风流场作用下煤矿井下燃油车辆尾气迁移规律

苗彦平 石高峰 涂庆毅 惠双琳 郑旭鹤 王宏梁 折刚

摘 要：隨着煤矿机械化程度的提高，燃油车辆已经广泛应用于井下运输，由此带来的尾气污染不容忽视，而尾气治理的关键在于掌握尾气污染物的运移规律。以陕北矿区红柳林煤矿15206内撤架巷为测试区域，对区域内停放车辆在怠速状态下不同位置处的CO，NO和NO浓度进行测量，分析3种主要尾气污染物的运移分布规律。结果表明：燃油车辆排气管口CO浓度最低为75.7×10，最高达到107.4×10；NO浓度最低为14.6×10，最高达到23.3×10；NO浓度最低为26.4×10，最高达到43.8×10。3种主要污染物排放至巷道后浓度均呈现降低趋势，在距离排气管口3 m的值均远低于排气管出口处。数值模拟结果与现场采集数据呈现一致性，在排气管口附近出现浓度峰值，进入巷道空间后浓度明显下降。另外，在靠近车辆排气管口一侧的巷道行人空间及车身后方空间产生明显聚集，且无法通过风流短时间被稀释。上述研究证明尾气污染物在排气管出口经过短暂聚集后会排放至巷道内，经风流稀释后尾气浓度接近巷道内环境数值。关键词：撤架巷；车辆尾气；运移规律；怠速运行；数值模拟中图分类号：X 936

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）05-0894-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0507开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Exhaust gas migration law of underground fuel vehicles in coal mine under the action of air flow field

MIAO Yanping，SHI Gaofeng，TU Qingyi，XI Shuanglin，ZHENG Xuhe，WANG Hongliang，SHE Gang

（1.Shenmu Hongliulin Mine Co.，Ltd.，Shaanxi Coal Group，Yulin 719000，China；2.School of Safety Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；4.Northern Shaanxi Mining Co.，Ltd.，Shaanxi Coal and Chemical Industry Group，Yulin 719000，China）

Abstract：With the increase of mechanisation in coal mines，fuel vehicles have been widely used for underground transport，resulting in exhaust pollution that cannot be ignored，and the key to exhaust gas management lies in understanding the transport law of exhaust pollutants.In this paper，the concentrations of CO，NO，and NO were measured at different locations of parked vehicles at idle speed in the 15206 inner withdrawal lane of the Hongliulin coal mine in northern Shaanxi province，and the transport laws of three main exhaust pollutants were analyzed.The results show that the concentration of CO at the exhaust outlet of fuel vehicles ranged from the lowest of 75.7×10 to the highest of 107.4×10；the concentration of NO ranged from the lowese of 14.6×10 to the highest of 23.3×10；the concentration of NO ranged from the lowest of 26.4×10 to the highest of 43.8×10.The concentrations of the three main pollutants all showed a decreasing trend after being emitted to the roadway，and the values at 3 m from the exhaust outlet were much lower than those at the exhaust outlet.The numerical simulation results are consistent with the data collected in the mine，with peak concentrations occurring near the exhaust outlet and decreasing significantly after entering the roadway space.In addition，the pedestrian space in the roadway near the side of the vehicle’s exhaust outlet and the space behind the body of the vehicle produce significant accumulation unable to be diluted by wind flow for a short period of time.The results indicate that the exhaust gas pollutants will be discharged into the tunnel after a short time gathering at the exhaust pipe outlet，and the exhaust gas concentration is close to the environmental value in the roadway after dilution by airflow.

Key words：withdrawal lane；vehicle exhaust；migration law；idle speed；numerical simulation

