矿井通风与防尘

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering1MineVentilationandDustControl

《矿井通风与防尘》江西理工大学唐敏0797-8312200(O);tmkjxust@126.com2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering2参考文献1矿井通风技术测定及其应用淮南煤炭学院通风安全教研室煤炭工业出版社2矿井通风阻力及其测定黄元平煤炭工业出版社3煤矿安全手册第一篇矿井通风与空调赵金福煤炭工业出版社4矿井通风黄元平中国矿业学院出版社5矿井通风与安全吴中立中国矿业大学出版社6矿井通风工程（美）C.J.霍尔煤炭工业出版社7金属矿井通风防尘设计参考资料冶金工业出版社8通风学（日）平松良雄冶金工业出版社9冶金地下矿山安全规程10金属非金属矿山安全湖北科学技术出版社11矿山安全培训教材国家安全生产监督管理局安全科学技术研究中心12教材：矿井通风与防尘王英敏冶金工业出版社2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering3目录Contents

1绪论

2矿内大气

3矿内风流的基本性质

4矿内风流运动的能量方程式

5井巷通风阻力

6矿井自然通风

7机械通风QR,1,2,3,4,5,6,7,8,9Q10,11,12,13,148矿井通风网路中风流基本定律和风量自然分配

9矿井风量调节

10矿井通风系统

11局部通风

12矿井通风管理与监测

13矿井防尘2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering41

绪论Introduction

1.1课程性质、目的及任务

1.2课程的主要内容和基本要求

1.3课程的重点和难点

1.4课程的实验安排

1.5课程的学时分配2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering51.1课程性质、目的及任务

theproperties,PurposesandTaskoftheCourse

《矿井通风与防尘》是采矿工程、安全工程专业的限选专业课。矿井通风是矿井各生产环节中最基本的一环，在矿井建设和生产期间始终占有非常重要的地位。矿井通风的根本目的就是向矿井输入新鲜空气和排出污浊空气。即依靠通风动力将定量的新鲜空气，沿着既定的通风线路不断地输入井下，以满足回采工作面、掘进工作面、机电硐室、火药库以及其他用风地点的需要；同时，将用过的空气不断排出地面。基本任务是供给矿井新鲜风量，以冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，保证井下风流的质量和数量符合国家安全卫生标准，创造良好的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故，保障井下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering61.2课程的主要内容和基本要求

theMainContentsandBasicRequirementsoftheCourse主要内容

1

研究矿内有毒、有害（CO，NO2，H2S，SO2）及放射性气体和粉尘生成及分布的规律。

2研究矿内气候条件的变化规律。

3

正确确定矿井的总供风量和各作业地点所需的风量。

4

正确确定矿井的通风系统、通风网路结构和通风方法。

5

正确计算矿井通风阻力，合理确定所需的通风动力。

6

随着生产的发展变化及时进行风量的调节。

7

对矿井通风状况进行检查、测定，及时发现问题，解决问题。基本要求掌握矿内大气的性质和风流运动的基本规律，学会矿井通风和防尘的检测方法、技术管理措施和设计计算方法。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering71.3课程的重点和难点

theKeynoteandDifficultPointoftheCourse

重点是学习矿内风流运动的基本规律、风量计算及分配、矿井通风阻力计算以及主扇选型。

难点是矿井通风系统的分析和设计。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering81.4课程的实验安排

ExperimentArrangementoftheCourse

本课程设有14学时的实验，主要有：

1

空气物理参数测定及风速仪的校正；

2

风流压力测定、管道断面压力分布的测定；

3

风流沿程流动压力的测定、阻力系数的测定及通风机性能测定；

4

粉尘浓度及分散度的测定。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering91.5课程的学时分配

TeachingHoursoftheCourse

本课程总学时56，其中授课42学时，实验14学时。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering102矿内大气

AtmosphereAirinMine

2.1矿内空气的主要成分

2.2矿内空气中常见的有害气体

2.3放射性气体

2.4矿内气候条件2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering112.1矿内空气的主要成分

MainCompositionofMineAir

2.1.1地面空气

2.1.2矿井空气

2.1.3井下空气的主要成分2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering122.1.1地面空气AtmosphericAir

地面空气一般是由以下几种气体混合组成：

O2

氧20.90％；（按体积百分比）

N2

氮78.13％；

CO2

二氧化碳0.03％；

Ar

氩0.93％；其它稀有气体0.01％。地面空气是干空气和水蒸气的混合气体，在正常情况下，地面空气（干空气）中各种气体的组成如上述，它们表示某种气体的体积在干空气的总体积中所占的百分数。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering132.1.2矿井空气AirinMine

