де  ,  – відповідно максимальні безпечний і робочий струми НЕ, А;  – мінімальний активний опір НЕ, що відповідає струму  в сталому режимі нагрівання зазначеного елемента, Ом.
Згідно з розрахунковими даними  і  вибираються джерело живлення і вибухозахисний резистор, після чого здійснюється перевірка забезпечення допустимого мінімального струму НЕ  за формулою:
 , А, (16)
де  – мінімальна ЕРС вибраного джерела живлення, В;  – максимальний внутрішній активний опір вибраного джерела живлення, Ом;  – максимальний опір вибраного вибухозахисного резистора, Ом;  – максимальний опір НЕ, що відповідає його мінімальному робочому струму  , Ом;  – максимальний внутрішній індуктивний опір вибраного джерела живлення, Ом.
Якщо нерівність (16) не забезпечується – здійснюють вибір прийнятного джерела живлення і вибухозахисного резистора з потрібними їх параметрами.
Ефективність вибухозахисту НЕ за допомогою вибухозахисних резисторів досягається при  .
Застосування вибухозахисних резисторів в електричних схемах живлення джерел світла, крім забезпечення вибухозахисту тіл розжарення цих джерел, обумовлює збільшення їх терміну служби в зв'язку зі зменшенням пускових струмів і перерозжарення тіл розжарення під впливом великих пускових струмів.
У четвертому розділі обґрунтовано принцип виключення запалення метану поверхнями НЕ РЕ зміною в їх зоні тепломасообміну [12, 24].
Відповідно до теплової теорії горіння та вибухів безпечні параметри НЕ РЕ щодо запалення метану їх нагрітими поверхнями можна забезпечити за умови рівності кількостей теплової енергії, що виділяється за рахунок реакції окиснення метану в зоні його, яка примикає до поверхні НЕ, і енергії, що відводиться з зони реакції. У зоні реакції, крім реакції окиснення горючого газу, відбуваються одночасно два процеси: відведення теплової енергії в навколишнє середовище й масообмін між продуктами реакції і горючим газом у суміші з повітрям. Залежно від умов, що оточують нагріте тверде тіло, тепловіддача з зони реакції й масообмін у ній можуть проходити з різною швидкістю. Можна створити такі умови, коли тепловіддача з зони реакції відбуватиметься швидко, а масообмін у зазначеній зоні – повільно і продукти реакції гальмуватимуть подальший процес ініціювання запалення горючого газу в суміші з повітрям у середовищі, яке оточує нагріте тверде тіло. На практиці можливі такі конструкції різних пристроїв з НЕ, коли забезпечуються зазначені умови. До таких пристроїв належать інфрачервоні випромінювачі (ІЧ-випромінювачі).
Забезпечення мінімальних габаритних розмірів приладів газового контролю, що працюють на інфрачервоному принципі, зв'язано з пошуком спеціальних видів вибухозахисту ІЧ-випромінювачів без ускладнення їх конструкції. Основні елементи ІЧ-випромінювача – спіраль, відбивач і джерело живлення для нагрівання спіралі (мал. 2). Спіраль, як правило, виготовляється з ніхрому і може також виготовлятися з інших металів. Залежно від конструктивних розмірів відбивача та місця перебування спіралі в ньому можливі умови, при яких виключатиметься запалення вибухової МПС, що оточує цей пристрій. З метою з'ясування цих умов проведено дослідження.
Експериментально встановлено, що запобігання запаленню метану від поверхонь спіралей ІЧ-випромінювачів за рахунок створення певного тепломасообміну навколо спіралей може бути досягнуте при таких співвідношеннях між розмірами відбивачів, що являють собою параболоїди обертання, і спіралей з розмірами Dc≤0,66 мм; lc≤1,2 мм (за мал.2): l1≤lc; l2≤15lc;  ≤10Dc і Dво≤ 30Dc. При цьому відбивачі слід виготовляти зі сталі не меншими ніж 2 мм завтовшки. Справедливість зазначених співвідношень підтверджено теоретичними розрахунками відповідно до теплової теорії горіння та вибухів [12].
Мал. 2. Схема параболоїдного
ІЧ-випромінювача:
1 – джерело живлення;
2 – струмопідводи спіралі;
3 – ізолятор;
4 – спіраль (тіло розжарення);
5 – відбивач.
При забезпеченні вибухозахисту РЕ з НЕ за рахунок створення навколо НЕ визначеного тепломасоообміну необхідно забезпечити іскробезпеку цих елементів з урахуванням їх можливих максимальних температур і виключити засипання розглянутих елементів вугільним пилом, про що буде сказано нижче (розділи 5 і 7). Вибухозахищеність РЕ з НЕ за принципом створення в зоні НЕ відповідного тепломасообміну в кожному конкретному випадку необхідно підтверджувати випробуванням згідно з відповідними методиками.
У п'ятому розділі обґрунтовано принципи, які обумовлюють виключення запалення метану електричними іскрами, що виникають під час руйнування НЕ РЕ [13, 25, 26].
У цьому розділі розглянуто перекисну теорію окиснення вуглеводнів, ланцюгову й теплову теорії вибухів. При запаленні метану електричною іскрою можливе проявлення механізмів, що пояснюються зазначеними теоріями.
