風(fēng)流場作用下煤礦井下燃油車輛尾氣遷移規(guī)律

苗彥平，石高峰，涂慶毅，惠雙琳，鄭旭鶴，王宏梁，折 剛

(1.陜煤集團 神木紅柳林礦業(yè)公司，陜西 榆林 719000；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；4.陜煤集團 陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引 言

煤礦機械化、無人化采煤程度的增加，使得現(xiàn)有煤礦開采趨向于無人智慧開采，導(dǎo)致現(xiàn)場需要大量機械裝備與運輸工具，而輔助運輸車輛的廣泛使用，會面臨在原有煤礦固有災(zāi)害中，會增加井下柴油尾氣污染治理問題[1-4]。煤礦柴油尾氣產(chǎn)生主要是由于井下輔助運輸以及運人運料所使用的防爆柴油機無軌膠輪車發(fā)動機經(jīng)過發(fā)動機所產(chǎn)生排放的[5-8]。柴油尾氣中所含的CO，NOx、碳煙顆粒、碳?xì)浠衔?、可吸入性固體顆粒、含鉛化合物等會隨著巷道風(fēng)流擴散，會對巷道環(huán)境以及人體長時間吸入會造成損害或中毒[9-11]，導(dǎo)致人體缺氧中毒、動脈硬化、損害皮膚以及呼吸道黏膜等[12-15]。大量的CO氣體聚集具有爆炸性，達(dá)到一定濃度時，遇火源爆炸，超量的CO排放不利于礦井對于有毒有害氣體的管理，對井下生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[16-17]。

國內(nèi)外學(xué)者對于煤礦燃油尾氣治理進(jìn)行了相應(yīng)的研究。張金貴等采用CFD方法和動網(wǎng)格技術(shù)，數(shù)值模擬隧道內(nèi)汽車尾氣污染擴散，發(fā)現(xiàn)沒有其他通風(fēng)的隧道內(nèi)，運動車輛污染物分布靠近地面，運動汽車后會形成高速風(fēng)帶，對污染物縱向擴散起到關(guān)鍵作用[18]；張朝能等對機動車尾氣擴散模型進(jìn)行回顧總結(jié)，主要分為綜合擴散模式、開闊道路線源擴散模式、交叉口道路擴散模式以及街道峽谷擴散模式，并對其優(yōu)缺點及適用性進(jìn)行總結(jié)，提出模型本土化需要解決問題及未來研究趨勢[19]；崔翔等運用Fluent對高海拔掘進(jìn)工作面尾氣規(guī)律運移進(jìn)行數(shù)值模擬，得出高海拔礦井掘進(jìn)工作面風(fēng)量與內(nèi)燃機功率呈現(xiàn)正相關(guān)行，需要增大壓入式通風(fēng)量解決巷道尾氣污染問題[20]；張國梁等在基于海拔高度以及紊流擴散理論的基礎(chǔ)上，建立高海拔氣體擴散模型，發(fā)現(xiàn)靠近工作面的迎頭位置CO分布不均勻，靠近出口方向CO分布逐漸平穩(wěn)，同時發(fā)現(xiàn)所建立的模型說明需風(fēng)量隨海拔的升高呈非線性增加[21]；趙海興針對長距離傾斜巷道車輛在上坡階段尾氣排放超標(biāo)和油耗大問題，在降低體積載荷比，提高附著力等設(shè)計出適合實際的防爆無軌膠輪車[22]；劉坡等提出基于3DGIS的機動車尾氣擴散建模和可視化框架用于擴散過程建模和體視化分析的研究，動態(tài)表達(dá)機動車尾氣的擴散過程[23]；王瑩等針對機動車尾氣擴散過程的三維動態(tài)可視化表達(dá)方法，用于研究動車尾氣擴散規(guī)律，研究CALINE4模型，考慮道路特征和風(fēng)向；模擬城市道路機動車尾氣擴散過程，生成時間序列的體過程數(shù)據(jù)，從而得到CO,NOx等機動車污染氣體的擴散及分布情況[24]，王嘉松等通過數(shù)值模擬和觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1～4 m內(nèi)污染物濃度迅速衰減，并在人體呼吸帶高度依然存在高濃度污染區(qū)情況發(fā)生[25]。

