第1章 矿井空气

1、1,第一章 矿井空气,2,利用机械或自然通风动力，使地面空气进入井下，并在井巷中作定向和定量地流动，最后排出矿井的全过程称为矿井通风。,3,矿井通风经历过较长的发展过程。 约在1640年，人们开始把进风和回风路线分开，以利用自然通风压力进行矿井通风。 为了加大通风压力，1650年在回风路线上设置火筐，1787年又在回风路线上设置火炉，使回风风流加热。 1807年风量约200m3min的活塞式空气泵、1849年转速约95rmi n风量约500m3min的蒸气铁质离心式扇风机、1898年电力初型轴流式扇风机相继投入使用。 20世纪40年代以来，矿井已使用功率约1500kW和3000kw的电力轴流式

2、和离心式大型扇风机。,4,1672年入们只知道身穿潮湿衣帽，伏在底板上，手举一装有燃着蜡烛的木棍，来点燃局部积存的沼气。出于危险，后来改用背上共有燃着的蜡烛的骡马去点燃沼气。 1813年开始用安全油灯照明并检查沼气和二气化碳的浓度。20世纪40年代以来年种气体的检测技术有了较大的发展。特别是60年代以来，风流中各参数(沼气和一氧化碳的浓度风速、压力、温度等)已经实现了遥测和遥讯。 1745年，俄国科学家MBOMOHOCOB发表了空气在矿井流动的理论，1764年法国采矿工程师JARS发表了关于矿井自然通风的理论，成为矿井通风学科史上奠基的两篇论文。20世纪以来，发表和出版了许多关于矿井通风的论文

3、和专著。现在矿井通风已成为内容丰富的一门学科。,5,第一节 矿井空气成份 一、地面空气的组成 地面空气是由干空气和水蒸汽组成的混合气体，亦称为湿空气。 干空气是指完全不含有水蒸汽的空气。其主要成分如下。 气体成分 按体积计 按质量计 备 注 氧气（O2） 20.96 23.32 惰性稀有气体氦、 氮气（N2） 79.0 76.71 氖、氩、氪、 二氧化碳（CO2） 0.04 0.06 氙等计在氮气中 湿空气中含有水蒸气，但其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。,6,二、矿井空气的主要成分及基本性质 地面空气进入井下时，由于受到污染，其成分和性质要发生变化。固有新鲜空气和污浊空所之分。

4、新鲜空气：井巷中用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气， 污浊空气：通过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气。 尽管矿井空气与地面空气相比，在性质上存在许多差异，但在新鲜空气中其主要成分仍然的氧、氮和二氧化碳。,7,8,1氧气(O2) 氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体,人体维持正常生命过程所需的氧气量，取决于人的体质、精神状态和劳动强度等。 人体输氧量与劳动强度的关系 劳动强度 呼吸空气量（L/min） 氧气消耗量（L/min） 休 息 6-15 0.20.4 轻 劳 动 20-25 0.6-1.0 中度劳动 30-40 1.2-2.6 重 劳 动 40-60 1.8-

5、2.4 极重劳动 40-80 2.5-3.1,9,矿井空气中氧浓度降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩和其他有机物的缓慢氧化；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆炸；此外，煤岩和生产过程中产生的各种有害气体，也使空气中的氧浓度相对降低。 人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系 氧浓度/%主要症状 17静止时无影响，工作时能产生喘息和呼吸困难 15呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力 降低，失去劳动能力 1012失去理智，时间稍长有生命危险 69失去知觉，呼吸停止，如不及时抢救几分钟内 可能导致死亡,10,2二氧化碳(CO2) 二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比空气重（其比重为1.52），在风速

6、较小的巷道中底板附近浓度较大；在风速较大的巷道中，一般能与空气均匀地混合。 在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体的无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有刺激作用，所以在抢救遇难者进行人工输氧时用。 矿井空气中二氧化碳的主要来源是：煤和有机物的氧化；人员呼吸；碳酸性岩石分解；炸药爆破；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆炸等。,11,3氮气(N2) 氮气是一种惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。但空气中含氮量升高，则势必造成氧含量相对降低，从而也可能造成人员的窒息性伤害。正因为氮气具有的惰性，因此可将其用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。 矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物的腐烂

7、，有些煤岩层中也有氮气涌出,灭火人为注氮。,12,三、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准 煤矿安全规程依据其主要成分（O2、CO2）作了明确的规定。 采掘工作面进风流中的氧气浓度不得低于20；二氧化碳浓度不得超过0.5；总回风流中不得超过0.75；当采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5或采区、采掘工作面回风道风流中二氧化碳浓度超过1.5时，必须停工处理。 国外规定，国际劳工局规定进风流中氧气浓度19%。俄罗斯、德国工作地点氧气浓度20%。美国、日本规定行人巷道中氧气浓度19% 。,13,补充： 井下供风量大小问题 仅考虑人员耗氧： Q 20%=Q 20.9%-3 Q=0.333m3/min