Аналіз інформації щодо запалення вибухонебезпечних середовищ електричними іскрами, яка існує на цей час, показує, що енергія, яка виділяється в електричній іскрі між електродами будь-якого електричного кола, обумовлює виникнення і перебіг різних фізичних явищ і хімічних перетворень. На підставі цього аналізу складалися баланси енергій електричних іскор у вибухонебезпечному газовому середовищі між іскротвірними електродами електричних кол. З відношень балансів енергій електричних іскор, що виникають під час розмикання електродів, які мають температуру навколишнього середовища (tэ) і вищу (t'э), у безреактивному, індуктивному і ємнісному електричному колах, отримано для зазначених кол співвідношення, що зв'язують запалювальні (іскробезпечні) параметри з температурами іскротвірних електродів. Показано, що для безреактивних і індуктивних електричних кол запалювальний (іскробезпечний) струм для випадку розмикання нагрітих електродів ( I') визначається з нерівності I' ≤ I/K, A, де I - запалювальний (іскробезпечний) струм розглянутих кол у випадку розмикання електродів, які мають температуру навколишнього середовища, А; K = (tв – tэ)/(tв – t'э), tв =1880°С - мінімальна температура запалення (горіння) метану, tэ – температура електродів, що дорівнює температурі навколишнього середовища (°С), t'э - температура нагрітих електродів (°С).
Точніше запалювальний (іскробезпечний) струм для індуктивного електричного кола у разі розмикань нагрітих електродів (I'и) визначається за формулою:
 , А, (17)
де  , Еи – ЕРС джерела живлення індуктивного електричного кола (В),  - сума анодного та катодного спадів напруги дугового перехідного процесу, що залежить від матеріалу іскротвірних електродів (В),  - тривалість дугового перехідного процесу (с), L - індуктивність електричного кола (Г);  , Iи - запалювальний (іскробезпечний) струм розглянутого індуктивного електричного кола у випадку розмикання електродів, що мають температуру навколишнього середовища (А). Для визначення  за формулою (17) необхідно одержати значення  і  з осцилограм змін напруг і струмів під час іскроутворення в електричних колах, що розглядаються.
Для ємнісних кол ємності та напруги при розмиканні іскротвірних електродів, що мають температуру навколишнього середовища і вищу, зв'язані співвідношенням:
CU2/[C'(U')2]=K (18)
де С и  ,  і  - відповідно ємності (Ф) і напруги (В) в електричних колах при розмиканні іскротвірних електродів, що мають температуру навколишнього середовища (С и  ) і вище ( і  ).
Отримані вищенаведені теоретичні співвідношення перевірялися експериментально. Перевірка показала, що розбіжність між теоретичними й експериментальними даними не перевищує 16,4%.
На підставі виконаних досліджень виявлено, що здатність електричних іскор запалювати метан в електричних колах РЕ зі збільшенням температури іскротвірних електродів збільшується, що обумовлюється прогрівом вибухонебезпечної МПС електродами в зоні іскроутворення і зменшенням енергії, що відводиться електродами з електричного розряду. При цьому встановлено, що відношення запалювальної чи іскробезпечної енергії, яка виділяється в електричній іскрі під час розмикання електродів з температурою, що дорівнює температурі навколишнього середовища, до аналогічної енергії іскри, яка утворюється при розмиканні нагрітих електродів, прямо пропорційне різниці між температурою горіння метану й температурою навколишнього середовища і обернено пропорційне різниці між температурою горіння метану й температурою нагрітих іскротвірних електродів.
Оцінка іскробезпечних параметрів НЕ РЕ здійснюється на підставі отриманих співвідношень між I і I', С и С', U і U'. Значення I , С, U установлюються для електричних кол живлення НЕ за ГОСТ 22782.5-78. Іскробезпечні параметри НЕ РЕ не можуть бути забезпечені, якщо їх температура дорівнює чи перевищує значення мінімальної температури горіння метану 1880°С.
У шостому розділі дано характеристику джерел живлення НЕ РЕ. Показано, що застосовувані в шахтах пристрої та апарати з НЕ живляться від автономних джерел живлення (акумуляторів, акумуляторних батарей, гальванічних елементів) і від дільничних електричних мереж перемінного струму. Максимальні ЕРС автономних джерел живлення відповідають ЕРС цілком заряджених акумуляторів, акумуляторних батарей і нових гальванічних елементів. При живленні зазначених пристроїв і апаратів від мереж перемінного струму чинними нормативами обмежується максимальне значення та глибина коливань напруги, що живить ці приймачі електроенергії. Однак в умовах експлуатації не виключається порушення зазначених нормативів, у зв'язку з чим досліджувалися зміни напруги в шахтних дільничних мережах для визначення умов забезпечення безпечних параметрів НЕ. Записи змін напруги виконано в 10 мережах очисних виробок з механізованими комплексами та у 20 мережах капітальних і підготовчих виробок за допомогою поміщеного у вибухонепроникну оболонку самописного вольтметра Н370М, що підключався до вторинних обмоток освітлювальних трансформаторів з номінальною напругою Uн =127 В. Обробка даних записів добових змін напруги в шахтних дільничних мережах методами математичної статистики показала, що для переважної більшості дільничних мереж максимальна напруга не перевищує 1,2Uн. Аналіз отриманої в роботі регресійної залежності частоти коливань напруги від глибини виявив, що глибини коливань напруги в шахтних дільничних мережах у 20 разів перевищують припустимі значення, розраховані за ГОСТ 13109-67. Разом з тим отримані записи змін напруги показали, що при коливаннях напруги відбувається в основному її зниження, що обумовлено зниженням напруги в дільничній мережі під час роботи двигунів машин і механізмів.
