受限矿井空间中一氧化碳扩散与分布的尺度实验模型研究：对柴油车尾气污染控制的意义

《International Journal of Coal Science & Technology》：The diffusion and distribution of CO in confined mine spaces: A scaled experimental model approach

为解决受限矿井空间中柴油车尾气污染问题，特别是CO局部浓度超标的健康风险，研究人员通过自主研发的柴油尾气实验平台，以风速为变量开展了CO扩散与分布特性研究。结果表明：CO浓度随距排气管距离增加呈“三区”模式下降（从95.1 ppm降至9.5 ppm，降幅90.01%），且风速>0.5 m/s时可加速稀释。该研究为矿井受限空间尾气治理提供了工程指导。

　　

在内蒙古、陕西等地的煤矿井下，柴油车是主要的运输工具，但它们的广泛使用也带来了一个严峻的问题：在狭窄的矿井巷道中，柴油尾气污染日益严重。其中，一氧化碳（CO）作为尾气中的主要污染物，其局部浓度常常超过24 ppm的安全限值，对矿工的健康构成了显著威胁。尤其是在像红柳林煤矿这样的矿井中，大量防爆皮卡、人车和料车同时作业，使得工作面的CO浓度环境更加复杂。解决受限地下空间中柴油机尾气的CO污染，对于实现煤矿空气质量控制至关重要。

以往的研究多依赖于计算流体动力学（CFD）数值模拟来研究尾气扩散，但在复杂的矿井环境条件下，仅靠理想化的模拟难以完全反映真实情况。为了更真实地揭示柴油尾气在矿井中的迁移和扩散机制，将实验室研究、数值模拟与现场实测相结合变得尤为必要。此前的一些尺度模型存在局限性，例如缺少完整的进回风巷道系统，或未使用真实的柴油机尾气。因此，构建一个完整的、按比例缩小的实验系统，并采用真实柴油机进行实验，对于提高研究结果的可靠性和准确性具有重要意义。

本研究利用自主研发的车辆尾气运输模拟实验平台，该平台以红柳林煤矿25211综采工作面为原型，几何相似比为1:5，并采用了真实的五十铃4JB1柴油机。实验平台采用了抽出式U型通风系统，通过调节风机频率和风阀来控制巷道中的风速。研究人员使用复合四合一气体探测器监测CO浓度，并利用风速传感器实时记录风速变化。实验重点测量了柴油车辆怠速或停放在巷道中时排放的CO浓度，旨在验证实验模型的可靠性，并为未来的矿井尾气管理提供新的数据和方法。

研究采用的关键技术方法包括： 基于相似理论（遵循雷诺数Re、粗糙度φ/D和几何相似D/L准则）构建的1:5几何相似实验巷道系统；采用真实柴油机（五十铃4JB1）作为尾气源；通过抽出式U型通风系统和变频控制系统精确调控巷道风速（0.1-2.0 m/s）；使用固定式复合四合一气体探测器监测CO浓度分布；并结合Fluent数值模拟（采用组分运输模型、k-ε (RNG) 湍流模型和标准壁函数）对CO扩散过程进行可视化分析。

3.1 CO浓度变化规律

实验结果表明，在巷道风速为1 m/s的条件下，CO浓度随距离排气管口距离的增加而呈现明显的下降趋势。通过曲线拟合得到关系式：y = 4.28 + 95.17 × 0.084^x。CO浓度从排气管口（0米）的95.1 ppm迅速下降至0.1米处的75.1 ppm，0.6米处的20.1 ppm，直至1.5米处的9.5 ppm，总体降幅达90.01%。这种变化遵循质量守恒定律和物种输运方程，浓度衰减与风速成正比，风速越大，CO稀释和衰减越快。

3.2 CO浓度的扩散特性

3.2.1 不同风速下的CO浓度

在0.1-2.0 m/s的风速范围内，巷道内的CO浓度均在约0.1米处开始快速下降，整体呈递减趋势。低风速（0.1-0.5 m/s）下CO浓度下降速率较低，而高风速（1.0-2.0 m/s）下下降速率显著加快，表明增加风速能有效促进CO的稀释扩散。

