常 凯
1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006
2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006
防爆无轨胶轮车的出现，颠覆性地提高了矿井生产准备效率，促进了煤炭的安全高效生产，现有国内千万吨级矿井大都采取了无轨辅助运输方式[1]。目前，我国煤矿在用的无轨胶轮车在 15 000 台以上，作为一种在井下封闭狭小空间内长距离、长时间运行的设备，其动力源带来的污染程度和持久性成为最被关注的话题。笔者针对近年来井下防爆无轨胶轮车辆所使用的或待使用的新兴动力源的技术现状进行说明，并对其各自发展前景进行分析。
1.1 技术现状
1.1.1 普通防爆柴油机
矿用防爆柴油机是在工程机械用柴油机的基础上对柴油机的原机、进排气系统及电气系统进行防爆改造而来。
国外防爆柴油机研究生产起步较早，20 世纪 30年代就作为辅助运输的动力装置用于煤矿井下，20世纪 50 — 60 年代，一些主要采煤国家就建立了具有自己特色的煤矿辅助运输系统及装备，20 世纪 80 年代使用的防爆柴油机辅助运输设备已达 400 台左右，有一系列的以防爆柴油机为动力的定型产品。到目前为止，煤矿用防爆柴油机已经形成了完备的产品开发、生产制造、质量控制和售后服务体系。国外从事防爆柴油机的制造商主要有美国卡特彼勒公司、德国莫哈姆公司及英国珀金斯公司等，设计生产的防爆柴油机品种多，型号全，覆盖范围广，功率大 (防爆后最大功率可达 300 kW 以上)，应用了最新的柴油机技术以及机、电、液一体化技术。在产业化过程中，英国、法国、德国和澳大利亚都制定了相应的国家标准，欧盟也制定了欧洲标准，用于指导和规范防爆柴油机的开发和应用。
国内煤矿用防爆柴油机研究机构少，起步较晚。20 世纪 90 年代末，无轨辅助运输这种高效运输方式开始得到普及和推广，国内煤矿对于无轨胶轮车的市场需求激增，防爆柴油机作为车辆的动力装置得到了快速发展。到目前为止，国内防爆柴油机的制造商数量超过 40 家，已经形成了 30～ 300 kW 功率段的全线系列产品，满足了装备需求。
1.1.2 防爆电喷柴油机
由于以柴油为燃料，柴油机排放的废气使得狭窄封闭巷道中空气质量变差，柴油燃烧不充分，功率下降，造成燃油浪费，加剧环境污染；
同时，驾驶员和其他井下工作人员长期呼吸排放的废气，严重影响身体健康。为了提高防爆柴油机排放水平，满足中小型柴油机排放、动力性、经济性等方面的需求,开始研究防爆柴油机燃油电动喷射控制技术。
其实早在 2009 年前后，我国从国外引进的LWC-55T 支架搬运车就应用了卡特的电喷柴油机C9，它体积小，功率大。当时国内煤炭生产需求增加，工作重心全部转移到装备研发上，防爆柴油机的污染还没有引起足够的关注。2019 年 3 月，安标国家矿用产品安全标志中心 (以下简称“安标国家中心”)要求，所有拟发放安全标志的、以柴油机为动力的车辆和其他产品，必须选用符合 GB 20891—2014 国Ⅲ及以上排放限值要求的防爆柴油机，自此开始了防爆柴油机由国Ⅱ升级国Ⅲ的征程，推动了国内电喷柴油机的发展。
电喷防爆柴油机的电控燃油喷射系统主要有两种形式，一种是单体泵，一种是共轨式[2]，现阶段产品以单体泵形式为主。与共轨系统相比，单体泵电控系统具有成本低、性能可靠、寿命长、故障率低及维修方便等优点。
单体泵电喷防爆柴油机的电控燃油喷射系统由ECU (电子控制单元)、电控单体泵组、隔爆兼本安型电控箱、矿用浇封型电磁阀、矿用转速传感器、矿用位置传感器、矿用温度传感器及矿用压力传感器等组成，如图 1 所示。
图1 单体泵电控燃油喷射系统组成Fig.1 Constitution of single pump electronic-controlled injection system
单体泵电控燃油喷射系统工作原理如下：防爆柴油机工作时，ECU 对收集到的柴油机各类传感器信息进行处理，根据算法开启喷油指令，给电磁阀通电，单体泵建立高压，高压燃油通过高压油管进入喷油器后喷入气缸内燃烧，推动活塞运动做功。当电磁阀失电时，单体泵开通泄油油路，高压燃油迅速泄压回柴油箱，喷油器停止喷油。单体泵电控燃油喷射技术采用时间控制式，ECU 通过控制电磁阀的通断时间，实现喷油时刻和喷油量的精确控制，最大喷油压力可达到 150 MPa 左右。
