第01章 矿井空气

通风安全学采矿工程专业所属学校：安徽理工大学授课教师：秦汝祥E-mail：rxqin@TelQ：309374919能源与安全学院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。供给人员呼吸；稀释和排除井下各种有毒、有害气体和矿尘；创造良好的工作环境矿井通风矿井通风目的

公元前4000~1200年，欧洲采矿人挖掘巷道寻找燧石。矿工是通过在作业面烧木材，通过热胀冷缩破碎岩石。采矿古人很容易的就会观察到火引起空气流动。公元前600年，古希腊采矿人已经有意识，知道采矿需要通风风路，每个采矿点至少要两条风路，有迹象表明一个挖好的井被分隔成两半，一半用于进风，另一半用于回风到地表。古罗马帝国时代的地下矿通常有两个井筒，朴里尼（Pliny）（公元23~79年）曾描述奴隶们使用棕榈叶引风到巷道中的场景。煤矿通风史煤矿通风史工业革命对煤的需求迅速增长，但矿井通风单纯用自然通风，在地表和井下的空气温度接近相等的情况下，风流就处于不流动状态。在这种情况下，矿井内发生爆炸和工人死于有毒有害气体的现象时有发生。当时，最早的通风炉是建在地表，后来很快发现到将燃烧的煤盛于铁丝做成的篮子中并将其吊在回风井中对改善通风非常有效，而且，篮子放得越下，通风效果越好。这一发现很快就导致了回风井底炉的构筑。煤矿通风史英格兰北部有一位采矿工程布得勒（JohnBuddle，1773-1843）在预防瓦斯爆炸方面做了两个重要的改进：首先，他通过引入“盲管”给回风井的炉子底部提供足够的新空气，含有瓦斯的污风绕过炉子被排出地表。从炉子出来的燃烧气体进入回风井由于温度不高不至于点燃瓦斯，但此时在回风井中仍然有良好的“烟囱效应”（即自然通风作用）。布得勒的第二个发明是“盘区（即分支）通风”（在那以前，风流一个接一个地串联流入工作面，瓦斯的浓度不断地增大），布得勒将采区划分为若干独立的盘区，他发现如果每个盘区分别有一个进风道和回风道，通风效果有了显著改善并且瓦斯的浓度大幅度下降。煤矿通风史早期的通风装置：人踩风箱鼓风风箱管道踏板煤矿通风史

早期的通风装置：马动力通风风箱煤矿通风史早期的通风装置：马踩轮子动力通风煤矿通风史19世纪，随着蒸汽机的发明，第一台动力驱动的通风机出现了，风机从活塞式或气缸式改成了离心式。到了19世纪末，矿井的作业条件开始有了法规控制，井下作业人员必须具备一定的资格，当时矿井经理资格考核主要集中在通风的题目上。

到上世纪20年代，矿井通风在一些国家得到加速研究，通过使用改进的仪器，可以对矿井风流、压力开展有组织的测量，以便用于矿井通风设计。1930年第一台轴流式风机应用于矿井通风。煤矿通风史现代化的主要通风机BDK系列煤矿通风史1556年阿格里科拉用拉丁文撰写并出版了第一部涉及采矿的不朽巨著《DeReMetallica》（《矿冶全书》）。对矿井通风有细致的描述，通风方法包括：将地面风流引入井口的引风装置、用人和马驱动木制离心式风机、用于辅助通风的风箱和风门。M.B.罗莫诺索夫在1745年向俄罗斯科学院提出了一篇题为《关于空气在矿井内的自由流动》论文，第一次把空气在矿井内的自然流动的性质与规律加以说明。罗莫诺索夫成为俄罗斯矿井通风理论的奠基者。阿金森于1854年12月发表的题为“关于矿井通风的理论”的论文。他撰写的那篇论文长达154页以至发表有些困难。在该论文中，阿金森提出和发展的通风原理在现代矿井通风设计中仍然作为基础。阿金森论文的详细数学分析推导对于当时的工程师来说过于复杂，以至他的论文被封存在档案馆里，直到他死后大约60年，该论文才重新被发现并应用于实践中。煤矿通风史1943年，恒斯雷（F.BadenHinsley）教授发表了另一篇经典的论文，该论文通过应用热动力学分析了风流的性质。恒斯雷同时在英国诺丁汉大学开展研究，于1952年将模拟计算机第一次应用于矿井通风，以便满足通风设计的需要，该技术被广泛应用。上世纪60年代初期，使用数字计算机进行矿井通风网络分析程序的开发完全替代了模拟装置，开始，网络分析程序需要大型的计算机，这种局面一直维持到上世纪70年代。到了上世纪80年代，台式机及相应的程序出现以后，计算机网络分析成为矿井通风设计的主要方法。煤矿通风史煤矿通风史原苏联采矿学家、苏联科学院院士斯阔成斯基（А.А.Скочинский，1874-1960）在上世纪40年代创立了矿井空气动力学，并撰著了《矿井大气》、《矿井火灾》、《矿井通风》等著作，为矿井通风做出了许多开拓性贡献。他1950年和1951年获苏联国家奖。煤矿通风史通风机巷道网络通风设施该课程的组成

