煤礦井下防爆車輛污染問題及發展方向

張在明 李 想 岳 浡

（1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省神木縣，719315；2.加州大學圣迭戈分校機械系環境工程專業，美國加利福尼亞州圣迭戈市，92101；3.通用電氣公司，北京市朝陽區，100004）

柴油機防爆發動機在國內煤礦業廣泛使用，因其具有熱效率高、單位質量發動機功率大的優點受到各大企業的青睞并幫助中國的礦業迅速發展。經過數十年的發展，柴油發動機的技術越來越成熟，柴油機的溫室氣體排放量比汽油低45%，熱效率卻高30%，轉速低、扭矩大的特點也符合煤礦產業裝備大型化對運輸車輛的要求。

目前，幾乎所有的柴油機驅動車輛都是采用通用型柴油機進行防爆改裝后下井，進排氣的防爆改裝增加了氣體流動沿程阻力，降低了氣缸內氧氣／燃料比 （與原發動機設計相比），燃料無法充分燃燒，進而使尾氣中的一氧化碳、氮氧化合物及各類富含芳香族化合物的微粒迅速上升。

隨著井下車輛使用范圍和使用頻率的迅速增加，井下空氣污染日趨嚴重，已經嚴重威脅到所有井下礦工的健康。目前國際上對井下空氣污染的法規日趨嚴格，美國90%的井下柴油機已被摒棄，井下電瓶車的使用成為了現代煤礦產業的發展趨勢。

1 國際上關于井下柴油機污染對人體危害的研究

2012 年6 月12 日，世界衛生組織 （WHO）旗下的國際癌癥研究所 （IARC）發表聲明，將柴油機尾氣由二類致癌物升高為一類致癌物，即對人類具有比較確鑿肯定的致癌性。由美國國家癌癥研究中心 （NCI）和美國國家職業安全健康中心（NIOSH）共同完成的一項研究顯示，暴露在柴油尾氣環境內的程度越高，患肺癌死亡的幾率就越高，兩者成正比關系。

研究人員調查了12315名來自美國8個不同非金屬礦井的礦工，燃燒柴油的重型車輛在這些礦井被廣泛使用。經過實驗對比，井下工作人員的肺癌發生幾率是普通人群的5倍，因肺癌死亡的幾率是普通人群的3倍。

美國在安全健康問題上有非常嚴格的要求。由于從業者和行業管理機構對井下空氣質量的重視，美國各州的相關法律的制定和執行日趨嚴格。弗吉尼亞州法律規定柴油機單位功率與通風量需達到一定比例，保證井下環境安全和相對健康。2014年6月24日，在礦山安全與健康管理局（MSHA，Mine Safety and Health Administration）實施的一次清晨突擊檢查中，西弗吉尼亞的38家煤礦不合格。在礦主不知情的情況下，MSHA 工作人員進入了井下工作區域發現礦井因沒有達到規定的通風標準導致井下有毒氣體和可吸入顆粒物超標，具有極大的安全和健康隱患。即使在美國如此嚴格的標準之下，柴油車輛仍會導致污染物排放超標。為了在可控成本內達到要求，美國各大礦廠已經將主力工作車輛轉型為蓄電池車輛。

由于電驅動車輛具有結構簡單，維修保養便宜，車輛購置成本低，無燃油消耗，充電成本與同等噸位柴油車輛燃油成本相比幾乎可以忽略不計等優勢，北美采礦工業的經營者意識到，即使不考慮工人的健康或與之相關的職業病賠償責任，換裝電氣化車輛也是符合降低經營成本的大趨勢。

2 中國井下柴油機使用現狀

近10年，中國國有特大型高產高效煤礦單井柴油機車輛數量和總功率已經趕上并超過美國。生產廠家更是在10年內發展到數十家，這些車輛均已取得煤安標志認證，進行過防爆改裝。其中，絕大部分都是把通用機械使用的普通柴油機加裝進排氣干式阻火器進行防爆改裝，并未對柴油機從原理上進行調校，造成油耗急劇上升，燃燒不充分，污染物排放嚴重。

3 中國煤礦空氣污染的相關法規和實際應用分析

與美國西弗吉尼亞州的法規不同，中國的 《煤礦安全規程》中還沒有關于通風量與井下柴油機功率關聯的限制，如果把井下柴油機的總功率與整體通風量掛鉤，可以很容易控制井下空氣質量。但《煤礦安全規程》有關通風量的規定還與20年前基本相同，說明法規的制定沒有緊跟技術進步的步伐。當前 《煤礦安全規程》中關于通風的主要規定，按井下同時工作的最多人數計算，供給風量不得少于4m3／人·min。井巷中的允許風流速度見表1。

