矿井通风与安全课件

教学模块Ⅰ 矿井空气及调节

1.1 矿井空气成分、性质和变化规律

矿井空气的成分

矿井空气的主要来源是地面空气，但地面空气进入井下以后会发生物理和化学两种变化，变化，因而矿井空气在成分、质量和数量都和地面空气有着程度不同的区别。

.1地面空气成分的种类和数量

地面空气是干空气和水蒸气组成的混合气体，通常称为湿空气。在混合气体中，水蒸气的浓度随地域和季节而变化，其平均的体积浓度约为1%；此外还含有尘埃和烟雾等杂质，有时能污染局部地域的地面空气。

新鲜空气无色，无味和无臭，是维持生命所必需的，并能助燃。

.2 矿井空气的主要成分及生成

上面提到，地面空气进入井下后，因发生物理和化学两种变化，使其成分种类增多，各种成分的浓度也发生改变。

就煤矿而官，井下空气的成分种类共有O2、CH4、CO2、CO、H2S、SO2、N2、N02、H 2、NH3、水蒸气和浮尘十二种。由于各矿的具体条件不同，各矿的井下空气成分种类和浓度都有必然的差别。

在上述成分中，氧是井下人员呼吸所必需的，必需保持足够的浓度，其余九种(水蒸气除外)气体和浮尘，超过必然浓度时，对人体都是有害的，必需把它们的浓度降低到没有危害的程度．在这九种气体中CO、H2S、SO2和N02超过必然浓度时，还能使人体中毒。故称这九种气体为有害有毒气体，别名为广义的矿井瓦斯，而狭义的矿井瓦斯那么专指CH4。CH4是煤矿井下昔遍存在的气体，在必然浓度范围内，具有爆炸性。所以，CH4是煤矿井下最危险的气体。煤矿井下经常呈现且数量较多的气体是CH4和CO2，它们是计算矿井所需风量的主要按照 。

井下的物理变化有：

气体混入：沼气(CH4)、二氧化碳和硫化氢(H2S)等气体从地层中涌出到井下空气中。大都矿井有沼气涌呈现象,沼气涌出量的大小各矿不同，有些矿井沼气涌出量高达40～50m3/min，有些矿井还伴随沼气涌出氮(N2)二氧化硫(SO2)和氢(H2)等气体。

固体混入：井下各种作业所发生的微小的岩尘、煤尘和其他杂尘浮游在井下空气之中。

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。

以上物理变化的成果，不仅使井下空气的成分种类增多，并且各种成分的浓度亦发生变化。

井下的化学变化有：

井下一切物质(煤、岩石、坑木、……等)的迟缓、氧化、爆破工作、火区氧化和人员的呼吸等城市发生二氧化碳；井下的爆破工作、火区氧化和机械润滑油高温分解等都能发生一氧化碳(CO)；井下火区氧化和含硫煤的水解都能发生硫化氢；井下火区氧化和含硫煤的迟缓氧化都能发生二氧化硫，井下爆破工作能发生氧化氮；井下充电硐室的电解能发生氢；井下火区氧化能发生氨。

.3 井下空气成分的底子性质 1.氧(O2)

氧是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体，比重为1.105，是人呼吸所必需的物质，故须供给井下足够的风量，以包管井下空气中有足够的氧量．因为氧是很活泼的元素，易使其它物质氧化,并能助燃，发生CO2和CO，故应阻止空气进入采空区和火区，以防止氧对煤炭氧化而自燃。

造成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迟缓氧化；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆炸。此外，煤岩和出产过程中发生的各种有害气体，也使空气中的氧浓度相对降低。缺氧窒息是造成矿井人员伤亡的原因之一。

2.二氧化碳(CO2)

二氧化碳不助燃，也不克不及供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比空气重(与空气的相对密度为1.52)，在风速较小的巷道中，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是无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有刺激作用，如果空气中完全不含有二氧化碳，那么人体的正常呼吸功能就不克不及维持。所以在抢救遇难者进行人工输氧时，往往要在氧气中参加5％的二氧化碳，以刺激遇难者的呼吸机 能。但当空气中二氧化碳的浓渡过高时，也将使空气中的氧浓度相对降低，轻那么使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也可能造成人员中毒或窒息。

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

空气中假设氮气浓度升高，那么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。

.4 井下常见有毒有害气体的底子性质

有毒有害气体的性质可分为以下几方面：

臭、味和色方面—有臭的气体有四种，即NH3 (剧臭)， SO2(强烈硫躏臭)， H2S(臭鸡蛋味，浓度为0.0001％时，便可嗅出来)，CO2(微酸臭)；有色气体只有一种，即 N02(浅红褐色)。可按照 以上性质发觉这些气体的存在。