地面空气进入矿井以后即称为矿井空气。地面空气进入井下后会发生物理和化学两种变化。一般来讲，正常的地面空气进入矿井后，当其成分与地面空气成分相同或相差不多时，称为矿内新鲜空气（安全规程规定，就含尘量而言，入风风源的含尘量不大于0.5mg/m3）（新风）。当井下空气中混入各种有毒有害气体，含氧量降低，CO2增加，以及粉尘含量增加，这时称为矿内污浊空气（污风）。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering14物理变化PhysicalChange

1气体混入。井下空气中混入CO2

和H2S

等气体。

2固体混入。井下各作业点所产生的矿尘（岩尘）和其它杂尘浮游在井下空气中。

3气象变化。主要是由于井下空气的温度、气压和湿度的变化引起井下空气的体积和浓度变化。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering15化学变化ChemicalChange

井下一切物质（如岩石，坑木等）的缓慢氧化、自燃现象及人体呼吸产生CO2

。井下爆破、火区氧化、机械润滑油高温分解等都能产生CO。井下火区氧化和含硫矿的水解都能产生H2S。井下爆破能产生氧化氮（NO2

及N2O5）等。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering162.1.3井下空气的主要成分

MainCompositionofMineAir

井下空气的主要成分有O2，N2，

CO2

，但是N2是惰性气体，变化不大，故主要还是O2

，CO2。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering17氧气(O2)（1）Oxygen

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

6-150.2－0.4

轻劳动

20-250.6-1.0

中度劳动

30-401.2-2.6

重劳动

40-601.8-2.4

极重劳动

40-802.5-3.1

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering18氧气(O2)（2）Oxygen

氧气既提供人呼吸，又是助燃物质。井下工人劳动，需要有足够含氧量的空气，但对一些采空区域却要阻止含氧空气进入，以防自燃，酿成火灾。当空气中的含氧量减小时，人们的呼吸就会感到困难，严重时会导致窒息（含氧量降到6％－9％）。所以，我国矿山安全规程规定，矿内空气的含氧量不得低于20％。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering19二氧化碳(CO2)CarbonDioxide

CO2是一种比重为1.52的无色，略带酸臭味的气体，常沉积在巷道的底部。当空气中CO2浓度过大时，造成氧浓度降低，可以引起缺氧窒息。当空气中的CO2含量达10－20％，人就有生命危险。我国矿山安全规程规定：有人工作或可能有人到达的井巷，CO2不得大于0.5％，总回风流中CO2不大于1％。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering202.2矿内空气中常见的有害气体

MainNoxiousGasesinMine

金属矿山井下常见的对安全生产威胁最大的有毒气体有：CO，NO2，SO2

，H2S等。

2.2.1有毒气体的来源

2.2.2各种有毒气体的性质

2.2.3矿尘

2.2.4矿内空气成分安全标准2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering212.2.1有毒气体的来源

theSourceofNoxiousGases

1爆破时所产生的炮烟。炸药在井下爆炸后，产生大量的有毒有害气体，如CO,NO2等。

2柴油机工作时所产生的废气。柴油机工作时所排废气的主要成分时氧化氮，CO、醛类和油烟等。

3硫化矿物的氧化。在开采高硫矿床时，由于硫化矿物缓慢氧化，产生SO2

和H2S气体。

4井下火灾。井下火灾引起坑木燃烧，产生大量的CO。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering22爆破Explosion

爆破是矿山生产的主要作业之一。爆破后，工人不能立即进入工作面，因为现代各种工业炸药的爆破分解都是建立在可燃物质(如碳、氢、氧等)气化的基础上。当炸药爆炸时除产生水蒸气和氮外，还产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等有毒有害气体，统称为炮烟。它会直接危害矿工的健康和安全。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering232.2.2各种有毒气体的性质

thePropertiesofNoxiousGases

一氧化碳（CO）：矿山安全规程规定：矿内空气中CO浓度不可超过0.0024％。爆破后，在通风机连续运转条件下，CO浓度降至0.02％时，才可进入工作面。

氮氧化物（NOx→NO2）：矿山安全规程规定：氮氧化物不大于0.00025％。（NOx－5mg/m3）硫化氢（H2S）：矿山安全规程规定：井下空气中H2S含量不能超过0.00066％。（H2S—10mg/m3）。

二氧化硫(SO2)：矿山安全规程规定：空气中SO2含量不得超过0.0005％。（SO2

－5mg/m3）。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering24一氧化碳CarbonMonoxide