通风：空气流动理论、阻力、动力、通风设计安全：瓦斯、火、尘该课程学时分配总共40学时，通风24学时，安全16学时成绩评定平时成绩（出勤+作业）占30%，考试占70%第1章矿井空气本章学习目标掌握矿井空气主要成分及有害气体的基本性质；掌握衡量矿井气候条件的主要指标。本章学习思路矿井空气成分地面空气组成矿井空气主要成分矿井有害气体矿井气候矿井有害气体有害气体安全浓度标准人体热平衡矿井气候条件指标第一节矿井空气成分1地面空气的组成地面空气（湿空气）：干空气+水蒸汽。干空气：氧、氮、二氧化碳、氩、氖和其他一些微量气体所组成的混合气体。第一节矿井空气成分矿井空气：是指进入矿井以后的地面空气。

矿井空气与地面空气有何不同？

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。2矿井空气的主要成分及基本性质1）气体、固体混入，物质的氧化、爆破改变气体成分与浓度；2）压力、温度和湿度第一节矿井空气成分一、氧气(O2)人体需氧与人的体质、精神和劳动强度有关人体缺氧会有不同的生理表现2矿井空气的主要成分及基本性质氧体积浓度（%）主要症状17静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难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10～12失去理智，时间稍长有生命危险6～9失去知觉，呼吸停止，如不及时抢救几分钟内可能导致死亡第一节矿井空气成分一、氧气(O2)

矿井空气中氧浓度降低的主要原因：人员呼吸；煤和其他有机物的缓慢氧化；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆炸；煤炭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。2矿井空气的主要成分及基本性质第一节矿井空气成分二、二氧化碳(CO2)不助燃，不能供人呼吸，略带酸臭味，巷道底板浓度大。主要来源：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。2矿井空气的主要成分及基本性质CO2体积浓度（%）主要症状1呼吸加深，但对工作效率无明显影响3呼吸急促，心跳加快，头痛，人体很快疲劳5呼吸困难，头痛，恶心，呕吐，耳鸣6严重喘息，极度虚弱无力7~9动作不协调，大约10min可发生昏迷9~11几分钟可导致死亡第一节矿井空气成分三、氮气(N2)主要性质:惰性气体，是新鲜空气的主要成分，无毒、不助燃。但空气中含氮量升高，则氧含量相对降低，可造成窒息。利用氮气的惰性，可用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。主要来源：井下爆破和生物的腐烂；煤岩层的氮气涌出；灭火人为注氮。2矿井空气的主要成分及基本性质第一节矿井空气成分《煤矿安全规程》规定：采掘工作面进风流中的氧气浓度不得低于20％；进风流中二氧化碳浓度不得超过0.5％；

总回风流中二氧化碳浓度不得超过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。3矿井空气主要成分的质量（浓度）标准第二节矿井空气中有害气体一、一氧化碳（CO）1有害气体基本性质主要性质：无色、无味、无臭，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％范围内时有爆炸危险。主要危害：一氧化碳与人体血液中血红素相结合，其亲合力是氧的200～300倍，致使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。矿井空气中常见有害气体：CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2。第二节矿井空气中有害气体一、一氧化碳（CO）1有害气体基本性质一氧化碳中毒症状与浓度关系如下表所示：CO体积浓度（%）主要症状0.022～3小时内可能引起轻微头痛0.0840分钟内出现头痛,眩晕和恶心。2小时内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷0.325～10分钟内出现头痛，眩晕。半小时内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。第二节矿井空气中有害气体二、硫化氢（H2S）1有害气体基本性质主要性质：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；相对密度为1.19，易溶于水。硫化氢能燃烧，当空气中硫化氢浓度为4.3～45.5％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。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。第二节矿井空气中有害气体三、二氧化氮（NO2）1有害气体基本性质主要性质：红褐色的气体，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，中毒有潜伏期，在6~24小时后发作。主要来源：井下爆破工作。第二节矿井空气中有害气体四、二氧化硫（SO2）1有害气体基本性质主要性质：无色、有强烈的硫磺气味及酸味，在空气中浓度达到0.0005％即可嗅到；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。第二节矿井空气中有害气体五、氨气（NH3）1有害气体基本性质主要性质：无色、有浓烈臭味的气体，相对密度为0.596，易溶于水。主要危害：对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，引起喉头水肿；当空气中氨气浓度达30％时有爆炸危险。主要来源：爆破工作，注凝胶、水灭火等；岩层中也涌出。