На підставі результатів досліджень зроблено висновки, що підтримання потрібного рівня напруги на НЕ може бути здійснене за допомогою обмежників або стабілізаторів напруг, які слід конструювати таким чином, що при виході їх з ладу напруга на НЕ не повинна подаватися. Безпечні параметри НЕ треба перевіряти при можливих максимальних напругах автономних джерел живлення чи шахтних дільничних електричних мереж перемінного струму [15].
У сьомому розділі дано характеристику покриття НЕ вугільним пилом в умовах експлуатації на підставі обстежень стану РЕ в шахтах виробничих об'єднань Донбасу. Установлено, що в процесі експлуатації РЕ можливе як покриття, так і засипання НЕ вугільним пилом, у зв'язку з чим виконані дослідження [14] щодо запалення вугільного пилу НЕ з метою одержання даних для розробки принципів, що запобігають запаленню вугільного пилу НЕ в шахтах. Дослідження проводилися з вугільним пилом з розміром фракцій 75 мкм, що містить 5,8% вологи на активну масу; 6,8% золи на суху масу і 42,8% летких на горючу масу. Отримано емпіричну залежність тривалості впливу (τвп) на вугільний пил до його загоряння температури поверхні НЕ (tвп) від величини цієї температури
 (19)
Погрішність при визначенні  за формулою (19) при зміні tвп від 230 до 1000°С не перевищує 8,5%.
Безпечна величина тривалості впливу на вугільний пил температури поверхні НЕ ( ) визначається на підставі виразів:
 ,  (20, 21)
де  - сума відносних значень помилки експериментів, помилки визначення  згідно з формулою (19), зниження  для забезпечення роботи НЕ в безпечній зоні. З урахуванням названих факторів  =2.
У роботі визначено, що безпечна температура на поверхні НЕ стосовно до запалення вугільного пилу не повинна перевищувати 150°С, а безпечна тривалість впливу на вугільний пил температур поверхонь НЕ аж до 1000°С не повинна перевищувати 1,4 с або визначатися залежно від температури поверхні НЕ tвп за формулою (20). Запобігання запаленню вугільного пилу НЕ можна досягти обмеженням температур поверхонь НЕ безпечною величиною щодо запалення вугільного пилу, захистом НЕ від вугільного пилу механічно міцними пристроями, відключенням НЕ від джерел живлення за час, який виключає загоряння вугільного пилу.
У восьмому розділі подано результати обґрунтування технічних вимог до вибухозахисту рудникового електроустаткування з НЕ, основ проектування його, методів випробувань, відображені питання впровадження й обґрунтування ефективності результатів роботи [5, 15-21, 28, 29, 31-34]. Без застосування вибухонепроникних оболонок, вибухозахист РЕ з НЕ досягається за допомогою спеціального виду, забезпечуваного обмеженням температур НЕ в нормальних і аварійних режимах роботи безпечними величинами, струмів – іскробезпечними значеннями і застосуванням засобів, що перешкоджають проникненню вугільного пилу до нагрітої поверхні зазначених елементів. Спеціальний вид вибухозахисту РЕ з НЕ залежно від засобів вибухозахисту рекомендується виконувати з трьома рівнями: з особливовибухобезпечним (Са), вибухобезпечним (Св) і рівнем підвищеної надійності проти вибуху (Сс), вимоги до яких установлюються для кожного різновиду цього виду вибухозахисту.
Вимоги щодо безпечної температури нагрівання неокиснюваних НЕ визначено результатами досліджень, викладеними в розділі 2, НЕ, що повільно і швидко окиснюються і перегоряють – у розділі 3. Вимоги до вибухозахисту РЕ з НЕ на основі зміни в їх зоні тепломасообміну сформульовано за даними розділу 4. Викладено також вимоги до електричних проміжків між НЕ і корпусами РЕ.
Вимоги щодо забезпечення іскробезпеки НЕ РЕ обґрунтовано за результатами досліджень, викладеними у розділі 5, а з виключення проникнення вугільного пилу до поверхні НЕ – у розділі 7. Сформульовано також вимоги з механічної міцності, температури нагрівання, теплостійкості ділянок корпусів РЕ в зоні НЕ, з віброміцності й удароміцності НЕ та з виключення розкриття корпусів РЕ з НЕ в шахтах [32].
У роботі викладено принципи визначення безпечних параметрів НЕ та елементів вибухозахисту РЕ з НЕ на стадії його проектування, що включають розрахунок і визначення безпечних температур, електричних параметрів НЕ, величин опорів вибухозахисних резисторів на підставі вищевикладених результатів досліджень [11, 16]. Дано приклади розрахунку опорів вибухозахисних резисторів у колах рудникового люмінесцентного світильника та ІЧ-випромінювача, конструювання випальників для внутрішніх порожнин корпусів РЕ з метою зниження концентрації метану в зазначених порожнинах до безпечних значень.
Методи випробувань вибухозахисту РЕ з НЕ включають особливості вимірювань температур НЕ в МПС і в повітрі, випробування НЕ на віброміцність і удароміцність, у їх аварійному стані, вимірювання температур камер РЕ в зоні НЕ, оцінку в МПС вибухозахисту РЕ з НЕ на основі зміни в їх зоні тепломасообміну, випробування елементів вибухозахисту РЕ з НЕ на механічну міцність з використанням копра з падаючим вантажем, на виключення запилення НЕ вугільним пилом, теплотривкість і стійкість до теплового удару [32].