3.2.2 CO浓度变化特征

分析表明，CO浓度降至安全浓度24 ppm所需的传输距离在0.5至0.7米之间，平均为0.558米。在1.5米处，CO浓度相较于排气管口初始浓度的下降百分比可达94.83%（无风条件下仅为68.74%）。保持巷道合理风速在0.9 m/s左右可显著提高矿井巷道安全性。相关性分析显示，在风速大于0.5 m/s时，CO浓度与距离的负相关性增强。

3.2.3 CO浓度分布特征

从统计学角度分析，峰度（Kurtosis）和偏度（Skewness）揭示了CO浓度的分布pattern。无风时峰度大于0，分布呈尖峰态；有风时峰度小于0，分布更平坦，表明气流使CO浓度稀释更均匀。在0.9 m/s风速下，峰度最高（1.78），稀释效果最显著。所有风速条件下偏度均为正值（右偏），表明浓度数据偏向排气管口附近的高值区域，0.9 m/s时偏度最大，反映了CO在气流作用下的快速扩散稀释。

3.2.4 现场数据采集

将红柳林煤矿15220采工作面辅助运输巷道的现场CO浓度监测数据与实验数据进行对比，两者变化趋势高度相似。现场条件下，CO浓度在传输至1.5米时下降了79.4%，而实验条件下下降了78.9%。在0.1至0.6米区间，现场CO浓度下降率（95.2%）高于实验值，这归因于现场巷道风流的对流效应和车辆运动产生的湍流加速了CO稀释。结果表明实验装置能较好地模拟柴油车排放后辅助运输巷道中的CO浓度变化。

3.3 CO扩散模拟

利用Fluent进行数值模拟，可视化柴油机尾气在实验条件下的CO扩散过程。数值模型与实验平台尺寸一致，网格正交质量高于0.37。模拟采用组分运输模型、k-ε (RNG) 湍流模型和标准壁函数，入口风速设为0.7 m/s，CO初始排放浓度校准为120 ppm。

4.1 区域浓度变化

数值模拟和实验结果均表明CO浓度呈现“三区”变化模式：I区（0-0.1米），由于强烈的分子运动和浓度梯度，CO浓度从95.1 ppm迅速降至75.1 ppm；II区（0.1-0.6米），在巷道风流的对流和CO自身扩散的共同作用下，浓度进一步降至20.1 ppm；III区（0.6-1.5米），浓度趋于稳定，在1.5米处达到9.5 ppm。高浓度CO在排气管口附近积聚，尾气温度和排放速度导致车辆模型后方形成聚集区。巷道风速和车辆模型的阻挡共同作用，产生局部涡流，加剧了高浓度尾气的聚集。

4.2 CO的碳平衡过程

柴油机运行中CO的生成主要受氧化过程影响。燃烧室供氧不足或温度过低会导致不完全燃烧，产生过量CO。在高温富氧条件下，CO会被氧化成CO₂。存在碳平衡关系：C_柴油= C_CO+ C_CO2+ C_HC(碳氢化合物) + C_PM(颗粒物)。提高柴油燃烧效率、增加柴油氧化催化剂（DOC）、加强通风管理确保巷道氧含量，均可促进碳平衡向生成CO₂的方向移动，减少CO排放。

4.3 受限空间中CO的扩散过程与输运机制

CO从排气管的排放是一个射流（Jet）过程。排气管排出的尾气流速高于周围风流速度，形成轴对称射流。射流发展可分为起始段、过渡段和基本段。在射流过程中，CO通过卷吸周围空气不断混合，轴向速度逐渐衰减（遵循公式 v_m/v₀= 0.97 / (a x? / r₀+ 0.29)）。持续的动量交换和混合导致CO浓度随着远离排气管而逐渐降低，这与实验中观察到的CO浓度总体下降趋势一致。

本研究通过尺度实验模型和数值模拟，揭示了受限矿井空间中柴油车尾气CO的扩散与分布规律。研究发现CO浓度随距离呈现明显的“三区”衰减模式，并证实增加巷道风速（尤其大于0.5 m/s）能显著加速CO的稀释，使其在较短距离内降至安全浓度以下。研究还分析了CO的射流扩散特性和碳平衡过程，强调了优化发动机燃烧效率、加强通风管理对于控制CO污染的重要性。将现场数据与实验数据对比，验证了实验平台的可可靠性。该研究为深入理解矿井受限空间柴油尾气污染迁移机制提供了重要数据，对制定有效的矿井尾气治理措施、保障矿工健康具有重要的理论和工程指导意义。论文发表在《International Journal of Coal Science & Technology》上。