Искробезопасное шахтное освещение

Применение осветительных приборов (ОП) в условиях подземных выработок угольных шахт регламентируется многими нормативными документами:  Правилами безопасности [1], Правилами устройства электроустановок [2], Правилами технической эксплуатации [3] и требованиями к взрывозащищённому электрооборудованию ГОСТ Р51330 [4].

Осветительные приборы для подземных горных выработок должны выбираться в соответствии с требованиями по взрывозащите и классами взрывоопасной зоны. Определение класса зоны (выработки) производится технологами совместно с электриками проектной или эксплуатирующей организации. Общие рекомендации по применению ОП в выработках шахты основываются на категории опасности шахты и организации проветривания в её выработках [5].

В шахте используются следующие виды светильников:

• -    стационарные осветительные приборы (СОП), устанавливаемые в капитальных выработках (общее освещение), ОП для локального освещения рабочих мест; для производственных машин, механизмов (добычное, проходческое оборудование, электроприводы и т.д.);

• -    индивидуальные ОП - головные светильники шахтеров;

• -    информационные ОП - светофоры, индикационные табло, сигнализаторы.

Безопасность применения ОП основывается, как и в случае любого взрывозащищенного электрооборудования, на обязательном применении автоматической  газовой защиты, отключающей от сети всё электрооборудование в том числе и ОП, имеющее уровень РВ и ниже [1] при достижении концентрации метана допустимого уровня. На многих горнодобывающих предприятиях применение ОП не допускается без выполнения специальных проектных решений и повышенных мер безопасности (табл. 1).

Таблица 1.

Условия взрывоопасности выработок шахт и требуемый уровень взрывозащиты ОП

№ №	Категория опасности шахты	Выработки, условия проветривания	Требуемый уровень взрывозащиты ОП	Условия применения	Примечание
1	Опасность внезапных выбросов/ крутые пласты	Очистные, подготовительные / исходящая струя	РО, только индивидуальные светильники	Индивидуаль ный контроль	Головной светильник
2	Опасность внезапных выбрасов/крутые пласты	Горизонтальные выработки, камеры/   свежая струя	РО	РВ - по спец. проекту, Автоматическ ий контроль метана 1%	РВ
3	I,            II,            III, Сверхкатегорийная, опасная          по внезапным выбросам. Пологие, наклонные пласты	Горизонтальные, наклонные	РВ	Автоматическ ий контроль метана 1%
4	I,            II,            III, Сверхкатегорийные	Забой проходческого ствола, откаточные камеры	РВ	Автоматическ ий контроль метана 1%, РП         - Разрешение директора производства	Кроме выработок с суфлярными выделениями газа

Как видно из табл. 1, при появлении опасной концентрации метана, тем более в аварийной ситуации в шахте все ОП отключаются. К эксплуатации допускаются только светильники, имеющие РО уровень взрывозащиты и питающиеся от бесперебойных источников или от автономных аккумуляторных искробезопасных источников. Парк шахтного осветительного оборудования не имеет ОП, с уровнем взрывозащиты РО, что является существенным ограничением в условиях аварийной ситуации и на горнодобывающих предприятиях, где не допускается применение электрооборудования с уровнем взрывозащиты ниже уровня РО.

Безопасность производства требует [6] определенной освещенности выработок (табл. 2).

К вышеперечисленным требованиям необходимо добавить особые условия организации осветительной сети. Питание ОП осуществляется от сети 127 В, 50Гц по бронированному или экранированному силовому кабелю ВББГ, ВРГ, ВРНГ сечением 6,0 мм кв., СБ, СБГ сечением 10 мм кв. Для установки в пределах участка, где кабель используется непродолжительное время, применяется гибкий кабель КРПСН. В забоях и других местах, где осветительные установки часто перемещаются, применяется гибкий экранированный четырехжильный кабель ГРШЭ. В шахтах не опасных по внезапным выбросам допускается применение гибкого неэкранированного кабеля.

Таблица 2.

Регламентируемые уровни освещенности выработок в нормальных условиях эксплуатации

№ №	Наименование выработки	Норма освещен ности, Лк	Мощность лампы, Вт	Расстояние между лампами, м	Примечание
1	Людские ходки, уклоны, бремсберги, откаточные штреки	1 - 2	20 - 100	2,2 – 2,7	По    центру выработки
2	Разминовки,     приёмные площадки, распредпункты	5	40 - 100	3 - 4
3	Очистные выработки	5 -10
4	Перегрузки угля, локомотивные гаражи, ЦПП, забои стволов, приёмные площадки, опрокиды	10 - 20	40 - 200	1,5 – 3,0	Около механизмов
5	Подземные здравпункты	75	40 - 200

Главными требованиями, предъявляемыми к кабелю, является снижение потерь в линии при ограничении стоимости (сечение жил) кабеля. Сеть должна иметь защиту от КЗ и от токов утечки. Кабель имеет экран, что обеспечивает безопасность сети освещения. Для защиты от утечки ОП включаются в контур заземления. Заземления должны производиться для каждого ОП, но на расстоянии не более 100 м. При аварийной ситуации осветительная сеть отключается по АГЗ, т.к. ОП имеют низкий уровень взрывозащиты.

Находящиеся в эксплуатации ОП имеют низкую надежность и требуют регулярной замены (практически ежемесячно) для поддержания заданной освещенности рабочего места, что приводит к значительным эксплуатационным затратам из-за сложности ремонтных работ в условиях подземных горных выработок.

Таким образом, реализация выше перечисленных норм требует затрат на организацию осветительных сетей поддержания их в рабочем состоянии и обеспечения их безопасности.