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13～75％范围内时有爆炸的危险。

主要危害：血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞。一氧化碳与人体血液中血红素的亲合力比氧大250～300倍。一旦一氧化碳进入人体后，首先就与血液中的血红素相结合，因而减少了血红素与氧结合的机会，使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。当浓度为0.08%时，40分钟引起头痛眩晕和恶心；浓度为0.32%时，5~10分钟引起头痛、眩晕，30分钟引起昏迷，死亡。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering25氮氧化物（NOx→NO2）NitrogenDioxide

炸药爆炸时产生一系列的氮氧化物，如NO，NO2，NO遇空气中的氧就立即氧化为NO2。

NO2是一种比重为1.57的褐红色气体，易溶于水而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。

主要危害：对于人体最大的危害是引起肺水肿。二氧化氮中毒有潜伏期，中毒者指头出现黄色斑点。矿内空气中当NO2的浓度为0.01%时，出现严重中毒，

0.025％时，很快使人中毒死亡。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering26硫化氢（H2S）HydrogenSulfide

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，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6.0％时，有爆炸危险。

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。如当浓度达到0.1%时，在短时间内就会有生命危险。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering27二氧化硫(SO2)SulfurDioxide

二氧化硫(SO2)，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2.2，常存在于巷道底部，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，眼睛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。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering282.2.3矿尘MineDust

在开采过程中，所产生的一切细散状矿物和岩石的尘粒，称为矿尘，它能较长久地悬浮于空气中，也叫做粉尘。含游离二氧化矽（SiO2）的粉尘叫做矽尘。矿尘最大危害是，当人体长期吸入含有游离SiO2的矿尘时，会引起矽肺病。矽肺病是矿山的一种主要职业病，是因为长期大量吸入含游离SiO2的矿尘引起的。矽尘沉积于肺泡中，使肺组织部分地失去弹性而硬化，使人们呼吸功能减退，出现咳嗽、气短、胸痛、无力等症状，不仅造成病痛，并影响劳动能力，严重时将丧失劳动能力。井下作业场所的粉尘浓度必须符合国家标准。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering29二氧化矽SiliconDioxide

二氧化矽是地壳上常见的氧化物，是许多岩石和矿物的重要组成部分，它有两种存在状态：一种是结合态的二氧化硅，即矽酸盐矿物，如长石，滑石，石棉等，对人体的危害较轻。另一种是游离状态的SiO2,主要是石英，以及燧石、磷石英、白石英等。矿尘中含游离SiO2含量越高，对人体危害越大。一般金属矿山矿尘游离SiO2含量在30－70％左右，有时高达90％以上。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering30粉尘浓度国家标准

theNationalStandardofDustDensity

我国《关于防止厂矿企业中矽尘危害的决定》中规定，作业场所空气中粉尘气体浓度：含游离SiO2大于10％者，不能超过2mg/m3，小于10％者，不得超过10mg/m3。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering31矿内空气成分安全标准

SafetyStandardofAirComposition

inMine成分安全标准（体积%）重量浓度(mg/m3)成分安全标准（体积%）重量浓度(mg/m3)O2≥20％NO20.00025％5CO2≤0.5％SO20.0005％15CO≤0.0024％30H2S0.00066％10浮尘含游离SiO2>10％时，≤2mg/m3含游离SiO2<10％时，≤10mg/m32023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering322.3放射性气体RadiatedGases2.3.1氡及其子体的性质和危害

2.3.2矿内大气中氡的来源

2.3.3氡及氡子体的最大允许度

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering332.3.1氡及其子体的性质和危害

thePropertiesandHarmofRadon

氡是一种惰性气体，对人体无直接危害，但氡子体是呈固体微粒形式，大小为0.001-0.05μm，有一定的荷电性，具有很强的附着能力。因此，在空气中很容易与粉尘结合形成“放射性气溶胶”。被吸入人体后，氡及其子体继续衰变放出α射线，长期作用能使支气管和肺组织产生慢性损伤，引起病变，故认为它是产生矿工肺癌的原因之一。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering342.3.2矿内大气中氡的来源

SourceofRadoninMineAir

岩石中普遍存在着铀，铀不断地衰变，不断产生氡气，并从岩石的裸露表面进入空气中。氡在水中的溶解度不大，但由于岩石裂隙中存在高浓度的氡，使地下水中溶解大量的氡，一经流入矿井，氡便从水中析出。采矿及掘进都在不断地破碎矿岩。随着矿岩裸露面的增加，也增加了矿井的氡析出量。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering352.3.3氡及氡子体的最大允许浓度

thePermissibleConcentrationofRadon

我国制订的《放射性防护规定》中指出，矿山井下工作场所空气中氡及其子体最大允许浓度如下：氡：1×10-10Ci/L=3.7kBq/m3，或叫1艾曼氡子体的α潜能值：

