3.15　照明：安全灯的发展

3.15　照明：安全灯的发展

由于泰恩河和威尔河周围地区靠近地面的最佳煤层已经耗尽，这一地区的采煤工程师们必须打一些深达600英尺的竖井，以到达未开采区域。深度的增加接着带来了甲烷量的增加，因此井下爆炸的次数开始呈现十分严峻的形势。由于这些爆炸都起因于蜡烛或油灯的未加防护的火焰，所以就必须要找到某种地下照明的替代方法。最早使用的替代方法之一来自腐烂的鱼发出的磷光，但它作为发光体来说并不能令人满意，而且在当时通风条件普遍很有限的情况下也显然是不理想的。

在1740—1750年间，一种供矿工使用的火石钢磨机（Flint-andsteel mill，图52）由坎伯兰怀特黑文的斯佩丁（Charles Spedding）发明出来并在达林（John Dallin）于1750年发表的一首诗中第一次被提到这种机器在使用时要用带子捆扎于人的胸部，通过旋转手柄，就能产生稳定的火花流，但却只能发出微弱的亮光。这些火花大小和亮度的增加就表示易燃气体的增加，在接近爆炸点时就呈现流体状，并密集地附着于轮子的周缘，发出蓝色的亮光。这种设备在欧洲大陆也广为人知而且得到了应用。然而，它有时也会引起爆炸，因此问题并未得到彻底解决。

从地面用镜子反光的方法也被尝试过，但是除了在竖井内会遇到风机或以喷气形式连续放出的气体之外，效果也不能令人满意，因而这种方法也被放弃了。

大约在1812年，爆炸已变得相当频繁，而且随着煤矿规模的不断扩大，对矿工们的生命也造成了巨大损失。所以在1813年，主要通过泰恩河畔贾罗市教区长霍奇森（John Hodgson）牧师的努力，成立了防止煤矿意外事故的森德兰协会。该协会决定促使这个国家的第一流科学家们关心这一问题，并首先与汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy）打交道。戴维在那个特定的时间（1815年8月）正在苏格兰打猎，前往南方途经纽卡斯尔时被拦了下来，人们采取了一些步骤以引起他的兴趣。他在参观了几处煤矿并与现场的人们讨论了这一问题之后，又在伦敦皇家研究院接受了送给他的一些气体样品。到这一年的11月，他已发现了瓦斯爆炸的条件、易燃的程度，以及瓦斯与定量的空气混合时的特性。他还研究了火焰通过不同直径的管子的推移情况，并且观察到在抑制火焰方面金属比玻璃更为有效。他发现铁丝网是一种有效的屏障。1815年11月9日，他发表了自己的研究结果，并展示了结合他的发现研制的3种矿灯（图53），其中第三种矿灯包含着近代安全灯所依据的原理。1816年1月1日，他写信到纽卡斯尔，宣布了他的一个围着无遮蔽或无保护火焰的铁丝网筒的“绝对安全”的发明。铁丝网是用1/60—1/40英寸直径范围的铁丝制成，每英寸长度上有28根铁丝，或每平方英寸含有784只小孔。

正当戴维在伦敦忙碌时，其他一些实验也正在泰恩河畔进行着，实验者是斯蒂芬森和一名来自唐郡而在森德兰从事医药行业的爱尔兰人克兰尼（W.R.Clanny，1776—1850）。斯蒂芬森的第一种矿灯是基于这样一个原理，即如果把一些蜡烛拿到瓦斯喷灯的上风一侧，则喷灯会被“朝它们吹来的燃烧过的空气熄灭”。他还注意到，在瓦斯被点燃后，火焰需要一定时间从一点行进至另一点，他得出结论说，“如果气流能以大于燃烧的瓦斯行进的速度在相反方向产生，那么它就可能阻止并完全防止火焰通过”。因此，他有了这样的想法，如果能使一只灯在火焰上方含有燃烧过的空气，并让瓦斯从下面进入，且在进入时将它燃烧掉，则“燃烧过的空气会防止爆炸向上扩展，而从下面过来的气流的速度会防止它向下扩展”。结果就是他的第一种矿灯——“管筒及小油机”。在进一步进行了一些没有发生意外的井下实验以后，斯蒂芬森安排让空气从油盒旁边的一些小圆孔而不是底部进入，然后再通过直径为1/22—2/25英寸的更小的圆孔进入两个圆盘中间的空间，最后再通过另外一系列直径为1/18—1/12英寸的小孔到达火焰（图54）。

克兰尼的第一种矿灯是“鼓风”灯，它比戴维的想法早了2年，但并没有什么进展（图55）。后来，克兰尼用一只顶上覆盖有戴维铁丝网的玻璃筒罩着火焰。第一种矿灯在火焰的上面和下面各有一只蓄水器，外面的空气则用一只手拉风箱使之强行通过蓄水器。调查煤矿意外事故原因的南希尔兹委员会在1843年表达了这样的意见，“克兰尼博士，在这个国家可以认为是与破坏性元素（瓦斯）进行斗争的第一位科学工作者，35年来他从未停止过将其天才和努力用于减轻因爆炸而引起的恐怖”。

安全灯已经制造成功的第一次真正的证明是1816年1月在赫伯恩煤矿用戴维矿灯得出的，当时巴德报告说，使我惊喜的是，当我第一次把这种灯挂在矿井内并且看到它炽热发光的时候，我无法表达我的感觉。要是它已是个被摧毁的怪物，那就再也没有让我更感到欢欣鼓舞的了。我对周围的人说，“我们终于征服了这个怪物”。

事实上，巴德是太过于乐观了，因为早期的矿灯并不是完全安全的，而且它们发出的光亮度也不足。戴维金属丝网的主要缺点是，当它变得炽热时火焰就会穿过，而热量又不能非常快地被带走。这一缺点可以通过采用两层金属丝网来克服，一层在另一层里面。通过用一只玻璃圆筒将火焰罩住，使空气通过火焰下面或上面的金属丝网进入，人们可以对矿灯发出的光的亮度进行改善。后来人们注意到，如果用一顶矿工帽围住圆形金属丝网，使其与通风气流相隔绝，就可以提高安全性。因为通风气流在无防护的灯中往往会将火焰对着金属丝网吹，使它变得炽热，从而使火焰通过。

在随后的30年间，人们对矿灯进行了许多变革和改进，值得一提的是1840年比利时的莫泽勒（Meuseler）。他的灯包括油盒在内高约10英寸。罩住火焰的是十分坚固的玻璃。在玻璃上面构成其延伸部分的是一只4.5英寸高、1.75英寸内径的金属丝网圆筒，圆筒上有一只布满微孔的黄铜顶盖。玻璃和金属丝网紧密结合成一只大约8英寸高的连成一体的圆筒，在玻璃的顶上有一块金属丝网跨过这两种材料的接合处。通过这块水平金属丝网的中心，有一只小的金属烟囱把烟和“脱氧空气”从火焰上传送出去。该烟囱向下通至灯芯内1英寸，有4英寸高，底部直径约0.7英寸，顶部逐渐变细至0.4英寸。此后，这种灯由法国的马尔索（Marsaut）及其他一些人进行了进一步改进，但均没有根本性变化。(https://www.daowen.com)

参考书目

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Transactions of the Institution of Mining Engineers.