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矿井通风理论中国矿业大学(北京)安全工程系目录第一章井下空气第一节井下空气的成分第二节空气的物理性质与状态参数第三节井下气候条件第二章通风系统第一节矿井通风系统第二节采区通风系统第三章通风动力第一节矿用通风机的原理和构造第二节主要通风机的附属装置第三节通风机的实际特性曲线第四节自然风压及其利用第四章掘进通风第一节生产矿井掘进通风第二节建井时期的通风系统第五章矿井通风网络分析第一节井下风流的能量方程第二节通风阻力第三节风网的基本性质第四节矿井总风阻与矿井等积孔第六章矿井需风量与风量调节第一节矿井需风量第二节矿井通风系统的漏风及有效风量第三节风量调节第七章通风测量第一节井下空气状态参数的测量第二节风量测量第三节井巷通风阻力测量第四节通风机性能的测定第一节井下空气的成分一、概述–在通风设计中，将空气看成是由干空气和水蒸气组成的，并称为湿空气，由于干空气成分变化不大，可视为单一气体。在工程实践中，为便于计算，常采用一种干空气的标准成分，见表为干空气的成分及性质。成分气体(分子式)分子量体积百分比／％质量百分比／％氮气(N2)28.01378．08475．53氧气(O2)31.998820．947623．14氮(Ar)39.9340．9340．05二氧化碳(CO2)44.009950．03141．27其他气体0．0030．01二、新风与乏风–新风风流在经过采掘工作面等用风地点之前，成分变化不大；–乏风风流经过采掘工作面等用风地点后，成分发生较大变化。–井下空气主要成分氧气和氮气其它气体三、气体基本性质–（1）氧气无色、无味、无臭气体，相对密度l.105，人在静止时耗氧量为0.25L/min，工作时耗氧量1L／min一3L／min.《煤矿安全规程》规定采掘工作面进风流中氧气浓度不得低于20％。–（2）氮气无色、无味、无臭气体，相对密度0.97，微溶于水，不助燃，无毒。地层中涌出的氮气可增加空气中的含量。–（3）井下空气中常见有毒、有害气体一氧化碳(C0)、二氧化氮(NO2)、硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)等。来源是爆破生成的炮烟、矿物氧化、火灾、爆炸以及柴油机工作产生的废气等。–（4）一氧化碳(CO)无色、无臭、无味气体，微溶于水，能燃烧，当体积浓度达到13%—75％时可能爆炸。CO有剧毒，人体血液中的血红素与CO的亲和力比它与O2的亲和力大250倍一309倍。《煤矿安全规程》规定的最高允许浓度是0.0024%。C0的来源是：炮烟、火灾、瓦斯及煤尘爆炸。–（5）二氧化氮(NO2)红褐色气体，相对密度1.59。易溶于水而生成腐蚀性很强的硝酸，剧毒，对眼、鼻、呼吸道及肺有强烈刺激及腐蚀作用，可引起肺水肿。《煤矿安全规程》规定的最大允许浓度是0.00025％(5mg／m3)。炸药爆破时产生一系列的氮氧化合物，如NO、N02等。NO遇空气中的氧气即氧化为NO2。–（6）硫化氢(H2S)无色、带有臭鸡蛋味的剧毒性气体，相对密度为1.19，易溶于水。《煤矿安全规程》规定的最大允许浓度是0.00066％。主要来源：坑木等有机物腐烂和含硫矿物水化所产生；老空区积水中可能积存H2S，受到搅动时释放出来；有些煤体会涌出H2S。–（7）二氧化硫(SO2)无色、有强烈硫磺气味及酸味的毒性气体，易溶于水，能强烈刺激眼及呼吸道黏膜。易积聚在巷道底部。《煤矿安全规程》规定的最高允许浓度是0．0005％。主要来源：含硫矿物的氧化、燃烧，在含硫矿体中爆破，以及从含硫矿层中涌出。–（8）二氧化碳(C02)无色略带酸臭味的气体，不助燃不能供人呼吸，略有毒性，易溶于水，相对密度1.52，常积聚于巷道底部、井筒和下山掘进迎头。对人呼吸有刺激作用。浓度高达20％－25％时，人中毒死亡。《煤矿安全规程》规定：–采掘工作面进风流中按体积计算CO2不得超过0．5％；–总回风流中不得超过0.75％；–工作面风流中阳浓度不大于1.5％.主要来源–有机物氧化，人员呼吸，煤岩缓慢氧化，矿井水与碳酸性岩石分解；–爆破，矿内火灾，煤自燃，瓦斯、煤尘爆炸。–有些煤层或岩层长期放出CO2，或短时间内大量喷出或突出。–（9）氨气无色且有剧毒的气体，相对密度0.9，易溶于水，对人体有毒，矿内最大允许浓度0.004％，浓度达0.0011％时可嗅到臭味。主要来源：在矿内发生火灾或爆炸事故时产生。–（10）氢气(H2)无色无味，具有爆炸性，在矿井火灾或爆炸事故中和井下充电硐室均会产生，其最高允许浓度为0．5％。–（11）甲烷(CH4)瓦斯，无色、无味、无臭，相对密度0.55，难溶于水，无毒，浓度较高时，引起窒息。不助燃，但在空气中具有一定浓度并遇到高温(650℃一750℃)时引起爆炸。采掘工作面进风流瓦斯浓度不得超过0．5％，采掘工作面和采区回风流中，不得超过1％，矿井和一翼总回风流中，不得超过0．75％。–（12）粉尘《煤矿安全规程》规定，粉尘中含游离二氧化硅在10％以上时，粉尘浓度应低于2mg／m3，井下空气中煤尘浓度应低于10mg／m3。