8、人员消耗占总耗氧量的8.3%，则： D=0.333/8.3%=4m3/min 按人员计算的矿井需要总风量Q : Q=4NK,14,第二节 矿井空气中的有害气体,空气中常见有害气体：CO、H2S、NO2、SO2 、NH3 、H2 。对人体造成各种危害 一、基本性质 、一氧化碳（CO） 一氧化碳是一种无色、无味、无臭的气体。相对密度为0.97，微溶于水，能与空气均匀地混合。一氧化碳能燃烧，当空气中一氧化碳浓度在1375范围内时有爆炸的危险。 主要危害：造成人体血液“窒息”。,15,、一氧化碳（CO） CO中毒症状与浓度的关系 CO体积浓度主要症状 0.0223小时可能引起轻微头痛 0.0481小时

9、内出现轻微的中毒症状 0.08 40分钟内头痛，眩晕和恶心。2小时体温和 血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能昏迷 0.32 510分钟内头痛，眩晕。半小时可能出 现昏迷并有死亡危险 1.28 几分钟内出现昏迷和死亡 主要来源：爆破；矿井火灾；煤炭自燃以及煤尘瓦斯爆炸事故等。,16,、硫化氢（H2S） 硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到0.0001即可嗅到，但当浓度较高时，因嗅觉神经中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氢相对密度为1.19，易溶于水，在常温、常压下一个体积的水可溶解2.5个体积的硫化氢，所以它可能积存于旧巷的积水中。硫化氢能燃烧，空气中硫化氢浓度为4.345.5时有爆炸危险

10、。 主要来源：有机物腐烂；含硫矿物的水解；矿物氧化和燃烧；从老空区和旧巷积水中放出。,17,、硫化氢（H2S） 主要危害：硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用；能阻碍生物氧化过程，使人体缺氧。当空气中硫化氢浓度较低时主要以腐蚀刺激作用为主，浓度较高时能引起人体迅速昏迷或死亡。浓度标准0.00066% H2S中毒症状与浓度的关系 H2S浓度（体积）/% 主要症状 0.00250.003有强烈臭味 0.0050.0112小时内出现眼及呼吸道刺激症状，臭味 “减弱”或“消失” 0.0150.02出现恶心，呕吐，头晕，四肢无力，反应 迟钝。眼及呼吸道有强烈刺激症状 0.0350.0450.51小时内出现严重中

11、毒，可发生肺 炎，支气管炎及肺水肿，有死亡危险 0.060.07很快昏迷，短时间内死亡,18,、二氧化氮（NO2） 二氧化氮是一种褐红色的气体，有强烈的刺激气味，相对密度为1.59，易溶于水。 主要危害：二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部有强烈的刺激及腐蚀作用，二氧化氮中毒有潜伏期，中毒者指头出现黄色斑点。0.01%出现严重中毒。 NO2中毒症状与浓度的关系 NO2浓度（体积）/%主要症状 0.00424小时内出现咳嗽症状 0.006短时间内感到喉咙刺激，咳嗽，胸痛 0.01 短时间内出现严重中毒症状，神经麻痹， 严重咳嗽，恶心，呕吐 0.025短时间内可能出现死亡

12、 主要来源：井下爆破工作。,19,4.二氧化硫(SO2) 二氧化硫无色、有强烈的硫磺气味及酸味，空气中浓度达到0.0005即可嗅到。其相对密度为2.22，易溶于水。 主要危害：遇水后生成硫酸，对眼睛及呼吸系统粘膜有强烈的刺激作用，可引起喉炎和肺水肿。当浓度达到 0.002时，眼及呼吸器官即感到有强烈的刺激；浓度达0.05时，短时间内即有致命危险。 主要来源：含硫矿物的氧化与自燃；在含硫矿物中爆破；以及从含硫矿层中涌出。 5.氨气(NH3) 无色、有浓烈臭味的气体，相对密度为0.596，易溶于水。空气浓度中达30时有爆炸危险。 主要危害：氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头水肿。 主要来

13、源：爆破工作，注凝胶、水灭火等；部分岩层中也有氨气涌出。,20,6.氢气(H2) 无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比沼气低100200， 主要危害：当空气中氢气浓度为474时有爆炸危险。 主要来源：井下蓄电池充电时可放出氢气；有些中等变质的煤层中也有氢气涌出、或煤氧化。 主要有害气体中：CO、H2S、NH3、H2等有爆炸危险性。,21,二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准 矿井空气中有害气体对井下作业人员的生命安全危害极大，因此，规程对常见有害气体的安全标准做了明确的规定。 矿井空气中有害气体的最高容许浓度 有害气体名称 符号 最高容许浓度/% 一氧化碳 CO 0.

