閆維忠，王永建

(開灤股份呂家坨礦業(yè)分公司，唐山063107)

0 引言

為保證安全生產(chǎn)、改善工作環(huán)境，《煤礦安全規(guī)程》第473條明確規(guī)定了井下下列地點(diǎn)必須有足夠的照明:①井底車場及其四周。②機(jī)電設(shè)備硐室、調(diào)度室、機(jī)車庫、爆炸材料庫、候車室、信號(hào)站、瓦斯抽放泵站等。③使用機(jī)車的主要運(yùn)輸巷道、兼作人行道的集中帶式輸送機(jī)巷道、升降人員的絞車道以及升降物料和人行交替使用的絞車道，其照明燈的間距不得大于30 m。④主要進(jìn)風(fēng)巷的交岔點(diǎn)和采區(qū)車場。⑤從地面到井下的專用人行道。⑥綜合機(jī)械化采煤工作面，照明燈間距不得大于15 m。

煤礦用燈具目前多為隔爆型或增安型燈具，因白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等光源均為熱光源高壓燈具，無法達(dá)到隔爆兼本質(zhì)安全型燈具的要求。本質(zhì)安全型燈具替代隔爆或增安型燈具設(shè)備可提高煤礦安全生產(chǎn)條件。LED為冷光源，具備耗電低、發(fā)熱少、安全可靠性高、壽命長的特點(diǎn)，可大大降低井下燈具的維護(hù)次數(shù)，減少因燈具破碎造成的安全隱患，降低維護(hù)費(fèi)用。

1 LED的發(fā)展?fàn)顩r及其優(yōu)越性

1.1 LED的發(fā)展?fàn)顩r

綠色照明是全球追隨的生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)。LED作為新型高效固體光源，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈的又一次飛躍。特別是其與太陽能電池組合，擴(kuò)大了LED的應(yīng)用范圍，也必將成為2l世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)光源。早期的LED主要用做指示燈。其發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光效率都不高，隨著LED的迅速發(fā)展，特別是白光技術(shù)的突破，促使LED冷光源系列產(chǎn)品已發(fā)展成為許多新型產(chǎn)業(yè)。隨著其發(fā)光的強(qiáng)度及效率迅速提高、發(fā)光顏色齊全、功率增加、成本降低，給開發(fā)各種功能的LED燈泡及燈具創(chuàng)造了極好的條件，也給二次開發(fā)LED產(chǎn)品創(chuàng)造了良好的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)在的城市交通信號(hào)燈及標(biāo)志燈開始采用LED燈，不僅節(jié)省大量的電能，而且無須經(jīng)常更換燈泡;LED裝飾燈，把城市夜景打扮得五光十色;白光LED燈泡的發(fā)光效率高于白熾燈泡，而且壽命比節(jié)能熒光燈高8倍，比白熾燈高33倍多，更加激發(fā)了人們研發(fā)利用的興趣。

1.2 LED燈的優(yōu)越性

1.2.1 LED礦燈與普通光源礦燈比較

LED礦燈具有以下幾方面的優(yōu)勢:①采用整體的密封設(shè)計(jì)，具有電子短路保護(hù)、防靜電外殼等措施，產(chǎn)品防爆性好;②采用大功率LED冷光源，保證了燈頭在工作環(huán)境中最高溫度只有60℃，冷光源燈頭即使在井下被擊碎也絕對不會(huì)引起瓦斯爆炸事故的發(fā)生;③采用大容量錳酸鋰防爆電池，保證本礦燈可安全持續(xù)照明17 h以上，輔燈可持續(xù)照明100 h以上;④所有電路是本質(zhì)安全型電路，具有高效的電路保護(hù)設(shè)計(jì)，保證工作電流在0.35 mA，短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于0.35 ms;⑤電池盒材料采用ABS工程塑料，表面防靜電，可有效避免靜電產(chǎn)生的火花，高強(qiáng)度的外殼和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品可經(jīng)受強(qiáng)力沖擊;⑥鋰離子電池保護(hù)具有過充過放電保護(hù)功能，使產(chǎn)品具有更好的可靠性。