В результате оснащенность горных выработок осветительными приборами на современной шахте не превышает 0,5-0,7 необходимого нормируемого уровня освещенности.

Анализ осветительных приборов, эксплуатируемых в условиях подземных выработок угольных шахт, показывает, что осветительные приборы (ОП), применяемые в настоящее время, не обеспечивают безопасности их эксплуатации, регламентируемой требованиями «Правил безопасности» по нормам защиты от поражения электрическим током, и по уровню взрывозащиты. Не выпускаются ОП в РО исполнении, их массогабаритные параметры существенно ниже аналогичных общепромышленных изделий.

Рассмотренная ситуация в шахтной взрывозащищенной осветительной технике требует создания ОП современного технического уровня.

Эффективным решением для ОП является внедрение светодиодных ламп. Использование такого типа ОП позволяет довести срок его службы до 10 тыс. часов (вместо 300-500), снизить потребляемую мощность в 5-10 раз, обеспечить его полную электро- и взрывобезопасность.

Экспериментальные работы с различными вариантами ОП, состоящих из различных ламп мощностью до 15 Вт, позволяет обеспечить освещенность эквивалентную лампам накаливания до 150Вт [5].

Экспериментальные расчеты по шахтной освещенности

Для оценки эффективности освещения, а так же для расчета необходимого числа осветительных приборов, проводятся расчеты освещенности.

F = (E min *S*k)/И оу *z

И оу = 0.14 Е min = 3 z = 0.8 F = 409.821

где Emin - освещенность по нормам, лм; S - площадь освещаемой поверхности, м; Иоу - коэффициент использования светового потока; z – коэффициент, учитывающий неравномерность освещения (для горных выработок принимается 0,8).

В расчетах используются светильники светодиодные EV-1050, EV-2100 с напряжением 12В и силой тока 0,12А. Сила света 1050 и 2100 лм. По результатам расчетов интенсивности освещения, высчитывается необходимое количество осветительных приборов на 1 м2.

N = F/F л = 0.146

где F Л - световой поток источника света, F – Необходимый световой поток.

Как видно из расчетов освещенности выработки длинною в 100 м, необходимое количество светодиодных светильников EV-1050, EV-2100 будет составлять 14 штук.

Для работы всей системы помимо светильников нужны и источники электропитания. В данном случае используются искробезопасные стабилизированные источники электропитания ССИП-30 12 В К, с входным напряжением 127В и выходным искробезопасным напряжение 12В и выходным током 1,2А.

P ист = U · I = 12 · 1.2 = 14.4

Р лам = U · I = 12 · 0.12 = 1.44

где, U – выходное искробезопасное напряжение, I – выходной ток

Получив все необходимые мощности, производится расчет максимального количества ламп на один источник электропитания

N = P ист / Р лам = 10

Из расчетов видно, что один источник может запитать до 10 светодиодных ламп EV-1050, EV-2100

Для работы всей системы, её необходимо соединить с помощью шахтного кабеля. Выбор шахтный кабель для системы освещения производиться по итогам расчетов.

Сопротивление провода рассчитывается по формуле :

R = (P · L) / S

R = 20 Ом/км ρ = 0,0178 Ом∙мм² / м L = 100 м где: R — сопротивление провода, ρ — удельное сопротивление,

L — длина, S — поперечное сечение.

S = ρ ∙ L / R = 0,0178 ∙ 1000 / 20 = 0.89 мм²

S = π · R2

R2 = π / S = 3.14 / 0.89

R2 = 0.89 / 3.14 = 0.28

R = 0.53 (мм)

В итоге, диаметр кабеля для данной составляет 1.06 мм.

На основании проведенных работ создан высокоэффективный осветительный прибор.

Его конструкция гарантирует полную электробезопасность ОП за счет использования искробезовпасного напряжения. Это позволяет включить – отключить ОП в любых условиях без отключения питания в сети.

Структурная схема расположения светильников и источника электропитания на свежей струе представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Расстояние в 7 метром, между источниками света, выбрано в соответствии с нормами минимальной освещенности в 5 лк (табл. 2)

Технические параметры источника электропитания:

- уровень и вид взрывозащиты                     РО Ex ia s I

- входное питающее напряжение, В 85 … 264 - частота входного напряжения, Гц 50/60 - выходной ток, А 1,2 - выходное искробезопасное напряжение, В 12 - масса, кг 4 Технические параметры светильника - уровень и вид взрывозащиты РО - световой поток лампы, лм 1050-2100 - номинальное напряжение, В 12 - потребляемый ток, А 0,12 - масса, кг 0,6 По результатам выполненных исследований могут быть сделаны следующие выводы.

• 1.    Существенным недостатком существующих стационарных ОП является их взрывоопасность: СОП имеет РВ исполнение, что требует отключать свет при возникновении аварийной ситуации. Осветительная сеть на базе искробезопасных ОП позволяет организовать освещение, в том числе и в аварийной ситуации, при этом ОП будут выполнять функции аварийной информационной сети, обеспечивая шахтеров необходимой индикацией безопасных путей вывода людей из аварийной зоны.

• 2.    Сегодняшний этап развития ОП аналогичен переходу в середине прошлого века от освещения шахтерскими лампами с бензиновыми горелками с открытым пламенем,    на электрические головные

• 3.    Внедрение искробезопасных ОП повышает уровень безопасности труда шахтеров и создает новые возможности для реализации требований ПБ, в том числе для условий аварийной ситуации и ликвидации аварий на горных предприятиях и других производствах со взрывоопасной атмосферой.

светильники.