14、0024 氧化氮（折算成二氧化氮）NO2 0.00025 二氧化硫 SO2 0.0005 硫化氢 H2S 0.00066 氨 NH3 0.004 氢H20.5% 规程中规定CO的最高允许浓度为其轻微中毒（0.048%）的1/20，NO2的最高允许浓度为其危险中毒浓度（0.025%）的1/100。可见只要严格遵守规程规定，就可避免有害气体对人体的危害。,22,补充： 体积浓度和质量浓度的换算原则： 任何气体的克分子量就是该气体在标况下22.4L的质量 体积浓度=质量浓度*22.4/分子量 例CO： 0.0024%（281000）/（22.4/1000）=30mg/m3,23,第三节 矿井气候 矿

15、井气候：温度、湿度和流速 一、矿井气候对人体热平衡的影响 人体新陈代谢获得能量；部分用来维持人体自身的生理机能活动以及满足对外做功的需要，其余部分必须通过散热的方式排出体外，才能保持人体正常的生理功能。 人体散热主要是通过人体皮肤表面与外界的对流、辐射和汗液蒸发这三种基本形式进行的。 对流散热取决于周围空气的温度和流速； 辐射散热主要取决于环境温度与周围物体的表面； 蒸发散热取决于周围空气的相对湿度和流速。,人体热平衡关系式：qm-qw=qd+qz+qf+qch qm人体在新陈代谢中产热量，取决于人体活动量； qW人体用于做功而消耗的热量，qm-qw人体排出的多余热量； qd人体对流散热量，低

16、于人体表面温度，为负，否则，为正； qz汗液蒸发或呼出水蒸气所带出的热量； qf人体与周围物体表面的辐谢散热量，可正，可负； qch人体由热量转化而没有排出体外的能量；人体热平衡时，qch=0； 当外界环境影响人体热平衡时，人体温度升高qch0，人体温度降低， qch0,24,矿井气候条件的三要素是影响人体热平衡的主要因素。 空气温度：对人体对流散热起着主要作用。当气温低于体温时，对流和辐射是人体的主要散热方式，温差越大，对流散热量越多，当气温等于体温时，对流散热完全停止，蒸发成了人体的主要散热方式。当气温高于体温时，对流传递给人热量，蒸发几乎成为人体惟一的散热方式。 相对湿度：影响人体蒸发散

17、热的效果。随气温的升高，蒸发散热的作用越来越强。若相对湿度较大，汗液就难于蒸发，不能起到蒸发散热的作用，人体就会感到闷热。 风速：影响人体的对流散热和蒸发散热的效果。对流换热强度随风速而增大，风速越大，对流散热量也越大。当周围气温小于人体体温时，失热；当周围气温大与于人体体温时，得热。风速越大，蒸发越大。同时湿交换效果也随风速增大而加强。,25,矿井气候条件对人体热平衡的影响是一种综合的作用，如人处在气温高、湿度大、风速小的高温潮湿环境中，散热效果都很差，这时由于人体散热太慢，体温升高、心率加快、身体不好服等症状，严重时可导致中暑、甚至死亡。相反，人体会感到很冷，同样也不舒适 因此，调节和改善

18、矿井气候条件也是矿井通风的基本任务之一。,26,二、衡量矿井气候条件的指标 1.干球温度 干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的指标之一。 特点：在一定程度上直接反映出矿井气候条件的好坏。指标比较简单，使用方便。但这个指标只反映了气温对矿井气候条件的影响，而没有反映出气候条件对人体热平衡的综合作用。 2.湿球温度 湿球温度是可以反映空气温度和相对湿度对人体热平衡的影响，比干球温度要合理些。但这个指标仍没有反映风速对人体热平衡的影响。,27,3.等效温度 等效温度定义为湿空气的焓与比热的比值。它是一个以能量为基础来评价矿井气候条件的指标。当气温在2536的范围内，等效温度和湿球温度基本上呈线性关系，两者具有同样的意义，因而也是不完善的。 4 .同感温度 同感温度(也称有效温度)是1923年由美国采暖工程师协会提出的。通过实验得出实验时，将三个受试者置于一个温度为t、相对湿度为，风速为的已知环境中，并记下他们的感受，然后把他们请到另一个温度(用t1表示)可调，相对湿度为l00，风速为0的环境里，通过调节温度t1使他们的感受与第一个环境相同，那么则称t1为第一个环境的同感温度。反映出温度、湿度和风速