礦井生產(chǎn)環(huán)境下光透過性實(shí)驗(yàn)研究*

楊萬鑫，鄒聲華，胡 琦，唐 科

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

掘進(jìn)工作面和回采工作面是礦井開采的主要工作場所，這2個區(qū)域機(jī)械設(shè)備多且發(fā)熱量大，作業(yè)面積相對狹小，通風(fēng)較差，積聚的熱量和粉塵顆粒難以及時排走，使得溫度和粉塵濃度較其他區(qū)域高，在各種礦井因素(主要包括發(fā)塵量、風(fēng)速、相對濕度)作用下，容易形成礦井霧霾[1-4]。而這種霧霾隨著礦井進(jìn)一步開采有日益嚴(yán)重的趨向，對照明環(huán)境造成了比較惡劣的影響。礦井是一個只能通過人工光源來照明的場所，礦工在這種照明環(huán)境不良的高溫高濕礦井環(huán)境中作業(yè)時，需要反復(fù)去辨認(rèn)物體，易造成視覺疲勞，降低工作效率[5-8]，嚴(yán)重影響整個煤礦作業(yè)的進(jìn)程，且容易導(dǎo)致安全事故。

掘進(jìn)巷道內(nèi)混有大量懸浮固體、液體顆粒物和水蒸氣等其他氣體組成的礦井霧霾形成了一種特殊的氣溶膠，燈具發(fā)出的光在礦井空間中傳播，途經(jīng)懸浮顆粒物和水蒸氣等其他氣體的散射和吸收后會出現(xiàn)光照衰減現(xiàn)象。在礦井中不同成分和比例的氣溶膠對光的透射影響不一，國內(nèi)外有不少對霧霾和沙塵暴等惡劣天氣的大氣氣溶膠光學(xué)研究，劉新民等[9]對大氣霧霾顆粒物和氣體污染物進(jìn)行采樣，獲得了各種消光作用的平均貢獻(xiàn)，研究了顆粒物和氣體分子分別對消光作用的影響程度；喻柏林等[10]研究不同工況下照度變化和時間變化對視覺辨認(rèn)的影響；關(guān)雪峰等[11]探討了不同人工光源及4種不同顏色的普通LED燈在霧中的透霧性；韓帥[12]建立簡易的霧霾模擬環(huán)境，研究得到3種不同的光源燈在不同濃度的霧和霾中的透過性；邵茂豐[13]對實(shí)際大氣霧霾下的普通LED燈和高壓鈉燈光源進(jìn)行檢測；郭燕等[14]研究了煤礦井下如何合理布置燈具；文獻(xiàn)[15]指出霧滴粒徑和霧濃度能影響可見度。綜上，模擬真實(shí)的礦井下高溫高濕的生產(chǎn)環(huán)境，通過光源透過性實(shí)驗(yàn)，對光源的透過率和衰減性的研究較少。

本實(shí)驗(yàn)搭建了高溫高濕巷道模型，模擬井下作業(yè)環(huán)境，直接采樣測量燈具在粉塵濃度和相對濕度變化前后的光照衰減百分比體現(xiàn)能見度水平，對普通LED燈、金鹵燈、熒光燈、頭戴LED礦燈4種燈具在不同礦井霧霾濃度和不同環(huán)境參數(shù)下的照明特性進(jìn)行了檢測，測得礦井霧霾和其他不同環(huán)境參數(shù)對照明的影響，進(jìn)一步研究掘進(jìn)面的工作環(huán)境對光源透過性的影響規(guī)律，得到其照度在礦井生產(chǎn)環(huán)境下的衰減率。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

