LED照明技术在煤矿井下的应用

闫维忠，王永建

(开滦股份吕家坨矿业分公司，唐山063107)

0 引言

为保证安全生产、改善工作环境，《煤矿安全规程》第473条明确规定了井下下列地点必须有足够的照明:①井底车场及其四周。②机电设备硐室、调度室、机车库、爆炸材料库、候车室、信号站、瓦斯抽放泵站等。③使用机车的主要运输巷道、兼作人行道的集中带式输送机巷道、升降人员的绞车道以及升降物料和人行交替使用的绞车道，其照明灯的间距不得大于30 m。④主要进风巷的交岔点和采区车场。⑤从地面到井下的专用人行道。⑥综合机械化采煤工作面，照明灯间距不得大于15 m。

煤矿用灯具目前多为隔爆型或增安型灯具，因白炽灯、荧光灯、高压钠灯等光源均为热光源高压灯具，无法达到隔爆兼本质安全型灯具的要求。本质安全型灯具替代隔爆或增安型灯具设备可提高煤矿安全生产条件。LED为冷光源，具备耗电低、发热少、安全可靠性高、寿命长的特点，可大大降低井下灯具的维护次数，减少因灯具破碎造成的安全隐患，降低维护费用。

1 LED的发展状况及其优越性

1.1 LED的发展状况

绿色照明是全球追随的生态设计目标。LED作为新型高效固体光源，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯的又一次飞跃。特别是其与太阳能电池组合，扩大了LED的应用范围，也必将成为2l世纪最具发展前景的高技术光源。早期的LED主要用做指示灯。其发光强度、发光效率都不高，随着LED的迅速发展，特别是白光技术的突破，促使LED冷光源系列产品已发展成为许多新型产业。随着其发光的强度及效率迅速提高、发光颜色齐全、功率增加、成本降低，给开发各种功能的LED灯泡及灯具创造了极好的条件，也给二次开发LED产品创造了良好的机会。现在的城市交通信号灯及标志灯开始采用LED灯，不仅节省大量的电能，而且无须经常更换灯泡;LED装饰灯，把城市夜景打扮得五光十色;白光LED灯泡的发光效率高于白炽灯泡，而且寿命比节能荧光灯高8倍，比白炽灯高33倍多，更加激发了人们研发利用的兴趣。

1.2 LED灯的优越性

1.2.1 LED矿灯与普通光源矿灯比较

LED矿灯具有以下几方面的优势:①采用整体的密封设计，具有电子短路保护、防静电外壳等措施，产品防爆性好;②采用大功率LED冷光源，保证了灯头在工作环境中最高温度只有60℃，冷光源灯头即使在井下被击碎也绝对不会引起瓦斯爆炸事故的发生;③采用大容量锰酸锂防爆电池，保证本矿灯可安全持续照明17 h以上，辅灯可持续照明100 h以上;④所有电路是本质安全型电路，具有高效的电路保护设计，保证工作电流在0.35 mA，短路保护动作时间小于0.35 ms;⑤电池盒材料采用ABS工程塑料，表面防静电，可有效避免静电产生的火花，高强度的外壳和优化的结构设计，使产品可经受强力冲击;⑥锂离子电池保护具有过充过放电保护功能，使产品具有更好的可靠性。

1.2.2 LED巷道灯与普通光源防爆灯比较

巷道灯是煤矿井下使用最多、维护最频繁的五小电器之一，其安全性能和质量与煤矿安全生产息息相关。传统的巷道灯普遍采用白炽灯或高压钠灯，灯丝长期在炽热的工作环境中，不仅容易引起瓦斯爆炸，而且强度很低，轻微震动就会大大缩短灯头寿命，甚至损坏。另外，这些灯泡发热量大，温度高，容易在玻璃灯罩内烧结碳黑，影响透光率，亦难以清除。普通的照明灯随电压降低，照度明显下降，电压升高，发光效率又显著提高，但使用寿命明显缩短。LED作为新型发光器件，具有光效高、寿命长(10万h)、功耗低、耐冲击、免维护、抗震动等特点。因此以LED为发光体开发而成的巷道灯解决了传统灯具的不足:①安全节能，绿色环保;②穿透力强、照度大;③抗震性好、寿命长、免维护，减少换灯次数(3年免维护)，大大减轻工人劳动强度;④受电压影响小，照度稳定;⑤具有多种保护电路，能够解决断电、保护、应急等问题。

