煤矿中连续式激光辐射的安全评价

激光辐射是一种新型的可燃性气体点燃源。在大规模的现代工业中，人们有时候使用激光仪器来进行某些测量，因此，可能给爆炸性气体环境的安全带来潜在的危险。

这种激光辐射的辐射源，既可能处在爆炸性气体环境中，也可能处在爆炸性气体环境附近。当处在爆炸性气体环境中时，它直接在这种环境中发出激光光束，辐照这种环境；当处在爆炸性气体环境附近时，它发出的激光光束可能穿越这种环境。不管哪种情况，激光辐射对于爆炸性气体环境来说都是十分危险的。

激光辐射的特点是，传播的光束很窄，但携带的能量高度集中。所以，激光“火花”和电气火花、机械火花一样，具有点燃可燃性气体-空气混合物的能力。

通常情况下，激光辐射可以分为3种形式：脉冲式辐射、连续式辐射和周期式辐射。通常，人们用辐射强度的强弱和辐射能量的大小来评价激光辐射的特性。下面简单地讨论一下激光辐射的点燃特征。

1.脉冲式激光辐射

脉冲式激光辐射是指周期（脉冲宽度和间隔）不大于1s的辐射。脉冲式激光辐射是一种高度浓缩的光通量。它能够在气体介质中引起光击穿，通过可燃性气体-空气混合物时引起可燃性混合物点燃。尤其是，在激光束前进的通道（空气）中存在悬浮状尘埃时，激光辐射很容易点燃可燃性气体-空气混合物。

试验研究指出，如果煤矿井下大气中存在悬浮状煤尘，或者在激光束前进的通道上遇到像煤块那样的障碍物的话，则激光辐射脉冲只需消耗很小的能量就可以点燃矿井瓦斯，如表1.11所示。

表1.11 甲烷-空气混合物的激光辐射点燃能量

从表1.11中可以看出，聚焦的激光光束比不聚焦的激光光束更具有点燃能力；不含悬浮状尘埃的可燃性气体-空气混合物比含悬浮状尘埃的可燃性气体-空气混合物需要更大的激光辐射能量才能被点燃。

图1.12 激光辐射的点燃能量与甲烷浓度的关系

在脉冲式激光辐射点燃爆炸性气体混合物时，可燃性气体存在一个最易点燃浓度。人们对甲烷-空气混合物的测试得出了如图1.12所示的曲线。

从图1.12中可以看出，在正常条件下，辐射脉冲照射在煤块上点燃甲烷-空气混合物的点燃能量与甲烷浓度之间存在一定的关系，在浓度为7%的地方，点燃能量有一个不太明显的最小值；在浓度为7%～10%的范围内，曲线是一个近似的水平线。可以说，7%是此时甲烷的最易点燃浓度。

为了评价脉冲式激光辐射的点燃能力，人们提出了“点燃强度”这一概念。所谓脉冲式激光辐射的点燃强度是指，激光光束照射在煤块上引起甲烷-空气混合物发生点燃时点燃或然率为0.5的激光辐射强度。

为了安全起见，人们又提出了脉冲式激光辐射的“光安全强度”，它是点燃强度的五分之一值。光安全强度是脉冲式激光辐射的一个实用的安全指标。

所谓光安全强度，实质上，就是激光光束传输功率的“功率密度”，即光束单位截面积的功率值。

在煤矿井下，脉冲式激光辐射的允许功率可以使用下式计算求得：

式中 W——脉冲式激光辐射的允许功率（W）；

I——光安全强度（W/cm²）；

d——激光光束的最大直径（cm）。

2.连续式激光辐射

连续式激光辐射是指连续波辐射和（或）周期（脉冲宽度和间隔）大于1s的辐射。连续式激光辐射点燃可燃性气体-空气混合物的点燃机理，不同于脉冲式激光辐射，它不是由于光击穿引起点燃的，而是由于辐射加热了受照射点出现高温引起点燃的，是一种“危险温度”点燃。