雖然學(xué)者通過研究尾氣污染治理提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，但是針對尾氣運移的問題，受到現(xiàn)場實際的因素限制，以及還未被廣泛重視的原因，對于普遍性的礦井尾氣運移探索還較少，現(xiàn)有的研究通常通過結(jié)合現(xiàn)場實際的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合研究尾氣污染物的運移分布規(guī)律。但在實際中，受到邊界條件等的影響，如尾氣車輛的實際排量，質(zhì)量流量等，使得相關(guān)研究無法很好契合實際情況。為了研究柴油主要尾氣污染物的運移分布規(guī)律，文中基于陜北礦區(qū)紅柳林煤礦15206內(nèi)撤架巷為測試區(qū)域，使用三合一氣體檢測儀對區(qū)域內(nèi)停放車輛怠速狀態(tài)下的CO,NO和NO2濃度進(jìn)行采集，分析3種主要尾氣污物的運移分布規(guī)律。

1 測試區(qū)域

測試礦井選擇陜北礦區(qū)紅柳林煤礦，紅柳林煤礦位于陜西省陜北黃土高原北部，地處神木市西北15 km處，井田南北寬8 km，東西長20 km，井田面積138 km2。礦區(qū)內(nèi)煤層屬于淺埋煤層，采用斜井的開采模式。井下人、物輸運主要靠燃油車輛，其中燃油車輛的種類包括防爆皮卡、雙排人車、防爆人車、防爆指揮車、雙頭膠輪車等。測試巷道為15206內(nèi)撤架巷，巷道尺寸6.0 m×4.8 m(寬×高)。測試前對巷道中部風(fēng)速、溫度、濕度、CO濃度、NO濃度和NO2濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

表1 測試巷道環(huán)境參數(shù)

2 測試設(shè)備和步驟

2.1 測試車型及測量設(shè)備

1)測試車型：WC19R(A)防爆柴油機無軌膠輪車，外觀尺寸為6 m×1.97 m×2.26 m(長×寬×高)，排氣管位于車輛底盤。

2)PGD4-C-M3便攜式三合一氣體檢測儀：精度為≤±3%(F.S)，根據(jù)出廠設(shè)置可同時測量CO，NO，NO2。測試并記錄各測點處的CO，NO，NO2的濃度。

3)CFJD5機械式風(fēng)速儀用于測試巷道風(fēng)速、溫度濕度計測量巷道空間溫濕度、50 m卷尺用于測距定位測點位置等。

2.2 測量方法及步驟

1)環(huán)境初始參數(shù)測量——車輛抵達(dá)測試路段后熄火，十分鐘后測試環(huán)境初始參數(shù)，包括：環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、CO，NO，NO2等各尾氣成分的濃度等。

2)尾氣遷移數(shù)據(jù)測量——車頭迎風(fēng)停靠于巷道內(nèi)，以汽車排氣管為原點，取順風(fēng)流方向為正，在距離原點50，15，5，3，0，-3，-5，-15，-50 m處各安放一臺檢測儀器，測試位置為放置于巷道底板。之后，同時啟動檢測儀器，并啟動車輛，使車輛原地怠速運行40 min，記錄40 min內(nèi)各安裝點處的CO，NO，NO2濃度。氣體測量設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為1 min采樣一次。

3 結(jié)果分析

3.1 CO濃度遷移規(guī)律

圖1是以燃油車輛排氣管口為原點，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向不同距離測點空氣中CO濃度分布。數(shù)據(jù)顯示，燃油車輛原地怠速運行時，排氣管出口測得CO的濃度最低為75.7×10-6，最高為107.4×10-6。隨著尾氣由排氣管出口排出進(jìn)入巷道空間內(nèi)，尾氣中的CO迅速被巷道內(nèi)空氣所稀釋。距離排氣管3 m位置，順風(fēng)流方向CO濃度低于2.57×10-6，逆風(fēng)流方向CO濃度低于4.6×10-6。燃油車輛原地怠速運行40 min，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向50 m范圍內(nèi)均分布CO。

考慮到數(shù)據(jù)的離散性，進(jìn)一步對圖1內(nèi)數(shù)據(jù)取平均值，獲得CO濃度隨著與原點距離的增加的變化趨勢，如圖2所示。隨著距離增加，原點位置CO平均濃度由91.6×10-6迅速下降到2×10-6以下，并且呈下降趨勢。由距原點3 m開始至50 m范圍內(nèi)，CO平均濃度下降幅度明顯降低，并呈波動狀態(tài)。CO濃度的變化規(guī)律表明在風(fēng)流作用下，CO由燃油車尾氣口排出后將立即被稀釋，在距離排氣口3m以后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，之后隨著距離的增加CO平均濃度將緩慢下降。