1.2.2 LED巷道燈與普通光源防爆燈比較

巷道燈是煤礦井下使用最多、維護(hù)最頻繁的五小電器之一，其安全性能和質(zhì)量與煤礦安全生產(chǎn)息息相關(guān)。傳統(tǒng)的巷道燈普遍采用白熾燈或高壓鈉燈，燈絲長期在熾熱的工作環(huán)境中，不僅容易引起瓦斯爆炸，而且強(qiáng)度很低，輕微震動(dòng)就會(huì)大大縮短燈頭壽命，甚至損壞。另外，這些燈泡發(fā)熱量大，溫度高，容易在玻璃燈罩內(nèi)燒結(jié)碳黑，影響透光率，亦難以清除。普通的照明燈隨電壓降低，照度明顯下降，電壓升高，發(fā)光效率又顯著提高，但使用壽命明顯縮短。LED作為新型發(fā)光器件，具有光效高、壽命長(10萬h)、功耗低、耐沖擊、免維護(hù)、抗震動(dòng)等特點(diǎn)。因此以LED為發(fā)光體開發(fā)而成的巷道燈解決了傳統(tǒng)燈具的不足:①安全節(jié)能，綠色環(huán)保;②穿透力強(qiáng)、照度大;③抗震性好、壽命長、免維護(hù)，減少換燈次數(shù)(3年免維護(hù))，大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度;④受電壓影響小，照度穩(wěn)定;⑤具有多種保護(hù)電路，能夠解決斷電、保護(hù)、應(yīng)急等問題。

1.2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

從綜合成本計(jì)算可以看出LED礦燈的經(jīng)濟(jì)性:①管理費(fèi)用、燈泡消耗、充電費(fèi)用、電解液費(fèi)用4項(xiàng)合計(jì)，LED礦燈為41.95元，鉛酸礦燈為224.75元。②12 W隔爆型LED光源巷道燈，亮度相當(dāng)于100 W燈泡，18 W的相當(dāng)于200 W燈泡;隔爆型LED光源巷道燈使用5年不需更換燈泡，每年只需更換1只燈管。③使用100 W白熾燈5年總費(fèi)用3 488元。12 W的LED燈5年總費(fèi)用僅315元。

2 LED光源在煤礦中的應(yīng)用

目前煤礦照明分類可有多種，按使用范圍分類，可分為地面工廠照明和井下照明。筆者主要探討井下照明。就井下照明的分類而言，按照明方式可分為直接照明、間接照明;按使用要求分為普通照明、特殊照明;按使用地點(diǎn)分為人員便攜照明、機(jī)載照明、巷道照明、硐室照明、采掘工作面照明等。根據(jù)以上分類對LED光源在不同環(huán)境和使用要求下的選用起到很大作用。

2.1 在礦燈中的應(yīng)用

我們主要使用KL5LM(A)鋰電礦燈(見圖1)，選用LED型燈代替原有的DS8型鉛酸蓄電池礦燈。

LED照明技術(shù)用在礦燈上，獲得老式礦燈相同的照度，其所耗能量僅為白熾燈的1/3。其不漏氣、不漏電的特性，幾乎無限的壽命(5萬h～10萬h)對礦燈來說太重要了，它為多年困擾我們的礦燈燈泡壽命太短(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定＞150 h)，井下拆燈換燈泡引起的瓦斯事故帶來了解決方案。LED礦燈已得到廣泛應(yīng)用，并逐步取代老式的礦燈。

圖1 KL5LM(A)鋰電礦燈外形圖

2.2 在掘進(jìn)機(jī)、電機(jī)車上的應(yīng)用

隨著我國煤礦現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，綜掘綜采技術(shù)在煤礦應(yīng)用日益普遍。因而在掘進(jìn)巷道中綜掘巷道所占的比例逐年增加，綜掘機(jī)在井下應(yīng)用越來越普遍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國煤礦在藉的掘進(jìn)機(jī)已達(dá)千臺(tái)左右，并且有逐年增加的趨勢。但在綜掘巷道中綜掘機(jī)掘進(jìn)時(shí)的照明一直沒有得到很好的解決。以前綜掘機(jī)上應(yīng)用燈具的光源主要采用白熾燈泡，燈具易壞的主要原因是光源不抗震。雖然采取一些措施防震，但不能從根本上解決問題，使用效果均不理想。同樣在電機(jī)車上雖然損壞不如掘進(jìn)機(jī)嚴(yán)重，但機(jī)車的照明燈具損壞率也是最高的，特別是燈泡的損壞。我們選用了DGEl2/24L(A)隔爆型LED燈(見圖2)和DGY3/48L(A)礦用機(jī)車信號(hào)燈(見圖3)，取得很好的效果。

