1、1,中國礦業(yè)大學能源與 安全學院,礦井通風與安全 Mine Ventilation and Safety,中國礦業(yè)大學教學多媒體課件,2,礦井通風系統(tǒng)組成,3,第一章 礦內(nèi)空氣,礦井通風概念:依靠通風動力，將定量的新鮮空氣，沿著既定的通風路線不斷地輸入井下，以滿足各用風地點的需要，同時將用過的污濁空氣不斷地排出地面。這種對礦井不斷輸入新鮮空氣和排出污濁空氣的作業(yè)過程叫做礦井通風。 礦井通風目的:是為井下各工作地點提供足夠的新鮮空氣，使其中有毒有害氣體、粉塵不超過規(guī)定值，并有適宜的氣候條件。,4,礦井通風系統(tǒng)通常被稱為礦井的心臟與動脈。礦井通風是保障礦井安全的最主要技術(shù)手段之一。 本章內(nèi)容: 礦

2、內(nèi)空氣的主要成分 井下常見的有害氣體 礦井的氣候條件,5,1.1 礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì),地面空氣主要成分,6,地面空氣進入礦井以后，由于受到污染，其成分和性質(zhì)要發(fā)生一系列的變化，如氧濃度降低，二氧化碳濃度增加；混入各種有毒、有害氣體和礦塵；空氣的狀態(tài)參數(shù)（溫度、濕度、壓力等）發(fā)生改變等。一般來說，將井巷中經(jīng)過用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內(nèi)的空氣稱為新鮮空氣（新風）；經(jīng)過用風地點以后、受污染程度較重的回風巷道內(nèi)的空氣，稱為污濁空氣（乏風）。,礦內(nèi)空氣,7,盡管礦井空氣與地面空氣相比，在性質(zhì)上存在許多差異，但在新鮮空氣中其主要成分仍然是氧、氮和二氧化碳。在污濁空氣中含有大量有毒有害氣

3、體：一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）等。,有毒有害氣體成分,8,氧氣（O2）,氧氣是維持人體正常生理機能所需要的氣體。人類在生命活動過程中，必須不斷吸入氧氣，呼出二氧化碳。人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取決于人的體質(zhì)、精神狀態(tài)和勞動強度等。 氧氣無色、無味、無毒、無害等的氣體，比重為1.105。 來源于進入礦井的大氣,9,人體需氧量與勞動強度的關(guān)系,10,人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關(guān)系,當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產(chǎn)生不良的生理反應，出現(xiàn)種種不舒適的癥狀，嚴重時可能導致缺氧死亡。,11,人員呼吸 煤巖和其他有機物的緩慢氧化 煤炭自然 瓦斯、

4、煤塵爆炸 煤巖和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種有害氣體,礦內(nèi)空氣中氧濃度降低的主要原因,在井下通風不良的地點，如果不經(jīng)檢查而貿(mào)然進入，就可能引起人員的缺氧窒息。 我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定，采掘工作面的進風流中氧氣濃度不得低于20%。,12,氮氣（N2）,氮氣是一種惰性氣體,是新鮮空氣中的主要成分,它本身無毒、無色、無味、無臭、不助燃，也不供呼吸。但空氣中若氮氣濃度升高，勢必造成氧濃度相對降低，從而也可能導致人員的窒息性傷害。正因為氮氣為惰性氣體，因此又可將其用于井下防滅火和防止瓦斯爆炸。 礦井空氣中氮氣主要來源是：井下爆破和生物腐爛，有些煤巖層中也有氮氣涌出。,13,二氧化碳（CO2）,二氧化碳是無色、略帶

5、酸臭味的氣體，比重為1.52，是一種較重的氣體，很難與空氣 均勻混合，故常積存在巷道的底部、井筒與下山的掘進迎頭，在靜止的空氣中有明顯的分界。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，對眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對人體是無害的，但如果空氣中完全不含有二氧化碳，則人體的正常呼吸功能就不能維持。,14,在搶救遇難者進行人工輸氧時，往往要在氧氣中加入5%的二氧化碳，以刺激遇難者的呼吸機能。 但當空氣中二氧化碳的濃度過高時，也將使空氣中的氧濃度相對降低，輕則使人呼吸加快，呼吸量增加，嚴重時也可能造成人員中毒或窒息。,二氧化碳對人呼吸的影響,15,

