煤礦井下防爆車(chē)輛污染問(wèn)題及發(fā)展方向

張?jiān)诿?李 想 岳 浡

（1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省神木縣，719315；2.加州大學(xué)圣迭戈分校機(jī)械系環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)，美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈市，92101；3.通用電氣公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100004）

柴油機(jī)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)煤礦業(yè)廣泛使用，因其具有熱效率高、單位質(zhì)量發(fā)動(dòng)機(jī)功率大的優(yōu)點(diǎn)受到各大企業(yè)的青睞并幫助中國(guó)的礦業(yè)迅速發(fā)展。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)越來(lái)越成熟，柴油機(jī)的溫室氣體排放量比汽油低45%，熱效率卻高30%，轉(zhuǎn)速低、扭矩大的特點(diǎn)也符合煤礦產(chǎn)業(yè)裝備大型化對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛的要求。

目前，幾乎所有的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛都是采用通用型柴油機(jī)進(jìn)行防爆改裝后下井，進(jìn)排氣的防爆改裝增加了氣體流動(dòng)沿程阻力，降低了氣缸內(nèi)氧氣／燃料比 （與原發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)相比），燃料無(wú)法充分燃燒，進(jìn)而使尾氣中的一氧化碳、氮氧化合物及各類(lèi)富含芳香族化合物的微粒迅速上升。

隨著井下車(chē)輛使用范圍和使用頻率的迅速增加，井下空氣污染日趨嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到所有井下礦工的健康。目前國(guó)際上對(duì)井下空氣污染的法規(guī)日趨嚴(yán)格，美國(guó)90%的井下柴油機(jī)已被摒棄，井下電瓶車(chē)的使用成為了現(xiàn)代煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)際上關(guān)于井下柴油機(jī)污染對(duì)人體危害的研究

2012 年6 月12 日，世界衛(wèi)生組織 （WHO）旗下的國(guó)際癌癥研究所 （IARC）發(fā)表聲明，將柴油機(jī)尾氣由二類(lèi)致癌物升高為一類(lèi)致癌物，即對(duì)人類(lèi)具有比較確鑿肯定的致癌性。由美國(guó)國(guó)家癌癥研究中心 （NCI）和美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全健康中心（NIOSH）共同完成的一項(xiàng)研究顯示，暴露在柴油尾氣環(huán)境內(nèi)的程度越高，患肺癌死亡的幾率就越高，兩者成正比關(guān)系。

研究人員調(diào)查了12315名來(lái)自美國(guó)8個(gè)不同非金屬礦井的礦工，燃燒柴油的重型車(chē)輛在這些礦井被廣泛使用。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，井下工作人員的肺癌發(fā)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(guó)在安全健康問(wèn)題上有非常嚴(yán)格的要求。由于從業(yè)者和行業(yè)管理機(jī)構(gòu)對(duì)井下空氣質(zhì)量的重視，美國(guó)各州的相關(guān)法律的制定和執(zhí)行日趨嚴(yán)格。弗吉尼亞州法律規(guī)定柴油機(jī)單位功率與通風(fēng)量需達(dá)到一定比例，保證井下環(huán)境安全和相對(duì)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(shí)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(jìn)入了井下工作區(qū)域發(fā)現(xiàn)礦井因沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致井下有毒氣體和可吸入顆粒物超標(biāo)，具有極大的安全和健康隱患。即使在美國(guó)如此嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之下，柴油車(chē)輛仍會(huì)導(dǎo)致污染物排放超標(biāo)。為了在可控成本內(nèi)達(dá)到要求，美國(guó)各大礦廠(chǎng)已經(jīng)將主力工作車(chē)輛轉(zhuǎn)型為蓄電池車(chē)輛。

由于電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修保養(yǎng)便宜，車(chē)輛購(gòu)置成本低，無(wú)燃油消耗，充電成本與同等噸位柴油車(chē)輛燃油成本相比幾乎可以忽略不計(jì)等優(yōu)勢(shì)，北美采礦工業(yè)的經(jīng)營(yíng)者意識(shí)到，即使不考慮工人的健康或與之相關(guān)的職業(yè)病賠償責(zé)任，換裝電氣化車(chē)輛也是符合降低經(jīng)營(yíng)成本的大趨勢(shì)。