圖2 DGEl2/24L(A)隔爆型LED燈外形圖

圖3 DGY3/48L(A)礦用機(jī)車信號(hào)燈外形圖

2.3 在大巷照明中的應(yīng)用

目前國內(nèi)外廣泛使用的巷道防爆燈具大多采用普通直管熒光燈管為光源。我們選用了防爆型白熾燈、熒光燈，在實(shí)際使用中，防爆燈具的電源由專用的防爆供電開關(guān)供電，按規(guī)定應(yīng)使用照明信號(hào)綜合保護(hù)裝置，一臺(tái)防爆開關(guān)往往要帶動(dòng)100～200盞燈具，這些燈具布置在礦井下，布置長度達(dá)1 000～2 000 m。如果要維修燈具，要切斷幾乎整個(gè)巷道的照明電源，來回一次得步行2 000～4 000 m。由于防爆燈具都是安裝于巷道頂部，無照明時(shí)高空作業(yè)更增加了維修難度。因此燈具的燈泡壽命直接影響到其維修的次數(shù)。采用LED光源不僅能夠節(jié)約能源，而且其壽命很長，可以有效減少巷道燈具的維修。我國煤礦已經(jīng)開始推廣應(yīng)用LED光源的巷道防爆燈具，由于其價(jià)格較高，一次性投入成本太高，推廣應(yīng)用的力度不是很大。但隨著LED光源技術(shù)的進(jìn)步，其在巷道燈具中應(yīng)用將有廣泛應(yīng)用前景。我們自2008年開始選用DGS13W/127V礦用隔爆型LED巷道燈(見圖4)，目前已使用10 000余盞，由于該燈具未一體化型，光源電器全部安裝在燈具腔體內(nèi)，外型美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊、抗振動(dòng)，耐熱變、密封性好、防水、安裝使用方便，使用效果良好。

圖4 DGS13W/127V礦用隔爆型LED巷道燈外形圖

2.4 在采煤工作面照明中的應(yīng)用

過去我公司主要使用DGC一35/l 27N型煤礦隔爆型支架燈，采用小功率雙管芯高壓鈉燈，雖然其壽命較長，但其光色不是很好，使得整個(gè)工作面比較昏暗，容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。近年來，我們選用了DJC18/127L(B)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型多功能支架燈(簡稱多功能支架燈，見圖5)，由于其適用于具有爆炸性氣體(甲烷)和煤塵爆炸危險(xiǎn)的煤礦井下綜采工作面作照明用的燈具?！岸喙δ苤Ъ軣簟辈捎肕CDX本安電源作為電源，具有過壓、過流、短路保護(hù)等功能;配以LED光源發(fā)光二極管形成照明系統(tǒng)，可在任何高瓦斯礦井中使用。壽命長達(dá)上萬小時(shí)。它與ZBZ-1.0M礦用隔爆型照明綜合保護(hù)裝置配套還可實(shí)現(xiàn)信號(hào)聯(lián)絡(luò)、緊急停車及故障檢測功能。S2“信號(hào)開關(guān)”可根據(jù)約定實(shí)現(xiàn)光語言的聯(lián)絡(luò);S3“急停開關(guān)”可閉鎖刮板運(yùn)輸機(jī)，避免突發(fā)事故惡性發(fā)展;S4“檢測開關(guān)”可分段切斷電源，達(dá)到迅速查找漏電故障點(diǎn)，在照明綜保不拉閘的情況下現(xiàn)場排除故障，該燈和ZBZ-1.0M照明信號(hào)綜合保護(hù)裝置組合，能實(shí)現(xiàn)照明、信號(hào)安全、漏電、過流和短路保護(hù)等功能。

圖5 DJC18/127L(B)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型多功能支架燈外形圖

3 LED燈在應(yīng)用中亟待解決的問題

近年來，LED的發(fā)光效率正在逐步提高，地面商品化的器件已達(dá)到白熾燈的水平，甚至接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長中。但是，在煤礦照明中普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問題。

(1)進(jìn)一步提高LED發(fā)光光通量。采用LED作為照明光源，光效與高強(qiáng)度氣體放電燈相比，仍有較大差距，在井下使用必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

(2)散熱問題。在地面照明中大功率LED照明燈具已經(jīng)得到應(yīng)用，體積很龐大。雖然LED防爆燈具已經(jīng)得到應(yīng)用，主要是一些小功率的防爆燈具，如礦燈，但是大功率的LED防爆燈具尚不成熟，主要是煤礦井下的條件限制，受其體積和空間限制，大功率LED防爆燈具散熱問題難以解決，其直接影響到井下使用LED光源的光效和壽命。

(3)價(jià)格問題。LED光源價(jià)格較高，是直接影響LED防爆燈具在煤礦中普及的主要原因。但是，近年來由于晶片技術(shù)的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來LED的價(jià)格下降了近50%，正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，為LED在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有利條件。此外，較好的性價(jià)比也可以彌補(bǔ)成本價(jià)格方面的不足。

(4)減小LED發(fā)出的光與自然光之間的差距。LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距，白熾燈具有非常強(qiáng)的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺。而白光LED發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。

(5)配光問題。由于LED屬于點(diǎn)光源，發(fā)光面較小，發(fā)光過于集中，必須實(shí)施二次配光，才能滿足井下部分特殊工況下的需要，研究合適的二次配光途徑仍為亟待解決的問題。

(6)光衰問題。由于LED等采用的發(fā)光元件為半導(dǎo)體元件，利用電場發(fā)光，隨著使用時(shí)間的增加，亮度會(huì)發(fā)生衰減，甚至變色。應(yīng)采取措施，減慢光衰速度，延長使用時(shí)間。