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矿井通风基本理论知识1第一章矿井空气1.1第一节矿井空气的主要成分矿井空气主要由氧气(O2)、氮气（Ｎ２）、二氧化碳ＣＯ２组成，它们的体积百分比分别是20.96%、79%、0.04%1.1.1一、氧气(O2)无色、无味、无臭的气体，比空气略重（对空气的相对密度是1.05）能助燃和帮助人呼吸。
《煤矿安全规程》第103条规定：按井下同时工作的最多人数计算，每人每分钟供给的风量不得少于４m3 ；第100条规定：采掘工作面的进风流中，氧气浓度不得低于20%；人在一般情况下，在休息时的需氧量为0.2～0.4L/min ；在工作时的需氧量为1～3L/min 。
O2浓度为17%时静止时无影响，工作时呼吸困难心跳强烈15%时呼吸及心跳加快，无力进行劳动10－12%时失去知觉，昏迷，有生命危险6-9%时短时间内失去知觉,呼吸停止,死亡1.1.2二、氮气无色、无味、无臭的惰性气体，相对空气密度为0.97，矿井中主要用于灭火。
矿井中的主要来源于井下爆破、有机物腐烂以及煤岩中涌出。
1.1.3三、二氧化碳ＣＯ２ＣＯ２无色、略带酸味的气体，比空气重常积聚于巷道的底板，易溶于水，略带毒性。
当空气中ＣＯ２浓度增高时会降低Ｏ２浓度使人窒息。
主要来源：人员呼吸、氧化、燃烧、爆炸、煤岩中涌出《煤矿安全规程》规定：采掘工作面进风流中ＣＯ２浓度不得超过0.5%；矿井总回风或一翼回风巷中，浓度超过0.75%时必须立即查明原因进行处理；采区回风巷、采掘工作面回风巷中浓度超过1.5%时,采掘工作面风流中浓度达到1.5%时,都必须停止工作,撤出人员,采取措施进行处理。
1.1.4四、矿井空气的检测方法取样分析法用气相色谱仪在化验室进行，精确但操作复杂、时间长，一般用于井下火区成分检测或需要精确测定空气成分的场合。
快速测定法便携式仪器（Ｏ２）；比长式检测管1.2第二节矿井空气中的有害气体矿井中的有害气体有一氧化碳（CO）、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)、氢气(H2)、甲烷(CH4)等。
第二章 井巷空气流动的基本规律第一节 矿井风流的基本参数一、空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号ρ表示。
矿井空气的密度可由下式计算：0.3780.003484(1)273sat P P t Pϕρ=-+ 2-1-1 式中P 湿空气的压力，Pa ，t 空气的温度，℃；P sat 温度t 时饱和水蒸气的分压，Pa 见表2-1-1；ϕ 空气的相对湿度。
由式2-1可见，空气的压力越大，温度越低，湿度越小，空气密度越大。
当空气的压力和温度一定时，空气的相对湿度越大，其密度越小，即湿空气的密度比干空气的密度小。
在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度、压力及湿度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。
矿井风流的密度变化会引起矿井通风的动力或阻力效应。
例如自然风压等。
根据式2-1，在标准物理空气状态下（P=101325Pa ，t=0℃，ϕ=0），计算得干洁空气的密度为1.293 kg ／m 3；在标准矿井空气条件下（P=101325Pa ，t=20℃，ϕ=60%），计算得矿井空气的密度为1.2 kg ／m 3。
工程计算中一般以1.2 kg ／m 3作为标准矿井空气的密度。
考虑矿井空气为潮湿空气，为简化计算，工程中可根据下述公式近似测算矿井空气的密度：0.00346273P tρ+ 2-1-2 二、风流的压力1．静压(静压强)静压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空气的静压在各个方向上均相等。
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的作用有关。
大气压力是地面静止空气的静压力，它等于单位面积上空气 柱的重力。
地球为空气所包围，空气圈的厚度高达1000km 。
靠近地球 表面空气密度大，距地球表面越远，空气密度越小，不同海拔标 高处上部空气柱的重力是不一样的。
因此，对不同地区来讲，由 于它的海拔标高、地理位置和空气温度不同，其大气压力(空气静压)也不相同，各地大气压力主要随海拔标高而变化。
第二章 矿井空气流动基本理论第一节 空气的主要物理参数正确理解和掌握空气的主要物理性质是学习矿井通风的基础。
与矿井通风密切相关的空气物理性质有：温度、压力（压强）、密度、比容、粘性、湿度、焓等。
一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。
测量温度的标尺简称温标。
热力学绝对温标的单位为K （Kelv1n ），用符号T 表示。
热力学温标规定纯水三态点温度（即汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定义为273.15K ，每1K 为三相点温度的1/273.15。
国际单位制还规定摄氏(Cels1us)温标为实用温标，用t 表示，单位为摄氏度，代号为℃。
摄氏温标的每1℃与热力学温标的每1K 完全相同，它们之间的关系为：T =273.15+t （2-1-1）温度是矿井表征气候条件的主要参数之一。
《规程》第108条规定：生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃；机电硐室的空气温度不得超过30℃。
二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号P 表示。
压强在矿井通风中习惯称为压力。
它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。
其大小取决于在重力场中的位置（相对高度）、空气温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。
