張在明 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)境工程專業(yè)，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(qū)，100004）

柴油機(jī)防爆發(fā)動機(jī)在國內(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)的青睞并幫助中國的礦業(yè)迅速發(fā)展。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，柴油發(fā)動機(jī)的技術(shù)越來越成熟，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)裝備大型化對運(yùn)輸車輛的要求。

目前，幾乎所有的柴油機(jī)驅(qū)動車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沿程阻力，降低了氣缸內(nèi)氧氣／燃料比 （與原發(fā)動機(jī)設(shè)計相比），燃料無法充分燃燒，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(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)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(guī)日趨嚴(yán)格，美國90%的井下柴油機(jī)已被摒棄，井下電瓶車的使用成為了現(xiàn)代煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

1 國際上關(guān)于井下柴油機(jī)污染對人體危害的研究

2012 年6 月12 日，世界衛(wèi)生組織 （WHO）旗下的國際癌癥研究所 （IARC）發(fā)表聲明，將柴油機(jī)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(yè)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(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(jīng)過實驗對比，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。

美國在安全健康問題上有非常嚴(yán)格的要求。由于從業(yè)者和行業(yè)管理機(jī)構(gòu)對井下空氣質(zhì)量的重視，美國各州的相關(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(jìn)入了井下工作區(qū)域發(fā)現(xiàn)礦井因沒有達(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。即使在美國如此嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之下，柴油車輛仍會導(dǎo)致污染物排放超標(biāo)。為了在可控成本內(nèi)達(dá)到要求，美國各大礦廠已經(jīng)將主力工作車輛轉(zhuǎn)型為蓄電池車輛。

由于電驅(qū)動車輛具有結(jié)構(gòu)簡單，維修保養(yǎng)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(yōu)勢，北美采礦工業(yè)的經(jīng)營者意識到，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，換裝電氣化車輛也是符合降低經(jīng)營成本的大趨勢。

2 中國井下柴油機(jī)使用現(xiàn)狀

近10年，中國國有特大型高產(chǎn)高效煤礦單井柴油機(jī)車輛數(shù)量和總功率已經(jīng)趕上并超過美國。生產(chǎn)廠家更是在10年內(nèi)發(fā)展到數(shù)十家，這些車輛均已取得煤安標(biāo)志認(rèn)證，進(jìn)行過防爆改裝。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 中國煤礦空氣污染的相關(guān)法規(guī)和實際應(yīng)用分析

與美國西弗吉尼亞州的法規(guī)不同，中國的 《煤礦安全規(guī)程》中還沒有關(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，說明法規(guī)的制定沒有緊跟技術(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，按井下同時工作的最多人數(shù)計算，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0.5%。有害氣體的濃度見表2。

表2 《煤礦安全規(guī)程》中有害氣體濃度指標(biāo)

以國產(chǎn)40 T 液壓支架搬運(yùn)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(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)計算得出：

ρCO=0.000104%

ρNOx=0.000103%

在通風(fēng)良好的環(huán)境下，1臺國產(chǎn)柴油支架搬運(yùn)車輛可令空氣中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，井下同時運(yùn)行2臺國產(chǎn)柴油支架搬運(yùn)車輛也會導(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)特種車輛作為輔助運(yùn)輸車輛，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55 T 框架式支架搬運(yùn)車 （功率240 kW，耗油225g／kWh）和3臺25T 鏟鈑式支架搬運(yùn)車 （功率170kW，耗油187g／kWh）同時運(yùn)行，輔運(yùn)大巷實測風(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)特種車輛在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氮氧化合物、CO 都超過了 《煤礦安全規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)。此實際監(jiān)測值與上文理論計算相比偏高的原因主要是氣體擴(kuò)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(jìn)排氣不暢，降低燃燒效率，實際尾氣排放濃度高于國家規(guī)定。

4 井下車輛未來發(fā)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(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(qū)動車輛，包括蓄電池與電纜驅(qū)動車輛。

電纜驅(qū)動車輛具有設(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，同時采用拖曳電纜方式的電驅(qū)動的車輛會遇到電纜磨損問題，增加后期運(yùn)營成本。目前主要使用為固定線路的梭車，運(yùn)煤車等短距離運(yùn)輸車輛。

蓄電池車輛具有靈活性好，適用范圍廣的優(yōu)勢，目前進(jìn)口車輛主要生產(chǎn)廠家為通用電氣和卡特彼勒，主流驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)從直流驅(qū)動升級為交流變頻驅(qū)動。車輛類型發(fā)展較快，目前已經(jīng)開發(fā)出5T多功能裝載機(jī)到80T 鏟板式支架搬運(yùn)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(shù)INVERTEX 小型化應(yīng)用到5～22t井下多功能車，該技術(shù)集成動能回收系統(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)動車輛電能利用率低、保養(yǎng)復(fù)雜、重載下坡容易飛車造成直流電機(jī)損壞的問題?？ㄌ乇死談t在中國煤礦設(shè)備大型化需求的推動下，開發(fā)出噸位更大的蓄電池支架搬運(yùn)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(nèi)廠家由于沒有獨(dú)立研發(fā)電驅(qū)動的技術(shù)儲備，目前進(jìn)展還比較緩慢，沒有開發(fā)出可以滿足至少運(yùn)行8h不需要中途更換電池的重型車輛，且可靠性、自重、驅(qū)動效率和電機(jī)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(xù)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(shù)的迅速發(fā)展使這一目標(biāo)必將在不遠(yuǎn)的將來實現(xiàn)，目前相對過剩的柴油機(jī)車輛也將隨著電驅(qū)動車輛的出現(xiàn)逐步被淘汰，這一實現(xiàn)過程對我國煤機(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)輸車輛技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ［J］.中國煤炭，2013 （11）

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

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