Показано, що обґрунтовані вимоги до вибухозахисту РЕ з НЕ і методи його випробувань широко реалізуються за допомогою ГОСТ 22782.3-77, частково ввійшли до ГОСТ 24786-81, практично реалізовані багатьма організаціями під час розроблення вибухозахищеного РЕ з НЕ: системи місцевого освітлення з іскробезпечними параметрами типу МОПМ.1.УХЛ5 для гірничих машин (мал.3, 4) [17, 18, 21], освітлювальної установки типу ОЗОС1.УХЛ5 зі світильниками в особливовибухобезпечному виконанні для високомеханізованих вибоїв (мал.5) [19-21], вибійної люмінесцентної освітлювальної установки типу УЗОЛ, блока індикації для тиристорного перетворювача частоти, гірничорятувальної апаратури типу СИГМА-2М [12, 24], багатофункціональних шахтних анемометрів типів МШ.1 і МШ.2, установки пірометричної в комплекті з вибуховими камерами (мал. 6), випальника та іншого РЕ з НЕ.
На підставі виконаних досліджень і обґрунтування спеціального виду вибухозахисту РЕ з НЕ досягнуто можливість створення досконалішого вибухозахищеного РЕ з вказаними елементами з будь-яким рівнем вибухозахисту, у тому числі з особливовибухобезпечним, що вимагається для ряду шахтних умов, створеного та впровадженого рядом організацій, що дало можливість підвищити рівень техніки безпеки і продуктивність праці в шахтах, у результаті чого досягнуто соціальний народно-господарський ефект.
Мал. 3. Елементи освітлювальної установки типу МОПМ.1.УХЛ5
Мал. 4. Прохідницький комбайн типу ГПКС з освітлювальною установкою типу МОПМ.1.УХЛ5
Мал. 5. Освітлювальна установка типу ОЗОС.1.УХЛ5
Мал. 6. Установка пірометрична в комплекті з вибуховою камерою
Застосування в шахтах засобів освітлення з особливовибухобезпечним рівнем вибухозахисту дозволяє знизити травматизм не менше ніж на 15%, підвищити продуктивність праці не менше як на 5,6% [21, 33, 34]. Розрахунковий річний економічний ефект від упровадження вибійних освітлювальних установок типу ОЗОС.1.УХЛ5 на шахтах Мінвуглепрому СРСР склав 2557740 руб. (1990 р.).
У додатку подано довідку про впровадження результатів роботи.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі уперше розв’язано науково-технічну проблему в галузі вибухозахисту рудникового електроустаткування та безпеки робіт у шахтах, яка має важливе значення для вугільної промисловості України, що полягає в забезпеченні безпеки робіт у вугільних шахтах під час застосування рудникового електроустаткування з нагрівними елементами без вибухонепроникних оболонок, ускладнення, збільшення його габаритів і ваги, з можливістю створювати це устаткування з особливовибухобезпечним рівнем вибухозахисту. При цьому враховано оптимальні умови запалення й запобігання запаленню метану поверхнями розглянутих елементів, що неокиснюються, повільно і швидко окиснюються у нормальному й аварійному їх режимах роботи, закономірності запалення метану електричними іскрами, що виникають під час руйнування нагрівних елементів у різних електричних колах рудникового електроустаткування, специфічні умови експлуатації зазначених елементів, у результаті чого обґрунтовано технічні вимоги до вибухозахисту рудникового електроустаткування з нагрівними елементами, основи проектування його і методи випробувань, які широко реалізовані різними організаціями під час розроблення вибухозахищеного рудникового електроустаткування з нагрівними елементами.
Головні наукові та практичні результати роботи такі:
1. У рудниковому електроустаткуванні реалізуються різні нагрівні елементи, температури яких у процесі експлуатації досягають 600-3380°С, що значно перевищує допустимі нормативними документами для цього устаткування максимальні температури 150-450°С. Відсутність необхідних результатів досліджень не дала можливості дотепер розробити ефективний вид вибухозахисту такого устаткування з нагрівними елементами без застосування громіздких і металомістких вибухонепроникних оболонок.
2. За здатністю окиснюватися всі розглянуті елементи можна поділити на три групи: неокиснювані, такі, що повільно окиснюються й перегоряють і такі, що швидко окиснюються та перегоряють. Така класифікація нагрівних елементів дозволила виробити системний підхід у проведенні досліджень щодо запалення та запобігання запаленню метану й вугільного пилу розглянутими елементами і розробленні принципів вибухозахисту рудникового електроустаткування з цими елементами.
3. Безпечні температури неокиснюваних нагрівних елементів рудникового електроустаткування функціонально пов'язані з діаметрами та довжинами цих елементів, а тих, що повільно і швидко окиснюються та перегоряють, мають два рівні: для тривалого і короткочасного режимів роботи розглянутих елементів. Для тривалого режиму роботи безпечна температура нагрівних елементів з міді складає 300°С, нікелю - 450°С, молібдену та вольфраму - 500°С. Для короткочасного режиму роботи безпечна температура нагрівних елементів з міді, нікелю і вольфраму складає 1000°С, молібдену - 900°С.
4. Іскробезпечність плавких запобіжників забезпечується при відповідності діаметрів і довжин плавких уставок запобіжників та іскробезпечних струмів, що проходять через них, безпечним температурам, які дорівнюють або перевищують температури плавлення матеріалів плавких уставок.