有毒有害气体对人体的影响：

对人体有毒的气体有五种。此中N02是最毒的气体，它能强烈地刺激眼睛和呼吸系统〔鼻、喉、肺)，能和呼吸道上的水分化合而生成硝酸(HNO3)，可使肺浮肿致命．且初期不易发觉，有时数小时后才有中毒征兆。SO2能较强地刺激眼睛和呼吸系统，使眼睛红肿，俗称害眼气体，此外，这种气体能和呼吸道上的水分化合而成硫酸，使肺浮肿致命。H2S能刺激眼睛和呼吸系统，且能使人体血液中毒致命。CO能摈除人体血液中的O2，使血液缺氧致命。这是因为CO比O2对血红素的亲和力约大250～300倍。一般的煤气中毒就是CO中毒。NH3能刺激眼睛、皮肤和呼吸系统。

.5 井下空气成分安然尺度

由于矿井空气质量对人员健康和矿井安然有着重要的影响，所以 煤矿安然规程 (以下简称 规程 )对矿井空气主要成分(氧气、二氧化碳)的浓度尺度做出了明确的规定：

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，必需停工处置。

由于矿井空气中有害气体对井下作业人员的生命安然危害极大，因此 规程 对常见有害气体的安然尺度都做了明确的规定，其值如表1-1-3所列。制定这些尺度时，都留有较大的安然系数。如空气中CO浓度达0.048%时一小时内才可呈现轻微的中毒病症，而 规程 规定的CO最高允许浓度为％，是其轻微中毒浓度的1/20；再如N02浓度达％时，中毒者在短时间内有死亡危险，而 规程 规定的N02最高允许浓度为％，是其危险中毒浓度的1/100。因此，只要我们能够严格遵守 规程 规定，不违章作业，就完全可以防止有害气体对人体的侵害。

表1-1-3井下空气中有害气体的最高允许浓度[1]

有害气体名称 最高容许浓度/% 一氧化碳(CO)

二氧化氮(N02)

二氧化硫(SO2)

硫化氢(H2S)

氨(NH3)

矿井空气主要物理参量

气体的分子具有体积和彼此吸引力，但在阐发气体的一般问题时，这两个因素的影响很小。为了便于阐发和计算，一般可把多种气体当作是没有这两个因素的抱负气体，因此，井下空气也可视为抱负气体。气体的分子作永不竭息的不规那么运动，这种运动发生热能，故气体分子运动是热运动，气体的物理参量较多，此中比容、压力、温度是三个底子参量。

.1 空气的密度和比容

1.空气的密度

空气和其他物质一样具有质量。单元体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号

暗示。空气可以看作是均质流体，故：

〔1-2-1〕

式中—空气的密度， kg/m3 ；

M—空气的质量，kg；

Ｖ—空气的体积，m3。

一般地说，当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。

质量为M(kg)的空气占有的空间(或容积)为Ｖ(m3)，那么空气的比容(别名容积度)就是容积Ｖ和质量M之比。或者说是单元质量空气所占有的体积，即：

〔1-2-2〕

也就是空气的密度倒数。

.2 空气的温度

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元为K(Kelvin)，用符号Ｔ暗示。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)为底子定点，定义为273.15K，每1 K为三相点温度的1／273.15。

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：出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℃。

.3 空气的压力

空气的压力也称为空气的静压〔绝对静压〕，用符号Ｐ暗示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空分子热运动对器壁碰撞的宏不雅暗示。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。

按照统计不雅点，大量空气分子作无规那么的热运动时，在各个标的目的运动的时机是均等的，故空气的绝对静压具有在各个标的目的上强度相等的特点。

压力的单元为Pa(帕斯卡，1Pa＝lN/102)，压力较大时可采用kPa(1kPa＝103Pa)、MPa(1MPa＝103 kPa＝106 Pa)。其他压力单元拜见附录。

.4 空气的粘性

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，便发生粘性阻力(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。 别的，在矿井通风中还常用运动粘度系数，和气体密度有关，即和压力有关，这两个系数有如下的关系：

＝μ/，m２/s (1—2—4)

.5 空气的湿度

１．空气湿度的意义

空气的湿度暗示空气中所含水蒸气量的多少或潮湿程度，暗示空气湿度的方法有绝对湿度、相对温度和含湿量三种。

绝对湿度：单元体积湿空气中所含水蒸气的质量绝对值。其单元与密度单元不异，用符号暗示。 饱和湿度：单元体积湿空气中所含饱和水蒸气质量绝对值。用符号暗示。

相对湿度：单元体积空气中实际含有的水蒸气量()与其同温度下的饱和水蒸气含量()之比称为空气的相对湿度。 值小暗示空气干爆，吸收水分的能力强；反之，值大那么空气潮湿，吸收水分能力弱。 即为干空气，＝1即为饱和空气。水分向空气中蒸发的快慢和相对湿度直接有关。

含湿量：含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸气的质量(kg)称为空气的含湿量。

.6 空气的焓

焾是一个复合状态参数，它是气体的内动能u和压力功(流动功)Pν之和，也称热焓〔函〕。湿空气的焓是1kg干空气的焓和此中水蒸气的焓的总和，

矿井气候

矿井气候是指矿井空气的温度、湿度、风速和辐射这四个参数的综合作用状态。这四个参数的不同组合，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然有重要的影响。