煤矿井下防爆车辆污染问题及发展方向

张在明 李 想 岳 浡

（1.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西省神木县，719315；2.加州大学圣迭戈分校机械系环境工程专业，美国加利福尼亚州圣迭戈市，92101；3.通用电气公司，北京市朝阳区，100004）

柴油机防爆发动机在国内煤矿业广泛使用，因其具有热效率高、单位质量发动机功率大的优点受到各大企业的青睐并帮助中国的矿业迅速发展。经过数十年的发展，柴油发动机的技术越来越成熟，柴油机的温室气体排放量比汽油低45%，热效率却高30%，转速低、扭矩大的特点也符合煤矿产业装备大型化对运输车辆的要求。

目前，几乎所有的柴油机驱动车辆都是采用通用型柴油机进行防爆改装后下井，进排气的防爆改装增加了气体流动沿程阻力，降低了气缸内氧气／燃料比 （与原发动机设计相比），燃料无法充分燃烧，进而使尾气中的一氧化碳、氮氧化合物及各类富含芳香族化合物的微粒迅速上升。

随着井下车辆使用范围和使用频率的迅速增加，井下空气污染日趋严重，已经严重威胁到所有井下矿工的健康。目前国际上对井下空气污染的法规日趋严格，美国90%的井下柴油机已被摒弃，井下电瓶车的使用成为了现代煤矿产业的发展趋势。

1 国际上关于井下柴油机污染对人体危害的研究

2012 年6 月12 日，世界卫生组织 （WHO）旗下的国际癌症研究所 （IARC）发表声明，将柴油机尾气由二类致癌物升高为一类致癌物，即对人类具有比较确凿肯定的致癌性。由美国国家癌症研究中心 （NCI）和美国国家职业安全健康中心（NIOSH）共同完成的一项研究显示，暴露在柴油尾气环境内的程度越高，患肺癌死亡的几率就越高，两者成正比关系。

研究人员调查了12315名来自美国8个不同非金属矿井的矿工，燃烧柴油的重型车辆在这些矿井被广泛使用。经过实验对比，井下工作人员的肺癌发生几率是普通人群的5倍，因肺癌死亡的几率是普通人群的3倍。

美国在安全健康问题上有非常严格的要求。由于从业者和行业管理机构对井下空气质量的重视，美国各州的相关法律的制定和执行日趋严格。弗吉尼亚州法律规定柴油机单位功率与通风量需达到一定比例，保证井下环境安全和相对健康。2014年6月24日，在矿山安全与健康管理局（MSHA，Mine Safety and Health Administration）实施的一次清晨突击检查中，西弗吉尼亚的38家煤矿不合格。在矿主不知情的情况下，MSHA 工作人员进入了井下工作区域发现矿井因没有达到规定的通风标准导致井下有毒气体和可吸入颗粒物超标，具有极大的安全和健康隐患。即使在美国如此严格的标准之下，柴油车辆仍会导致污染物排放超标。为了在可控成本内达到要求，美国各大矿厂已经将主力工作车辆转型为蓄电池车辆。

由于电驱动车辆具有结构简单，维修保养便宜，车辆购置成本低，无燃油消耗，充电成本与同等吨位柴油车辆燃油成本相比几乎可以忽略不计等优势，北美采矿工业的经营者意识到，即使不考虑工人的健康或与之相关的职业病赔偿责任，换装电气化车辆也是符合降低经营成本的大趋势。

2 中国井下柴油机使用现状

近10年，中国国有特大型高产高效煤矿单井柴油机车辆数量和总功率已经赶上并超过美国。生产厂家更是在10年内发展到数十家，这些车辆均已取得煤安标志认证，进行过防爆改装。其中，绝大部分都是把通用机械使用的普通柴油机加装进排气干式阻火器进行防爆改装，并未对柴油机从原理上进行调校，造成油耗急剧上升，燃烧不充分，污染物排放严重。

3 中国煤矿空气污染的相关法规和实际应用分析

与美国西弗吉尼亚州的法规不同，中国的 《煤矿安全规程》中还没有关于通风量与井下柴油机功率关联的限制，如果把井下柴油机的总功率与整体通风量挂钩，可以很容易控制井下空气质量。但《煤矿安全规程》有关通风量的规定还与20年前基本相同，说明法规的制定没有紧跟技术进步的步伐。当前 《煤矿安全规程》中关于通风的主要规定，按井下同时工作的最多人数计算，供给风量不得少于4m3／人·min。井巷中的允许风流速度见表1。