根据物理学的分子运动理论，空气的压力可用下式表示：)21(322mv n P = （2-1-2） 式中 n 一单位体积内的空气分子数；221mv 一分子平移运动的平均动能。
上式阐述了气体压力的本质，是气体分子运动的基本公式之一。
由式可知，空气的压力是单位体积内空气分子不规则热运动产生的总动能的三分之二转化为能对外做功的机械能。
因此，空气压力的大小可以用仪表测定。
压力的单位为Pa （帕斯卡，1Pa=1N/m 2），压力较大时可采用kPa （1kPa=103Pa ）、MPa（1MPa=103kPa=106Pa ）。
在地球引力场中的大气由于受分子热运动和地球重力场引力的综合作用，空气的压力在不同标高处其大小是不同的；也就是说空气压力还是位置的函数，它服从玻耳兹曼分布规律：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=T R gz P P 00exp μ（式中μ为空气的摩尔质量，28.97kg/kmol ，g 为重力加速度，m/s 2；z 为海拔高度，m ，海平面以上为正，反之为负；R 0为通用气体常数；T 为空气的绝对温度，K ；P 0为海平面处的大气压，Pa ）。
矿井通风 第一章 矿井空气矿井通风：为在井下创造一种适宜井下人员的气候条件和安全环境，依靠风机等动力将新鲜空气沿着井巷网络输送到采掘进工作面、硐室和其他用风地点，满足这些地区的作业环境和安全要求，同时将污浊空气排出地面，此即矿井通风。
目的与任务：在正常生产时期：利用通风动力，以最经济的方式向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气，保证人员呼吸；稀释并排除瓦斯、粉尘等有害物质，降低热害，为井下工人创造良好的劳动环境。
灾变时期：及时有效地控制风向和风量，并与其他措施相结合，防止灾害扩大，进而消灭事故 1.矿内空气成分地面干空气主要成分：氮气（N 2）79%、氧气（O 2）20.96%、二氧化碳（CO 2）0.04%有毒有害气体：甲烷、一氧化碳（CO ）、二氧化氮（NO 2）、二氧化硫（SO 2）、硫化氢（H 2S ）、H 2等 规定：井下采掘工作面的进风流中，氧含量不得低于20%。
进风流中CO 2不超过0.5%；总回风流中， CO 2不超过0.75%；当采掘工作面风流中CO 2 浓度达到1.5%或采区、采掘工作面回风道风流CO 2浓度超过1.5%时，需要停工处理。
采掘进风中CH 4浓度不得大于0.5%，矿井总回风和一翼回风中CH 4浓度不得大于0.75%；采掘回风中CH 4浓度不得大于1.0%。
NH 3<0.004% CO<0.0024% H 2S<0.00066% SO 2<0.0005% NO 2<0.00025% 2.矿内气候条件三要素：温度、湿度和流速 三类散热：对流、蒸发和辐射 24~26 适宜风速>2.01）影响矿内空气温度的主要因素：○1岩石温度（变温带、恒温带、增温带）○2空气的压缩与膨胀○3氧化生热○4水分蒸发○5通风强度○6地面空气温度的变化○7地下水的作用2）相对湿度3）衡量矿井气候条件的指标☐干球温度☐湿球温度☐等效温度☐同感温度☐卡他度（干对流和辐射湿对流、辐射和蒸发）卡他计在平均温度为36.5℃(模拟人体平均体温)时，单位时间内液球单位表面积所散发的热量4)我国现行的评价矿井气候条件的指标是干球温度，最高允许干球温度为28℃第二章矿井空气流动的基本理论1．空气主要物理参数温度、压力、湿度、密度与比容、粘性、焓○1温度热力学温标，单位K，摄氏温标，单位℃T=273.15+t生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26 ℃，机电硐室不得超过30 ℃。
第二章矿井空气流动的基本理论本章的重点：1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ；2、风流的能量与点压力----静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系3、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4、能量方程在矿井中的应用----边界条件、压力坡度图本章的难点：点压力之间的关系能量方程及其在矿井中的应用主要研究内容：矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。
介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。
根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。
第一节空气的主要物理参数一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。
矿井表示气候条件的主要参数之一。
热力学绝对温标的单位K，摄式温标T=273.15+t二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。
压强在矿井通风中习惯称为压力。
它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。
P=2/3n(1/2mv2)矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmH20 mmbar bar atm 等。
换算关系：1 atm = 760 mmHg = 1013.25 mmbar = 101325 Pa(见P396) １mmbar = 100 Pa = 10.2 mmH20,１mmHg = 13.6mmH20 = 133.32 Pa三、湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。
表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对温度和含湿量三种。
１、绝对湿度每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对温度。