表1 《煤礦安全規程》中井巷中的允許風流速度

《煤礦安全規程》給出了相關指標，采掘工作面的進風流中，O2濃度不低于20%，CO2濃度不超過0.5%。有害氣體的濃度見表2。

表2 《煤礦安全規程》中有害氣體濃度指標

以國產40 T 液壓支架搬運車輛 （功率200 kW，耗油235g／kWh）為例計算CO 和NOx 排放：

式中：W車——車輛功率，kW；

L耗——車輛油耗，kg／kWh；

V總——排氣量，m3／h；

K ——單位柴油產生廢氣系數，取12000 m3／t；

P ——尾氣中有害氣體占總氣體含量比，10-6；

V通——通風總量，m3／h；

S——主進風回風巷風速，m／s；

A ——大巷道截面積，m2；

ρ總——有害氣體占總氣體體積比濃度，10-6。

假設氣體擴散速度充分大，有害氣體在巷道內均勻分布，經計算得出：

ρCO=0.000104%

ρNOx=0.000103%

在通風良好的環境下，1臺國產柴油支架搬運車輛可令空氣中CO 濃度達到0.000104%，氮氧化合物濃度達到0.000103%。因此，即使在通風條件達到最佳，進風巷內風速達到最大，井下同時運行2臺國產柴油支架搬運車輛也會導致NOx數值超標 （標準為0.00025%）。

在晉陜蒙一帶地質條件較好的高產高效大型煤礦，普遍使用大型柴油機特種車輛作為輔助運輸車輛，在綜采工作面設備安裝回撤期間，輔運巷道內平均有4 臺55 T 框架式支架搬運車 （功率240 kW，耗油225g／kWh）和3臺25T 鏟鈑式支架搬運車 （功率170kW，耗油187g／kWh）同時運行，輔運大巷實測風速為4m／s，氮氧化合物濃度為0.00035%，CO 濃度為0.000102%，由此可看出，大型柴油機特種車輛在運行過程中產生的氮氧化合物、CO 都超過了 《煤礦安全規程》標準。此實際監測值與上文理論計算相比偏高的原因主要是氣體擴散不均勻，車輛周圍有害氣體濃度上升，且由于柴油車輛普遍采用干式阻火器，在工作過一段時間后阻火器堵塞造成進排氣不暢，降低燃燒效率，實際尾氣排放濃度高于國家規定。

4 井下車輛未來發展趨勢

柴油車輛的危害目前已受到各方重視，各大煤炭集團都在與傳統煤機裝備制造業之外的高技術行業一起積極開展研究，尋找柴油車輛的替代方案。目前的研究方向主要集中在電驅動車輛，包括蓄電池與電纜驅動車輛。

電纜驅動車輛具有設備自重輕、續航能力好的優點，但受制于電纜布置，行駛范圍限制較大，同時采用拖曳電纜方式的電驅動的車輛會遇到電纜磨損問題，增加后期運營成本。目前主要使用為固定線路的梭車，運煤車等短距離運輸車輛。

蓄電池車輛具有靈活性好，適用范圍廣的優勢，目前進口車輛主要生產廠家為通用電氣和卡特彼勒，主流驅動技術已經從直流驅動升級為交流變頻驅動。車輛類型發展較快，目前已經開發出5T多功能裝載機到80T 鏟板式支架搬運車等眾多類型。通用電氣將在露天煤礦取得巨大成功的電動輪技術INVERTEX 小型化應用到5～22t井下多功能車，該技術集成動能回收系統和更高效可靠的交流變頻系統，改變了傳統直流驅動車輛電能利用率低、保養復雜、重載下坡容易飛車造成直流電機損壞的問題。卡特彼勒則在中國煤礦設備大型化需求的推動下，開發出噸位更大的蓄電池支架搬運車，使中國7m 甚至更大采高的綜采工作面安裝和回撤成為可能。目前國內廠家由于沒有獨立研發電驅動的技術儲備，目前進展還比較緩慢，沒有開發出可以滿足至少運行8h不需要中途更換電池的重型車輛，且可靠性、自重、驅動效率和電機性能均與國外廠家有較大差距。

目前限制蓄電池車輛徹底完全替代柴油車輛的主要障礙在于蓄電池的續航能力。但近10年來鋰電池、鈉鹽電池和超級電容等新電池技術的迅速發展使這一目標必將在不遠的將來實現，目前相對過剩的柴油機車輛也將隨著電驅動車輛的出現逐步被淘汰，這一實現過程對我國煤機裝備制造業而言將是巨大的歷史機遇。

［1］ 郭文娟.煤礦井下蓄電池無軌輔助運輸車輛技術現狀及發展趨勢 ［J］.中國煤炭，2013 （11）

［2］ 石嵐.CLX3型防爆膠輪鏟運車的設計開發 ［J］.中國煤炭，2011 （7）

［3］ 姜漢軍.礦井輔助運輸設備 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008