Устройство для защиты от ударной волны в шахтных стволах

 

Изобретение относится к конструкции шахтных стволов и может быть использовано для защиты от ударной волны в случае взрывов в шахтах, а также в складах, иных помещениях, в которых возможны взрывы. Устройство включает защитные элементы в виде тонкостенных оболочек с вакуумированными герметичными полостями, закрепленными на стенках шахты. По крайней мере часть этих оболочек может быть выполнена в виде колонн. Оболочки можно расположить периодически по длине шахтного ствола с шагом, равным 2-4 его диаметра. Устройство обеспечивает защиту от ударной волны людей и оборудования. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к конструкциям шахтных стволов, конкретно к устройствам для защиты от ударной волны в случае взрывов в угольных шахтах, шахтах для добычи руд, известняков, камня, туннелях для движения подземного транспорта и т.д. Из современного уровня техники известны устройства газовой защиты, см. например, авторское свидетельство СССР N 1333778, 4 E 21 F 17/18, Бюллетень N 32, 1987 г.

Данное устройство содержит датчик метана, подключенный к диагонали неуравновешенного моста, и блоки отключения электропитания объектов горно-шахтного оборудования. Однако ввиду инерционности и невозможности расположить датчики по всей длине шахтных стволов оно надежной защиты от взрывов не обеспечивает. Известно также устройство, по авторскому свидетельству СССР N 1253210 по кл. 4 E 21 F 5/00, включающее элементы сопротивления ударной воздушной волне, выполненные полыми и закрепленные в стенках выработки шахтных стволов.

Данная конструкция в очень незначительной степени обеспечивает гашение волн, т. е. уменьшение их энергии, поскольку в шахтных стволах весьма ограниченного объема газы в ударной волне не имеют возможности расширения.

Ближайшим аналогом данного изобретения, принятым в качестве прототипа, является устройство для защиты от ударной волны по авторскому свидетельству СССР N 1453044, кл. E 21 F 5/00 23.01.1989 г. Это устройство включает полые элементы, закрепленные на стенках горной выработки, причем указанные элементы выполнены в виде тонкостенных оболочек с герметичными полостями.

Это устройство не обеспечивает интенсивного гашения ударных волн, поскольку и при разрушении тонкостенных оболочек газ не имеет возможности расширения без интенсивного возрастания давления и поэтому ударная волна распространяется вдоль шахтного ствола, вызывая пожары за счет детонации и создавая угрозу жизни людей.

Задачей изобретения является обеспечение защиты от ударной волны людей, а также оборудования шахт. Указанная задача решена тем, что закрепленные на стенках шахтных стволов полые тонкостенные оболочки с герметичными полостями выполнены вакуумированными. Указанные оболочки могут быть расположены не по всей длине шахтных стволов, а периодически вдоль их длины, например, с шагом, равным 2-4 диаметра ствола. По крайней мере часть оболочек с вакуумированными полостями может быть выполнена в виде колонн в шахтном стволе. Между отличительными признаками изобретения и достигаемым результатом имеется причинно-следственная связь. Именно благодаря выполнению устройства с тонкостенными оболочками с внутренними, герметичными, вакуумированными полостями обеспечивается возможность расширения газов при взрыве, а следовательно, уменьшения их давления за счет заполнения газом объемов полостей оболочек, которые при взрыве после разрушения тонкостенных оболочек дают такую возможность расширения. Это техническое решение не следует из современного уровня развития конструкций шахт и на основании анализа патентной и научно-технической литературы обладает существенной новизной, далее изобретение поясняется чертежами, иллюстрирующими конкретный пример его исполнения: На фиг. 1 показано сечение шахтного ствола, на фиг. 2 - вариант устройства с периодическим расположением тонкостенных оболочек с вакуумированными полостями вдоль длины ствола, на фиг. 3 - вариант конструкции с расположением по крайней мере части вакуумированных полых оболочек в виде колонн в шахтном стволе.

Устройство содержит ваууумированные полые элементы 1, 2, выполненные в виде тонкостенных оболочек, закрепленных на стенках шахтных стволов деталями 3, 4, соединенными с основанием 5 шахтного ствола 6. Тонкостенная оболочка 7 с герметичной вакуумированной внутренней полостью выполнена в виде колонны с опорным стержнем 8, воспринимающим нагрузку от давления породы.