其单位与密度单位相同（Kg/ m3），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。
ρv=M v/V饱和空气：在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳水蒸汽量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。
这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气，这时水蒸气分压力叫饱和水蒸分压力，P S，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度ρs。
２、相对湿度单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（ρV）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（ρS）之比称为空气的相对湿度φ＝ρV／ρS反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。
Φ愈小空气愈干爆，φ＝０为干空气；φ愈大空气愈潮湿，φ＝１为饱和空气。
温度下降，其相对湿度增大，冷却到φ=1时的温度称为露点例如：甲地：t = 18 ℃，ρV＝0.0107 Kg/m3,乙地：t = 30 ℃，ρV＝0.0154 Kg/m3解：查附表当t为18 ℃，ρs＝0.0154 Kg/m3, ,当t为30 ℃，ρs＝0.03037 Kg/m3,∴甲地：φ＝ρV／ρS＝0.7 ＝70 %乙地：φ＝ρV／ρS＝0.51＝51 %乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。
露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100％时，此时的温度称为露点。
上例 甲地、乙地的露点分别为多少？ ３、含湿量含有1kg 干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg ）称为空气的含湿量。
d= ρV ／ ρd, ρV = φPs/461T ρd =(P-φPs)/287Td=0.622 φPs/(P- φPs)四、焓焓是一个复合的状态参数，它是内能u 和压力功PV 之和，焓也称热焓。
i=i d +d•i V =1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓-湿图（I-d) 五、粘性–流体抵抗剪切力的性质。
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。
其大小主要取决于温度。
根据牛顿内摩擦定律有：运动粘度为： m 2/s式中：μ－－比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性或绝对粘度。
其国际单位：帕.秒，写作：Pa.S 。
温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低 六、密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度， 与P 、t 、湿度等有关。
湿空气密Vydydv SF μ=ρμν=度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即：根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：kg/m 3 式中：P 为大气压，Ｐsat 为饱和水蒸汽压，单位：Pa ； φ为相对湿度；Ｔ为空气绝对温度，T= t + 273 , K 。
kg/m 3 式中：P 为大气压，Ｐsat 为饱和水蒸汽压，单位：mmHg 。
注意：Ｐ和Ｐsat 单位一致。
空气比容：ν=V/M=1/ ρ第二节 风流的能量与压力能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。
一、风流的能量与压力 1.静压能－静压（1）静压能与静压的概念空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。
这种由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，在矿井通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。
静压也可称为是静压能。
（２）静压特点a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；)1(003484.0378.0PP TP satφρ-=)1(46457.0378.0PP TP satφρ-=va d ρρρ+=.b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；c.风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。
如说风流的压力为Pa，则指风流1m3具有101332J的静压能。
（３）压力的两种测算基准（表示方法）根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力和相对压力。
A、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用 P表示。
B、相对压力：以当地当时同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用h 表示。