4×104MeV/L=6.4μJ/m3;

空气中氡子体浓度的限值：8.3μJ/m3。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering362.4矿内气候条件theClimateConditioninMine

2.4.1概述

2.4.2矿内空气的湿度、含湿量

2.4.3矿内空气温度

2.4.4井下气候条件的舒适性

2.4.5衡量矿井气候条件的指标2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering372.4.1概述（1）GeneralIntroduction

矿井气候条件主要指矿井空气的温度、湿度和流速等，也称矿井气候条件的三要素。人体在工作或休息时，都在不断产生和散发热量。在正常条件下，人体产热速率和环境冷却能力相适应而处于平衡状态，体温保持在36.5－37度。新陈代谢是人类生命活动的基本过程之一。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；蒸发散热取决于周围空气的相对湿度和流速。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering382.4.1概述（2）GeneralIntroduction

在闷热的环境中从事繁重劳动时，环境冷却速率低于人体产热速率，体温将升高，并导致心率加快，身体不舒适，劳动生产率下降，严重时可导致中暑和死亡。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。

相对湿度：影响人体蒸发散热的效果。

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。同时湿交换效果也随风速增大而加强。如有风的天气，凉衣服干得快。影响人体产生热量主要决定于劳动强度。而影响人体散热的条件是空气的温度、湿度和风速三者的综合状态。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering392.4.2矿内空气的湿度、含湿量HumidityofMineAir1几个概念

2影响湿度的原因

3矿井湿度变化规律2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering40几个概念Concept

1绝对湿度（

）。单位体积或单位重量的湿空气中所含水蒸气重量的实际值（g/m3

或g/kg）。

2饱和能力（

）

。单位体积或单位重量的空气能容纳水蒸气量的极限能力或最大能力（g/m3

或g/kg）。当温度升高时，空气的体积增大，空气分子间的孔隙增大，容纳水蒸气的能力增大。这就是说，空气温度越高，空气的饱和能力就越大。

3相对湿度(φ

)。在温度相同和压力相同的条件下，空气的绝对湿度和饱和能力的百分比叫做空气的相对湿度。

4露点。在气压不变，水蒸气无增减的情况下，不饱和空气因冷却而达到饱和时的温度。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering41相对湿度的计算CalculationofRelativeHumidity

为水蒸气压力，为饱和水蒸气压力。

φ=0，φ=100%

，分别意味着什么？在一定温度和压力下，的数值是常数，则由上式可知，φ和是成正比例变化的，即空气的相对湿度越大，则空气的绝对湿度也越大，即表示这时的空气越潮湿。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering42影响湿度的原因Factors

AffectingHumidity1地面湿度随季节变化。阴雨季节湿度较大，夏季相对湿度较低（气温高，高），冬季相对湿度较大（气温低，低）。

2地面湿度与地理位置有关。沿海地区较高，向内陆逐渐降低，西北地区达到最低值。因为空气中水蒸气来自水面，故大气中湿度一般自沿海向内陆和自低层向高层（海拔）递减。（如赣南平均海拔300－500m，甘肃2000m左右）。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering43矿井湿度变化规律ChangeLawofHumidityinMine

井下湿度由于矿井涌水或滴水或充填、湿式作业、喷雾洒水等原因，井下通常都很潮湿，金属矿山井下相对湿度在80－90％左右。一般来说，在矿井进风路线上，冷天相对湿度大，含有一定量水蒸气的冷空气进入井下，气温逐渐升高，其饱和能力逐渐变大，相对湿度变小，沿途要吸收井巷中的水分，则进风段干燥；热天相对湿度低，热空气进入井下，气温逐渐降低，其饱和能力逐渐变小，使其中一部分水蒸气凝结成水珠，故进风段里很潮湿。这就是人们常见的进风段冬干夏湿现象。采掘工作面和回风路线上，因气温常年不变，故其湿度亦几乎常不变，而且相对湿度都在95％以上。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering442.4.3矿内空气温度TemperatureofAirinMine

1温度变化

2影响矿内温度的因素3井下气温变化规律

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering45温度变化theChangeofTemperature