试验研究指出，物体上受照射点的温度不仅与激光的辐射能量有关，而且还与受照射点材料的热导率有关。

由功率为1W、直径为0.6cm的激光光束连续地照射在不同材料的盘式试样上测得的温度如表1.12所示。

表1.12 受照射点温度与试样材料热导率

从表1.12中可以看出，在同样的辐射条件下，受照射材料的热导率越小，受照射点的温度就越高，因而，也就越具有点燃的危险性。

当然，受照射点的温度与辐射功率大小的关系是不言而喻的，辐射功率越大，受照射点温度越高。

人们通过大量的试验研究，提出了适用于煤矿环境的连续式激光辐射的光安全强度，作为这种辐射的安全评价依据。所谓连续式激光辐射的光安全强度，是指在激光光束长时间作用下，受照射点中心的温度比试验钢板（煤尘覆盖厚度为0.1mm，初始温度为140℃）的温度高1℃时的辐射强度。

对于连续式激光辐射，它的允许功率可以按式（1.17）计算求得；它的光安全强度可以按下列经验计算公式计算求得：

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式中 I——光安全强度（W/cm²）；

0.06——常数（W/cm）；

r——激光光束的最小半径（cm）。

通常认为，在煤矿井下，对于连续式激光辐射，允许功率不超过0.15W或光安全强度不超过2W/cm²，是安全的。

在实际应用中，人们应该同时使用上述的两种参数：允许功率或光安全强度，来评价连续式激光辐射的安全性。这两种参数是相互制约的，都与激光光束的直径有关。

当使用允许功率时，按照式（1.17）可知，激光光束的最大直径（d）为

d=（4W/Iπ）^1/2

式中 I——光安全强度，将式（1.18）代入上式，于是

d≤W/（0.03π） （1.19）

式（1.19）表示，当光安全强度一定时，光束直径与允许功率成线性正比例关系。

当使用光安全强度时，由式（1.18）可知，激光光束的最小直径（d）为

d≥0.12/I （1.20）

式（1.20）表示，当允许功率一定时，光束直径与光安全强度成线性反比例关系。

分析可知，式（1.19）和式（1.20）是相互关联的，只不过一个是从限定允许功率着手，另一个是从限定光安全强度着手。所以，为了安全起见，在确定实际的光束直径时，人们应该同时按照实际确定的光束直径分别计算允许功率和光安全强度，验证它们不超过相应安全值。

【例1.4】 使用允许功率计算和确定实际的激光光束直径。设激光光束的允许功率为0.15W，光安全强度为2W/cm²。

假若按照允许功率，使用式（1.19）计算，得到光束最大直径为

d=0.15W/（0.03W/cm×π）≈1.6cm

假若确定实际的光束直径为0.5cm，则人们必须使用式（1.18）进行光安全强度验证，即

I=（0.06W/cm）/0.25cm=0.24W/cm²

计算表明，当激光光束的允许功率为0.15W、实际的光束直径为0.5cm时，经计算可知光安全强度值小于安全值（2W/cm²），因而，实际的光束直径为0.5cm是可以的。

【例1.5】 使用光安全强度计算和确定实际的激光光束直径。设激光光束的允许功率为0.15W，光安全强度为2W/cm²。

假若按照光安全强度，使用式（1.20）计算，得到光束最小直径为

d=0.12W/cm/（2W/cm²）=0.06cm

假若确定实际的光束直径为1.8cm，则人们必须使用式（1.19）进行允许功率验证，即

W=1.8cm×0.03W/cm×π≈0.17W

计算表明，当激光光束的光安全强度为2W/cm²、实际的光束直径为1.8cm时，计算允许功率值大于安全值（0.15W）。于是，人们应该调整光束直径，重新计算验证。

假若将实际的光束直径调整为1.5cm，重新计算得到允许功率为

W=1.5cm×0.03W/cm×π≈0.14W

显然，调整后的光束直径是合适的，既满足光安全强度（2W/cm²）要求，又符合允许功率（0.15W）规定，因而，实际的光束直径取1.5cm是可以的。

需要说明的是，在实际应用时，人们应该根据实际环境条件来确定激光光束的直径，只要允许功率和光安全强度不超过安全值就可以了。

3.周期式激光辐射

试验研究表明，周期式激光辐射，同时具有脉冲式激光辐射和连续式激光辐射的性质。因而，在评价它的光安全性时，人们应该使用两个参数：脉冲式激光辐射的光安全强度和连续式激光辐射的光安全强度。