1.2.3 经济性分析

从综合成本计算可以看出LED矿灯的经济性:①管理费用、灯泡消耗、充电费用、电解液费用4项合计，LED矿灯为41.95元，铅酸矿灯为224.75元。②12 W隔爆型LED光源巷道灯，亮度相当于100 W灯泡，18 W的相当于200 W灯泡;隔爆型LED光源巷道灯使用5年不需更换灯泡，每年只需更换1只灯管。③使用100 W白炽灯5年总费用3 488元。12 W的LED灯5年总费用仅315元。

2 LED光源在煤矿中的应用

目前煤矿照明分类可有多种，按使用范围分类，可分为地面工厂照明和井下照明。笔者主要探讨井下照明。就井下照明的分类而言，按照明方式可分为直接照明、间接照明;按使用要求分为普通照明、特殊照明;按使用地点分为人员便携照明、机载照明、巷道照明、硐室照明、采掘工作面照明等。根据以上分类对LED光源在不同环境和使用要求下的选用起到很大作用。

2.1 在矿灯中的应用

我们主要使用KL5LM(A)锂电矿灯(见图1)，选用LED型灯代替原有的DS8型铅酸蓄电池矿灯。

LED照明技术用在矿灯上，获得老式矿灯相同的照度，其所耗能量仅为白炽灯的1/3。其不漏气、不漏电的特性，几乎无限的寿命(5万h～10万h)对矿灯来说太重要了，它为多年困扰我们的矿灯灯泡寿命太短(标准规定＞150 h)，井下拆灯换灯泡引起的瓦斯事故带来了解决方案。LED矿灯已得到广泛应用，并逐步取代老式的矿灯。

图1 KL5LM(A)锂电矿灯外形图

2.2 在掘进机、电机车上的应用

随着我国煤矿现代化矿井的建设，综掘综采技术在煤矿应用日益普遍。因而在掘进巷道中综掘巷道所占的比例逐年增加，综掘机在井下应用越来越普遍。据不完全统计，目前全国煤矿在藉的掘进机已达千台左右，并且有逐年增加的趋势。但在综掘巷道中综掘机掘进时的照明一直没有得到很好的解决。以前综掘机上应用灯具的光源主要采用白炽灯泡，灯具易坏的主要原因是光源不抗震。虽然采取一些措施防震，但不能从根本上解决问题，使用效果均不理想。同样在电机车上虽然损坏不如掘进机严重，但机车的照明灯具损坏率也是最高的，特别是灯泡的损坏。我们选用了DGEl2/24L(A)隔爆型LED灯(见图2)和DGY3/48L(A)矿用机车信号灯(见图3)，取得很好的效果。