矿内空气温度是矿内气候条件的一个重要因素。矿内空气最适宜人们劳动的温度是15-20℃。空气在矿井中流动，会由于各种原因而导致温升。通常有对流温升和换热温升。

对流温升，是指空气由于绝热压缩和水分蒸发时所引起的空气温度变化。

换热温升，是指岩石和空气中的热交换，所引起的空气温度的变化。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering46影响矿内温度的因素

theFactorsAffectingTemperatureinMine

地面空气温度

空气受压缩和膨胀

岩石温度的影响2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering47地面空气温度

theTemperatureofAtmosphericAir

地面气温一年四季有周期性变化，甚至一日之内也发生周期性变化。地面空气温度的变化对井下空气的影响极大。我国北方冬季寒冷，进风段若不预热，有可能出现冰冻现象；南方夏季炎热，使井下温度升高，恶化工作环境，尤其是浅井。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering48空气受压缩和膨胀CompressionandExpansionofAir

当空气沿井筒向下流动时，由于井筒加深，空气受压缩，而放出热量，使空气温度升高；当空气向上流动时，则膨胀吸热，使温度降低。

空气温升计算式：

t2-t1=g(z1-z2)/Cp

t1、t2－1、2点的空气温度，℃；z1、z2

－1、2点的标高，m;Cp

－空气的定压比热，J/kg·℃；

g－重力加速度，m/s2。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering49岩石温度的影响（1）EffectofRockTemperature

地表以下岩石的温度是变化的，可分为三带：

变温带：温度随地表温度而变化；

恒温带：不受地表温度的变化影响，而稳定不变。其温度近似等于当地年平均气温，深度大约距地表20－30米。

增温带：在恒温带以下，岩石温度随深度的增加而增加。一定深度的岩石温度计算式：

tZ

=t0+Gt

(Z-Z0)

tZ

－距地面垂深Z米处的岩层温度，℃；t0－恒温带处岩层的温度，可近似取当地年平均气温，℃。Z－岩层的深度，m；

Z0

－恒温带的深度，m;Gt

－地温梯度，即岩层温度随深度的变化率。℃/m。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering50岩石温度的影响（2）EffectofRockTemperature

围岩与井下空气的热交换是一个复杂的非稳态定过程，但其主要热交换方式为传导和对流。当围岩温度高于进入矿内空气的温度时，岩体内部的热量就会传递到巷道壁，再由岩壁散发到空气中，使空气加热而升温。岩体中的热量不断地传给空气，在巷道周围逐渐形成冷却圈。冷却圈的大小决定于岩石的性质、岩体与空气的温差，以及距井口的距离和通风时间的长短。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering51井下气温变化规律（1）

theChangeLawofTemperatureinMine

在进风路线上（指向矿井进风口到采掘工作面的一段路线）：

冬季：冷空气进入井下，冷气温与地温进行热交换，风流吸热，地温散热，因地温随深度增加且风流下行受压缩，故沿线气温逐渐升高。

夏季：与冬季的情况相反，沿线气温逐渐下降。即在进风路线上，气温随四季而变，和地表气温相比，有冬暖夏凉的现象，对地表气温起调节作用，进风路线好比调节器。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering52井下气温变化规律（2）

theChangeLawofTemperatureinMine

在采掘工作面内，由于物质的氧化程度大，机电设备多，人员多以及爆破工作等，致使产生较大的热量，对风流起着加热作用，气温逐渐升高，而且常年变化不大，故采掘工作面好比是恒温加热器。在回风路线上，因地温逐渐变小，风流向上流动体积膨胀，风流汇合，风速增加，使气温逐渐降低，但常年变化不大。对于平硐进风，井下风流路线不长的矿井，由于热交换不充分致使整个风流路线上（包括采掘工作面）的气温都可能随四季地面气温而变。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering53井下进风线路上气温变化规律

theChangeLawofTemperatureinEntranceRouteunderground夏冬气温进风段工作面回风段2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering54井下气候条件的舒适性

theComfortableConditionofClimateunderground

人体散热方式分为对流、辐射和蒸发。气温较低时，人体以对流及辐射形式放散的热量较大。随着气温的升高，对流及辐射的散热量渐渐减小，以汗水蒸发形式放散的热量增加。当气温近似于体温时，对流及辐射散热趋近于零，完全靠汗水蒸发散热。当井下的相对湿度大于80％时，人体出汗不易蒸发，相对湿度低于30％，则感到干燥。最舒适的相对湿度为50－60％。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering55衡量矿井气候条件的指标（1）

IndexesJudgingClimateConditioninMine

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。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering56衡量矿井气候条件的指标（2）

IndexesJudgingClimateConditioninMine

3卡他度：井下气候条件是温度、湿度和风速三者的综合作用，单独用某一因素来评价气候条件是不够的。一般评价劳动条件舒适程度的综合指数，多采用卡他度。

卡他度表示具有与人的体温接近的卡他温度计向外界散热的速度。是1916年由英国L.希尔等人提出的。卡他度分为：干卡他度、湿卡他度。

干卡他度：反映了气温和风速对气候条件的影响，但没有反映空气湿度的影响。

湿卡他度：表示对流、辐射和蒸发三者的综合散热效果。它是在卡他计贮液球上包裹上一层湿纱布时测得的卡他度，其实测和计算方法完全与干卡他度相同。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering57衡量矿井气候条件的指标（3）