3.2 NO2濃度遷移規(guī)律

圖3是以燃油車輛排氣管為原點，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向不同距離測點空氣中NO2濃度分布。數(shù)據(jù)顯示，燃油車輛原地怠速運行時，排氣管出口測得NO2的濃度最低為14.6×10-6，最高為23.3×10-6。隨著尾氣由排氣管出口排出進(jìn)入巷道空間內(nèi)，尾氣中的NO2迅速被巷道內(nèi)空氣所稀釋，其余測點測得的NO2距離排氣管3 m位置，順風(fēng)流方向NO2濃度低于0.25×10-6，逆風(fēng)流方向NO2濃度低于1.16×10-6。燃油車輛原地怠速運行40 min，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向50 m范圍內(nèi)均分布NO2，但是NO2濃度與初始環(huán)境中NO2濃度相近。

由于數(shù)據(jù)的離散性，對圖3內(nèi)數(shù)據(jù)取平均值，獲得NO2濃度隨著與原點距離的增加的變化趨勢，如圖4所示。隨著距離增加，原點位置NO2平均濃度由18.4×10-6迅速下降到0.65×10-6以下，并且呈下降趨勢。在原點至-5 m處有短暫的NO2濃度升高狀態(tài)，隨后迅速由0.65×10-6下降到0.22×10-6以下。由距原點3 m開始至50 m范圍內(nèi)，NO2平均濃度下降幅度明顯降低，并呈波動狀態(tài)。NO2濃度的變化規(guī)律表明在風(fēng)流作用下，NO2由燃油車尾氣口排出后將立即被稀釋，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，濃度不再升高。分析-5 m處NO2濃度升高是由于部分NO2排出接觸地面后，運移至此處，導(dǎo)致部分NO2濃度數(shù)據(jù)升高。

航空制造業(yè)領(lǐng)域知識本身的屬性可以通過其包含、相關(guān)或互動的數(shù)據(jù)所描述。因此蘊含不同的信息的知識元(Ke，構(gòu)成知識結(jié)構(gòu)的最小元素，最基本的原子概念)形式、結(jié)構(gòu)、屬性各不相同，在聚合為知識族后，利用相似度對航空制造業(yè)領(lǐng)域知識關(guān)聯(lián)進(jìn)行判斷[9]。為了判斷知識元的相似度，本文應(yīng)用加權(quán)歐幾里德距離衡量知識元Kei和Kej間的區(qū)別度，即：

3.3 NO濃度遷移規(guī)律

圖5是以燃油車輛排氣管為原點，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向不同距離測點空氣中NO濃度分布。數(shù)據(jù)顯示，燃油車輛原地怠速運行時，排氣管出口測得NO的濃度最低為26.4×10-6，最高為43.8×10-6。隨著尾氣由排氣管出口排出進(jìn)入巷道空間內(nèi)，尾氣中的NO迅速被巷道內(nèi)空氣所稀釋，其余測點測得的NO濃度迅速降低到2.2×10-6以下，距離排氣管3 m位置，順風(fēng)流方向NO濃度低于4.45×10-6，逆風(fēng)流方向NO濃度低于4.27×10-6。燃油車輛原地怠速運行40 min，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向50 m范圍內(nèi)均分布NO，NO濃度隨著與原點距離的增加呈降低趨勢。

對圖5數(shù)據(jù)取平均值后，獲得NO濃度隨著與原點距離的增加的變化趨勢，如圖6所示。隨著距離增加，原點位置NO平均濃度由36.8×10-6迅速下降到2.2×10-6以下，呈下降趨勢。由距原點3 m開始至50 m范圍內(nèi)，NO平均濃度下降幅度明顯降低，呈波動狀態(tài)。NO濃度的變化規(guī)律表明在風(fēng)流作用下，NO由燃油車尾氣口排出后將立即被稀釋以及由于其不穩(wěn)定性，會快速被氧化變?yōu)镹O2，在距離排氣口3m以后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，濃度不再升高。15 m處NO濃度數(shù)據(jù)為0×10-6，經(jīng)過分析是由于設(shè)備原因?qū)е虏杉瘮?shù)據(jù)異常。

4 模擬數(shù)據(jù)分析

4.1 物理模型

數(shù)值模擬以現(xiàn)場實測環(huán)境與測點位置布置為基礎(chǔ)，搭建巷道模型尺寸102 m×6.2 m×4.1 m(長×寬×高)，車輛整體尺寸6 m×1.97 m×2.26 m(長×寬×高)。