2 中國(guó)井下柴油機(jī)使用現(xiàn)狀

近10年，中國(guó)國(guó)有特大型高產(chǎn)高效煤礦單井柴油機(jī)車(chē)輛數(shù)量和總功率已經(jīng)趕上并超過(guò)美國(guó)。生產(chǎn)廠(chǎng)家更是在10年內(nèi)發(fā)展到數(shù)十家，這些車(chē)輛均已取得煤安標(biāo)志認(rèn)證，進(jìn)行過(guò)防爆改裝。其中，絕大部分都是把通用機(jī)械使用的普通柴油機(jī)加裝進(jìn)排氣干式阻火器進(jìn)行防爆改裝，并未對(duì)柴油機(jī)從原理上進(jìn)行調(diào)校，造成油耗急劇上升，燃燒不充分，污染物排放嚴(yán)重。

3 中國(guó)煤礦空氣污染的相關(guān)法規(guī)和實(shí)際應(yīng)用分析

與美國(guó)西弗吉尼亞州的法規(guī)不同，中國(guó)的 《煤礦安全規(guī)程》中還沒(méi)有關(guān)于通風(fēng)量與井下柴油機(jī)功率關(guān)聯(lián)的限制，如果把井下柴油機(jī)的總功率與整體通風(fēng)量掛鉤，可以很容易控制井下空氣質(zhì)量。但《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)通風(fēng)量的規(guī)定還與20年前基本相同，說(shuō)明法規(guī)的制定沒(méi)有緊跟技術(shù)進(jìn)步的步伐。當(dāng)前 《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于通風(fēng)的主要規(guī)定，按井下同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算，供給風(fēng)量不得少于4m3／人·min。井巷中的允許風(fēng)流速度見(jiàn)表1。

表1 《煤礦安全規(guī)程》中井巷中的允許風(fēng)流速度

《煤礦安全規(guī)程》給出了相關(guān)指標(biāo)，采掘工作面的進(jìn)風(fēng)流中，O2濃度不低于20%，CO2濃度不超過(guò)0.5%。有害氣體的濃度見(jiàn)表2。

表2 《煤礦安全規(guī)程》中有害氣體濃度指標(biāo)

以國(guó)產(chǎn)40 T 液壓支架搬運(yùn)車(chē)輛 （功率200 kW，耗油235g／kWh）為例計(jì)算CO 和NOx 排放：

式中：W車(chē)——車(chē)輛功率，kW；

L耗——車(chē)輛油耗，kg／kWh；

V總——排氣量，m3／h；

K ——單位柴油產(chǎn)生廢氣系數(shù)，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(fēng)總量，m3／h；

S——主進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷風(fēng)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(shè)氣體擴(kuò)散速度充分大，有害氣體在巷道內(nèi)均勻分布，經(jīng)計(jì)算得出：

ρCO=0.000104%

ρNOx=0.000103%

在通風(fēng)良好的環(huán)境下，1臺(tái)國(guó)產(chǎn)柴油支架搬運(yùn)車(chē)輛可令空氣中CO 濃度達(dá)到0.000104%，氮氧化合物濃度達(dá)到0.000103%。因此，即使在通風(fēng)條件達(dá)到最佳，進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)速達(dá)到最大，井下同時(shí)運(yùn)行2臺(tái)國(guó)產(chǎn)柴油支架搬運(yùn)車(chē)輛也會(huì)導(dǎo)致NOx數(shù)值超標(biāo) （標(biāo)準(zhǔn)為0.00025%）。