6、二氧化碳中毒癥狀與濃度的關(guān)系,16,礦井空氣中二氧化碳的主要來源是：煤和有機物的氧化；人員呼吸；碳酸性巖石分解；炸藥爆破；煤炭自然；瓦斯、煤塵爆炸等。此外，有的煤層和巖層中也能長期過續(xù)地放出二氧化碳，有的甚至能與煤巖粉一起突然大量噴出，給礦井帶來極大的危害。 規(guī)程規(guī)定:進風流中二氧化碳不得大于0.5%；采區(qū)回風巷和采掘工作面回風巷回風流中，二氧化碳不超過1.5%。；總回風流中,二氧化碳不超過0.75%。,礦內(nèi)二氧化碳的主要來源,17,一氧化碳（CO）,CO是一種無色、無味、無臭的氣體，相對密度為0.97,微溶于水,能與空氣均勻地混合。CO能燃燒，濃度在13%75%時有爆炸的危險；CO與人體血液

7、中血紅素的親合力比氧大200300倍（血紅素是人體血液中攜帶氧氣和排出二氧化碳的細胞）。一旦CO進入人體后，首先就與血液中的血紅素相結(jié)合，因而減少了血紅素與氧結(jié)合的機會，使血紅素失去輸氧的功能，從而造成人體血液“窒息”。 CO危害取決于空氣中CO濃度及與人的接觸時間。,18,一氧化碳中毒癥狀與濃度的關(guān)系,19,一氧化碳對人的生理作用,20,空氣中一氧化碳的主要來源有：井下爆破；礦井火災；煤炭自然以及煤塵、瓦斯爆炸事故等。 規(guī)程規(guī)定:礦內(nèi)空氣中CO濃度不得超過0.0024% 。,礦內(nèi)CO的來源與允許濃度,21,二氧化硫(SO2),二氧化硫是一種無色,有強烈硫磺味的氣體,密度為1.4337。易溶于

8、水,在風速較小時,易積聚于巷道的底部.對眼睛有強烈刺激作用. 二氧化硫與水后生成都市硫酸,對呼吸器官有腐蝕作用,使用喉嚨和支氣管發(fā)炎,呼吸麻痹,嚴重時引起肺病水腫,當空氣中含二氧化硫為0.0005%時,嗅覺器官能聞到刺激味。0.002%時,有強烈的刺激,可引起頭痛和喉痛。0.05%時，引起急性支氣管炎和肺水腫，短期間內(nèi)即死亡。 規(guī)程規(guī)定：空氣中二氧化硫含量不得超過0.0005%。,22,二氧化氮(NO2),二氧化氮是一種褐紅色的氣體,有強烈的刺激氣味,相對密度為1.59,易溶于水. 二氧化氮溶于水后生成腐蝕性很強的硝酸,對眼睛、呼吸道粘膜和肺部組織有強烈的刺激及腐蝕作用，嚴重時可引起肺水腫。二

9、氧化氮中毒有潛伏期，有的在嚴重中毒時尚無明顯感覺，還可堅持工作。但經(jīng)過624小時后發(fā)作，中毒者指頭出現(xiàn)黃色斑點，并出現(xiàn)嚴重的咳嗽、頭痛、嘔吐甚至死亡。,23,二氧化氮中毒癥狀與濃度的關(guān)系,24,礦內(nèi)空氣中二氧化氮的主要來源：井下爆破工作。 規(guī)程規(guī)定，氮氧化合物不得超過0.00025%。,二氧化氮的來源與允許濃度,25,硫化氫（H2S）,硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當空氣中濃度達到0.0001%即可嗅到,但當濃度較高時,因嗅覺神經(jīng)中毒麻痹,反而嗅不到。硫化氫相對密度為1.19,易溶于水,在常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫,所以它可能積存于舊巷的積水中.硫化氫能燃燒,空氣

10、中硫化氫濃度為4.3%45.5%時有爆炸危險. 硫化氫劇毒，有強烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、氣管炎和肺水腫；而且還能阻礙生物的氧化過程，使人體缺氧。當空氣中硫化氫濃度較低時主要以腐蝕刺激作用為主；濃度較高時能引起人體迅速昏迷或死亡。 規(guī)程規(guī)定硫化氫的允許濃度為0.00066%,26,氨氣（NH3）,氨氣是一種無色、有濃烈臭味的氣體，比重為0.596,易溶于水,空氣濃度中達30%時有爆炸危險。 氨氣對皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉頭水腫。 礦內(nèi)空氣中氨氣的主要來源：爆破工作，用水滅火等；部分巖層中也有氨氣涌出。 規(guī)程允許濃度為0.004%。,27,氫氣（H2）,氫氣無色、無味、無毒，相對