图2 DGEl2/24L(A)隔爆型LED灯外形图

图3 DGY3/48L(A)矿用机车信号灯外形图

2.3 在大巷照明中的应用

目前国内外广泛使用的巷道防爆灯具大多采用普通直管荧光灯管为光源。我们选用了防爆型白炽灯、荧光灯，在实际使用中，防爆灯具的电源由专用的防爆供电开关供电，按规定应使用照明信号综合保护装置，一台防爆开关往往要带动100～200盏灯具，这些灯具布置在矿井下，布置长度达1 000～2 000 m。如果要维修灯具，要切断几乎整个巷道的照明电源，来回一次得步行2 000～4 000 m。由于防爆灯具都是安装于巷道顶部，无照明时高空作业更增加了维修难度。因此灯具的灯泡寿命直接影响到其维修的次数。采用LED光源不仅能够节约能源，而且其寿命很长，可以有效减少巷道灯具的维修。我国煤矿已经开始推广应用LED光源的巷道防爆灯具，由于其价格较高，一次性投入成本太高，推广应用的力度不是很大。但随着LED光源技术的进步，其在巷道灯具中应用将有广泛应用前景。我们自2008年开始选用DGS13W/127V矿用隔爆型LED巷道灯(见图4)，目前已使用10 000余盏，由于该灯具未一体化型，光源电器全部安装在灯具腔体内，外型美观、结构紧凑、抗冲击、抗振动，耐热变、密封性好、防水、安装使用方便，使用效果良好。

图4 DGS13W/127V矿用隔爆型LED巷道灯外形图

2.4 在采煤工作面照明中的应用

过去我公司主要使用DGC一35/l 27N型煤矿隔爆型支架灯，采用小功率双管芯高压钠灯，虽然其寿命较长，但其光色不是很好，使得整个工作面比较昏暗，容易导致事故的发生。近年来，我们选用了DJC18/127L(B)矿用隔爆兼本质安全型多功能支架灯(简称多功能支架灯，见图5)，由于其适用于具有爆炸性气体(甲烷)和煤尘爆炸危险的煤矿井下综采工作面作照明用的灯具。“多功能支架灯”采用MCDX本安电源作为电源，具有过压、过流、短路保护等功能;配以LED光源发光二极管形成照明系统，可在任何高瓦斯矿井中使用。寿命长达上万小时。它与ZBZ-1.0M矿用隔爆型照明综合保护装置配套还可实现信号联络、紧急停车及故障检测功能。S2“信号开关”可根据约定实现光语言的联络;S3“急停开关”可闭锁刮板运输机，避免突发事故恶性发展;S4“检测开关”可分段切断电源，达到迅速查找漏电故障点，在照明综保不拉闸的情况下现场排除故障，该灯和ZBZ-1.0M照明信号综合保护装置组合，能实现照明、信号安全、漏电、过流和短路保护等功能。

图5 DJC18/127L(B)矿用隔爆兼本质安全型多功能支架灯外形图

3 LED灯在应用中亟待解决的问题

近年来，LED的发光效率正在逐步提高，地面商品化的器件已达到白炽灯的水平，甚至接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在煤矿照明中普及应用方面仍存在一些技术性问题。

(1)进一步提高LED发光光通量。采用LED作为照明光源，光效与高强度气体放电灯相比，仍有较大差距，在井下使用必须可以发出更多的光，必须具有更高的能量转换效率。

(2)散热问题。在地面照明中大功率LED照明灯具已经得到应用，体积很庞大。虽然LED防爆灯具已经得到应用，主要是一些小功率的防爆灯具，如矿灯，但是大功率的LED防爆灯具尚不成熟，主要是煤矿井下的条件限制，受其体积和空间限制，大功率LED防爆灯具散热问题难以解决，其直接影响到井下使用LED光源的光效和寿命。

(3)价格问题。LED光源价格较高，是直接影响LED防爆灯具在煤矿中普及的主要原因。但是，近年来由于晶片技术的改良，制造成本正在急剧下降，近三年来LED的价格下降了近50%，正朝着高效率、低成本的方向发展，为LED在煤矿领域的应用提供了有利条件。此外，较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。

(4)减小LED发出的光与自然光之间的差距。LED发出的光与自然光仍有一定的差距，白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。

(5)配光问题。由于LED属于点光源，发光面较小，发光过于集中，必须实施二次配光，才能满足井下部分特殊工况下的需要，研究合适的二次配光途径仍为亟待解决的问题。

(6)光衰问题。由于LED等采用的发光元件为半导体元件，利用电场发光，随着使用时间的增加，亮度会发生衰减，甚至变色。应采取措施，减慢光衰速度，延长使用时间。