Введение
Любой из нескольких типов ламп, обеспечивающих освещение в угольных шахтах.
Безопасная лампа – это любой из нескольких типов ламп, обеспечивающих освещение в местах, таких как угольные шахты, где воздух может содержать угольную пыль или скопление горючих газов, которые могут взорваться при воспламенении, например, от электрической искры. До разработки эффективных электрических ламп в начале 1900-х годов шахтеры использовали лампы с открытым пламенем для освещения. Лампы с открытым пламенем могли воспламенить горючие газы, скапливающиеся в шахтах, вызывая взрывы; лампы безопасности были разработаны для защиты пламени, чтобы предотвратить его воспламенение взрывоопасных газов. Лампы безопасности для освещения в горнодобывающей промышленности были заменены герметичными взрывозащищенными электрическими светильниками, но продолжают использоваться для обнаружения газов.
Грязь или газы
Горняки традиционно называли различные газы, встречающиеся при добыче, газами (от средне-нижнегерманского слова *dampf*, означающего «пар»). Газы представляют собой переменные смеси и являются историческими терминами. Горючивый газ (Гризу) Естественно образующиеся горючие смеси, главным образом метан. Черный газ (Удушливый газ) Азот и углекислый газ без кислорода. Образуется при полном сгорании горючего газа или возникает естественным путем. Уголь, контактирующий с воздухом, медленно окисляется, и если неиспользуемые выработки не проветриваются, могут образоваться скопления черного газа. Также упоминается как азотный воздух в некоторых документах XIX века. Белый газ Образуется при неполном сгорании угля или горючего газа. Смесь может содержать значительное количество угарного газа, который является токсичным и потенциально взрывоопасным. Сернистый газ Естественно содержащийся сероводород и другие газы. Сероводород очень токсичен, но легко обнаруживается по запаху. Другие газы, сопровождающие его, могут быть горючим или черным газом. Поствыбросочный газ Газ, образующийся при взрыве горючего газа или угольной пыли. Содержит различные пропорции черного и белого газа и, следовательно, является удушающим, токсичным или взрывоопасным, или любой комбинацией этих свойств. Поствыбросочный газ может также содержать сернистый газ. Поствыбросочный газ может представлять большую опасность после взрыва, чем сам взрыв.
Освещение открытым пламенем
До изобретения ламп безопасности шахтеры использовали свечи с открытым пламенем. Это приводило к частым взрывам. Например, на одной угольной шахте (Киллингворт) на северо-востоке Англии в 1806 году погибли 10 шахтеров, а в 1809 году – 12. В 1812 году 90 мужчин и мальчиков были задохнуты или сожжены до смерти в шахте Феллинг близ Гейтсхеда, и 22 – в следующем году. Далее описывается проверка шахты на наличие огнедампа. Свечу готовят, обрезая фитиль и удаляя излишки жира. Ее держат на расстоянии вытянутой руки от пола одной рукой, а другой прикрывают все, кроме кончика пламени. Поднимая свечу, наблюдают за кончиком пламени: если он не меняется, атмосфера безопасна. Однако, если кончик становится голубовато-серым, увеличиваясь в высоту до тонкого заостренного пламени, приобретающего более насыщенный синий оттенок, значит, присутствует огнедамп. Обнаружив огнедамп, свечу опускают и принимают меры по вентиляции участка или преднамеренному сжиганию газа после окончания смены. Для поджога газа человек осторожно продвигался вперед со зажженной свечой на конце шеста. Он держал голову опущенной, чтобы взрыв прошел над ним, но как только взрыв происходил, вставал как можно прямее, чтобы избежать воздействия послевзрывных газов. Официально его называли огнеметчиком, но также именовали покаявшимся или монахом из-за защитной одежды с капюшоном. Защитная одежда изготавливалась из хорошо увлажненной шерсти или кожи. Эта работа была связана с риском получения травмы или угрозой жизни. Такое напряжение сначала приводило к временному нистагму, а затем – к постоянной инвалидности. Легкий нистагм мог пройти самостоятельно, если шахтер прекращал выполнять эту работу, но при отсутствии лечения заставлял человека оставить шахту. Более низкий уровень освещения, обеспечиваемый лампами безопасности, приводил к увеличению заболеваемости нистагмом.