第二节矿井空气中有害气体六、氢气（H2）1有害气体基本性质主要性质：无色、无味、无毒，相对密度为0.07；能自燃，其点燃温度比甲烷低100～200℃。主要危害：当空气中氢气浓度为4～74％时有爆炸危险。主要来源：井下蓄电池充电时可放出氢气；中等变质的煤层中也有氢气涌出；煤氧化释放氢气。第二节矿井空气中有害气体2矿井空气中有害气体的安全浓度标准《煤矿安全规程》对常见有害气体的安全标准做了明确的规定：有害气体名称化学式最高容许浓度（%）一氧化碳CO0.0024氧化氮（折算成二氧化氮）NO20.00025二氧化硫SO20.0005硫化氢H2S0.00066氨NH30.004第三节矿井气候一、人体散热形式1矿井气候对人体热平衡的影响人体散热形式：对流散热主要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；蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度和流速。第三节矿井气候1矿井气候对人体热平衡的影响二、人体热平衡式中：qm——人体代谢过程中的产热量，取决于人体活动量；qW——用于做功消耗的热量，qm-qw排出的多余热量；qd——人体对流散热量；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射换热量；qch——由热量转化而没有排出体外的能量；qch是人体感到舒适与否的主要因素。第三节矿井气候1矿井气候对人体热平衡的影响二、人体热平衡

矿井气候：空气的温度、湿度和流速三个参数的综合状态。空气温度：对人体辐射、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：影响人体对流散热和蒸发散热的效果。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标一、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。优点：直接反映出矿井气候条件的好坏；指标简单，使用方便。缺点：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。注：气温过高或过低，对人体都有不良影响，最适宜的矿内空气温度是15～20℃。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标一、干球温度（一）影响矿内空气温度的主要因素(1）岩石温度——岩层温度的三带为：变温带：随地面气温的变化而变化的地带；恒温带：地表下地温常年不变的地带；增温带：恒温带以下地带。不同深度处的岩层温度可按下式计算：

t＝t0+G×

(Z－Z0)式中：t0——恒温带处岩层的温度，℃；

G——地温梯度，常用百米地温梯度，即℃/100m

Z——岩层的深度；

Z0——恒温带的深度。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标一、干球温度(2）空气的压缩与膨胀

空气向下流动时，空气受压缩产生热量，垂深每增加100m，温度升高1℃；相反，空气向上流动时，则因膨胀而降温，平均每升高100m，温度下降0.8～0.9℃。(3）氧化生热矿井内的有机矿物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化发热。如，经氧化生成2g二氧化碳时，可使1m3空气升温14.5℃。在煤层中的采掘巷道，暴露煤面氧化生热量较大，故工作面是通风系统中温度最高的区段。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标一、干球温度(4）水分蒸发

水分蒸发时从空气中吸收热量，使空气温度降低。每蒸发1克水可吸收0.585千卡的热量，能使1m3空气降温1.9℃。(5）通风强度

即单位时间进入井巷的风量。温度较低的空气流经巷道或工作面时，能够吸收热量，供风量越大，吸收热量越多，故加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标一、干球温度（6）地面空气温度的变化

地面气温对井下气温有直接影响，尤其是浅井，矿内空气温度受地面气温的影响更为显著。（7）地下水的作用

矿井地层中如果有高温热泉，或有热水涌出时，能使地温升高；相反，若地下水活动强烈，则地温降低。（8）其它因素如机械设备运转及人体散热等都对井下气温有一定影响。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标一、干球温度（二）矿内空气温度的变化规律在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。气温进风路线回风路线采掘工作面矿内路线夏冬第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标二、湿球温度优点：湿球温度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。在相同干球温度下，若湿球温度低，则相对湿度小；反之，湿球温度与气温相接近，则相对湿度大。缺点：该指标仍没有反映风速对人体热平衡的影响。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标三、等效温度等效温度定义为湿空气的焓与比热的比值，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25～36℃时，等效温度和湿球温度基本上呈线性，即两者有同样的意义。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标四、同感温度即有效温度，它是根据人的感受所制订的经验性温度指标，是以干球温度、湿球温度、风速为参数，进行大量实验后绘制而成得有效温度图。如右图所示：它反应了温度t、湿度Φ、风速V对人体影响，只要测出干球温度、湿球温度和气流速度，就可以求出有效温度。第三节矿井气候2衡量矿井气候条件的指标四、同感温度例：测得干球温度为30℃，湿球温度为24℃，风速为0.5m/s，求在该环境中的有效温度。在右图上，分别找出干球温度30℃和湿球温度24℃，通过连接这两点间连线与风速为0.5m/s曲线的交点，其对应的有效温度25.8℃即为所求。

第三节矿井气候2衡量矿井气候条