矿井生产环境下光透过性实验研究*

杨万鑫，邹声华，胡 琦，唐 科

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

掘进工作面和回采工作面是矿井开采的主要工作场所，这2个区域机械设备多且发热量大，作业面积相对狭小，通风较差，积聚的热量和粉尘颗粒难以及时排走，使得温度和粉尘浓度较其他区域高，在各种矿井因素(主要包括发尘量、风速、相对湿度)作用下，容易形成矿井雾霾[1-4]。而这种雾霾随着矿井进一步开采有日益严重的趋向，对照明环境造成了比较恶劣的影响。矿井是一个只能通过人工光源来照明的场所，矿工在这种照明环境不良的高温高湿矿井环境中作业时，需要反复去辨认物体，易造成视觉疲劳，降低工作效率[5-8]，严重影响整个煤矿作业的进程，且容易导致安全事故。

掘进巷道内混有大量悬浮固体、液体颗粒物和水蒸气等其他气体组成的矿井雾霾形成了一种特殊的气溶胶，灯具发出的光在矿井空间中传播，途经悬浮颗粒物和水蒸气等其他气体的散射和吸收后会出现光照衰减现象。在矿井中不同成分和比例的气溶胶对光的透射影响不一，国内外有不少对雾霾和沙尘暴等恶劣天气的大气气溶胶光学研究，刘新民等[9]对大气雾霾颗粒物和气体污染物进行采样，获得了各种消光作用的平均贡献，研究了颗粒物和气体分子分别对消光作用的影响程度；喻柏林等[10]研究不同工况下照度变化和时间变化对视觉辨认的影响；关雪峰等[11]探讨了不同人工光源及4种不同颜色的普通LED灯在雾中的透雾性；韩帅[12]建立简易的雾霾模拟环境，研究得到3种不同的光源灯在不同浓度的雾和霾中的透过性；邵茂丰[13]对实际大气雾霾下的普通LED灯和高压钠灯光源进行检测；郭燕等[14]研究了煤矿井下如何合理布置灯具；文献[15]指出雾滴粒径和雾浓度能影响可见度。综上，模拟真实的矿井下高温高湿的生产环境，通过光源透过性实验，对光源的透过率和衰减性的研究较少。

本实验搭建了高温高湿巷道模型，模拟井下作业环境，直接采样测量灯具在粉尘浓度和相对湿度变化前后的光照衰减百分比体现能见度水平，对普通LED灯、金卤灯、荧光灯、头戴LED矿灯4种灯具在不同矿井雾霾浓度和不同环境参数下的照明特性进行了检测，测得矿井雾霾和其他不同环境参数对照明的影响，进一步研究掘进面的工作环境对光源透过性的影响规律，得到其照度在矿井生产环境下的衰减率。

1 实验系统的建立

1.1 相似分析

由于粉尘在实验和实际工作面基本相同，因此粉尘颗粒当量直径之比为1∶1。原型和模型几何相似比为8∶1，由雷诺准则可得实际风速和模型风速之比近似为1。本实验为模拟粉尘和热湿环境，按照广西百色煤矿1个实际掘进巷道尺寸与模型尺寸为8∶1的几何比例布置综合掘进面(巷道、传送带、掘进机等设备)，而井下掘进机、胶带等设备模型用标准几何体简化。实际巷道参数与模型巷道对比见表1。

表1 实际巷道参数与模型巷道参数对比Table1 Comparison of actual roadway parameters and model roadway parameters

1.2 综合掘进面物理模型构建

矿井下主要散热源是围岩散热、机电设备散热、矿内热水散热和空气自压缩热[16-18]。其中最主要形式为围岩散热。此外，矿井下含有地下水，地下水通过围岩体内的裂隙渗入到围岩表面并蒸发到巷道空气中。在采掘工作面和回风系统中，空气相对湿度通常都在80%以上，有些工作面甚至达到了100%。本实验用电阻丝加热模型壁面来模拟围岩散热现象，用超声波加湿器向模拟巷道内加湿来模拟围岩散湿现象。该实验系统一方面能模拟掘进面产尘情况，另一方面能够模拟巷道热湿环境，模拟效果比较贴合实际。