1.2 应用及前景
从 2020 年 12 月起，按要求我国煤矿必须全面停止使用配备国Ⅱ发动机的防爆无轨胶轮车。截止目前，国内防爆柴油机制造商开发了多款防爆电喷增压中冷柴油机，最大功率达 300 kW，下线并投入使用的配备单体泵电控国Ⅲ柴油机的胶轮车已经近万台。相比普通机械泵防爆柴油机车辆，排放指标降低 50% 以上，显著改善了防爆柴油机车辆的井下作业环境[3-4]。
随着国家对环保意识的不断增强，后续还会出台更严格的排放要求，已有制造商在研发更低排放的高压共轨柴油机[5]。高压共轨电控燃油喷射系统由 5 个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元以及各类传感器，如图 2 所示。
图2 高压共轨电控燃油喷射系统组成Fig.2 Constitution of high-pressure common rail electronic-controlled injection system
高压共轨电控燃油喷射系统的工作原理如下：供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，高压油泵将燃油增压后送入共轨腔 (高压燃油蓄能器) 内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油，喷油压力在120 MPa 以上。该系统将喷射压力的产生和喷射过程完全分开，使高压油管压力与发动机的转速不相关，大大减小了发动机转速对供油压力的影响。
高压共轨的柴油机排放指标相比单体泵更优，但共轨系统对燃油品质的要求较高，要求燃油的过滤精度达到 5 µm，因为燃油系统的杂质容易导致共轨系统失灵，而高压共轨系统的关键部件包括高压泵、共轨管、电控喷油器和 ECU 都依靠进口，成本较高。后续防爆柴油机技术能否得到进一步发展，一方面取决于技术研发的成本和技术突破的速度，另一方面取决于双碳政策的落地，后者有可能导致防爆柴油机直接被新能源替代。
2.1 技术现状
煤矿用防爆特殊型铅酸蓄电池电源装置适用于有甲烷或煤尘爆炸危险的煤矿井下。其优点是电压稳定，价格便宜，可靠性高，高低温性能良好，可以在 -40～60 ℃ 条件下工作；
缺点是单位能量低，质量和体积大，充电时间长，一次充电可行驶的里程比较短，使用成本高，存在重金属污染，日常维护频繁[6]。
铅酸蓄电池的工作原理如下：充放电时，正负极活性物质与电解液发生化学反应，充电时正、负极活性物质分别恢复为二氧化铅 (PbO2) 和海绵状金属铅 (Pb)，放电时正负极活性物质分别与电解液发生反应，转变成硫酸铅 (PbSO4)。由于充电末期正极产生氧气，负极产生氢气，所以在充电时须选择通风良好的环境。另外，作为电解液的蒸馏水在充放电时被大量消耗，需要经常查看水量并及时补水。正确地给蓄电池充电，不仅可以恢复蓄电池容量，使其处于良好的状态，还可以有效防止故障的发生和延长蓄电池的使用寿命[7-10]。
根据 MT 658—2011《煤矿用特殊型铅酸蓄电池》和 MT/T 334—2008《煤矿铅酸蓄电池防爆特殊型电源装置》的规定，其单体电池容量可达到 1 200 A·h。
2.2 应用及前景
国内外煤矿使用铅酸蓄电池作为动力的设备较少，技术成熟度相当，制造商也很少，没有形成规模应用。目前井下使用动力防爆特殊型铅酸蓄电池电源装置的设备主要包括防爆特殊型电机车、煤矿防爆特殊型蓄电池式胶套轮电机车、防爆特殊型蓄电池单轨吊车以及防爆铅酸蓄电池胶轮车等。在无轨辅助运输系统中，主要应用于防爆蓄电池铲车、蓄电池铲板车类重型设备，具有动力清洁、低排放、低噪声、易维护及运行成本低等优点，非常适用于井下固定区域、运输距离不长的作业场景。目前矿井在用的铅酸蓄电池车辆涵盖了 10、35、45、80 和 100 t 的重型作业车[11]。
我国现有铅酸蓄电池车辆的数量占矿用胶轮车总数量的比例不足 1%，主要分布在神华神东矿区和兖矿内蒙矿区，应用客户较集中，有一定的小规模应用基础。在一定的续驶里程范围内，受铅酸蓄电池体积和质量限制，后续铅酸蓄电池预计也只适配于矿用重型搬运车类装备，市场需求有限。
3.1 技术现状