IndexesJudgingClimateConditioninMine

卡他度是指温度由38℃度降到35℃时的卡他温度计的液球，在单位时间内，单位表面上所散发的热量，它的单位是毫卡/厘米2秒

H=F/t。

H

－卡他度；F－卡他度常数；t－由38℃度降到35℃所经过的时间，秒。卡他度的测定由实验完成。一般来说，卡他度的值越大，散热条件越好。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering58

矿内风流的基本性质

theBasicPropertiesofAirflowinMine3.1前言

3.2矿内空气的密度及计算

3.3矿内空气压力及测定

3.4矿内风流的流动（运动）状态

3.5矿内风流的流速及测定

3.6矿内风流的流动（运动）形式

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering593.1前言Preface

在一条风道中的两点空气能量不同，空气必然从能量高的地点流向能量低的地点，从而形成风流。这说明空气流动必须具备两个条件:一是有通路，一是能量不同。空气本身能量的变化是造成风流流动的根本原因。欲了解矿内空气流动规律，必须先了解矿内风流的基本性质。本章将着重讨论风流的物理性质和状态变化，流态和运动型式，风流压力和流速等。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering603.2矿内空气的密度及计算

AirDensityandItsCalculationinMine

密度：单位体积的空气所具有的质量。

ρ=M/V(㎏/m3),M－质量，V－体积；干空气密度：ρ=1.293T0p/p0T(㎏/m3)，或代入具体条件后：ρ=3.48p/T(㎏/m3)；不同湿度条件下空气的密度：

ρ=3.48(p/T)(1-0.378φpb/p)(㎏/m3)p－空气压力（KPa），T－空气绝对温度（K），

φ

－空气相对湿度（％），pb－饱和水蒸气压力(KPa)。经验公式:ρ=3.45p/T(㎏/m3),(湿度对密度影响小)2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering613.3矿内空气压力及测定

AirPressureandItsMeasure3.3.1空气压力

1空气静压（静压强）

2动压

3全压

4空气压力的单位

3.3.2矿内空气压力的测定2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering623.3.1空气压力AirPressure

单位体积空气包围着地球的大气，受地心吸引力的作用，对其底部单位面积上所具有的重力称为大气压力，也称为气压。所以大气压力是一个压强的概念。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering63空气静压（静压强）AirStaticPressure

空气的静压是气体分子间的压力或气体分子对容器壁所施加的压力。井下空间某一点空气静压的大小与该点在大气中所处的位置和受扇风机所造成的人工压力有关。在矿井里，随着深度的增加，上部空气轻，重量（空气静压）亦增加。对于海拔高度不大的矿井来说，通常垂直深度每增加100m就要增加1.2－1.3KPa的压力。空气静压根据量度时所选择的基准不同，可分为绝对静压和相对静压。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering64绝对静压和相对静压

AbsoluteandRelativePressure

绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称为绝对压力，用Ps

表示。

相对压力：以当时当地同标高的大气压力(Pa)为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用HS

表示。当某点的相对静压大于大气压，则称为正压，反之为负压。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering65绝对压力、相对压力和大气压力的关系

theRelationshipamongAbsolute,RelativePressureandatmosphereabPs(a)

真空PaPs(b)Hs(a)(+)Hs(b)(-)Pa2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering66动压VelocityPressure

流动空气具有一定的动能，因此，风流中任一点除有静压Hs外，还有动压Hv。动压因空气运动而产生，恒为正值且具有方向。

Hv=ρv2/2(Pa),

ρ－单位体积空气的质量，kg/m3;v－风流速度，m/s。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering67全压TotalPressure

某点风流的全压,即该点的静压和动压的叠加。当静压用绝对静压Ps表示时，则Ps与动压Hv叠加后的压力称为绝对全压,Pt，即Pt=Ps+Hv。若静压用相对压力Hs表示时，则Hs与动压Hv叠加所得的压力称为相对全压,Ht。由于前面提到Hs可正可负，故Ht也可正可负，则我们说相对全压为相对静压和动压的代数和。

压入式与抽出式通风的全压表达式是不同的。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering68压入式及抽出式通风

