RU2167304C1

RU2167304C1 - Device for protection against shock wave in mine shafts

Info

Publication number: RU2167304C1
Application number: RU99124244A
Authority: RU
Inventors: М.Я. Бровман
Original assignee: Бровман Михаил Яковлевич
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: designs of mine shafts. SUBSTANCE: device may be used for protection against shock waves in case of explosions in mines and also in storage houses and other rooms where explosions are possible. The device includes protective members in the form of thin-walled shells with evacuated cavities and secured to mine walls. At least a part of said shells may be made in the form of columns. Shells may be spaced along length of mine shaft at interval equalling 2-5 shaft diameter. EFFECT: protection of men and equipment against shock waves. 3 cl, 3 dwg

Description

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. The invention relates to the construction of mine shafts, specifically to devices for protection against shock waves in case of explosions in coal mines, mines for the extraction of ores, limestones, stone, tunnels for underground traffic, etc. Gas protection devices are known from the state of the art, for example, USSR copyright certificate N 1333778, 4 E 21 F 17/18, Bulletin N 32, 1987

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. This device contains a methane sensor connected to the diagonal of the unbalanced bridge, and power cut-off units for mining equipment. However, due to inertia and the inability to position the sensors along the entire length of the shaft shafts, it does not provide reliable protection against explosions. A device is also known, according to the author's certificate of the USSR N 1253210 according to class. 4 E 21 F 5/00, including elements of resistance to the shock air wave, made hollow and fixed in the walls of the mine shaft.

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. This design to a very insignificant degree ensures the damping of the waves, i.e., a decrease in their energy, since in the mine shafts of a very limited volume the gases in the shock wave cannot expand.

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. The closest analogue of this invention, adopted as a prototype, is a device for protection against shock waves according to the copyright certificate of the USSR N 1453044, class. E 21 F 5/00 01/23/1989, this device includes hollow elements mounted on the walls of the mine, and these elements are made in the form of thin-walled shells with sealed cavities.

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. This device does not provide intensive damping of shock waves, since even during the destruction of thin-walled shells the gas cannot expand without an intense increase in pressure, and therefore the shock wave propagates along the shaft shaft, causing fires due to detonation and endangering people's lives.

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.The objective of the invention is to provide protection against shock waves of people, as well as equipment of mines. This problem is solved in that the hollow thin-walled shells with sealed cavities mounted on the walls of the mine shafts are made evacuated. These shells may not be located along the entire length of shaft shafts, but periodically along their length, for example, in increments of 2-4 barrel diameters. At least part of the shells with evacuated cavities can be made in the form of columns in a shaft shaft. Between the distinguishing features of the invention and the achieved result there is a causal relationship. It is thanks to the implementation of the device with thin-walled shells with internal, sealed, evacuated cavities that the expansion of gases during an explosion is ensured, and consequently, their pressure is reduced by filling the volume of the shell cavities with gas, which, after the explosion after the destruction of the thin-walled shells, gives such a possibility of expansion. This technical solution does not follow from the current level of development of mine structures and, based on the analysis of patent and scientific and technical literature, has a significant novelty, the invention is further illustrated by drawings illustrating a specific example of its execution:
In FIG. 1 shows a section of a shaft shaft,
in FIG. 2 is a variant of the device with a periodic arrangement of thin-walled shells with evacuated cavities along the length of the barrel,
in FIG. 3 is a design view with at least a portion of the evacuated hollow shells in the form of columns in a shaft shaft.

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. The device contains vouvoured hollow elements 1, 2, made in the form of thin-walled shells, mounted on the walls of mine shafts with parts 3, 4, connected to the base 5 of the mine shaft 6. The thin-walled shell 7 with a sealed evacuated internal cavity is made in the form of a column with a support rod 8, perceiving load from rock pressure.