Первые попытки безопасных ламп
В Европе и Великобритании использовались сушеные рыбные шкуры, которые излучали слабое биолюминесцентное свечение (часто называемое фосфоресценцией). Другим безопасным источником освещения в шахтах были бутылки, содержащие светлячков. Опыты с кремниевыми и стальными мельницами, внедренными Карлайлом Спэддингом (1696–1755) до 1733 года, имели ограниченный успех. Стальной диск вращался с высокой скоростью при помощи кривошипного механизма. Прижатие кремня к диску создавало поток искр и слабое освещение.
Временная линия развития
Временная линия||Комитет по разработке шахтерских ламп представил отчет и вынес рекомендации после проведения испытаний. В 1818 году на шахте Уолсенд лампы горели раскаленным красным цветом (что указывало на значительное содержание огнедампа). Мальчика (Томаса Эллиотта) наняли для переноски горячих ламп на свежий воздух и возврата охлажденных. По какой-то причине он споткнулся, сетка была повреждена, и поврежденная лампа спровоцировала взрыв. На шахте Тримдон-Гранж (1882) обрушение кровли вызвало резкий порыв воздуха, и пламя прошло сквозь сетку, что привело к гибели 69 шахтеров. Лампа становится небезопасной при скорости воздушного потока от 8 до 12 футов в секунду, примерно вдвое превышающей скорость потока в лампе Дэви. Фиксатор можно было отпустить только путем создания вакуума в потайном полом винте – действие, которое не под силу истощенному никотином шахтеру на рабочем месте.
Улучшенная лампа Кланни
Кланни отказался от насосов и свечей и разработал лампу безопасности, объединяющую характеристики ламп Дэви и Geordie. Масляная лампа была окружена стеклянной колбой без вентиляции снизу. Над колбой располагался цилиндр из проволочной сетки с двойным верхом. Воздух поступал сбоку, а отработанные газы выходили сверху. В присутствии огнедампа пламя усиливалось. При нормальной работе пламя необходимо поддерживать достаточно высоким, так как небольшое пламя позволяло бы замкнутому пространству заполняться смесью огнедампа и воздуха, а последующий взрыв мог пройти сквозь сетку. Более крупное пламя поддерживало верхнюю часть, заполненную сгоревшим газом. Лампа Кланни давала больше света, чем лампа Дэви, и ее было легче носить при сквозняке. Однако, как отмечает Луптон, она не превосходила ее ни в чем другом, особенно в качестве контрольного прибора. Некоторые лампы Мюзелера были оснащены механизмом, блокирующим основание лампы. Поворот регулятора фитиля в конечном итоге освобождал основание, но к этому моменту пламя уже гасло и, следовательно, было безопасным. Лампа была запатентована в 1840 году, а в 1864 году правительство Бельгии сделало использование этого типа ламп обязательным. Защищенная лампа Марсо может выдерживать поток воздуха в 30 футов в секунду. Она похожа на защищенную лампу Кланни, но снаружи над стеклом и сеткой расположен латунный цилиндр. Она хорошо защищена от сквозняков, но дает слабое освещение.