1.1 相似分析

由于粉塵在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工作面基本相同，因此粉塵顆粒當(dāng)量直徑之比為1∶1。原型和模型幾何相似比為8∶1，由雷諾準(zhǔn)則可得實(shí)際風(fēng)速和模型風(fēng)速之比近似為1。本實(shí)驗(yàn)為模擬粉塵和熱濕環(huán)境，按照廣西百色煤礦1個實(shí)際掘進(jìn)巷道尺寸與模型尺寸為8∶1的幾何比例布置綜合掘進(jìn)面(巷道、傳送帶、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備)，而井下掘進(jìn)機(jī)、膠帶等設(shè)備模型用標(biāo)準(zhǔn)幾何體簡化。實(shí)際巷道參數(shù)與模型巷道對比見表1。

表1 實(shí)際巷道參數(shù)與模型巷道參數(shù)對比Table1 Comparison of actual roadway parameters and model roadway parameters

1.2 綜合掘進(jìn)面物理模型構(gòu)建

礦井下主要散熱源是圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、礦內(nèi)熱水散熱和空氣自壓縮熱[16-18]。其中最主要形式為圍巖散熱。此外，礦井下含有地下水，地下水通過圍巖體內(nèi)的裂隙滲入到圍巖表面并蒸發(fā)到巷道空氣中。在采掘工作面和回風(fēng)系統(tǒng)中，空氣相對濕度通常都在80%以上，有些工作面甚至達(dá)到了100%。本實(shí)驗(yàn)用電阻絲加熱模型壁面來模擬圍巖散熱現(xiàn)象，用超聲波加濕器向模擬巷道內(nèi)加濕來模擬圍巖散濕現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一方面能模擬掘進(jìn)面產(chǎn)塵情況，另一方面能夠模擬巷道熱濕環(huán)境，模擬效果比較貼合實(shí)際。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在長為5 m的有機(jī)玻璃巷道中，內(nèi)壁分布有4個加熱加濕模塊。每個模塊四個面均由有機(jī)玻璃構(gòu)成。每個模塊各壁面均勻分布加熱絲和加濕管，溫度通過溫度傳感器控制，模塊各面溫度誤差小于2 ℃，加濕管內(nèi)夾層開有孔，能通過超聲波加濕系統(tǒng)不斷往巷道內(nèi)通水霧。超聲波加濕系統(tǒng)濕度大小可調(diào)，包括濕度傳感器及顯示儀表能測量和控制巷道中濕度。4個模塊的溫度能單獨(dú)控制，共用1套加濕系統(tǒng)，并聯(lián)連接，中間用閥門調(diào)節(jié)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of experimental system

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

分別以0，10，15 g/min的速率將粉塵(直徑小于90 μm)從氣溶膠發(fā)生器的煙霧發(fā)散孔中發(fā)出。壁面溫度設(shè)置在40 ℃，通過控制送風(fēng)管道的風(fēng)速間接控制巷道內(nèi)風(fēng)速，送風(fēng)管道風(fēng)速設(shè)置3個梯度：2,3，4 m/s。4種燈具的光譜范圍有差異，選用頭戴LED礦燈、普通LED燈、熒光燈和金鹵燈4種燈具代表3種不同波長的光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(頭戴LED礦燈前有1個保護(hù)鏡，與普通LED燈作為對照，4種燈具產(chǎn)生復(fù)合光波長相對大小為：熒光燈>頭戴LED礦燈≈普通LED燈>金鹵燈)，相關(guān)燈具信息見表2。燈具位置距巷道出口0.5 m，位于巷道中心位置處，光照度計(jì)與燈具的距離分別為d1=0.5 m，d2=1.0 m，d3=1.5 m，d4=2.0 m，d5=2.5 m。

表2 燈具參數(shù)Table 2 Parameters of different lamps

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)盡可能保證整個有機(jī)玻璃箱內(nèi)處于密閉狀態(tài)。

2)利用溫度控制裝置將巷道內(nèi)壁面溫度控制在40 ℃。

3)開啟管道風(fēng)機(jī)，利用管道風(fēng)機(jī)的無極調(diào)節(jié)功能將風(fēng)速調(diào)到2 m/s，待35 min后，巷道內(nèi)風(fēng)流場基本達(dá)到穩(wěn)定。