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.The device operates as follows. During normal operation of the mine and gas pressure in the shaft near atmospheric, hollow thin-

walled elements

1 and 2 are attached to the walls of the shaft by

parts

3, 4 and form the cavity of the barrel, they are also connected to the floor 5 and form the internal cavity 6. The shaft may be horizontal, inclined or vertical. It is possible to make thin-

walled elements

1, 2 welded from steel sheets, vacuum them, for example, using a pump (or heating), and then, after welding, their cavity is airtight. Let the radius of the cylindrical surface A, FIG. 1 is equal to R ₁ , and the sheet thickness h, then the tensile stress in the wall of the thin-walled element 2 under the action of pressure P equal to

and at P = 1 MPa, R ₁ = 2 m, h = 0.012 m
voltage

When the yield strength σ _t = 240 MPa, the pressure P = 1 MPa does not lead to the destruction of the wall.

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.In the case of an explosion in the mine and a sharp increase in pressure, the walls of hollow thin-walled elements 1, 2 will be destroyed and the gas will be able to expand in the volume of the evacuated internal cavities of elements 1, 2. Already at P = 3 MPa, σ = 501 MPa> σ _t and destruction inevitably. If the inner radius of thin-walled elements 1, 2: R ₁ , and the outer R ₂ , then the gas volume of one meter of the shaft shaft length increases due to the destruction of thin-walled elements by (R ₂ / R ₁ ) ² times: when R ₂ = 3 m, R ₁ = 2 m 2.25 times.

Считая процесс адиабатическим, получим
pV^γ= const (2),
где P - давление;
V - объем газа;
γ - показатель степени адиабаты.Considering the process as adiabatic, we obtain
pV ^γ = const (2),
where P is the pressure;
V is the volume of gas;
γ is an indicator of the degree of adiabat.

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 V₀ = 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).If the explosion, for example, a mixture of methane with air, led to an increase in pressure V ₀ from P to P ₀ , then due to the destruction of thin-

walled shells

1, 2 with evacuated internal cavities along the length L, the pressure decreases to

Assuming that when methane was released into the shaft of the mine, an explosive mixture was formed and an explosion occurred in a volume of V ₀ = 10 ² m ³ (i.e., taking an overestimated value of the increased pressure volume), we obtain R ₁ = 2 m, R ₂ = 3 m , L = 10 m

(γ is taken equal to γ = 1.4 for diatomic gases).

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.Wherein

those. P ₀ / P = 3.74
At a distance L = 20 m, the pressure drops by more than 7 times. It can be seen that even in a section of the trunk 10 m long, it is possible to achieve a decrease in pressure by several times.

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. The effect is achieved with the explosion of combustible gases, and with the explosion of other explosives. For the products of TNT and RDX combustion, the constant γ ≈ 3 and the effect of pressure reduction during the destruction of the shells will be even more significant.

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. In an ordinary mine, there is no way to expand the gases, products of combustion during the explosion, since the entire volume is filled with air. Therefore, a powerful shock wave propagates along the trunk, which attenuates to a small extent. When using this invention in the shaft are located products - thin-walled shells, "filled with vacuum." In the case of the destruction of these shells, which occurs during the explosion, the gases are able to expand with an intense decrease in pressure. Even incomplete evacuation with a preliminary decrease in internal pressure in the cavities of thin-walled shells 1, 2 to 0.02-0.04 MPa already provides an intensive decrease in pressure and quenching of the blast wave. In some cases, it is not necessary to place thin-walled products 1, 2 with evacuated airtight cavities along the entire length of the shaft shaft (especially if the length of these barrels is large and reaches several kilometers). It is possible to arrange such products only on a part of the barrel length or periodically in separate sections located in increments of l, see FIG. 2. In some cases, you can place these parts 1 and 2 with a step l equal to l = (2-4) d, where d is the average diameter of the shaft of the shaft (or the average size of the section of the shaft, if this section is significantly different from the circle). This provides an intense quenching of the shock wave in the volume of the shaft of the mine. With a sudden expansion of the flow of a continuous medium, energy losses reach 40% even without a decrease in pressure, while the distance at which the disturbing effect of the change in the cross section is affected reaches (1-2) d, where d is the average diameter, see Bagita T.M., Rushnov S.S., Nekrasov B.B., Baibakov O.B., Kirillovsky Yu.L. Hydraulics. Hydraulic machines and hydraulic drives. M .: Engineering, 1982. Therefore, when choosing a mine shaft (or tunnel) with expansion sections with diameters up to (1.4-2.0) d and a width (0.5-1.0) d with a step l = (2- 4) d high energy losses of the shock wave are ensured, and this prevents the formation of a stable shock wave. The increase in step l over the upper limit, i.e. more than 4d will reduce the intensity of reduction of the energy of shock waves, and a decrease in the pitch is less than the lower limit, i.e., less than 2d will increase the cost of building mine shafts without any additional gain in reducing the energy of the shock wave during an explosion. This proves the optimality of the proposed interval when the quantity l, see FIG. 2 is equal to (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.In the case of large mine rooms or their local extensions for warehouses, bus stops, etc. part of thin-walled shells with evacuated sealed cavities can be made in the form of columns, see Fig. 3. Here, part of the elements,