0 引 言煤矿机械化、无人化采煤程度的增加，使得现有煤矿开采趋向于无人智慧开采，导致现场需要大量机械装备与运输工具，而辅助运输车辆的广泛使用，会面临在原有煤矿固有灾害中，会增加井下柴油尾气污染治理问题。煤矿柴油尾气产生主要是由于井下辅助运输以及运人运料所使用的防爆柴油机无轨胶轮车发动机经过发动机所产生排放的 。柴油尾气中所含的CO，NO、碳烟颗粒、碳氢化合物、可吸入性固体颗粒、含铅化合物等会随着巷道风流扩散，会对巷道环境以及人体长时间吸入会造成损害或中毒，导致人体缺氧中毒、动脉硬化、损害皮肤以及呼吸道黏膜等。大量的CO气体聚集具有爆炸性，达到一定浓度时，遇火源爆炸，超量的CO排放不利于矿井对于有毒有害气体的管理，对井下生产造成严重威胁。国内外学者对于煤矿燃油尾气治理进行了相应的研究。张金贵等采用CFD方法和动网格技术，数值模拟隧道内汽车尾气污染扩散，发现没有其他通风的隧道内，运动车辆污染物分布靠近地面，运动汽车后会形成高速风带，对污染物纵向扩散起到关键作用；张朝能等对机动车尾气扩散模型进行回顾总结，主要分为综合扩散模式、开阔道路线源扩散模式、交叉口道路扩散模式以及街道峡谷扩散模式，并对其优缺点及适用性进行总结，提出模型本土化需要解决问题及未来研究趋势；崔翔等运用Fluent对高海拔掘进工作面尾气规律运移进行数值模拟，得出高海拔矿井掘进工作面风量与内燃机功率呈现正相关行，需要增大压入式通风量解决巷道尾气污染问题；张国梁等在基于海拔高度以及紊流扩散理论的基础上，建立高海拔气体扩散模型，发现靠近工作面的迎头位置CO分布不均匀，靠近出口方向CO分布逐渐平稳，同时发现所建立的模型说明需风量随海拔的升高呈非线性增加；赵海兴针对长距离倾斜巷道车辆在上坡阶段尾气排放超标和油耗大问题，在降低体积载荷比，提高附着力等设计出适合实际的防爆无轨胶轮车；刘坡等提出基于3DGIS的机动车尾气扩散建模和可视化框架用于扩散过程建模和体视化分析的研究，动态表达机动车尾气的扩散过程；王莹等针对机动车尾气扩散过程的三维动态可视化表达方法，用于研究动车尾气扩散规律，研究CALINE4模型，考虑道路特征和风向；模拟城市道路机动车尾气扩散过程，生成时间序列的体过程数据，从而得到CO，NO等机动车污染气体的扩散及分布情况，王嘉松等通过数值模拟和观测数据发现，1～4 m内污染物浓度迅速衰减，并在人体呼吸带高度依然存在高浓度污染区情况发生。虽然学者通过研究尾气污染治理提出了相应的技术措施，但是针对尾气运移的问题，受到现场实际的因素限制，以及还未被广泛重视的原因，对于普遍性的矿井尾气运移探索还较少，现有的研究通常通过结合现场实际的数据与数值模拟相结合研究尾气污染物的运移分布规律。但在实际中，受到边界条件等的影响，如尾气车辆的实际排量，质量流量等，使得相关研究无法很好契合实际情况。为了研究柴油主要尾气污染物的运移分布规律，文中基于陕北矿区红柳林煤矿15206内撤架巷为测试区域，使用三合一气体检测仪对区域内停放车辆怠速状态下的CO，NO和NO浓度进行采集，分析3种主要尾气污物的运移分布规律。

1 测试区域测试矿井选择陕北矿区红柳林煤矿，红柳林煤矿位于陕西省陕北黄土高原北部，地处神木市西北15 km处，井田南北宽8 km，东西长20 km，井田面积138 km。矿区内煤层属于浅埋煤层，采用斜井的开采模式。井下人、物输运主要靠燃油车辆，其中燃油车辆的种类包括防爆皮卡、双排人车、防爆人车、防爆指挥车、双头胶轮车等。测试巷道为15206内撤架巷，巷道尺寸6.0 m×4.8 m（宽×高）。测试前对巷道中部风速、温度、湿度、CO浓度、NO浓度和NO浓度等环境参数进行测试，结果见表1。

2 測试设备和步骤

2.1 测试车型及测量设备

1）测试车型：WC19R（A）防爆柴油机无轨胶轮车，外观尺寸为6 m×1.97 m×2.26 m（长×宽×高），排气管位于车辆底盘。2）PGD4-C-M3便携式三合一气体检测仪：精度为≤±3%（F.S），根据出厂设置可同时测量CO，NO，NO。测试并记录各测点处的CO，NO，NO的浓度。3）CFJD5机械式风速仪用于测试巷道风速、温度湿度计测量巷道空间温湿度、50 m卷尺用于测距定位测点位置等。