5. Вибухозахист рудникового електроустаткування з нагрівними елементами може бути забезпечений щляхом зміни тепломасообміну в зоні зазначених елементів. При цьому теплової енергії з зони реакції окиснення метану навколо нагрівних елементів за допомогою спеціальних зовнішніх конструкцій має відводитися більше, ніж виділяється за рахунок зазначеної реакції, а продукти реакції мають гальмувати поширення її на весь обсяг метану в суміші з повітрям навколо нагрівних лементів.
6. Запалювальна щодо метану здатність електричних іскор, які утворюються у певних електричних колах рудникового електроустаткування, збільшується зі збільшенням температури іскротвірних електродів, що обумовлюється прогрівом вибухонебезпечної метано-повітряної суміші електродами в зоні іскроутворення й зменшенням енергії, яка відводиться електродами з електричного розряду. При цьому відношення запалювальної чи іскропезпечної енергії, що виділяється в електричній іскрі під час розмикання електродів з температурою, яка дорівнює температурі навколишнього середовища, до аналогічної енергії іскри, що утворюється при розмиканні нагрітих електродів, прямо пропорційне різниці між температурою горіння метану й температурою навколишнього середовища і обернено пропорційне різниці між температурою горіння метану і температурою нагрітих іскротвірних електродів. Іскробезпеку нагрівних елементів рудникового електроустаткування неможливо забезпечити, якщо їх температура дорівнює чи перевищує значення мінімальної температури горіння метану 1880°С.
7. Максимальні напруги на нагрівних елементах у пристроях і апаратах рудникового електроустаткування, які живляться від шахтних дільничних мереж, відповідатимуть збільшеній на 20% номінальній живильній напрузі. Підтримання потрібного рівня напруги на нагрівних елементах може бути здійсненим за допомогою обмежників чи стабілізаторів напруги, що повинні конструюватися таким чином, що у разі виходу їх з ладу напруга на розглянуті елементи не повинна подаватися.
8. Безпечна тривалість впливу на вугільний пил температур поверхонь нагрівних елементів аж до 1000°С не повинна перевищувати 1,4 с чи визначатися за встановленою у роботі залежністю від температури поверхні зазначених елементів. Запобігання запаленню вугільного пилу нагрівними елементами можна досягти обмеженням температур поверхонь цих елементів до 150°С, захистом їх від вугільного пилу механічно міцними пристроями, вимиканням нагрівних елементів від джерел живлення за вищезазначений час.
9. Без застосування вибухонепроникних оболонок, вибухозахист рудникового електроустаткування з нагрівними елементами досягається за допомогою спеціального виду вибухозахисту для будь-якого рівня вибухозахисту цього устаткування. Зазначений спеціальний вид забезпечується обмеженням температур нагрівних елементів безпечними величинами або зміною тепломасообміну в зоні цих елементів, струмів – іскробезпечними значеннями з урахуванням температур розглянутих елементів і виключенням засипання їх вугільним пилом. Безпечні параметри розглянутих елементів можна визначити за встановленими у роботі закономірностями.
10. На підставі виконаних досліджень і обґрунтування технічних вимог, основ проектування й методів випробувань спеціального виду вибухозахисту рудникового електроустаткування з нагрівними елементами досягнута можливість створення досконалішого вибухозахищеного рудникового електроустаткування з цими елементами з будь-яким рівнем вибухозахисту, у тому числі з особливовибухобезпечним, що вимагається для ряду шахтних умов, створеного та впровадженого низкою організацій, що дало можливість підвищити рівень техніки безпеки й продуктивність праці в шахтах, внаслідок чого досягнуто соціальний народно-господарський ефект. Застосування в шахтах засобів освітлення з особливовибухобезпечним рівнем вибухозахисту дозволяє знизити травматизм не менше ніж на 15%, підвищити продуктивність праці не менше як на 5,6%. Розрахунковий річний економічний ефект від упровадження вибійних освітлювальних установок типу ОЗОС.1.УХЛ5 на шахтах Мінвуглепрому СРСР склав 2557740 руб. (1990 р.).
Наукові положення та результати дисертації опубліковано в 45 роботах, основні з яких такі:
1. Иохельсон З.М. Источники воспламенения рудничного газа. 2.1. Нагретые поверхности твердых тел// Взрывобезопасность рудничного электрооборудования. - М.: Недра, 1982. – С. 28-36.
2. Іохельсон З.М. Спеціальний вибухозахист електрообладнання // Гірничий енциклопедичний словник, т.2. – Донецьк: Східний видавничий дім, 2002. – С. 434.
3. Иохельсон З.М. Предотвращение пожаров в шахтах от нагревающихся элементов рудничного электрооборудования //Науковий вісник УКРНДІПБ. – 2002. – №2. – С. 122-125.
4. Иохельсон З.М. Оптимальные концентрации метана в смеси с воздухом при испытании взрывозащиты нагревающихся элементов рудничного электрооборудования //Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 2003. – С. 189-195.
5. Иохельсон З.М. Обеспечение взрывозащиты нагревающихся элементов РЭ // Уголь Украины. – 1999. – №3. – С. 39-40.
6. Иохельсон З.М. К вопросу расчета безопасных токов нагрева нитей рудничного электрооборудования //Новые способы и средства безопасного применения электроэнергии в шахтах, безопасность работ на рудничном транспорте: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 1980. – С.19-21.
7. Иохельсон З.М. Взрывозащита окисляющихся нагревающихся элементов рудничного электрооборудования // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 2002. – С. 102-108.