实验系统原理图如图1所示，在长为5 m的有机玻璃巷道中，内壁分布有4个加热加湿模块。每个模块四个面均由有机玻璃构成。每个模块各壁面均匀分布加热丝和加湿管，温度通过温度传感器控制，模块各面温度误差小于2 ℃，加湿管内夹层开有孔，能通过超声波加湿系统不断往巷道内通水雾。超声波加湿系统湿度大小可调，包括湿度传感器及显示仪表能测量和控制巷道中湿度。4个模块的温度能单独控制，共用1套加湿系统，并联连接，中间用阀门调节。

图1 实验系统原理Fig.1 Principle diagram of experimental system

2 实验过程

2.1 实验参数确定

分别以0，10，15 g/min的速率将粉尘(直径小于90 μm)从气溶胶发生器的烟雾发散孔中发出。壁面温度设置在40 ℃，通过控制送风管道的风速间接控制巷道内风速，送风管道风速设置3个梯度：2,3，4 m/s。4种灯具的光谱范围有差异，选用头戴LED矿灯、普通LED灯、荧光灯和金卤灯4种灯具代表3种不同波长的光源进行实验(头戴LED矿灯前有1个保护镜，与普通LED灯作为对照，4种灯具产生复合光波长相对大小为：荧光灯>头戴LED矿灯≈普通LED灯>金卤灯)，相关灯具信息见表2。灯具位置距巷道出口0.5 m，位于巷道中心位置处，光照度计与灯具的距离分别为d1=0.5 m，d2=1.0 m，d3=1.5 m，d4=2.0 m，d5=2.5 m。

表2 灯具参数Table 2 Parameters of different lamps

2.2 实验步骤

1)尽可能保证整个有机玻璃箱内处于密闭状态。

2)利用温度控制装置将巷道内壁面温度控制在40 ℃。

3)开启管道风机，利用管道风机的无极调节功能将风速调到2 m/s，待35 min后，巷道内风流场基本达到稳定。

4)依次单独打开金卤灯、普通LED灯、头戴LED矿灯、荧光灯并预热到稳定。

5)第40 min，依次将4种灯具放置在巷道中灯具布置处，待1 min巷道内风流场稳定后，用照度计分别在d1～d55个窗口固定位置对准光源进行照度测量。每个窗口在同1点测量3次取平均值并记录下来。

6)将风速分别调至3，4 m/s，重复步骤3)和5)。

7)开启气溶胶发生器，调整档位，使其分别以10，15 g/min的速率发尘，并重复步骤3)～6)。

8)开启超声波加湿器，将超声波加湿器湿度设置为95 %(95 %是加湿器能设置的最高湿度)，重复步骤3)～7)。

3 实验结果分析

3.1 粉尘浓度对照度的影响

粉尘浓度对荧光灯、金卤灯、头戴LED矿灯、普通LED灯4种灯具照度的影响如图2所示。从图2可知，相同粉尘浓度下，随距离的增大，4种灯具照度变化近似呈指数递减。同一测量距离下，粉尘浓度(发尘量)越大，照度越低，且距光源越近，粉尘浓度(发尘量)的变化对照度影响越大。

参照图2粉尘浓度曲线，相比于无粉尘的环境，在有粉尘的环境下，光在矿井生产环境的传播过程中，由于巷道内的空气分子及半径较大的气溶胶悬浮颗粒的消光作用致使灯光在传输过程中发生衰减。

矿井环境中，光的散射和吸收作用主要是由悬浮颗粒物质引起的，相比之下，空气分子对光的散射和吸收作用就很小了，因此当增加发尘量使粉尘浓度增加时，气溶胶不断累积，光的透射量明显减小。通过各光源在不同粉尘浓度变化下光照度的衰减率比较发现，粉尘浓度对头戴LED的光照度影响最大。

