LED照明技術在煤礦井下的應用

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、改善工作環(huán)境，《煤礦安全規(guī)程》第473條明確規(guī)定了井下下列地點必須有足夠的照明:①井底車場及其四周。②機電設備硐室、調度室、機車庫、爆炸材料庫、候車室、信號站、瓦斯抽放泵站等。③使用機車的主要運輸巷道、兼作人行道的集中帶式輸送機巷道、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主要進風巷的交岔點和采區(qū)車場。⑤從地面到井下的專用人行道。⑥綜合機械化采煤工作面，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，無法達到隔爆兼本質安全型燈具的要求。本質安全型燈具替代隔爆或增安型燈具設備可提高煤礦安全生產條件。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，可大大降低井下燈具的維護次數，減少因燈具破碎造成的安全隱患，降低維護費用。

1 LED的發(fā)展狀況及其優(yōu)越性

1.1 LED的發(fā)展狀況

綠色照明是全球追隨的生態(tài)設計目標。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，擴大了LED的應用范圍，也必將成為2l世紀最具發(fā)展前景的高技術光源。早期的LED主要用做指示燈。其發(fā)光強度、發(fā)光效率都不高，隨著LED的迅速發(fā)展，特別是白光技術的突破，促使LED冷光源系列產品已發(fā)展成為許多新型產業(yè)。隨著其發(fā)光的強度及效率迅速提高、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產品創(chuàng)造了良好的機會?，F在的城市交通信號燈及標志燈開始采用LED燈，不僅節(jié)省大量的電能，而且無須經常更換燈泡;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采用整體的密封設計，具有電子短路保護、防靜電外殼等措施，產品防爆性好;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所有電路是本質安全型電路，具有高效的電路保護設計，保證工作電流在0.35 mA，短路保護動作時間小于0.35 ms;⑤電池盒材料采用ABS工程塑料，表面防靜電，可有效避免靜電產生的火花，高強度的外殼和優(yōu)化的結構設計，使產品可經受強力沖擊;⑥鋰離子電池保護具有過充過放電保護功能，使產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、維護最頻繁的五小電器之一，其安全性能和質量與煤礦安全生產息息相關。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，而且強度很低，輕微震動就會大大縮短燈頭壽命，甚至損壞。另外，這些燈泡發(fā)熱量大，溫度高，容易在玻璃燈罩內燒結碳黑，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、抗震動等特點。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、照度大;③抗震性好、壽命長、免維護，減少換燈次數(3年免維護)，大大減輕工人勞動強度;④受電壓影響小，照度穩(wěn)定;⑤具有多種保護電路，能夠解決斷電、保護、應急等問題。

1.2.3 經濟性分析

從綜合成本計算可以看出LED礦燈的經濟性:①管理費用、燈泡消耗、充電費用、電解液費用4項合計，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，亮度相當于100 W燈泡，18 W的相當于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年總費用3 488元。12 W的LED燈5年總費用僅315元。

2 LED光源在煤礦中的應用

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;按使用地點分為人員便攜照明、機載照明、巷道照明、硐室照明、采掘工作面照明等。根據以上分類對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(標準規(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 在掘進機、電機車上的應用

隨著我國煤礦現代化礦井的建設，綜掘綜采技術在煤礦應用日益普遍。因而在掘進巷道中綜掘巷道所占的比例逐年增加，綜掘機在井下應用越來越普遍。據不完全統(tǒng)計，目前全國煤礦在藉的掘進機已達千臺左右，并且有逐年增加的趨勢。但在綜掘巷道中綜掘機掘進時的照明一直沒有得到很好的解決。以前綜掘機上應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。同樣在電機車上雖然損壞不如掘進機嚴重，但機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)礦用機車信號燈(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)礦用機車信號燈外形圖

2.3 在大巷照明中的應用

目前國內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，在實際使用中，防爆燈具的電源由專用的防爆供電開關供電，按規(guī)定應使用照明信號綜合保護裝置，一臺防爆開關往往要帶動100～200盞燈具，這些燈具布置在礦井下，布置長度達1 000～2 000 m。如果要維修燈具，要切斷幾乎整個巷道的照明電源，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。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。我國煤礦已經開始推廣應用LED光源的巷道防爆燈具，由于其價格較高，一次性投入成本太高，推廣應用的力度不是很大。但隨著LED光源技術的進步，其在巷道燈具中應用將有廣泛應用前景。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，外型美觀、結構緊湊、抗沖擊、抗振動，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，使得整個工作面比較昏暗，容易導致事故的發(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)和煤塵爆炸危險的煤礦井下綜采工作面作照明用的燈具。“多功能支架燈”采用MCDX本安電源作為電源，具有過壓、過流、短路保護等功能;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。壽命長達上萬小時。它與ZBZ-1.0M礦用隔爆型照明綜合保護裝置配套還可實現信號聯絡、緊急停車及故障檢測功能。S2“信號開關”可根據約定實現光語言的聯絡;S3“急停開關”可閉鎖刮板運輸機，避免突發(fā)事故惡性發(fā)展;S4“檢測開關”可分段切斷電源，達到迅速查找漏電故障點，在照明綜保不拉閘的情況下現場排除故障，該燈和ZBZ-1.0M照明信號綜合保護裝置組合，能實現照明、信號安全、漏電、過流和短路保護等功能。

圖5 DJC18/127L(B)礦用隔爆兼本質安全型多功能支架燈外形圖

3 LED燈在應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用方面仍存在一些技術性問題。

(1)進一步提高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換效率。

(2)散熱問題。在地面照明中大功率LED照明燈具已經得到應用，體積很龐大。雖然LED防爆燈具已經得到應用，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)價格問題。LED光源價格較高，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的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來LED的價格下降了近50%，正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，為LED在煤礦領域的應用提供了有利條件。此外，較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足。

(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屬于點光源，發(fā)光面較小，發(fā)光過于集中，必須實施二次配光，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)光元件為半導體元件，利用電場發(fā)光，隨著使用時間的增加，亮度會發(fā)生衰減，甚至變色。應采取措施，減慢光衰速度，延長使用時間。