表1 《煤矿安全规程》中井巷中的允许风流速度

《煤矿安全规程》给出了相关指标，采掘工作面的进风流中，O2浓度不低于20%，CO2浓度不超过0.5%。有害气体的浓度见表2。

表2 《煤矿安全规程》中有害气体浓度指标

以国产40 T 液压支架搬运车辆 （功率200 kW，耗油235g／kWh）为例计算CO 和NOx 排放：

式中：W车——车辆功率，kW；

L耗——车辆油耗，kg／kWh；

V总——排气量，m3／h；

K ——单位柴油产生废气系数，取12000 m3／t；

P ——尾气中有害气体占总气体含量比，10-6；

V通——通风总量，m3／h；

S——主进风回风巷风速，m／s；

A ——大巷道截面积，m2；

ρ总——有害气体占总气体体积比浓度，10-6。

假设气体扩散速度充分大，有害气体在巷道内均匀分布，经计算得出：

ρCO=0.000104%

ρNOx=0.000103%

在通风良好的环境下，1台国产柴油支架搬运车辆可令空气中CO 浓度达到0.000104%，氮氧化合物浓度达到0.000103%。因此，即使在通风条件达到最佳，进风巷内风速达到最大，井下同时运行2台国产柴油支架搬运车辆也会导致NOx数值超标 （标准为0.00025%）。

在晋陕蒙一带地质条件较好的高产高效大型煤矿，普遍使用大型柴油机特种车辆作为辅助运输车辆，在综采工作面设备安装回撤期间，辅运巷道内平均有4 台55 T 框架式支架搬运车 （功率240 kW，耗油225g／kWh）和3台25T 铲钣式支架搬运车 （功率170kW，耗油187g／kWh）同时运行，辅运大巷实测风速为4m／s，氮氧化合物浓度为0.00035%，CO 浓度为0.000102%，由此可看出，大型柴油机特种车辆在运行过程中产生的氮氧化合物、CO 都超过了 《煤矿安全规程》标准。此实际监测值与上文理论计算相比偏高的原因主要是气体扩散不均匀，车辆周围有害气体浓度上升，且由于柴油车辆普遍采用干式阻火器，在工作过一段时间后阻火器堵塞造成进排气不畅，降低燃烧效率，实际尾气排放浓度高于国家规定。

4 井下车辆未来发展趋势

柴油车辆的危害目前已受到各方重视，各大煤炭集团都在与传统煤机装备制造业之外的高技术行业一起积极开展研究，寻找柴油车辆的替代方案。目前的研究方向主要集中在电驱动车辆，包括蓄电池与电缆驱动车辆。

电缆驱动车辆具有设备自重轻、续航能力好的优点，但受制于电缆布置，行驶范围限制较大，同时采用拖曳电缆方式的电驱动的车辆会遇到电缆磨损问题，增加后期运营成本。目前主要使用为固定线路的梭车，运煤车等短距离运输车辆。

蓄电池车辆具有灵活性好，适用范围广的优势，目前进口车辆主要生产厂家为通用电气和卡特彼勒，主流驱动技术已经从直流驱动升级为交流变频驱动。车辆类型发展较快，目前已经开发出5T多功能装载机到80T 铲板式支架搬运车等众多类型。通用电气将在露天煤矿取得巨大成功的电动轮技术INVERTEX 小型化应用到5～22t井下多功能车，该技术集成动能回收系统和更高效可靠的交流变频系统，改变了传统直流驱动车辆电能利用率低、保养复杂、重载下坡容易飞车造成直流电机损坏的问题。卡特彼勒则在中国煤矿设备大型化需求的推动下，开发出吨位更大的蓄电池支架搬运车，使中国7m 甚至更大采高的综采工作面安装和回撤成为可能。目前国内厂家由于没有独立研发电驱动的技术储备，目前进展还比较缓慢，没有开发出可以满足至少运行8h不需要中途更换电池的重型车辆，且可靠性、自重、驱动效率和电机性能均与国外厂家有较大差距。

目前限制蓄电池车辆彻底完全替代柴油车辆的主要障碍在于蓄电池的续航能力。但近10年来锂电池、钠盐电池和超级电容等新电池技术的迅速发展使这一目标必将在不远的将来实现，目前相对过剩的柴油机车辆也将随着电驱动车辆的出现逐步被淘汰，这一实现过程对我国煤机装备制造业而言将是巨大的历史机遇。

［1］ 郭文娟.煤矿井下蓄电池无轨辅助运输车辆技术现状及发展趋势 ［J］.中国煤炭，2013 （11）

［2］ 石岚.CLX3型防爆胶轮铲运车的设计开发 ［J］.中国煤炭，2011 （7）

［3］ 姜汉军.矿井辅助运输设备 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008