8. Иохельсон З.М., Коптиков В.П., Мачуговский Н.Б. Особенности взрывозащиты рудничных светосигнальных устройств // Светотехника. – 1984. – №7. – С. 14-15.
9. Иохельсон З.М., Кравченко А.В., Ульянов П.В. Рабочий режим люминесцентных ламп для особовзрывобезопасных светильников // Светотехника. – 1986. – №1. – С. 12-13.
10. Иохельсон З.М. Обеспечение искробезопасности плавких предохранителей в рудничном электрооборудовании // Уголь Украины. – 2004. – №3. – С. 40-41.
11. Иохельсон З.М. Взрывозащита окисляющихся нагревающихся элементов рудничного электрооборудования посредством резисторов //Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 2002. – Вып. 2. – С. 129-134.
12. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Коптиков В.П., Иохельсон З.М., Ульянов П.В. Взрывозащита инфракрасных излучателей шахтных приборов газового контроля // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 1992. – №6. – С. 62-66.
13. Иохельсон З.М. Особенности воспламенения газовых смесей электрическими разрядами, возникающими между нагретыми электродами //Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 2001. – С. 246-261.
14. Иохельсон З.М. Предотвращение воспламенения угольной пыли нагревающимися элементами рудничного электрооборудования // Уголь Украины. – 2002. – №8. – С. 47-48.
15. Иохельсон З.М. Теоретические основы взрывозащиты нагревающихся элементов рудничного электрооборудования // Перспективы развития угольной промышленности в ХХІ веке: Сб. научн. тр./ДГМИ – Алчевск, 2002. – С. 336-341.
16. Иохельсон З.М. Проектирование взрывозащиты нагревающихся элементов рудничного электрооборудования // Уголь Украины. – 2003. – №6. – С. 32-33.
17. Иохельсон З.М., Коптиков В.П., Ульянов П.В. Установка местного освещения с искробезопасными параметрами для проходческих машин //Безопасная эксплуатация электромеханического оборудования в угольных шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 1986. – С. 19-23.
18. Иохельсон З.М., Коптиков В.П., Ульянов П.В., Храмченкова Р.Л. Анализ результатов приемочных испытаний установки местного освещения с искробезопасными параметрами для проходческих машин //Безопасная эксплуатация электромеханического оборудования в угольных шахтах: Сб. научн. тр. /МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 1989. – С. 10-15.
19. Иохельсон З.М., Ульянов П.В., Гарьковец А.М. Система освещения забоев с механизированными комплексами тонких пластов с особовзрывобезопасными светильниками // Способы и средства безопасной эксплуатации электромеханического оборудования в шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 1984. – С. 18-22.
20. Иохельсон З.М., Кравченко А.В., Гарьковец А.М. Средства сетевого освещения для очистных забоев на тонких пластах // Уголь Украины. – 1984. – №11. – С. 36.
21. Егоров С.И., Иохельсон З.М., Коптиков В.П., Ульянов П.В. Освещение очистных и подготовительных выработок угольных шахт // Светотехника. – 1992. – №1. – С. 14-16.
22. Пат. 59651 України, МКВ Е21F9/00. Іскробезпечне електричне коло: Пат. 59651 України, МКВ Е21F9/00./ З.М. Іохельсон (Україна). -№2002118850; Заявл. 07.11.02; Опубл. 15.09.03, Бюл.№9. – 2 с.
23. Устройство взрывозащиты нагревающихся элементов рудничного электрооборудования: А.с. 1320456 СССР, МКИ Е21F9/00; Н02Н7/00./ В.П. Коптиков, З.М. Иохельсон, К.К. Намитоков, В.Ф. Рой, Е.П. Милешин (СССР). – №4021453/22-03; Заявлено 10.02.86; Опубл. 30.06.87, Бюл. № 24 - 2 с.
24. Инфракрасный излучатель: А.с. 1695774 СССР, МКИ Н01К3/02./ З.М. Иохельсон, В.П. Коптиков, Н.Б. Мачуговский, В.Р. Зайвий, П.В. Ульянов (СССР). – №4724511/07; Заявлено 26.06.89; Опубл. 23.06.93, Бюл. № 23 - 4 с.
25. Способ испытаний на искробезопасность емкостных цепей с нагретыми элементами рудничного электрооборудования: А.с. 1305396 СССР, МКИ Е21F9/00./ З.М. Иохельсон (СССР). – №3970526/22-03; Заявлено 23.10.85; Опубл. 23.04.87, Бюл. № 15 - 3 с.
26. Способ испытаний на искробезопасность емкостных цепей с нагретыми элементами рудничного электрооборудования: А.с. 1305397 СССР, МКИ Е21F9/00./ З.М. Иохельсон (СССР). – №3970526/22-03; Заявлено 23.10.85; Опубл. 23.04.87, Бюл. № 15 - 3 с.
27. Устройство для искрозащиты электрических цепей рудничного электрооборудования: А.с. 1227820 СССР, МКИ Е21F9/00./ В.П. Коптиков, З.М. Иохельсон, В.Г. Сокуренко, В.Ф. Рой, А.М. Гарьковец, Г.И. Сивчиков (СССР). – №3771122/22-03; Заявлено 12.07.84; Опубл. 30.04.86, Бюл. № 16 - 2 с.
28. ГОСТ 24786-81. Приборы световые рудничные взрывозащищенные. Общие технические условия. – Введ. 01.01.83. – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 18 с.