4)依次單獨(dú)打開金鹵燈、普通LED燈、頭戴LED礦燈、熒光燈并預(yù)熱到穩(wěn)定。

5)第40 min，依次將4種燈具放置在巷道中燈具布置處，待1 min巷道內(nèi)風(fēng)流場穩(wěn)定后，用照度計(jì)分別在d1～d55個窗口固定位置對準(zhǔn)光源進(jìn)行照度測量。每個窗口在同1點(diǎn)測量3次取平均值并記錄下來。

6)將風(fēng)速分別調(diào)至3，4 m/s，重復(fù)步驟3)和5)。

7)開啟氣溶膠發(fā)生器，調(diào)整檔位，使其分別以10，15 g/min的速率發(fā)塵，并重復(fù)步驟3)～6)。

8)開啟超聲波加濕器，將超聲波加濕器濕度設(shè)置為95 %(95 %是加濕器能設(shè)置的最高濕度)，重復(fù)步驟3)～7)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 粉塵濃度對照度的影響

粉塵濃度對熒光燈、金鹵燈、頭戴LED礦燈、普通LED燈4種燈具照度的影響如圖2所示。從圖2可知，相同粉塵濃度下，隨距離的增大，4種燈具照度變化近似呈指數(shù)遞減。同一測量距離下，粉塵濃度(發(fā)塵量)越大，照度越低，且距光源越近，粉塵濃度(發(fā)塵量)的變化對照度影響越大。

參照圖2粉塵濃度曲線，相比于無粉塵的環(huán)境，在有粉塵的環(huán)境下，光在礦井生產(chǎn)環(huán)境的傳播過程中，由于巷道內(nèi)的空氣分子及半徑較大的氣溶膠懸浮顆粒的消光作用致使燈光在傳輸過程中發(fā)生衰減。

礦井環(huán)境中，光的散射和吸收作用主要是由懸浮顆粒物質(zhì)引起的，相比之下，空氣分子對光的散射和吸收作用就很小了，因此當(dāng)增加發(fā)塵量使粉塵濃度增加時，氣溶膠不斷累積，光的透射量明顯減小。通過各光源在不同粉塵濃度變化下光照度的衰減率比較發(fā)現(xiàn)，粉塵濃度對頭戴LED的光照度影響最大。

3.2 風(fēng)速對照度的影響

以典型工況RH=48 %(實(shí)驗(yàn)時的環(huán)境空氣濕度)，發(fā)塵量為10 g/min為例，分析得到風(fēng)速對照度的影響，照度結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在相同的風(fēng)速下，不論何種燈具作為光源，隨著距離遠(yuǎn)離光源，照度值均呈下降趨勢。在距離d<1.5 m范圍內(nèi)，離光源越遠(yuǎn)，照度值下降明顯；當(dāng)d>1.5 m后，照度值隨距離d增大緩慢減小并逐漸趨于0。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可發(fā)現(xiàn)，離光源越遠(yuǎn)，光的照度呈現(xiàn)指數(shù)遞減規(guī)律，頭戴LED礦燈光照度衰減最明顯。圖3還反應(yīng)出頭戴LED礦燈照射使物體表面更明亮。

距離光源相同距離處，隨著風(fēng)速的增加，4種燈具的照度都有不同程度的降低。這是因?yàn)樵讵M窄巷道內(nèi)，發(fā)塵量一定情況下，當(dāng)風(fēng)速增加時，落塵被卷入巷道中，使空氣中粉塵濃度增大，光照消減更快。