Устройство работает следующим образом. При нормальной эксплуатации шахты и давлении газа в шахтном стволе, близком к атмосферному, полые тонкостенные элементы 1 и 2 прикреплены к стенкам шахтного ствола деталями 3, 4 и образуют полость ствола, они соединены также с полом 5 и образуют внутреннюю полость 6. Шахтный ствол может быть горизонтальным, наклонным или вертикальным. Можно выполнить тонкостенные элементы 1, 2 сварными из стальных листов, вакуумировать их, например, с помощью насоса (или нагрева), а затем, после сварки, их полость является герметичной. Пусть радиус цилиндрической поверхности A, фиг. 1 равен R₁, а толщина листа h, тогда напряжение растяжения в стенке тонкостенного элемента 2 при действии на него давления P равно и при P=1 МПа, R₁=2 м, h=0,012 м напряжение При величине предела текучести σ_т = 240 МПа давление P = 1 МПа не приведет к разрушению стенки.

В случае же взрыва в шахте и резкого повышения давления произойдет разрушение стенок полых тонкостенных элементов 1, 2 и газ получит возможность расширяться в объеме вакуумированных внутренних полостей элементов 1, 2. Уже при P = 3 МПа, σ = 501 MПа > σ_т и разрушение неизбежно. Если внутренний радиус тонкостенных элементов 1, 2: R₁, а наружный R₂, то объем газа одного метра длины шахтного ствола увеличивается за счет разрушения тонкостенных элементов в (R₂/R₁)² раз: при R₂ = 3 м, R₁ = 2 м в 2,25 раз.

Считая процесс адиабатическим, получим pVγ= const (2), где P - давление;
V - объем газа;
γ - показатель степени адиабаты.

Если взрыв, например, смеси метана с воздухом привел к повышению в объеме V₀ давления от P до P₀, то за счет разрушения тонкостенных оболочек 1, 2 с вакуумированными внутренними полостями на длине L давление уменьшится до величины

Допустив, что при выбросе в ствол шахты метана образовалась взрывоопасная смесь и произошел взрыв в объеме ₀ = 10² м³, (т.е. приняв завышенную величину объема повышенного давления), получим R₁ = 2 м, R₂ = 3 м, L = 10 м

(величина γ принята равной γ = 1,4 для двухатомных газов).

При этом
т.е. P₀/P=3,74
На расстоянии L = 20 м давление падает уже более, чем в 7 раз. Видно, что даже на участке ствола длиной 10 м можно добиться уменьшения давления в несколько раз.

Эффект достигается и при взрыве горючих газов, и при взрыве иных взрывчатых веществ. Для продуктов сгорания тротила, гексогена постоянная γ ≈ 3 и эффект уменьшения давления при разрушении оболочек будет еще более существенным.

В обычной шахте газам, продуктам сгорания при взрыве нет возможности расширяться, поскольку весь объем заполнен воздухом. Поэтому вдоль ствола распространяется мощная ударная волна, которая затухает в малой степени. При использовании данного изобретения в шахтном стволе расположены изделия - тонкостенные оболочки, "заполненные вакуумом". В случае разрушения этих оболочек, что и происходит при взрыве, газы получают возможность расширяться с интенсивным уменьшением давления. Даже неполное вакуумирование с предварительным уменьшением внутреннего давления в полостях тонкостенных оболочек 1, 2 до 0,02-0,04 МПа уже обеспечивает интенсивное уменьшение давления и гашение взрывной волны. В некоторых случаях нет необходимости располагать тонкостенные изделия 1, 2 с вакуумированными герметичными полостями по всей длине шахтного ствола, (особенно, если длина этих стволов велика и достигает нескольких километров). Можно располагать такие изделия только на части длины ствола или периодически на отдельных участках, расположенных с шагом l, см. фиг. 2. В ряде случаев можно размещать эти детали 1 и 2 с шагом l, равным l = (2-4)d, где d - средний диаметр ствола шахты (или средний размер сечения ствола, если это сечение существенно отличается от круга). Это обеспечивает интенсивное гашение ударной волны в объеме ствола шахты. При внезапном расширении потока сплошной среды потери энергии достигают 40% даже без уменьшения давления, при этом расстояние, па котором сказывается возмущающее действие изменения сечения, достигает (1-2)d, где d - средний диаметр, см. Багита Т.М., Рушнов С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.Б., Кирилловский Ю. Л. Гидравлика. Гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. Поэтому при выборе шахтного ствола (или туннеля) с участками расширения диаметрами до (1,4-2,0)d и шириной (0,5-1,0)d с шагом l = (2-4)d обеспечиваются высокие потери энергии ударной волны, а это препятствует формированию устойчивой ударной волны. Увеличение шага l свыше верхнего предела, т.е. более 4d уменьшит интенсивность снижения энергии ударных волн, а уменьшение шага менее нижнего предела, т. е. менее 2d увеличит стоимость строительства шахтных стволов без дополнительного выигрыша в уменьшении энергии ударной волны при взрыве. Это доказывает оптимальность предложенного интервала, когда величина l, см. фиг. 2 равна (2-4)d.