29. Iokhelson Z.M. Flame-proof Protection of Heated Mine Electrical Equipment Elements //Proceedings of the 8th International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection & Mine Environmental and Economical Issues. – Dnipropetrovsk (Ukraine). – 15-18 June 1999. – P.397-399.
30. Iokhelson Z.M. Safe Parameters of Heated Elements of Mine Flame-proof Electrical Equipment //Proceedings of the International Symposium on Geotechnological Issues of Underground Space use for Environmentally Protected World. – Dnipropetrovsk (Ukraine). – 26-29 June 2001. – P.297-302
31. Иохельсон З.М. Теоретические основы взрывозащиты нагревающихся элементов рудничного электрооборудования // Проблемы механики горно-металлургического комплекса. – Дніпропетровськ: Навчальна книга, 2002. – С. 65-66.
32. Иохельсон З.М. Требования к взрывозащите нагревающихся элементов рудничного электрооборудования и методы ее испытаний //Материалы научно-практического семинара “Проблемы техногенной, производственной и экологической безопасности. Пути их решения” (17-22 июня 2002 г., пос. Ласпи, Крым). Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. тр./МакНИИ. – Макеевка-Донбасс, 2002. – С. 73-78.
33. Брюханов А.М., Товстик Ю.В., Иохельсон З.М. Освещение – фактор создания безопасных и здоровых условий труда шахтеров // "Материалы научных чтений. Стратегия выхода из глобального экологического кризиса". – СПБ.: Изд-во МАНЭБ. – 2001. – С. 161.
34. Bryukhanov A.M., Tovstik Yu.V., Iokhelson Z.M., Belash P.V., Kirichenko B.M. Lighting of Development Workings in Coal Mines // 29th International Conference of Safety in Mines Research Institutes. – Katowice (Poland). – 8-11 October 2001. – P. 337-339.
АНОТАЦІЯ
Іохельсон З.М. Вибухозахист рудникового електроустаткування з елементами, що нагріваються, (розвиток наукових основ і розробка). – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.26.01 – "Охорона праці". – Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, Макіївка, 2004.
У дисертації вперше розв’язано науково-технічну проблему в області вибухозахисту рудникового електроустаткування та безпеки робіт у шахтах, яка має важливе значення для вугільної промисловості України і полягає в забезпеченні безпеки робіт у вугільних шахтах під час застосування рудникового електроустаткування з елементами, що нагріваються, без вибухонепроникних оболонок, ускладнення, збільшення його габаритів і ваги, з можливістю створювати це устаткування з особливовибухобезпечним рівнем вибухозахисту
Усе різноманіття елементів, що нагріваються, реалізоване в рудниковому електроустаткуванні, за здатністю окиснюватися запропоновано вперше розділити на три групи: неокиснювані (які включають практично неокиснювані), такі, що повільно окиснюються й перегоряють, а також такі, що швидко окиснюються та перегоряють.
На підставі логіко-математичного й експериментального методів з урахуванням теплової теорії горіння та вибухів установлено залежності, які пов'язують безпечні температури розглянутих елементів з їх геометричними розмірами, здатністю окиснюватися, умовами масообміну; іскробезпечні параметри різних електричних кол з температурами іскротвірних електродів. Досліджено й ураховано вплив умов експлуатації елементів, які нагріваються, у шахтах на безпечні властивості цих елементів.
Без застосування вибухонепроникних оболонок, вибухозахист рудникового електроустаткування з розглянутими елементами досягнуто за допомогою спеціального виду для будь-якого рівня вибухозахисту цього устаткування. Унаслідок впровадження результатів дисертаційної роботи у вугільній промисловості України досягнутий соціальний народно-господарський ефект.
Ключові слова: елементи, що нагріваються, рудникове електроустаткування, вибухозахист, температура поверхні, електричні іскри, умови експлуатації, спеціальний вид вибухозахисту, соціальний народно-господарський ефект.
АННОТАЦИЯ
Иохельсон З.М. Взрывозащита рудничного электрооборудования с нагревающимися элементами (развитие научных основ и разработка). – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.26.01 – "Охрана труда". – Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, Макеевка, 2004.
В диссертации впервые решена научно-техническая проблема в области взрывозащиты рудничного электрооборудования и безопасности работ в шахтах, имеющая важное значение для угольной промышленности Украины, заключающаяся в обеспечении безопасности работ в угольных шахтах при применении рудничного электрооборудования с нагревающимися элементами без взрывонепроницаемых оболочек, усложнения, увеличения его габаритов и веса, с возможностью создавать это оборудование с особовзрывобезопасным уровнем взрывозащиты. При этом исследованы и учтены оптимальные условия воспламенения и предотвращения воспламенения метана поверхностями неокисляющихся, медленно и быстро окисляющихся и перегораемых рассматриваемых элементов в нормальных и аварийных их режимах работы, закономерности воспламенения метана электрическими искрами, возникающими при разрушении нагревающихся элементов в различных электрических цепях рудничного электрооборудования, специфические условия эксплуатации указанных элементов, в результате чего обоснованы технические требования к взрывозащите рудничного электрооборудования с рассматриваемыми элементами, основы проектирования ее и методы испытаний, широко реализованные различными организациями при разработке взрывозащищенного рудничного электрооборудования с нагревающимися элементами.
В работе установлено, что основным классификационным признаком рассматриваемых элементов является их способность окисляться, в связи с чем все нагревающиеся элементы рудничного электрооборудования предложено разделить на три группы: неокисляющиеся (включающие практически неокисляющиеся), медленно окисляющиеся и перегораемые, быстро окисляющиеся и перегораемые.