3.3 相對濕度對照度的影響

保持發(fā)塵量、風(fēng)速一定，對比在低濕和高濕2種情況下熒光燈、金鹵燈、頭戴LED礦燈、普通LED燈4種燈具照度變化曲線如圖4所示。從圖4(a)看出，熒光燈在低濕情況下，測量距離從0.5 m增加到2.5 m的過程中，測量的照度依次為122.5，63.3，22.5，12.9，9 lx；較于低濕，高濕情況測量熒光燈光照度變化依次為60.48，5.232，0.33，0，0 lx，在0.5 m的同一測量距離下，高濕比低濕照度衰減了62.02 lx，衰減率為50.63 %。相對濕度對4種燈具照度影響從大到小依次為頭戴LED礦燈>金鹵燈>普通LED燈>熒光燈。而根據(jù)前述4種燈具熒光燈波長最大。因此，在掘進(jìn)巷道中，選用發(fā)光波長越長的燈具，相對濕度對光的照度影響越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。

氣溶膠濃度分布和相對濕度的變化密切相關(guān)，相對濕度增大利于氣溶膠粒徑增大并在空氣中滯留(若不發(fā)生沉降)，氣溶膠濃度隨相對濕度的增加而升高。實(shí)驗(yàn)測得，相對濕度從48%增大到100%時，從粉塵儀測得的粉塵濃度由21.54 g/m3增加到24.29 g/m3。隨著相對濕度的增加，可吸入顆粒物由于吸濕使得本身所含的液量增加，粒子漲大，大粒子數(shù)量增多，因而使得巷道中粉塵質(zhì)量濃度增加，光的衰減加快。這一結(jié)論也與文獻(xiàn)[19]相一致。

圖2 粉塵濃度對照度的影響Fig.2 Parameters of different lamps

圖3 風(fēng)速對照度的影響Fig.3 Influence of air velocity on illuminance

圖4 相對濕度對照度的影響Fig.4 Influence of relative humidity on illuminance

因此，在掘進(jìn)巷道中，選用發(fā)光波長越長的燈具，相對濕度對光的照度影響越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。

一般來說，功率越大，光源發(fā)出的能量越大，傳輸距離越遠(yuǎn)。本次實(shí)驗(yàn)使用的金鹵燈發(fā)光功率大，但由于其發(fā)出的光呈球面分散傳播，雖然光源發(fā)出的能量大，但每個傳播方向上光的能量較少，而普通LED燈和頭戴LED礦燈產(chǎn)生的光整體上沿一個方向傳播，因而實(shí)驗(yàn)測得的金鹵燈光照度較低，受高濕環(huán)境的影響比熒光燈和普通LED燈大。實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，在高濕環(huán)境下金鹵燈周圍區(qū)域明亮但稍微遠(yuǎn)處變得較暗。

頭戴LED燈前有一保護(hù)鏡，對照度測量有影響，此外頭戴LED燈是冷光源，功率小，發(fā)熱小，鏡面驅(qū)霧能力小，高濕環(huán)境下鏡面附著大量水霧和粉塵，光源發(fā)出的光很大程度受到鏡面上的水霧和粉塵的反射、折射和散射作用而衰減，因而在高濕環(huán)境的井中作業(yè)避免使用頭戴LED礦燈。

4 結(jié)論

1)距光源越遠(yuǎn)，光的照度呈指數(shù)遞減規(guī)律，介于金鹵燈和熒光燈波長之間的頭戴LED礦燈光照度衰減最明顯。

2)在礦井中，粉塵濃度、風(fēng)速和相對濕度的增加均能降低光的透過率，粉塵濃度和相對濕度變化對光的透過率影響較大，當(dāng)光源的波長越長時，這種影響越小。

3)風(fēng)速和相對濕度的增加對粉塵濃度有一定的積聚作用，但風(fēng)速對光的透過率影響不是直接因素，而是通過影響掘進(jìn)巷道中霧霾的形成間接改變光的透過率。

4)在礦井掘進(jìn)巷道中，選用發(fā)光波長越長、功率稍大的燈具，能減小相對濕度和粉塵濃度對光的照度的影響，有利于改善工人作業(yè)場所照明環(huán)境。