11、密度為0.07。氫氣能自燃，其點燃溫度比甲烷低100200，當空氣中氫氣濃度為4%74%時有爆炸危險。 井下空氣中氫氣的主要來源：井下蓄電池充電時可放出氫氣；有些中等變質(zhì)的煤層中也有氫氣涌出。,28,12 礦內(nèi)氣候條件,礦井氣候是指礦井空氣的溫度、濕度、風速三參數(shù)的綜合作用狀態(tài)。 這三個參數(shù)的不同組合，便構(gòu)成了不同的礦井氣候條件。礦井氣候條件對井下作業(yè)人員的身體健康和勞動安全有重要影響。,29,礦內(nèi)空氣溫度,礦內(nèi)空氣溫度是影響礦內(nèi)氣候條件的重要因素。氣溫過高或過低，對人體都有不良的影響。最適宜的礦內(nèi)空氣溫度是1520。 1影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素 1) 巖石溫度 巖層溫度的三帶 變溫帶 隨地

12、面氣溫的變化而變化的地帶 恒溫帶 地表下地溫常年不變的地帶 增溫帶 恒溫帶以下地帶,30,增溫帶巖石溫度的計算,不同深度處的巖層溫度可按式計算： tt0+G ( ZZ0) 式中 t0恒溫帶處巖層的溫度，； G地溫梯度，即巖層溫度隨深度變化率，/m，常用百米地溫梯度，即/100m； Z巖層的深度； Z0恒溫帶的深度。,31,2) 空氣的壓縮與膨脹 空氣向下流動時，由于空氣柱的增加，空氣受到壓縮而產(chǎn)生熱量，一般垂深每增加100米，其溫度升高1；相反，空氣向上流動時，則又因膨脹而降溫，平均每升高100米，溫度下降0.80.9。 3) 氧化生熱 礦井內(nèi)的有機礦物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化發(fā)

13、熱。例如，經(jīng)氧化生成2克二氧化碳時，可使1 m3空氣升溫14.5。在煤層中的采準巷道，暴露煤面氧化產(chǎn)生的熱量較大，故回采工作面是通風系統(tǒng)中溫度最高的區(qū)段。,32,4) 水分蒸發(fā) 水分蒸發(fā)時從空氣中吸收熱量，使空氣溫度降低。每蒸發(fā)一克水可吸收0.585千卡的熱量，能使1m3空氣降溫1.9，可見水的蒸發(fā)對降低氣溫起著重要的作用。 5）通風強度(指單位時間進入井巷的風量) 溫度較低的空氣流經(jīng)巷道或工作面時，能夠吸收熱量，供風量越大，吸收熱量越多。因此，加大通風強度是降低礦井溫度的主要措施之一。,33,6) 地面空氣溫度的變化 地面氣溫對井下氣溫有直接影響，尤其是較淺的礦井，礦內(nèi)空氣溫度受地面氣溫的影

14、響更為顯著。 7) 地下水的作用 礦井地層中如果有高溫熱泉，或有熱水涌出時，能使地溫升高，相反，若地下水活動強烈，則地溫降低。 ) 其它因素 如機械運轉(zhuǎn)以及人體散熱等都對井下氣溫有一定影響。特別是隨著機械化程度的不斷提高，機械運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量不能忽視,34,規(guī)程規(guī)定，井下采掘工作面的氣溫須26；機電硐室內(nèi)的氣溫30；冬季總進風的溫度 2,礦內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律,35,礦內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律 在進風路線上礦內(nèi)空氣的溫度與地面氣溫相比，有冬暖夏涼的現(xiàn)象?；夭晒ぷ髅娴臍鉁卦谡麄€風流路線上，一般是最高的區(qū)段。在回風路線上，因通風強度較大，水分蒸發(fā)吸熱，氣流向上流動而膨脹降溫，使氣溫略有下降，但基本上常

15、年變化不大。,36,礦內(nèi)空氣的濕度,礦內(nèi)空氣濕度是指礦內(nèi)空氣中所含水蒸汽量。 絕對濕度指每1m3或1kg的濕空氣中所含水蒸汽量的質(zhì)量。 相對濕度指濕空氣中實際含有水蒸汽量與同溫度下的飽和水蒸汽量之比的百分數(shù)。 式中 w空氣中所含水蒸汽量(即絕對濕度)，g/m3； s在同一溫度下空氣中的飽和水蒸汽量， g/m3 ?？諝庵酗柡退羝康拇笮∪Q于空氣的溫度。,37,含濕量在含有1kg干空氣的濕空氣中所攜帶的水蒸汽質(zhì)量。 影響濕度的因素： （1）季節(jié)性 （2）礦井涌水量,38,井下空氣濕度的變化規(guī)律 進風線路有可能出現(xiàn)冬干夏濕的現(xiàn)象。進風井巷有淋水的情況除外。在采掘工作面和回風線路上，氣溫長年不變，

