Lichtquellen im Bergbau

1879 wurde eine praktische Glühfadenlampe patentiert. Dadurch war Licht nicht mehr von einer Brennstoffquelle abhängig. Seit Edisons Entdeckung wurden viele überraschende Durchbrüche im Beleuchtungswissen erzielt, darunter einige mit Anwendungen in Untertageminen. Jede hat inhärente Vor- und Nachteile. Tabelle 1 listet die Lichtquellentypen auf und vergleicht einige Parameter.

Tabelle 1. Vergleich von Grubenlichtquellen

cd = Candela, DC = Gleichstrom; lm = Lumen.

Strom zum Erregen der Lichtquellen kann entweder alternierend (AC) oder direkt (DC) sein. Feste Lichtquellen verwenden fast immer Wechselstrom, während tragbare Quellen wie Kopflampen und unterirdische Fahrzeugscheinwerfer eine Gleichstrombatterie verwenden. Nicht alle Lichtquellentypen sind für Gleichstrom geeignet.

Feste Lichtquellen

Wolfram-Glühlampen sind am gebräuchlichsten, oft mit einer mattierten Glühbirne und einem Schild, um Blendung zu reduzieren. Die Leuchtstofflampe ist die zweithäufigste Lichtquelle und leicht an ihrem röhrenförmigen Design zu erkennen. Kreisförmige und U-förmige Konstruktionen sind kompakt und werden im Bergbau eingesetzt, da sich Bergbaugebiete oft in beengten Räumen befinden. Wolfram-Glüh- und Leuchtstoffquellen werden verwendet, um so unterschiedliche unterirdische Öffnungen wie Schachtstationen, Förderbänder, Fahrwege, Kantinen, Ladestationen, Tankbuchten, Reparaturdepots, Lagerhäuser, Werkzeugräume und Brecherstationen zu beleuchten.

Der Trend in der Grubenbeleuchtung geht zum Einsatz effizienterer Lichtquellen. Dies sind die vier Quellen für hochintensive Entladungen (HID), die als Quecksilberdampf, Metallhalogenid, Hochdrucknatrium und Niederdrucknatrium bezeichnet werden. Jeder benötigt einige Minuten (eins bis sieben), um die volle Lichtleistung zu erreichen. Auch wenn die Stromversorgung der Lampe unterbrochen oder abgeschaltet wird, muss die Lichtbogenröhre gekühlt werden, bevor der Lichtbogen gezündet und die Lampe wieder gezündet werden kann. (Im Fall von Niederdruck-Natriumlampen (Sox) erfolgt die Wiederzündung jedoch fast augenblicklich.) Ihre spektralen Energieverteilungen unterscheiden sich von denen des natürlichen Lichts. Quecksilberdampflampen erzeugen ein bläulich-weißes Licht, während Natriumdampf-Hochdrucklampen ein gelbliches Licht erzeugen. Wenn bei Untertagearbeiten eine farbliche Unterscheidung wichtig ist (z. B. beim Schweißen mit farbcodierten Gasflaschen, beim Lesen von farbcodierten Schildern, beim Anschließen von elektrischen Leitungen oder beim Sortieren von Erz nach Farbe), muss auf die Farbwiedergabeeigenschaften der geachtet werden Quelle. Die Oberflächenfarben von Objekten werden verzerrt, wenn sie von einer Niederdruck-Natriumlampe beleuchtet werden. Tabelle 1 gibt Farbwiedergabevergleiche.

Mobile Lichtquellen

Da Arbeitsplätze oft sowohl seitlich als auch vertikal verteilt sind und an diesen Arbeitsplätzen kontinuierlich gesprengt wird, werden dauerhafte Installationen wegen der Kosten für Installation und Wartung oft als unpraktisch angesehen. In vielen Bergwerken ist die batteriebetriebene Kopflampe die wichtigste Einzellichtquelle. Obwohl fluoreszierende Aufsatzlampen verwendet werden, verwendet bei weitem die Mehrheit der Aufsatzlampen batteriebetriebene Aufsatzlampen mit Wolframfaden. Batterien sind Blei-Säure oder Nickel-Cadmium. Für die Grubenkappenlampe wird häufig eine Miniatur-Wolfram-Halogenlampe verwendet. Durch die kleine Glühbirne lässt sich der Strahl leicht fokussieren. Das den Glühfaden umgebende Halogengas verhindert, dass das Glühfadenmaterial aus Wolfram abkocht, wodurch die Lampenwände nicht geschwärzt werden. Die Glühbirne kann auch heißer und damit heller gebrannt werden.

Für die mobile Fahrzeugbeleuchtung werden am häufigsten Glühlampen verwendet. Sie benötigen keine spezielle Ausrüstung, sind kostengünstig und einfach auszutauschen. Parabolische aluminisierte Reflektorlampen (PAR) werden als Scheinwerfer an Fahrzeugen verwendet.

