第1章 矿内空气.ppt

1、1,安全工程学院,Mine Ventilation and Safety,矿 井 通 风 与 安 全,2,3,课程体系与学习方法,一、教学参考书 张国枢通风安全学 王德明 矿井通风与安全 黄元平矿井通风 赵以蕙 矿井通风与空气调节 俞启香矿井瓦斯防治 中国矿井通风工程图集,4,课程体系与学习方法,二、学习方法 课程教学与实验结合 课程设计与现场实习结合 三、考试要求 评定成绩：期末考试成绩为准,5,矿井通风科学技术的发展,1640 自然通风 1650 回风线路设置火炉（热风压） 1849 蒸汽离心式通风机 1898 电力轴流式通风机 1862 关于煤自燃的文章 1813 安全油灯检查O2、CH

2、4、CO2 1960s 风流环境参数监测 1970s 电子计算机应用,6,早期的通风装置：人踩风箱鼓风,7,早期的通风装置：马踩轮子通风,8,早期的通风装置：马转圈通风,9,现代化的局部通风机,10,现代化的主要通风机,11,第1章 矿内空气,1.1 矿内空气成分及其基本性质 1.2 矿内空气的主要物理参数 1.3 矿井气候,12,学习目标、重点与难点,学习目标 1、矿内空气的主要成分 2、井下常见的有害气体 3、矿内空气的主要物理参数 4、矿井的气候条件，矿内空气的温度、湿度，风速，矿内气候参数的测定。 重点与难点 1、矿内空气主要成分及其性质 2、井下常见的有害气体、来源及最高允许浓度 3

3、、矿井的气候条件（温度、湿度，风速）,13,第1章 矿内空气,通风目的：为井下各工作地点提供足够的新鲜空气，使其中有毒有害气体、粉尘不超过规定值，并有适宜的气候条件。 通风系统：通风机、通风网络巷道和通风构筑物组成。 通风系统矿井的心脏与动脉，是保障矿井安全的最主要技术手段之一。 本章重点阐述矿内空气的主要成分、井下常见的有害气体、矿井的气候条件。,14,通风机,巷道 网络,通风 设施,15,16,1.1 矿内空气成分及其基本性质,地面空气主要成分,17,矿内空气,地面空气进入矿井以后，其成分和性质要发生一系列变化，如氧浓度降低，二氧化碳浓度增加；混入各种有毒、有害气体和矿尘；空气的状态参数（

4、温度、湿度、压力等）发生改变等。 一般来说，将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为新鲜空气；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊空气。,18,有毒有害气体成分,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是氧、氮和二氧化碳。在污浊空气中含有大量有毒有害气体：一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。,19,1.1.1 氧气（O2）,氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体。人类在生命活动过程中，必须不断吸入氧气，呼出二氧化碳。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

5、状态和劳动强度等。,20,人体需氧量与劳动强度的关系,21,人体缺氧症状与氧浓度的关系,22,矿内空气中氧浓度降低的主要原因,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；煤岩和生产过程中产生的各种有害气体,在井下通风不良的地点，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。 煤矿安全规程规定，矿内采掘工作面的进风流中氧含量不得低于20 %。,23,1.1.2 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。但空气中若氮气浓度升高，则势必造成氧浓度相对降低，从而也可能导致人员的窒息性伤害。正因为氮气为惰性气体，因此又可将其用于井下

6、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，有些煤岩层中也有氮气涌出。,24,1.1.3 二氧化碳（CO2）,二氧化碳是无色，略带酸臭味的气体，比重为1.52，很难与空气 均匀混合，故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的，但如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体的正常呼吸功能就不能维持。,25,二氧化碳对人呼吸的影响,在抢救遇难者进行人工输氧时，往往要在氧气中加入5 %的二氧化碳，以刺激遇难者的呼吸机能。 当空气中二氧

7、化碳的浓度过高时，也将使空气中的氧浓度相对降低，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也可能造成人员中毒或窒息。,26,二氧化碳中毒症状与浓度的关系,27,矿内二氧化碳的主要来源,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；煤炭自然；瓦斯、煤尘爆炸等。此外，有的煤层和岩层中也能长期连续地放出二氧化碳，有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出，给矿井带来极大的危害。 规程规定：进风流中二氧化碳不超过0.5 %；总回风流中，二氧化碳不超过1 %。,28,1.1.4 一氧化碳（CO）,无色、无味、无臭，相对密度0.97，微溶于水，能与空气均匀地混合；可燃烧，浓度在1

8、3 %75 %时有爆炸危险；与人体血液中血红素的亲合力比氧大150300倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。一旦进入人体后，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”。,29,CO中毒症状与浓度的关系,30,CO对人身体状况影响,31,矿内CO的来源与允许浓度,空气中一氧化碳的主要来源有：井下爆破；矿井火灾；煤炭自然以及煤尘、瓦斯爆炸事故等。 规程规定:矿内空气中CO浓度不得超过 0.0024 % 。,32,1.1.5 二氧化硫(SO2),无色、有强烈硫磺味，易溶于水，风速较小时，易积聚于巷道底部，对眼睛有强