2.2 测量方法及步骤1）环境初始参数测量——车辆抵达测试路段后熄火，十分钟后测试环境初始参数，包括：环境风速、环境温度、环境湿度、CO，NO，NO等各尾气成分的浓度等。2）尾气迁移数据测量——车头迎风停靠于巷道内，以汽车排气管为原点，取顺风流方向为正，在距离原点50，15，5，3，0，-3，-5，-15，-50 m处各安放一台检测仪器，测试位置为放置于巷道底板。之后，同时启动检测仪器，并启动车辆，使车辆原地怠速运行40 min，记录40 min内各安装点处的CO，NO，NO浓度。气体测量设备的采样频率设置为1 min采样一次。

3 结果分析

3.1 CO浓度迁移规律图1是以燃油车辆排气管口为原点，沿着顺风流和逆风流方向不同距离测点空气中CO浓度分布。数据显示，燃油车辆原地怠速运行时，排气管出口测得CO的浓度最低为75.7×10，最高为107.4×10。随着尾气由排气管出口排出进入巷道空间内，尾气中的CO迅速被巷道内空气所稀释。距离排气管3 m位置，顺风流方向CO浓度低于2.57×10，逆风流方向CO浓度低于4.6×10。燃油车辆原地怠速运行40 min，沿着顺风流和逆风流方向50 m范围内均分布CO。

考虑到数据的离散性，进一步对图1内数据取平均值，获得CO浓度随着与原点距离的增加的变化趋势，如图2所示。随着距离增加，原点位置CO平均浓度由91.6×10迅速下降到2×10以下，并且呈下降趋势。由距原点3 m开始至50 m范围内，CO平均浓度下降幅度明显降低，并呈波动状态。CO浓度的变化规律表明在风流作用下，CO由燃油车尾气口排出后将立即被稀释，在距离排气口3m以后基本达到稳定状态，之后随着距离的增加CO平均浓度将缓慢下降。

3.2 NO浓度迁移规律图3是以燃油车辆排气管为原点，沿着顺风流和逆风流方向不同距离测点空气中NO浓度分布。数据显示，燃油车辆原地怠速运行时，排气管出口测得NO的浓度最低为14.6×10，最高为23.3×10。随着尾气由排气管出口排出进入巷道空间内，尾气中的NO迅速被巷道内空气所稀释，其余测点测得的NO距离排气管3 m位置，顺风流方向NO浓度低于0.25×10，逆风流方向NO浓度低于1.16×10。

燃油车辆原地怠速运行40 min，沿着顺风流和逆风流方向50 m范围内均分布NO，但是NO浓度与初始环境中NO浓度相近。 由于数据的离散性，对图3内数据取平均值，获得NO濃度随着与原点距离的增加的变化趋势，如图4所示。随着距离增加，原点位置NO平均浓度由18.4×10迅速下降到0.65×10以下，并且呈下降趋势。在原点至-5 m处有短暂的NO浓度升高状态，随后迅速由0.65×10下降到0.22×10以下。由距原点3 m开始至50 m范围内，NO平均浓度下降幅度明显降低，并呈波动状态。NO浓度的变化规律表明在风流作用下，NO由燃油车尾气口排出后将立即被稀释，基本达到稳定状态，浓度不再升高。分析-5 m处NO浓度升高是由于部分NO排出接触地面后，运移至此处，导致部分NO浓度数据升高。

3.3 NO浓度迁移规律图5是以燃油车辆排气管为原点，沿着顺风流和逆风流方向不同距离测点空气中NO浓度分布。数据显示，燃油车辆原地怠速运行时，排气管出口测得NO的浓度最低为26.4×10，最高为43.8×10。随着尾气由排气管出口排出进入巷道空间内，尾气中的NO迅速被巷道内空气所稀释，其余测点测得的NO浓度迅速降低到2.2×10以下，距离排气管3 m位置，顺风流方向NO浓度低于4.45×10，逆风流方向NO浓度低于4.27×10。燃油车辆原地怠速运行40 min，沿着顺风流和逆风流方向50 m范围内均分布NO，NO浓度随着与原点距离的增加呈降低趋势。对图5数据取平均值后，获得NO浓度随着与原点距离的增加的变化趋势，如图6所示。随着距离增加，原点位置NO平均浓度由36.8×10迅速下降到2.2×10以下，呈下降趋势。由距原点3 m开始至50 m范围内，NO平均浓度下降幅度明显降低，呈波动状态。NO浓度的变化规律表明在风流作用下，NO由燃油车尾气口排出后将立即被稀释以及由于其不稳定性，会快速被氧化变为NO，在距离排气口3m以后基本达到稳定状态，浓度不再升高。15 m处NO浓度数据为0×10，经过分析是由于设备原因导致采集数据异常。