16、濕度也長年不變，一般都接近100，隨著礦井排出的污風，每晝夜可從礦井內(nèi)帶走數(shù)噸甚至上百噸的地下水。,39,井下風流狀態(tài)的復雜性 風速對礦內(nèi)氣候的影響（P16）,礦井風速,40,風速的測量 常用的測法是人背向巷道壁，伸直持風表的手臂，與風流方向垂直，并使風表的背面正對風流方向，在測量斷面上，按一定的路線，均勻移動風表一分鐘，即關(guān)閉開關(guān)，讀取表讀數(shù)Va(m/s)，據(jù)Va值查所用風表的校正線，得出真風速Vt(m/s)。,41,1、干球溫度 2、濕球溫度 3、等效溫度 4、同感溫度 5、卡他度,衡量礦井氣候條件的指標,42,131空氣的密度、比容,單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，用符號表示?？?/p>

17、氣可以看作是均質(zhì)氣體，故： 式中 M空氣的質(zhì)量，kg V空氣的體積，m3 ； 空氣的密度，kgm3； 一般地說，當空氣的溫度和壓力改變時，其體積會發(fā)生變化。所以空氣的密度是隨溫度、壓力而變化的，從而可以得出空氣的密度是空間點坐標和時間的函數(shù)。如在大氣壓P0為101 325Pa、氣溫為0(27315K)時，干空氣的密度0為1293kgm3。,13礦內(nèi)空氣的熱物理參數(shù),43,濕空氣的密度是lm3空氣中所含干空氣質(zhì)量和水蒸氣質(zhì)量之和： 式中 1m3濕空氣中干空氣的質(zhì)量， kg ； 1m3濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量，kg,44,由氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律可以得出濕空氣的密度計算公式： 式中P空氣的壓力，

18、Pa ； t空氣的溫度， ； Ps溫度t時飽和水蒸氣的分壓，Pa ； 相對濕度，用數(shù)表示。 空氣的比容是指單位質(zhì)量空氣所占有的體積，用符號(m3kg)表示，比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個狀態(tài)參數(shù)的兩種表達方式。則：,45,1.3.2 空氣的比熱、內(nèi)能、焓,一比熱 在分析熱力過程時，常涉及到氣體的內(nèi)能和焓的計算，這些計算都要用到氣體的比熱。 單位物量的物質(zhì)在單位溫度變化時所吸收或放出的熱量稱為比熱。 定義式為 比熱的單位取決于熱量單位和物量單位。表示物量的單位不同，比熱的單位也不同。通常采用的物量單位 ：質(zhì)量(kg)、標準容積(Nm3)和千摩爾(kmo1)。因此，相應的就有質(zhì)量比熱、容積比熱和摩

19、爾比熱之分。,46,二空氣的內(nèi)能 氣體的內(nèi)能是指氣體內(nèi)部分子熱運動的動能和由分子間相互吸引力所產(chǎn)生的位能的總和，即,井下空氣可視為理想氣體，而理想氣體是沒有分子間相互吸引力的氣體。因此氣體分子的內(nèi)能決定于氣體的絕對溫度T，即 uf（T）,47,三焓 焓是一個組合的狀態(tài)參數(shù)，表示氣體熱力狀態(tài)的總能量。單位質(zhì)量物質(zhì)的焓稱為比焓（有時也將比焓簡稱為焓），即有,48,1.3.3 空氣的粘性,當流體層間發(fā)生相對運動時，在流體內(nèi)部兩個流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力(內(nèi)摩擦力)以阻止相對運動，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。 由牛頓內(nèi)摩擦定律得： 式中 F-內(nèi)摩擦力，N； S-流層之間的接觸面積，m2

20、； -動力粘度(或稱絕對粘度)，Pa.s。,當流體處于靜止狀態(tài)或流層間無相對運動時，dudy=0，則F=0。 在礦井通風中還常用運動粘度，用符號 (m2s)表示：,49,50,1.4 礦內(nèi)空氣的熱力變化過程,礦井空氣熱力學和自然風壓計算等課題都要求對井下空氣的狀態(tài)變化給予具體分析。 141等容過程 就是在比容保持不變的情況下所進行的熱力變化過程。當v=常數(shù)，由氣體狀態(tài)方程可知： 上式表明：等容過程是v不變而絕對壓力和絕對溫度成正比變化的過程。 因v不變，即dv=0，則Pdv=0,熱力學第一定律得：,51,上式表明：在這個過程中，空氣不對外做功，空氣所吸收或放出的熱量等于內(nèi)能的增加或減少。 因 不變，空氣密度 也不變，則通風常用的積分式的變化(即壓能變化)為：,52,142 等壓過程 當P=常數(shù)時，則vT=RP=常數(shù)。表明等壓過程是P不變而v和T成正比變化的過程。 對外界作功為 熱量變化為：,53,上式表明：在此過程中，空氣所吸收或放出的熱量等于空氣焓的增加或減少。 因 ，故壓能變化為