9、烈刺激作用。 空气中含量为0.0005 %时，能闻到刺激味；0.002 %时，有强烈的刺激，可引起头痛和喉痛；0.05% 时，引起急性支气管炎和肺水肿，短期间内即死亡。 规程规定：空气中二氧化硫含量不得超过0.0005 %。,33,1.1.6 二氧化氮(NO2),褐红色，有强烈的刺激气味，相对密度1.59，易溶于水。 溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，严重时可引起肺水肿。中毒有潜伏期，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作。但经过624小时后发作，中毒者指头出现黄色斑点，并出现严重的咳嗽、头痛、呕吐甚至死亡。,34,二氧化氮中毒症状与浓度的关

10、系,35,二氧化氮的来源与允许浓度,矿内空气中二氧化氮的主要来源：井下爆破工作。 规程规定氮氧化合物不得超过0.00025 %。,36,1.1.7 硫化氢（H2S）,无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，空气中浓度达到0.0001 %即可嗅到。相对密度1.19，易溶于水，常温、常压下一个体积的水可溶解2.5个体积的硫化氢，可能积存于旧巷积水中。空气中硫化氢浓度为4.3 %45.5 %时有爆炸危险。 剧毒，有强烈刺激作用。空气中浓度较低时主要是腐蚀刺激；浓度较高时能引起人体迅速昏迷或死亡。 规程规定硫化氢的允许浓度为0.00066%。,37,2003年12月23日22时左右，重庆市开县高桥镇的川东北气矿

11、16H井发生特大井喷事故，造成243人死亡。,38,39,1.1.8 氨气（NH3）,无色、有浓烈臭味，比重为0.596，易溶于水，空气浓度中达30 %时有爆炸危险。 氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头水肿。 矿内空气中氨气的主要来源：爆破工作，用水灭火等；部分岩层中也有氨气涌出。 规程允许浓度为0.004%。,40,1.1.9 氢气（H2）,氢气无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比甲烷低100200，当空气中氢气浓度为4 %74 %时有爆炸危险。 井下空气中氢气的主要来源：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。,41,1.1.10

12、瓦斯（CH4）,瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为0.55，难溶于水，扩散性较空气高1.6倍。 虽然无毒，但当浓度较高时，会引起窒息。不助燃，但在空气中具有一定浓度（516 %）并遇到高温（650750 ）时能引起爆炸。 规程规定，工作面进风流中CH4的浓度不能大于0.5 %，采掘工作面和采区的回风流中CH4的浓度不能大于1.0 %，矿井和一翼的总回风流中，CH4最高容许浓度为0.75 %。,42,其它有害物质,矿内空气除了上述有害气体外，还含有其他一些有害物质，如在采掘生产过程中所产生的煤和岩石的细微颗粒(统称为矿尘)。 矿尘对矿内空气的污染

13、不容忽视，它对矿井生产和人体都有严重危害。煤尘能引起爆炸，粉尘特别是呼吸性粉尘能引起矿工尘肺病。因此规程对作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）浓度作了如表规定。,43,表 作业场所空气中粉尘浓度标准,44,1.2 矿内空气的主要物理参数,1.2.1 密度 1.2.2 比体积 1.2.3 粘度 1.2.4 比热容,45,1.2.1 密度,单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。空气可以看作是均质气体，故： 式中 M空气的质量，kg V空气的体积，m3 ； 空气的密度，kgm3；,46,一般地说，当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。所以空气的密度是随温度、压力而变化的，从而

14、可以得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。 如在大气压P0为101 325Pa、气温为0(27315K)时，干空气的密度0为1293 kgm3。,47,湿空气的密度是1 m3空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和： 式中，d1m3湿空气中干空气的质量，kg ； v1m3湿空气中水蒸气的质量，kg。,48,由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式： 式中，P空气的压力，Pa ； t空气的温度， ； Ps温度t时饱和水蒸气的分压，Pa ； 相对湿度，用数表示。,49,1.2.2 比体积（比容）,空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号(m3kg)表示，比容和密度互为倒数，它

15、们是一个状态参数的两种表达方式。则：,50,在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度和压力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化，在不同的矿井这种变化的规律是不同的。 在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变化，而在什么条件下又是不可忽略的。,51,1.2.3 黏度,当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。 由牛顿内摩擦定律得： 式中，F-内摩擦力，N； S-流层之间的接触面积，m2； -动力粘度(或称绝对粘度)，Pa.s。,52,当流体处于静止状态或流层间无相对运动时

16、，dudy=0，则F=0。矿井通风中常用运动粘度，用符号(m2s)表示：,53,流体粘度随温度和压强而变化，由于分子结构及分子运动机理的不同，液体和气体的变化规律是截然相反的。空气和水的粘度随温度的变化规律如图所示。,54,图 空气与水的粘性随温度的变化,55,在实际应用中，压力对流体的粘性影响很小，可以忽略。在考虑流体的可压缩性时常采用动力粘度而不用运动粘度。,56,表 几种有关流体的粘度。,57,1.2.4 比热,为了计算热力过程的热交换量，必须知道单位数量气体的热容量或比热。单位物量的气体，升高或降低绝对温度1 K时所吸收或放出的热量称为比热。定义式为 C=dQ/dT，kJ/（kgK）