巷道入口風(fēng)速為0.5 m/s，車輛排氣管口流速為2 m/s，湍流模型采用求解采用k-epsilon中的RNG模型，同時開啟物質(zhì)運輸模型及管口擴散選項，采用ICEM劃分網(wǎng)格及Fluent進(jìn)行計算。

4.2 結(jié)果分析

從圖7可看出CO從尾氣管排放至巷道空間后會在車底區(qū)域聚集，局部區(qū)域出現(xiàn)CO氣體超限問題。擴散至車底的CO會隨風(fēng)流場作用下，向車身后部空間區(qū)域運移，由于經(jīng)過一段距離的運移，氣體濃度將明顯下降。

圖8表明排出的CO受到車體阻礙，風(fēng)流作用效果減弱，在車身附近空間會存在聚集情況。通過模擬也可以發(fā)現(xiàn)，CO的分布在車輛排氣管口靠近一側(cè)的巷道行人空間產(chǎn)生明顯聚集，且無法通過風(fēng)流短時間被稀釋。

圖9是以同樣的測點位置布進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)顯示，燃油車輛原地怠速運行時，排氣管出口測得CO的濃度最低為88.0×10-6，最高達(dá)到93.4×10-6。進(jìn)入巷道空間的氣體被迅速稀釋濃度降低。距離排氣管3 m位置，順風(fēng)流方向CO濃度低于0.65×10-6，沿著順風(fēng)流和逆風(fēng)流方向50 m范圍內(nèi)均分布CO。

對圖9內(nèi)數(shù)據(jù)取平均值，獲得CO濃度隨著與原點距離的增加的變化趨勢，如圖10所示。隨著距離增加，原點位置CO平均濃度由93.0×10-6迅速下降到1.3×10-6以下，并且呈下降趨勢。由距原點3 m開始至50 m范圍內(nèi)，CO平均濃度下降趨勢呈現(xiàn)下降趨勢。CO濃度的變化規(guī)律表明在風(fēng)流作用下，CO由燃油車尾氣口排出后將立即被稀釋，在距離排氣口3 m以后基本穩(wěn)定。

數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試所得的數(shù)據(jù)存在一定區(qū)別，這是由于現(xiàn)場測試環(huán)境實際情況更為復(fù)雜，氣流變化、尾氣噴射穩(wěn)定性等存在差異，而數(shù)值模擬為理想狀態(tài)，運行計算時無其他干擾，致使有關(guān)數(shù)據(jù)的實測與模擬存在不同。數(shù)值模擬的最終目的是為了更好表明尾氣在巷道空間的運移分布情況，使得實測與模擬相互驗證。也為后續(xù)探究不同風(fēng)速對的尾氣運移分布提供研究基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

1)停放于巷道的燃油車輛排氣管口CO濃度最低為75.7×10-6，最高為107.4×10-6；NO2濃度最低為14.6×10-6，最高為23.3×10-6；NO濃度最低為26.4×10-6，最高為43.8×10-6。

2)燃油車輛尾氣排放至巷道后CO，NO2以及NO濃度均呈現(xiàn)降低趨勢，在距離排氣管口位置3 m處均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排氣管口處，其中順風(fēng)流方向CO濃度最高為2.57×10-6，逆風(fēng)流方向CO濃度最高為4.6×10-6；順風(fēng)流方向NO2濃度最高為0.25×10-6，逆風(fēng)流方向NO2濃度最高為1.16×10-6；順風(fēng)流方向NO濃度最高為4.45×10-6，逆風(fēng)流方向NO濃度最高為4.27×10-6。

3)排放至巷道空間的尾氣氣體會在排氣管位置短暫大量聚集與數(shù)值模擬結(jié)果顯示污染物濃度峰值主要存在于排氣管附近相同，CO，NO2以及NO等尾氣排放至巷道空間后經(jīng)過風(fēng)流的作用會被迅速稀釋，并接近環(huán)境數(shù)值。此外，排出的CO受到車體阻礙，風(fēng)流作用效果減弱，在車身附近空間會存在聚集情況。通過模擬也可以發(fā)現(xiàn)，CO的分布在靠近車輛排氣管口一側(cè)的巷道行人空間產(chǎn)生明顯聚集，且無法通過風(fēng)流短時間被稀釋。同時使得模擬結(jié)果與實測結(jié)果所得出的尾氣運移分布規(guī)律相互驗證。數(shù)值模擬的方法也為后續(xù)探究不同風(fēng)速條件對于尾氣運移分布提供研究基礎(chǔ)。