4 模拟数据分析

4.1 物理模型数值模拟以现场实测环境与测点位置布置为基础，搭建巷道模型尺寸102 m×6.2 m×4.1 m（长×宽×高），车辆整体尺寸6 m×1.97 m×2.26 m（长×宽×高）。巷道入口风速为0.5 m/s，车辆排气管口流速为2 m/s，湍流模型采用求解采用k-epsilon中的RNG模型，同时开启物质运输模型及管口扩散选项，采用ICEM划分网格及Fluent进行计算。

4.2 结果分析从图7可看出CO从尾气管排放至巷道空间后会在车底区域聚集，局部区域出现CO气体超限问题。扩散至车底的CO会随风流场作用下，向车身后部空间区域运移，由于经过一段距离的运移，气体浓度将明显下降。

图8表明排出的CO受到车体阻碍，风流作用效果减弱，在车身附近空间会存在聚集情况。通过模拟也可以发现，CO的分布在车辆排气管口靠近一侧的巷道行人空间产生明显聚集，且无法通过风流短时间被稀释。

图9是以同样的测点位置布进行的数据采集。数据显示，燃油车辆原地怠速运行时，排气管出口测得CO的浓度最低为88.0×10，最高达到93.4×10。进入巷道空间的气体被迅速稀释浓度降低。距离排气管3 m位置，顺风流方向CO浓度低于0.65×10，沿着顺风流和逆风流方向50 m范围内均分布CO。

对图9内数据取平均值，获得CO浓度随着与原点距离的增加的变化趋势，如图10所示。随着距离增加，原点位置CO平均浓度由93.0×10迅速下降到1.3×10以下，并且呈下降趋势。由距原点3 m开始至50 m范围内，CO平均浓度下降趋势呈现下降趋势。CO浓度的变化规律表明在风流作用下，CO由燃油车尾气口排出后将立即被稀释，在距离排气口3 m以后基本稳定。

数值模拟与现场测试所得的数据存在一定区别，这是由于现场测试环境实际情况更为复杂，气流变化、尾气喷射稳定性等存在差异，而数值模拟为理想状态，运行计算时无其他干扰，致使有关数据的实测与模拟存在不同。数值模拟的最终目的是为了更好表明尾气在巷道空间的运移分布情况，使得实测与模拟相互验证。也为后续探究不同风速对的尾气运移分布提供研究基础。

5 结 论

1）停放于巷道的燃油车辆排气管口CO浓度最低为75.7×10，最高为107.4×10；NO浓度最低为14.6×10，最高为23.3×10；NO浓度最低为26.4×10，最高为43.8×10。

2）燃油车辆尾气排放至巷道后CO，NO以及NO浓度均呈现降低趋势，在距离排气管口位置3 m处均远远低于排气管口处，其中顺风流方向CO浓度最高为2.57×10，逆风流方向CO浓度最高为4.6×10；顺风流方向NO浓度最高为0.25×10，逆风流方向NO浓度最高为1.16×10；顺风流方向NO浓度最高为4.45×10，逆風流方向NO浓度最高为4.27×10。

3）排放至巷道空间的尾气气体会在排气管位置短暂大量聚集与数值模拟结果显示污染物浓度峰值主要存在于排气管附近相同，CO，NO以及NO等尾气排放至巷道空间后经过风流的作用会被迅速稀释，并接近环境数值。此外，排出的CO受到车体阻碍，风流作用效果减弱，在车身附近空间会存在聚集情况。通过模拟也可以发现，CO的分布在靠近车辆排气管口一侧的巷道行人空间产生明显聚集，且无法通过风流短时间被稀释。同时使得模拟结果与实测结果所得出的尾气运移分布规律相互验证。数值模拟的方法也为后续探究不同风速条件对于尾气运移分布提供研究基础。

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