3.2 风速对照度的影响

以典型工况RH=48 %(实验时的环境空气湿度)，发尘量为10 g/min为例，分析得到风速对照度的影响，照度结果如图3所示。从图3可以看出，在相同的风速下，不论何种灯具作为光源，随着距离远离光源，照度值均呈下降趋势。在距离d<1.5 m范围内，离光源越远，照度值下降明显；当d>1.5 m后，照度值随距离d增大缓慢减小并逐渐趋于0。通过对实验数据的拟合可发现，离光源越远，光的照度呈现指数递减规律，头戴LED矿灯光照度衰减最明显。图3还反应出头戴LED矿灯照射使物体表面更明亮。

距离光源相同距离处，随着风速的增加，4种灯具的照度都有不同程度的降低。这是因为在狭窄巷道内，发尘量一定情况下，当风速增加时，落尘被卷入巷道中，使空气中粉尘浓度增大，光照消减更快。

3.3 相对湿度对照度的影响

保持发尘量、风速一定，对比在低湿和高湿2种情况下荧光灯、金卤灯、头戴LED矿灯、普通LED灯4种灯具照度变化曲线如图4所示。从图4(a)看出，荧光灯在低湿情况下，测量距离从0.5 m增加到2.5 m的过程中，测量的照度依次为122.5，63.3，22.5，12.9，9 lx；较于低湿，高湿情况测量荧光灯光照度变化依次为60.48，5.232，0.33，0，0 lx，在0.5 m的同一测量距离下，高湿比低湿照度衰减了62.02 lx，衰减率为50.63 %。相对湿度对4种灯具照度影响从大到小依次为头戴LED矿灯>金卤灯>普通LED灯>荧光灯。而根据前述4种灯具荧光灯波长最大。因此，在掘进巷道中，选用发光波长越长的灯具，相对湿度对光的照度影响越小，传输距离越远。

气溶胶浓度分布和相对湿度的变化密切相关，相对湿度增大利于气溶胶粒径增大并在空气中滞留(若不发生沉降)，气溶胶浓度随相对湿度的增加而升高。实验测得，相对湿度从48%增大到100%时，从粉尘仪测得的粉尘浓度由21.54 g/m3增加到24.29 g/m3。随着相对湿度的增加，可吸入颗粒物由于吸湿使得本身所含的液量增加，粒子涨大，大粒子数量增多，因而使得巷道中粉尘质量浓度增加，光的衰减加快。这一结论也与文献[19]相一致。

图2 粉尘浓度对照度的影响Fig.2 Parameters of different lamps

图3 风速对照度的影响Fig.3 Influence of air velocity on illuminance

图4 相对湿度对照度的影响Fig.4 Influence of relative humidity on illuminance

因此，在掘进巷道中，选用发光波长越长的灯具，相对湿度对光的照度影响越小，传输距离越远。

一般来说，功率越大，光源发出的能量越大，传输距离越远。本次实验使用的金卤灯发光功率大，但由于其发出的光呈球面分散传播，虽然光源发出的能量大，但每个传播方向上光的能量较少，而普通LED灯和头戴LED矿灯产生的光整体上沿一个方向传播，因而实验测得的金卤灯光照度较低，受高湿环境的影响比荧光灯和普通LED灯大。实验过程中也发现，在高湿环境下金卤灯周围区域明亮但稍微远处变得较暗。

头戴LED灯前有一保护镜，对照度测量有影响，此外头戴LED灯是冷光源，功率小，发热小，镜面驱雾能力小，高湿环境下镜面附着大量水雾和粉尘，光源发出的光很大程度受到镜面上的水雾和粉尘的反射、折射和散射作用而衰减，因而在高湿环境的井中作业避免使用头戴LED矿灯。

4 结论

1)距光源越远，光的照度呈指数递减规律，介于金卤灯和荧光灯波长之间的头戴LED矿灯光照度衰减最明显。

2)在矿井中，粉尘浓度、风速和相对湿度的增加均能降低光的透过率，粉尘浓度和相对湿度变化对光的透过率影响较大，当光源的波长越长时，这种影响越小。

3)风速和相对湿度的增加对粉尘浓度有一定的积聚作用，但风速对光的透过率影响不是直接因素，而是通过影响掘进巷道中雾霾的形成间接改变光的透过率。

4)在矿井掘进巷道中，选用发光波长越长、功率稍大的灯具，能减小相对湿度和粉尘浓度对光的照度的影响，有利于改善工人作业场所照明环境。