风流的绝对压力（Pi）、相对压力（h）和与其对应的大气压（P）三者之间的0关系如下式所示：hi = Pi －P0P i与h i比较：I、绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分；II、同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化，而相对静压与高度无关。
III、P i可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P0i)。
2、重力位能（1)重力位能的概念物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用 E表示。
PO如果把质量为M（kg）的物体从某一基准面提高Z（m），就要对物体克服重力作功M.g.Z（J），物体因而获得同样数量（M.g.Z）的重力位能。
即： EPO=M.g.Z重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个相对值。
实际工作中一般计算位能差。
（２）位能计算重力位能的计算应有一个参照基准面。
如下图1－２两断面之间的位能差：E p012=∫ρi gdz i（3)位能与静压的关系当空气静止时（v=0），由空气静力学可知：各断面的机械能相等。
设以2-2断面为基准面：1-1断面的总机械能 E1=EPO1+P12-2断面的总机械能 E2=EPO2+P2由E1=E2得：E PO1+P1=E PO2+P2由于EPO2=0（2-2断面为基准面），EPO1=ρ12.g.Z12，所以：P2=E PO1+P1=ρ12.g.Z12+P1说明：Ｉ、位能与静压能之间可以互相转化。
II、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。
（4)位能的特点a.位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。
但位能差为定值。
b.位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。
c.位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。
3.动能－动压（1)动能与动压的概念当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用Ev表示，J/m3；其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位Pa。
（2)动压的计算单位体积空气所具有的动能为：E vi ＝ρi×v2×0.5 式中：ρi－－I点的空气密度，Kg/m3； v－－I点的空气流速，m/s。
Evi 对外所呈现的动压hvi，其值相同。
（3)动压的特点a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。
b.动压总是大于零。
垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。
c.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。
d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。
（４）全压风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和称之为该点风流的全压，即：全压＝静压＋动压。
由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。
Ａ、绝对全压（Pti）Pti ＝ Pi＋hviB、相对全压（hti）hti ＝ hi＋hvi＝ Pti－ Poi说明：`A、相对全压有正负之分；B、无论正压通还是负压通风，Pti >Pihti＞ hi。
二、风流的点压力之间相互关系风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。
通风管道中流动的风流的点压力可分为：静压、动压和全压。
风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：h vi=P ti-P ih vi、h I和h ti三者之间的关系为：h ti = h i + h vi。
压入式通风（正压通风）：风流中任一点的相对全压恒为正。
∵P ti and P i > P o i∴h i ＞０，h ti＞0 且h ti＞h i压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，即出口风流的绝对压力大于风机进口的压力。
抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式通风由于hti 和hi 为负，实际计算时取其绝对值进行计算。
∵P ti and P i＜P o ih ti＜0 且h ti＞h i，但| h ti | < | h i|实际应用中，因为负通风风流的相对全压和相对静压均为负值，故在计算过程中取其绝对值进行计算。
即：| h ti | = | h i| －h vi抽出式通风的实质是使风机出口风流的能量降低，即出口风流的绝对压力小于风机进口的压力。
风流点压力间的关系例题2-2-1如图压入式通风风筒中某点i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的P0i=101332Pa，求：(1) i点的绝对静压Pi；(2) i点的相对全压hti ；(3) i点的绝对静压Pti。
解：(1) Pi =P0i+hi=101332+1000=102332Pa(2) hti =hi+hvi=1000+150=1150Pa(3 Pti =P0i+hti=Pi+hvi=101332.32+1150=Pa例题2-2-2如图抽出式通风风筒中某点i的hi =1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的P0i=101332Pa，求：(1) i点的绝对静压Pi；(2) i点的相对全压hti；(3) i点的绝对静压Pti。