Normen für Grubenbeleuchtung

Länder mit einem gut etablierten Untertagebergbau haben in der Regel recht spezifische Anforderungen an ein sicheres Grubenbefeuerungssystem. Dies gilt insbesondere für Minen, bei denen Methangas aus den Anlagen abgegeben wird, normalerweise Kohleminen. Methangas kann sich entzünden und eine unterirdische Explosion mit verheerenden Folgen verursachen. Folglich müssen alle Leuchten entweder „eigensicher“ oder „explosionsgeschützt“ ausgeführt sein. Eine eigensichere Lichtquelle ist eine, bei der der das Licht speisende Strom sehr wenig Energie hat, so dass ein Kurzschluss im Stromkreis keinen Funken erzeugen würde, der das Methangas entzünden könnte. Damit eine Lampe explosionssicher ist, wird jede Explosion, die durch die elektrische Aktivität der Lampe ausgelöst wird, innerhalb des Geräts eingeschlossen. Außerdem wird das Gerät selbst nicht heiß genug, um eine Explosion zu verursachen. Die Lampe ist teurer, schwerer, mit Metallteilen, die normalerweise aus Gussteilen bestehen. Regierungen verfügen in der Regel über Testeinrichtungen, um zu zertifizieren, ob Lampen für den Einsatz in einem Gasbergwerk klassifiziert werden können. Eine Niederdruck-Natriumlampe konnte nicht so zertifiziert werden, da sich das Natrium in der Lampe entzünden könnte, wenn die Lampe zerbrechen und das Natrium mit Wasser in Kontakt kommen würde.

Die Länder erlassen auch gesetzliche Standards für die Lichtmenge, die für verschiedene Aufgaben erforderlich ist, aber die Gesetzgebung variiert stark in der Lichtmenge, die an den verschiedenen Arbeitsplätzen platziert werden sollte.

Richtlinien für Minenbeleuchtung werden auch von internationalen Gremien bereitgestellt, die sich mit Beleuchtung befassen, wie der Illumination Engineering Society (IES) und der Commission internationale de l'éclairage (CIE). Die CIE betont, dass die Qualität des vom Auge empfangenen Lichts genauso wichtig ist wie die Quantität, und stellt Formeln bereit, um festzustellen, ob Blendung ein Faktor für die Sehleistung sein kann.

Auswirkungen der Beleuchtung auf Unfälle, Produktion und Gesundheit

Man würde erwarten, dass eine bessere Beleuchtung Unfälle reduzieren, die Produktion steigern und Gesundheitsgefahren verringern würde, aber es ist nicht einfach, dies zu belegen. Die direkte Auswirkung der Beleuchtung auf die Effizienz und Sicherheit unter Tage ist schwer zu messen, da die Beleuchtung nur eine von vielen Variablen ist, die sich auf Produktion und Sicherheit auswirken. Es gibt gut dokumentierte Beweise dafür, dass Autobahnunfälle mit verbesserter Beleuchtung zurückgehen. Eine ähnliche Korrelation wurde in Fabriken festgestellt. Die Natur des Bergbaus erfordert jedoch, dass sich das Arbeitsbereich ständig ändert, so dass in der Literatur nur sehr wenige Berichte über Grubenunfälle mit Beleuchtung zu finden sind und es ein weitgehend unerforschtes Forschungsgebiet bleibt. Unfalluntersuchungen zeigen, dass schlechte Beleuchtung selten die Hauptursache für Unfälle unter Tage ist, aber oft ein Faktor, der dazu beiträgt. Während die Lichtverhältnisse bei vielen Minenunfällen eine gewisse Rolle spielen, haben sie bei Unfällen mit Absturz eine besondere Bedeutung, da bei schlechter Beleuchtung gefährliche Situationen leicht übersehen werden können, die ansonsten korrigiert werden könnten.

Bis Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts litten Bergleute häufig an der Augenkrankheit Nystagmus, für die es keine bekannte Heilung gab. Nystagmus verursachte ein unkontrollierbares Oszillieren der Augäpfel, Kopfschmerzen, Schwindel und Verlust der Nachtsicht. Es wurde durch langes Arbeiten bei sehr schwachem Licht verursacht. Kohlebergleute waren besonders anfällig, da nur sehr wenig Licht, das auf die Kohle trifft, reflektiert wird. Diese Bergleute mussten oft auf der Seite liegen, wenn sie in niedriger Kohle arbeiteten, was möglicherweise auch zu der Krankheit beigetragen hat. Mit der Einführung der elektrischen Kopflampe in Bergwerken ist der Nystagmus des Bergmanns verschwunden, wodurch die wichtigste Gesundheitsgefahr im Zusammenhang mit der Untertagebeleuchtung beseitigt wurde.

Mit den jüngsten technologischen Fortschritten bei neuen Lichtquellen wurde das Interesse an Beleuchtung und Gesundheit wiederbelebt. Es ist jetzt möglich, Beleuchtungsniveaus in Bergwerken zu erreichen, die zuvor nur sehr schwer zu erreichen waren. Das Hauptanliegen ist die Blendung, aber es wurde auch Besorgnis über die radiometrische Energie geäußert, die von den Lichtern abgegeben wird. Radiometrische Energie kann Arbeiter beeinflussen, indem sie entweder direkt auf Zellen auf oder nahe der Hautoberfläche einwirkt oder bestimmte Reaktionen auslöst, wie z. B. biologische Rhythmen, von denen die körperliche und geistige Gesundheit abhängt. Eine HID-Lichtquelle kann immer noch funktionieren, selbst wenn die Glashülle, die die Quelle enthält, Risse oder Brüche aufweist. Beschäftigte können dann Gefahr laufen, Dosen jenseits der Grenzwerte zu erhalten, zumal diese Lichtquellen oft nicht sehr hoch angebracht werden können.

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