因为磷酸铁锂电池相对钴酸锂、锰酸锂、三元材料而言，具有循环寿命相对较长、发热量较低、热稳定性好以及良好的环境安全性等不可比拟的优点，安全性较高。自 2012 年起，锂离子蓄电池开始逐渐在煤矿井下应用，主要包括井下备用电源、电机车和电动无轨车辆用大容量动力电源装置等。
安标国家中心于 2014 年 5 月发布的《矿用隔爆(兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全技术要求 (试行)》、《矿用隔爆 (兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全标志管理方案 (暂行)》规定，考虑到锂离子电池活性强，有燃烧爆炸的危险，煤矿井下锂离子电池目前仅限磷酸铁锂电池，并且超过 20 A·h 的锂离子电池用于井下必须采用三腔隔爆结构，单个电源箱总容量不超过 100 A·h，总能量不超过 32 kW·h，因此以下仅针对磷酸铁锂电池特性进行分析和阐述。目前该种电池还未形成正式行业标准，仍处于煤矿试用阶段，且只能用于低瓦斯矿井。
经过 5～ 6 年锂离子蓄电池车在煤矿的工业化试用，已经在电池充放电管理、电池使用和维护、电池防爆安全、锂电池车辆的研发和应用等方面积累了宝贵的经验。为了进一步推动防爆锂电池车辆在煤矿井下的应用，2021 年 4 月下旬，安标国家中心在国家能源集团神东煤炭公司组织来自清华大学、北京理工大学、国家能源集团和中国煤炭科工集团等单位的专家，对煤矿防爆锂电池车辆涉及的安全技术及管理问题进行专题研讨。2021 年 10 月 21 日，安标国家中心同时发布了《矿用锂离子蓄电池安全技术要求 (试行)》、《矿用防爆锂离子蓄电池电源安全技术要求 (试行)》和《矿用防爆锂离子蓄电池电源充电机安全技术要求 (试行)》，继续支持鼓励防爆锂电池车辆的研发和在煤矿井下的使用，加强相关安全技术研究和标准规范建设，全面推动矿用辅助车辆和煤矿机器人电动化，助推行业科技进步。
3.2 应用及前景
由于存在安全风险，之前矿用锂离子动力蓄电池的使用受到诸多限制，导致市场上投放的锂离子蓄电池车辆数量较少。国内煤矿现有使用的锂离子蓄电池车主要车型有 WLR-5、WLR-7、WLR-8、WLR-10、WLR-19 型运人车，以及 WLL-5 型运料车等，约占胶轮车总数量的 6%～7%[12]，1 000 台左右。经现场实地调查，虽然锂离子蓄电池胶轮车辆具有低污染、低噪声的特点，更有利于工人身体健康，但是在煤矿日常生产中的开机率并不高，这主要还是受制于一次充电续驶里程短，投入数量有限没有形成产业规模应用，维修技术门槛高导致售后不及时，维护成本高等系列问题。
随着政策的进一步推动和锂离子蓄电池自身技术的进步，矿用辅运车辆的全面电动化已不是遥不可及。笔者认为锂离子蓄电池车辆全面开花的前提是一定得有规模应用，煤矿使用的锂离子蓄电池车辆的数量多了，技术服务到位了，维护费用就降低了，开机率也就提高了。随着政策容许的锂离子蓄电池的单体容量提高，电源的最大能量提高等措施的落地，锂离子蓄电池车必将迎来巨大发展。届时轻型车采取闲时充电模式即可满足每日使用需求，重型车可采取快换电池的方式实现连续运行。
我国井下防爆无轨胶轮车经过了 20 余年的发展和应用，技术体系已经比较完善，装备质量和水平已经全面替代进口，个别机型已经达到世界先进水平。无轨胶轮车辆的一些新兴动力源技术也在与时俱进地发生着变化。
(1) 从最初的普通防爆柴油机，发展到单体泵电控燃油喷射防爆柴油机，带来了防爆柴油机技术由国Ⅱ到国Ⅲ的一次飞跃，实现了排放指标的成倍改善。高压共轨技术的进一步研究和突破，将会带来防爆柴油机技术的又一次提升。
(2) 防爆铅酸蓄电池受其电压稳定、价格便宜、质量稳定、高低温性能良好及安全性高等优点，多应用于矿用重型车上，在综采工作面搬家倒面作业中进行短距离运输和定点辅助作业，未来市场应用规模比较固定。
(3) 随着双碳目标的逐步实施、国家对矿井环境保护的重视、政策对防爆锂离子蓄电池的单体容量和电源最大容量的进一步放开等系列举措的推出，防爆锂离子蓄电池技术在煤矿辅助运输装备上的应用会得到较大发展，锂离子蓄电池车辆也必将在煤矿得到大范围应用。
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