在晉陜蒙一帶地質(zhì)條件較好的高產(chǎn)高效大型煤礦，普遍使用大型柴油機(jī)特種車(chē)輛作為輔助運(yùn)輸車(chē)輛，在綜采工作面設(shè)備安裝回撤期間，輔運(yùn)巷道內(nèi)平均有4 臺(tái)55 T 框架式支架搬運(yùn)車(chē) （功率240 kW，耗油225g／kWh）和3臺(tái)25T 鏟鈑式支架搬運(yùn)車(chē) （功率170kW，耗油187g／kWh）同時(shí)運(yùn)行，輔運(yùn)大巷實(shí)測(cè)風(fēng)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(jī)特種車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化合物、CO 都超過(guò)了 《煤礦安全規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)。此實(shí)際監(jiān)測(cè)值與上文理論計(jì)算相比偏高的原因主要是氣體擴(kuò)散不均勻，車(chē)輛周?chē)泻怏w濃度上升，且由于柴油車(chē)輛普遍采用干式阻火器，在工作過(guò)一段時(shí)間后阻火器堵塞造成進(jìn)排氣不暢，降低燃燒效率，實(shí)際尾氣排放濃度高于國(guó)家規(guī)定。

4 井下車(chē)輛未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

柴油車(chē)輛的危害目前已受到各方重視，各大煤炭集團(tuán)都在與傳統(tǒng)煤機(jī)裝備制造業(yè)之外的高技術(shù)行業(yè)一起積極開(kāi)展研究，尋找柴油車(chē)輛的替代方案。目前的研究方向主要集中在電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，包括蓄電池與電纜驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

電纜驅(qū)動(dòng)車(chē)輛具有設(shè)備自重輕、續(xù)航能力好的優(yōu)點(diǎn)，但受制于電纜布置，行駛范圍限制較大，同時(shí)采用拖曳電纜方式的電驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛會(huì)遇到電纜磨損問(wèn)題，增加后期運(yùn)營(yíng)成本。目前主要使用為固定線(xiàn)路的梭車(chē)，運(yùn)煤車(chē)等短距離運(yùn)輸車(chē)輛。

蓄電池車(chē)輛具有靈活性好，適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，目前進(jìn)口車(chē)輛主要生產(chǎn)廠(chǎng)家為通用電氣和卡特彼勒，主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)從直流驅(qū)動(dòng)升級(jí)為交流變頻驅(qū)動(dòng)。車(chē)輛類(lèi)型發(fā)展較快，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出5T多功能裝載機(jī)到80T 鏟板式支架搬運(yùn)車(chē)等眾多類(lèi)型。通用電氣將在露天煤礦取得巨大成功的電動(dòng)輪技術(shù)INVERTEX 小型化應(yīng)用到5～22t井下多功能車(chē)，該技術(shù)集成動(dòng)能回收系統(tǒng)和更高效可靠的交流變頻系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)車(chē)輛電能利用率低、保養(yǎng)復(fù)雜、重載下坡容易飛車(chē)造成直流電機(jī)損壞的問(wèn)題。卡特彼勒則在中國(guó)煤礦設(shè)備大型化需求的推動(dòng)下，開(kāi)發(fā)出噸位更大的蓄電池支架搬運(yùn)車(chē)，使中國(guó)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(guó)內(nèi)廠(chǎng)家由于沒(méi)有獨(dú)立研發(fā)電驅(qū)動(dòng)的技術(shù)儲(chǔ)備，目前進(jìn)展還比較緩慢，沒(méi)有開(kāi)發(fā)出可以滿(mǎn)足至少運(yùn)行8h不需要中途更換電池的重型車(chē)輛，且可靠性、自重、驅(qū)動(dòng)效率和電機(jī)性能均與國(guó)外廠(chǎng)家有較大差距。

目前限制蓄電池車(chē)輛徹底完全替代柴油車(chē)輛的主要障礙在于蓄電池的續(xù)航能力。但近10年來(lái)鋰電池、鈉鹽電池和超級(jí)電容等新電池技術(shù)的迅速發(fā)展使這一目標(biāo)必將在不遠(yuǎn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前相對(duì)過(guò)剩的柴油機(jī)車(chē)輛也將隨著電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的出現(xiàn)逐步被淘汰，這一實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)我國(guó)煤機(jī)裝備制造業(yè)而言將是巨大的歷史機(jī)遇。

［1］ 郭文娟.煤礦井下蓄電池?zé)o軌輔助運(yùn)輸車(chē)輛技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ［J］.中國(guó)煤炭，2013 （11）

［2］ 石嵐.CLX3型防爆膠輪鏟運(yùn)車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) ［J］.中國(guó)煤炭，2011 （7）

［3］ 姜漢軍.礦井輔助運(yùn)輸設(shè)備 ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008