17、比热的单位取决于热量单位和物量单位。表示物量的单位不同，比热容的单位也不同。通常采用的物量单位：质量(kg)、标准容积(Nm3)和千摩尔(kmo1)。因此，相应的就有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。,58,表 空气的比热容,59,1.3 矿井气候,矿井气候是指矿井空气的温度、湿度和风速这三个参数的综合作用状态。这三个参数的不同组合，便构成了不同的矿井气候条件。 矿井气候条件对井下作业人员的身体健康和劳动安全有重要的影响。,60,1.3.1 矿内空气的温度 1.3.2 矿内空气的湿度 1.3.3 风速 1.3.4 矿内气候参数的测定,61,1.3.1 矿内空气温度,矿内空气温度是影响矿内气候条

18、件的重要因素。气温过高或过低，对人体都有不良的影响。最适宜的矿内空气温度是1520。 1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 （1）变温带：随地面气温的变化而变化的地带； （2）恒温带：地表下地温常年不变的地带； （3）增温带：恒温带以下地带；,62,不同深度处的岩层温度可按式计算： tt0+G ( ZZ0) 式中 t0恒温带处岩层的温度，； G地温梯度，即岩层温度随深度变化 率，/m，常用百米地温梯度， 即/100m； Z岩层的深度； Z0恒温带的深度。,63,影响矿内空气温度的主要因素,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，一般垂深每增加100米，温

19、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100米，温度下降0.80.9。 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。例如，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，暴露煤面氧化产生的热量较大，故回采工作面是通风系统中温度最高的区段。,64,影响矿内空气温度的主要因素,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。每蒸发一克水可吸收0.585千卡的热量，能使1 m3空气降温1.9，可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用。 5）通风强度 （指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

20、收热量，供风量越大，吸收热量越多。因此，加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。,65,影响矿内空气温度的主要因素,6) 地面空气温度的变化 地面气温对井下气温有直接影响，尤其是较浅的矿井，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。 ) 其它因素 如机械运转以及人体散热等都对井下气温有一定影响。特别是随着机械化程度的不断提高，机械运转所产生的热量不能忽视。,66,2. 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

21、，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。,67,规程规定， 井下采掘工作面的气温不得超过26 ， 机电硐室内的气温不得超过30 ； 冬季总进风的气温必须在2 以上，除机电硐室外在井下风流的气温允许在226 的范围变化。 井下气温小于2 或大于26 时，就得采取加热或降温的措施。,68,1.3.2 矿内空气的湿度,矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量。 绝对湿度指每1m3或1kg的湿空气中所含水蒸汽量的克数。 相对湿度指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数,69,式中：w空气中所含水蒸汽

22、量(即绝对湿度)， g/m3； s在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量， g/m3 。 空气中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。,70,影响湿度的因素,地面湿度随季节变化较大，阴雨季节湿度较大，夏季相对湿度较低，但气温较高，冬季相对湿度较大，但气温较低，绝对湿度并不太高。地面湿度除受季节影响外，还与地理位置有关，我国湿度分布，沿海地区较高(平均为7080%)，向内陆逐渐降低，西北地区达最低值(平均为3040 %)。 当矿井涌水量较大或滴水较多，由于水珠易于蒸发，则井下比较潮湿，一般金属矿山井下湿度在8090%左右。在盐矿，涌水较小，且盐类吸湿性较强，相对湿度一般为1525%。,71,进风线路有可

23、能出现冬干夏湿的现象。进风井巷有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水。,72,1.3.3 风速,1、井巷断面上的风速分布 在矿井通风中，空气流速简称为风速。 井巷中某点在水平方向的瞬时速度随时间的变化在某一平均值的上下波动。 采用时均风速后，井巷中空气的流动一般可视为定常流(稳定流)。,73,紊流中的速度分布,74,巷道断面等风速线分布,75,由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。 在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流层。 其厚度随Re增加而变薄，它的

24、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,井巷断面的平均风速v为：,76,2、风速对矿内气候的影响 风速显著地影响者矿内对流散热。 当风流温度低于矿内环境温度时，流速越大，散热量越多。 当风流温度高于矿内环境温度时，矿井反而从风流中得到对流热，此时风速越大，矿内环境得到的对流热越多。,77,1.3.4 矿内气候参数的测定,1、温度和湿度的测定 通常，是用干湿球温度计测算空气温度和湿度的。 干球温度td可以直接通过干球温度计读出，反应空气的实际温度。 湿球温度计的读数，实际上反映了湿纱布中水的温度。稳定条件下的读数才称之为湿球温度tw。,78,图 干湿球温度计,图 风扇湿度计,79,测算空气湿度时，先用仪表测出相对湿度，再算出绝对湿度。构造简单的常用仪表是风扇湿度计，它是由干球温度计和湿球温度计组成，用自带的发条转动小风扇。 测量时，从两支温度计上分别读出空气的干温度td ()和湿温度tw () 根据实测