швидкість газового потоку, м/с; V=70 м/с; 2 2 Ргазу = ρV /2=0,7702/2=1715 кг/м . Визначимо силу Fг діючу на поміст від дії газового потоку за формулою: Fг = РгазуFпом., 2 де: Fпом - площа помосту, м ; 2 Fг = РгазуFпом = 1715πR =86162 кг Сила Fстат., діюча на поміст від статичного тиску Рстат. визначаємо за формулою: 6 2 Fстат. = Рстат. Fпом.; Рстат. = 0,0110 Н/м ; 6 2 3 Fстат. = Рстат. Fпом. = 0,0110 3,144 =5010 кг. Загальна сила Fзаг. від дії газового потоку і статичного тиску буде: Fзаг. = Fг + Fстат.; 3 3 3 Fзаг. = Fг + Fстат. = 86,16 10 кг + 5010 кг = 136,210 кг. Порівнюємо Fзаг. з загальною вагою помосту Qзаг. Qзаг. > Fзаг.; 253259 кг > 136200 кг. Отже, запропонована ізоляційна перемичка витримає дію газового потоку. Необхідно також з приводу даної корисної моделі відзначити наступне. Техніко-економічні показники корисної моделі полягають у тому, що досягається повна безпека робіт по ізоляції ствола від наслідків вибуху метано-повітряної суміші. При цьому, еластичні ємності можуть бути досить великого обсягу, тільки збільшуючи міцність опорних балок. У разі вибуху досить великої потужності ємність перекидається і водяний потік з інгібіторами створює водяну завісу, яка нейтралізує полум'я і охолоджує ударно-вогневу хвилю, що рухається по стовбура від місця вибуху. Крім цього, ізоляційна перемичка легко і швидко зводиться, а також швидко розбирається, тобто не порушує тривало подальшу роботу стовбура після усунення небезпеки. Така перемичка змонтована у реальних умовах на шахті "Краснолиманська". Здійснення пристрою для запобігання негативним наслідкам вибуху метано-повітряної суміші у сукупності з ознаками формули корисної моделі є новим для загальновідомих пристроїв і способів ізоляції стволів, що відповідає критерію "новизна". Це підтверджує також проведений патентний пошук. Реалізація запропонованого пристрою може бути здійснена відомими і вживаними методами, технологіями і обладнанням. Таким чином, конструктивна реалізація пристрою з вказаною сукупністю ознак, формули корисної моделі не представляє ніяких конструктивнотехнічних і технологічних труднощів, звідки слідує відповідність критерію "промислова придатність". Перечень джерел: 4 UA 111053 U 5 1. Аварійна перемичка. Патент РФ № 224261722365598, E21F 17/103, Е21F 5/00.Опубл. 20.12.2004 р. 2. Спосіб захисту від ударної повітряної хвилі тимчасовою породною перемичкою. Патент РФ № 2236598, Е21F 5/00, E21F 17/103. опубл. 24.03.2003 p. 3. Спосіб захисту від ударної повітряної хвилі тимчасовою породною перемичкою. Патент РФ № 2236598, Е21F 5/00, E21F 17/103. опубл. 24.03.2003 p. (прототип). 4. B.I. Феодос'єв. Опір матеріалів. - М.: Наука, 1972. 5. Г.А. Шевельов. Динаміка викидів породи і газу. - К.: Наукова думка, 1989. - 160 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 1. Пристрій для запобігання негативним наслідкам вибуху метано-повітряної суміші, що включає спорудження ізоляційної перемички, який відрізняється тим, що пристрій виконаний у вигляді опорних металевих балок, кінці яких замонолічені жорстко у гірський масив, на яких розміщені проміжні металеві балки, вкриті жорстким листом, залитим міцним гіпсовим шаром, на поверхні якого встановлені еластичні ємності з рідиною з додаванням у неї інгібіторів, наприклад NaCl, для створення водяної завіси для нейтралізації полум'я і охолодження ударно-вогневої хвилі, що рухається по стовбуру від місця вибуху вертикально вгору, причому для створення герметичності калориферний канал в кріпленні (стінках) ствола перекривають, переважно бентонітовою перемичкою. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що еластичні ємності виготовляють, наприклад з ПХВ тканин, армованих синтетичним матеріалом, а висоту еластичних ємностей (h) визначають з урахуванням сили фронту ударно-вогневої хвилі, що підходить до перемички, використовуючи залежність:      h   3  Fг  Fстат   Qм.лист  Qгіпс.п.  Qопор.б.  Qпром.б. / Qм.лист  Qрід.  Qгіпс.п.  Qопор.б.  Qпром.б.  Sств   , де: K3 - коефіцієнт запасу міцності; Fг - сила від газового потоку, що діє на перемичку; Fстат сила, яка діє на перемичку від статичного тиску; Qм.лист - вага металевого листа; Qрід. - вага рідини в ємності; Qгіпс.п. - вага гіпсового шару; Qопор .б. - вага опорних балок; Qпром .б. - вага 30 проміжних балок; Sств - переріз стовбура;  - об'ємна вага рідини. 5 UA 111053 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6