ie

1 and 2 are attached to the walls by the

support sections

3, 4. Columns are periodically installed in the cavity of the shaft 6. Column 7 is made in the form of a thin-walled shell, radius a with wall thickness h, the cavity inside it is evacuated. The rod 8 serves as a supporting element and perceives the pressure of the rock. In an explosion, the pressure on the walls of the column increases, they lose stability and crumple, as shown in FIG. 3 dotted line. In addition, waves may occur on the surface of the shells. The release of volumes during the loss of stability of the shells of the columns 7 leads to a decrease in pressure and the destructive effect of the explosion. The critical pressure at which a shell of thickness h loses stability is equal to P _to

where E is the modulus of elasticity;
γ is the Poisson's ratio;
H is the height of the column;
n is the number of waves resulting from loss of stability.

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.You should choose a number of waves at which the pressure P _{k is} minimal (and it is precisely with it that the loss of stability occurs), see Timoshenko S.P. Stability of elastic systems M .: Gostekhteorizdat, 1955, p. 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.Formula (4) with γ = 0.32 can be written as

For example, we take a column with a height of H = 4 m, a diameter of 1 m, i.e. at a = 0.5 m and wall thickness h = 0.01 m. Then, by formula (5) with γ = 0.32, the critical pressure is

and the table below shows the critical pressures at E = 2 • 10 ⁵ MPa and various 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.The value of P _k = 1.37 MPa at n = 3 is minimal and therefore should be taken into account. Column 7 with a steel wall of these parameters will reliably withstand a pressure of 1 MPa (and its possible small excess), even taking into account possible defects. During explosion and overloads, when the pressure rises rapidly and exceeds 1.37 MPa (and during explosions it reaches tens and hundreds of atmospheres), stability loss and destruction, flattening of the column will occur, which will allow the expansion of gases, and this will prevent a further increase in pressure .

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). This device is much more efficient than using curtains made of air-mechanical foam to absorb a shock wave (see, for example, USSR copyright certificate N 494901, MKI 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. This invention provides an effect in which part of the energy of the shock wave is spent on deformation (destruction) of thin-walled shell elements, and this destruction itself leads to the connection of the shaft shaft volume with vacuum cavities and to the expansion of gases in them, and consequently, to a sharp decrease in pressure, and exactly where it is maximum. The device can be successfully used to protect people and equipment from explosions in various mine shafts, as well as in other rooms: underground storages, warehouses for explosives, gases, hangars, rooms in which people are located.

Claims

1. A device for protection against a shock wave in mine shafts, including hollow elements mounted on the walls of mine shafts, made in the form of thin-walled shells with sealed cavities, characterized in that the cavities of thin-walled shells are evacuated.

2. The device according to claim 1, characterized in that the hollow evacuated thin-walled shells are located periodically along the length of the shaft shaft with a step equal to 2 to 4 diameters of the specified barrel.

3. The device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that at least part of the evacuated thin-walled shells is made in the form of columns.