В случае шахтных помещений больших размеров или локальных их расширений для складов, остановок транспорта и т.д. часть тонкостенных оболочек с вакуумированными герметичными полостями можно выполнить в виде колонн, см. фиг. 3. Здесь часть элементов, т.е. 1 и 2 прикреплены к стенкам секциями крепи 3, 4. В полости шахты 6 периодически установлены колонны. Колонна 7 выполнена в виде тонкостенной оболочки, радиусом a при толщине стенки h, полость внутри нее вакуумирована. Стержень 8 служит опорным элементом и воспринимает давление породы. При взрыве давление на стенки колонны возрастает, они теряют устойчивость и сминаются, как показано на фиг. 3 пунктиром. Кроме того, при этом могут возникнуть волны на поверхности оболочек. Высвобождение объемов при потере устойчивости оболочек колонн 7 приводит к уменьшению давления и разрушающего действия взрыва. Критическое давление, при котором оболочка толщиной h теряет устойчивость, равно P_к

где E - модуль упругости;
γ - коэффициент Пуассона;
H - высота колонны;
n - число волн, возникающих при потере устойчивости.

Следует выбирать такое число волн, при котором давление P_к минимально (и именно при нем происходит потеря устойчивости), см. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем М.: Гостехтеориздат, 1955, стр.455.

Формулу (4) при γ = 0,32 можно записать в виде

Для примера примем колонну высотой H = 4 м, диаметром 1 м, т.е. при a = 0,5 м и толщине стенки h = 0,01 м. Тогда по формуле (5) при γ = 0,32 критическое давление равно

и ниже в таблице приведены величины критических давлений при E = 2·10⁵ МПа и различных n.

Величина P_к = 1,37 МПа при n = 3 минимальна и поэтому должна быть принята в расчете. Колонна 7 со стальной стенкой данных параметров надежно выдержит давление 1 МПа (и возможное его малое превышение), даже с учетом возможных дефектов. При взрыве и перегрузках, когда давление быстро возрастет и превысит 1,37 МПа, (а при взрывах оно достигает десятков и сотен атмосфер), произойдет потеря устойчивости и разрушение, сплющивание колонны, что даст возможность расширения газов, а это будет препятствовать дальнейшему росту давления.

Данное устройство гораздо более эффективно, чем использующие для гашения ударной волны завесы из воздушно-механической пены, (см., например, авторское свидетельство СССР N 494901, МКИ B 21 D 26/06).

В данном изобретении предусмотрен эффект, при котором часть энергии ударной волны расходуется на деформацию (разрушение) тонкостенных оболочечных элементов, а само это разрушение приводит к соединению объема шахтного ствола с вакуумными полостями и к расширению в них газов, а следовательно, к резкому уменьшению давления, причем именно там, где оно максимально. Устройство может быть успешно использовано для защиты от взрывов людей и оборудования в различных шахтных стволах, а также в иных помещениях: подземных хранилищах, складах взрывчатых веществ, газов, ангарах, помещениях, в которых находятся люди.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты от ударной волны в шахтных стволах, включающее полые элементы, закрепленные на стенках шахтных стволов, выполненные в виде тонкостенных оболочек с герметичными полостями, отличающееся тем, что полости тонкостенных оболочек вакуумированы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полые вакуумированные тонкостенные оболочки расположены периодически вдоль длины шахтного ствола с шагом, равным 2 - 4 диаметра указанного ствола.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что по крайней мере часть вакуумированных тонкостенных оболочек выполнена в виде колонн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4