ExhaustandBlowingVentilation

压入式，扇风机安装在入风井，压入新风，井下巷道内的风流都处于正压状态（即高于大气压）。在压入通风风流中,相对全压Ht为：

Ht=Hs+Hv

，Ht>Hs,Ht均为正值，Hs可正可负；

抽出式，扇风机安装在回风井，抽出污风，井下巷道内的风流均处于负压状态（低于大气压）。在抽出式通风中，Ht

、

Hs为负值，相对全压Ht为：

Ht(负值)=Hs(负值)+Hv

在实际应用中习惯取绝对值，则

|

Ht|=|Hs|-

Hv2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering69风流点压力测定示意图

DiagramofSurveysforAirflowPressureHt

Hv+HsHtHv

Hs+－

压入式通风抽出式通风Hs=ps-pa,Ht=pt-pa,Hv=pt-psHs=pa-ps,Ht=pa-pt,Hv=pt-ps

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering70皮托管PitotTube

1

内管；2

外管；3

侧孔；4

前孔2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering71不同通风方式的压力关系示意图

DiagramofPressureRelationshipwithDifferentVentilationMethod

压入式通风抽出式通风

Hs=ps-pa,Ht=pt-pa,Hv=pt-psHs=pa-ps,Ht=pa-pt,Hv=pt-ps

PtPsHsHvHtPa真空PaHsHtHvPsPt真空2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering72空气压力的单位Unitof

AirPressure

（1）Kg/m2；（2）mmH2O；（3）mmHg；（4）帕斯卡(Pascal)，Pa（N/m2）。因为1Kg重的水铺在1m2的面积上将形成1mm高的水柱，所以1Kg/m2=1mm水柱=9.8Pa(ρ水=1000kg/m3)

通风工程中常用mm水柱表示压力，当压力很大时，也用mm水银柱表示。水银比重为13.6，故1mm水银柱=13.6mm水柱。在我国法定计量单位(亦即国际单位制)中以帕斯卡作为压强单位，简称帕，以Pa表示。它的物理意义是每平方米面积所承受多少牛顿(N)的压力。工程上还常用标准大气压。1个标准大气压=760mm水银柱=10336mm水柱=101.3kPa.2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering733.3.2矿内空气压力的测定

SurveysofAirPressureinMine1绝对静压的测定通常使用水银气压计和空盒气压计测定矿内外空气绝对静压。（见实验）

2相对压力的测定通常用U形压差计、单管倾斜压差计或补偿微压计与皮托管配合测量风流的静压、动压和全压。（见实验）2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering743.4矿内风流的流动（运动）状态

AirflowStateinMine3.4.1流体流态的种类

3.4.2流体流态的判断2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering753.4.1流体流态的种类

VarietyofAirflowState

严格地讲，风流的流态有三种：层流、紊流和过渡流。

风速极小时，风流中出现分层现象，层与层间互不干扰。如在风流中施放烟雾，可以看到烟雾在断面上各点沿着一定的轨迹前进，这种流态叫做层流。

风速较大时，风流在前进途中发生强烈的横向脉动，如施放烟雾，将很快弥漫全断面，看不清烟雾的运动轨迹，这种流态称为紊流。在层流和紊流之间的流态称为过渡流态或中间流态，人们通常都将过渡流也划归为紊流范围，是还没有达到完全稳定的紊流状态。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering763.4.2流体流态的判断（1）JudgingAirflowState

实验证明，流体的运动状态，受着流体的速度、粘滞性和管道的尺寸等因素的影响。这三个影响因素，可用一种没有量纲的数值Re（雷诺数）来表示。

Re=Vd/υ

V—流体在管道中的平均速度（m/s）；d—管道直径(米）;

υ—流体粘性运动系数（m2/s）。

当Re<2300层流

Re>2300紊流。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering773.4.2流体流态的判断（2）JudgingAirflowState

水力半径r：反映流体流过管道的难易程度。数学意义是流体的断面面积S（m2）和流体的周边长（湿周）P（m）之比，即：

r=S/Pr=d/4(圆形风管)

非圆形的风管流体流态判断式

Re=4VS/υP

矿井中的空气流态绝大多数是属于紊流状态。对于不同形状的井巷断面，周界长P与断面S的关系为

P≈CS1/2

m

C－断面形状系数：梯形，C=4.16；三心拱，C=3.85；半圆拱，C=3.90；圆断面，C=3.54。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering783.5矿内风流的流速及测定

VelocityofMineAirflowandItsSurveys3.5.1矿内风流的速度分布与平均风速

3.5.2风速测定（见实验）

3.5.3风表校正（见实验）

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering793.5.1矿内风流的速度分布与平均风速

VelocityDistributionofMineAirflowandAverageAirspeed

由于空气的粘性和井巷壁面（粗糙度）的影响，井巷断面上的风速分布是不均匀的。在边壁附近的层流边层的流速称为边界风速，在层流边层以外，从巷道壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大。设断面上任一点的风速为Vi，则按断面S平均风速可用下式表示：V=∫s