Морган
Морган – это гибрид Мюзелера и Марсо. Это защищенная лампа с серией дисков в верхней части для выпуска отработанных газов и рядом отверстий в нижней части кожуха для поступления воздуха. Внутренний и внешний кожух предотвращают прямое попадание воздуха на проволочную сетку, заставляя его сначала проходить через узкую камеру. Присутствуют несколько сеток, как у Мерсо, и внутренний дымоход, как у Мюзелера. Отсутствует "полка", поддерживающая дымоход; вместо этого он подвешен на перевернутом конусе из сетки. Лампа Morgan выдерживает воздушный поток до 53 футов в секунду и считается "достаточно безопасной для всех практических целей". Лампа была испытана, и, по словам Люптона, "успешно противостояла всем попыткам взрыва при скорости более 100 футов в секунду". Однако это оказалось не так, и достижение надежности и экономичности продвигалось медленно. Лампа Суссмана была представлена в Великобритании в 1893 году и, после испытаний на угольной шахте Мёртон в Дареме, стала широко используемой электрической лампой, о 3000 экземплярах которой компания сообщила в 1900 году. Однако к 1910 году в эксплуатации находилось всего 2055 электрических ламп всех типов, что составляло около 0,25% от общего числа ламп безопасности. В 1911 году анонимный владелец угольной шахты через британское правительство предложил приз в размере 1000 фунтов стерлингов (1000.0 фунтов стерлингов в 1911 году эквивалентны примерно <рассчитанной сумме> в настоящее время) за лучшую лампу, соответствующую заданным требованиям. Было подано 195 заявок. Победу одержал немецкий инженер с лампой CEAG, которая была ручной и обеспечивала вдвое большую освещенность, чем масляные лампы, с 16-часовым сроком службы батареи. Награды были присуждены 8 другим лампам, соответствующим критериям судей. Это, очевидно, стимулировало разработку, и в последующие годы наблюдался значительный рост использования электрических ламп, особенно CEAG, Gray Sussmann и Oldham, так что к 1922 году в Великобритании насчитывалось 294 593 лампы. В 1913 году Томас Эдисон получил медаль Ратемана за изобретение легкой аккумуляторной батареи, которую можно было носить на спине, питая параболический отражатель, который можно было установить на шлем шахтера. После обширных испытаний к 1916 году в США было использовано 70 000 надежных конструкций. Ранние электрические лампы в Великобритании были ручными, поскольку шахтеры привыкли к этому, а шлемные лампы стали распространенными гораздо позже, чем в таких странах, как США, где шлемные (капковые) лампы были нормой. В настоящее время лампы безопасности в основном электрические и традиционно крепятся на шлемах шахтеров (например, лампа Wheat или лобовая лампа Oldham), герметично закрытые для предотвращения проникновения газа в корпус, где он может воспламениться от электрической искры. Хотя использование в качестве источника света было заменено электрическим освещением, лампы безопасности с открытым пламенем продолжают использоваться в шахтах для обнаружения метана и черного газу, хотя многие современные шахты теперь используют сложные электронные газоанализаторы для этой цели. Новый источник света, светодиод (LED), имеет преимущества для ламп безопасности, в основном более высокую эффективность, обеспечивающую значительно большее время освещения от той же батареи. Батареи также улучшились и обеспечивают больше энергии на единицу веса; светодиоды в сочетании с батареями, такими как перезаряжаемые литиевые батареи, обеспечивают гораздо лучшую производительность в приложениях ламп безопасности. Управление по безопасности и гигиене труда в шахтах (OMSHR), входящее в состав Национального института охраны труда (NIOSH) (в свою очередь входящего в Центры по контролю и профилактике заболеваний) в Соединенных Штатах, изучает преимущества светодиодных налобных ламп. Проблема в горнодобывающей промышленности заключается в том, что средний возраст шахтеров растет (43,3 года в США в 2013 году), а зрение ухудшается с возрастом. Светодиодная технология физически прочна по сравнению с лампой накаливания и имеет более длительный срок службы: 50 000 часов по сравнению с 1000–3000 часами. Увеличенный срок службы снижает затраты на обслуживание и отказы освещения; по данным OMSHR, в среднем в год в шахтах США происходит 28 аварий, связанных с освещением. NIOSH спонсировал разработку систем капковых ламп, которые, по их словам, улучшают "способность пожилых людей обнаруживать движущиеся препятствия на 15% и препятствия, вызывающие спотыкание, на 23,7%, а дискомфортное ослепление снижается на 45%". Обычные лампы освещают узкий луч; светодиодные лампы NIOSH разработаны для создания более широкого, рассеянного луча, который, как утверждается, улучшает восприятие объектов на 79,5%.