На основании логико-математического и экспериментального методов с учетом тепловой теории горения и взрывов установлены взаимосвязи безопасных температур поверхностей неокисляющихся нагревающихся элементов с их геометрическими размерами и электрическими параметрами, установлена степень влияния на безопасные свойства нагревающихся элементов совместной их работы в одном корпусе рудничного электрооборудования и нагрева этого корпуса.
Исследования показали, что применяемые в настоящее время в рудничных люминесцентных светильниках устройства автоматического защитного отключения не обеспечивают взрывозащиту электродов за регламентируемое действующими нормативными документами короткое время срабатывания 4 мс. Взрывозащита рудничного электрооборудования окисляющимися нагревающимися элементами в части воспламенения метана их нагретыми поверхностями может быть обеспечена для любого уровня взрывозащиты рудничного электрооборудования ограничением температур в продолжительном режиме работы указанных элементов из меди температурой 300°С, никеля – 450°С, молибдена и вольфрама – 500°С и ограничением температур в кратковременном режиме работы нагревающихся элементов из меди, никеля и вольфрама температурой 1000°С, молибдена – 900°С при условии снижения температур этих элементов в кратковременном режиме работы до указанных безопасных температур продолжительного режима работы.
Впервые разработаны принципы создания искробезопасных плавких предохранителей посредством обеспечения безопасных температур и искробезопасных токов при расплавлении плавких вставок предохранителей, обоснован принцип взрывозащиты рудничного электрооборудования с нагревающимися элементами посредством изменения в их зоне тепломассообмена. Установлены взаимосвязи воспламеняющих (искробезопасных) параметров для характерных электрических цепей, в которых эксплуатируются рассматриваемые элементы, с температурой искрообразующих электродов. Доказано, что искробезопасность нагревающихся элементов рудничного электрооборудования не может быть обеспечена, если их температура равна или превышает значение минимальной температуры горения метана 1880 °С.
Обосновано, что безопасные параметры рассматриваемых нагревающихся элементов должны обеспечиваться при максимальной ЭДС автономных источников питания или при увеличенном на 20% номинальном напряжении шахтной участковой сети, питающей устройства и аппараты с указанными элементами. Необходимые уровни напряжений на нагревающихся элементах должны обеспечиваться посредством ограничителей или стабилизаторов напряжений, которые при любых повреждениях в них должны отключать нагревающиеся элементы от питающей сети.
Безопасная температура на поверхности нагревающихся элементов в части воспламенения угольной пыли не должна превышать 150°С, а безопасная длительность воздействия на угольную пыль температур поверхностей рассматриваемых элементов вплоть до 1000 °С не должна превышать 1,4 с или определяться по установленной в работе зависимости от температуры поверхности нагревающихся элементов.
Без применения взрывонепроницаемых оболочек взрывозащита рудничного электрооборудования с нагревающимися элементами достигается посредством специального вида для любого уровня взрывозащиты рудничного электрооборудования. Указанный специальный вид обеспечивается ограничением температур нагревающихся элементов безопасными величинами или изменением тепломассообмена в зоне нагревающихся элементов, токов –искробезопасными значениями с учетом температур нагрева указанных элементов и исключением засыпки рассматриваемых элементов угольной пылью. В работе даны нормы по механической прочности нагревающихся элементов и устройств, защищающих эти элементы от засыпки угольной пылью.
В итоге внедрения результатов диссертационной работы в угольной промышленности Украины достигнут социальный народно-хозяйственный эффект.
Ключевые слова: нагревающиеся элементы, рудничное электрооборудование, взрывозащита, температура поверхности, электрические искры, напряжение, угольная пыль, специальный вид взрывозащиты, социальный народно-хозяйственный эффект.
ABSTRACT
Iokhelson Z. Explosion protection of mine electrical equipment with heating elements (scientific elaboration and development)
A thesis for D.S. (Eng.) degree, profession 05.26.01 “Labor protection”. – State Makeyevka Safety in Mines Research Institute, Makeyevka, 2004.
The thesis shows the pioneer solution of a scientific and technological problem in the field of explosion protection of mine electrical equipment and work safety in mines, which is important in the coal industry of Ukraine and consisting in providing work safety in coal mines when using mine electrical equipment with heating elements without explosion-proof enclosures, sophistication and size/weight increase, with a possibility to produce this equipment with a special level of explosion protection.
It is proposed to divide the variety of heating elements, which are used in mine electrical equipment and have different oxidation characteristics, into three groups: a) not oxidable (including practically not oxidable), b) slowly oxidable and blown, and c) fast oxidable and blown.
On the basis of logic-mathematical and experimental methods taking into account the thermal theory of combustion and explosion, dependences are determined between safe temperatures of the elements in consideration and their dimensions, oxidation characteristic, mass transfer conditions, and also between intrinsic safety parameters of various electric circuits and temperatures of sparking electrodes. Influence of operational conditions of heating elements in mines on safe characteristics of these elements was analyzed and taken into account.
Explosion protection of mine electrical equipment with heating elements is achieved without using explosion-proof enclosures, by special means for any level of explosion protection of this equipment. Introducing the thesis results in the coal industry of Ukraine has led to social achievements in national economy.
Key words: heating elements, mine electrical equipment, explosion protection, surface temperature, electric sparks, operational conditions, special kind of protection, social achievements in national economy.
| 