Vids/S∫s

Vids

即为通过断面S的风量Q，故Q=VS。断面上的风速分布与巷道粗糙程度有关。通常巷道轴心附近风速最大。平均风速V与最大风速Vmax

的比值称为风速分布系数,Kv，又称速度场系数。巷壁愈光滑，Kv值愈大，即在断面上风速分布愈均匀。砌碹巷道，Kv=0.8～0.86；木棚支护巷道，Kv=0.68～0.82；无支护巷道，Kv=0.74～0.81。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering80层流边层BoundaryofLaminarFlow

在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度δ随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。δvvmax2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering813.5.2风速测定（见实验）

AirspeedSurveys1用风表测定风速风表可以测定某一点的风速，也可测定巷道断面的平均风速。

2用热电式风速仪和皮托管压差计测风速热电式风速仪可分为热线和热球风速仪，只能测定点风速（见实验）。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering823.5.3风表校正（见实验）

AdjustingAnemometer

由于风表制造上的误差和使用中的磨损以及温度、湿度、风速、粉尘的影响，表速（指示风速）并不等于实际风速，此时需要对风表在专门的设备上进行校正。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering833.6矿内风流的流动（运动）形式

theFlowingPatternoftheMineAirflow

3.6.1

矿内风流的流动型式

3.6.2

排烟（尘）过程分析

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering843.6.1矿内风流的流动型式

theFlowingPatternoftheMineAirflow1固定边界流（巷道型风流）:这是一种有固定边界的风流，如风流在井筒巷道中流动。

特点：风流受固定边界的限制而沿风道方向流动。

2自由风流或射流（硐室型风流）:这是一种没有固定边界的风流，如风流由风管流入巷道，或风流从巷道流入大断面的硐室。

特点：风流的边界不是风道壁，而是空气。自由风流的横断面随流动方向逐渐扩散，形成圆锥形。根据圆锥形风速在前进过程中是否能充分发展，又可分为不完全自由风流和完全自由风流。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering85不完全自由风流和完全自由风流

LimitedFreeAirflowandFreeAirflow

不完全自由风流完全自由风流2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering863.6.2排烟（尘）过程分析

AnalysisofDust-emission1巷道型风流与紊流变形根据巷道型风流的运动规律，风流（污风）沿巷道按巷道内风速分布曲线运动。

2硐室型风流与紊流扩散管内空气注入无限空间时，将出现自由风流。具有贯穿风流的硐室中排烟排尘如图示。在紊流扩散作用下，新鲜空气与炮烟在边界层相互掺杂。若出口处d-d的烟尘平均浓度为C’，峒室里的炮烟平均浓度为C，则定义

K＝C’/C

为紊流扩散系数。由此可知，紊流扩散系数K越大，排烟越快；反之，越慢。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering87紊流变形

TurbulentDeformationaL

be

e'

e''

cd2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering88具有贯穿风流硐室中的排烟排尘

Dust-emissionintheRoomwithathroughVentilation

a

aQCC’ddbbL2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering89

矿内风流运动的能量方程式

FlowingEnergyEquationofMineAirflow4.1不可压缩性实际流体能量方程式

4.2能量方程在通风阻力的测定中的应用

4.3能量方程式在分析通风动力与阻力关系时的应用

4.4有分支风路的能量方程式

4.5可压缩性实际流体能量方程式2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering904.1不可压缩性实际流体能量方程式（1）

EnergyEquationforincompressibleRealFluid

气体是可压缩的，气体的压缩性表现在其密度的变化，在矿井通风中，通常视风流为不可压缩。理想流体和实际流体在不可压缩情况下的单位体积流体运动微分方程分别为：若考虑阻力，则有下式，其中dh/dl为阻力坡度。

2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering914.1不可压缩性实际流体能量方程式（2）

EnergyEquationforincompressibleRealFluidh12—单位体积实际流体在断面1，2之间，因克服阻力所损失的能量，在矿井通风中称为通风阻力。能校正系数K，其物理意义为该断面上实际流速计算的动能之总和与按断面平均流速计算的动能之总和的比值，其大小取决于管道的粗糙度。k值的变化在1.05—1.10间，矿井通风中通常取k＝1

。2023/2/2SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering924.1不可压缩性实际流体能量方程式（3）

EnergyEquationforincompressibleRealFluid

前面曾讨论了矿内空气密度受静压、风速及高度变化的影响不大，可视为不可压缩气体来处理。但是，为了真实地反映各点的能量