四、小结–矿井通风即为稀释矿内各种有害气体，连续供给新风，使之达到安全浓度。CH4和CO2是矿内有害气体主要成分，稀释它们所需风量最大，它们是确定矿井风量和工作面风量的主要依据。–有些情况下，根据具体条件采取其他措施，如抽放瓦斯，煤体注入石灰水以减少H2S和SO2，防止煤炭自燃等。–爆破后空气中CO、CO2、NO2等气体浓度往往超过安全浓度，除了采取水炮泥、喷雾洒水等措施外，必须等炮烟吹散后方可进入掘进工作面。当发生爆炸、火灾、煤与瓦斯突出等事故时，空气中有害气体的浓度通常是致命的，空中氧气浓度低于安全浓度应佩带自救器。第二节空气物理性质与状态参数井下空气由干空气、水蒸气和有害气体组成的混合气体。有害气体的含量小，成分复杂，变化大，在工程上将井下气体当作空气和有害气体的混合气体来分析。空气物理性质：空气在受到力和热的作用下所表现出来的不同与其他物质的特性。表征空气物理性质的物理量有两类：–一是空气物性参数，包括气体常数、比热容和黏度等，这些物性参数随空气中水蒸气的含量变化而变化；–二是空气状态参数，包括压力、温度、密度、比体积、内能、焓、熵等等。湿空气的状态参数还包括含湿量、水蒸气分压力、湿球温度、露点温度、相对湿度和绝湿度等。一、空气的物性参数(一)气体常数–干空气和湿空气可近似看成理想气体，满足理想气体状态方程pv=RT(1—1)式中：p——绝对压力，简称压力，Pa；v——比体积，m3；R——气体常数，J／(kg·K)；T——热力学温度，K.–对于给定气体，气体常数固定不变。气体常数与气体分子量成反比，氢分子量最小，气体常数最大。干空气分子量和气体常数由其组成成分折合计算，干空气的折合分子量从为28．97，折合气体常数为287J／(kg·K)。水蒸气分子量18.015，气体常数461.5287J／(kg·K)。(二)比热容–比热：每1体积的气体温度升高或降低1K所吸收或放出的热量称为气体的质量比热容。–单位：J／(kg·K)或kJ／(kg·K)。–定压比热容：气体在温度变化的同时，比容和压力可能发生变化，当容积保持不变时的比热容称为定容比热容；当压力保持不变时的比热容。–所有气体定压比热容都大于定容比热容，二者之差等于该气体的气体常数。在矿井空气的热力计算中常用到定压比热容。–常温常压下，干空气的定压比热容为1．01kJ／(kg·K)，水蒸气的定压比热容为1．85kJ／(kg·K)。(三)黏度–定义：气体在流动时，其内部相近质点之间相对运动，产生内摩擦力以抵抗气体的变形，这种性质称为气体的黏性。–气体的内摩擦切应力与切应变速率成正比，其比例系数称为动力黏性系数，符号为µ，单位为Pa·S；–气体的动力黏度与其密度之比称为气体的运动黏性系数，符号为V，单位为m2／S。气体的黏度随温度的升高而增大。–在0℃和20℃下，空气的动力黏性系数分别为1．6858×10—5Pa·S和1．7946×10—5Pa·S，运动黏性系数分别为1．30×10—5m2／S和1．49×10—5m2／S。二、空气的状态参数（一）压力–绝对压力当一个容器中充满气体时，由于气体分子的热运动，分子之间不断碰撞，同时气体分子也不断地和容器壁面碰撞，形成了气体对器壁的压力，大小用气体作用于单位面积上的力来表示。大气压力习惯上用p表示，压力的单位为帕(Pa)，1Pa＝lN／m2。工程上还常用到毫米水柱(mmH2O)、巴(bar)和标准大气压(atm)等单位来表示空气压力，1mmH2O＝9．80665Pa，1bar＝105Pa，latm＝101324．96Pa。以当地当时大气压力为零点起算的压力，称为相对压力，又称表压力。它表示流体中某点压力与当地大气压力之差。某点的绝对压力只能是正值，而相对压力则可正可负。(二)水蒸气分压力–如果将一定量的湿空气中的水蒸气抽出，使其保持与原来湿空气相同的温度和容积，这时水蒸气的压力称为水蒸气分压力，符号Pv。–干空气分压力概念，其符号为Pd。分压力与压力有相同的量纲和单位。–水蒸气分压力和干空气分压力之和等于湿空气的压力。–当湿空气的压力一定时，水蒸气分压力越大说明水蒸气的含量越多。(三)密度与比体积–单位体积气体所具有的质量称为密度，符号ρ，单位kg／m3。湿空气的密度可由下式计算：–由式可见，湿空气的密度与温度、压力和湿度有关。压力越大，温度越低，则密度越大。当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度，而且水蒸气分压力越大，密度越小。)378.0(2871vppT(四)干球温度–为区别湿球温度，将湿空气的温度称为干球温度。–温度数值标尺称为温标，常用温标有：热力学温标(又称绝对温标)、摄氏温标和华氏温标。–摄氏温度t与热力学温度T之间关系为：T＝t十273．15。摄氏温度与华氏温度t’之问的关系为：(五)绝对湿度与相对湿度–单位体积湿空气中所含有的水蒸气质量称为湿空气绝对湿度，单位:kg／m3。一定温度下，湿空气中水蒸气分压力不能超过其水蒸气饱和压力。湿空气水蒸气分压力与相同温度下水蒸气饱和压力之比称湿空气相对湿度，符号φ。φ＝0时为干空气，φ＝1时为饱和空气。(六)含湿量–通风工程中，湿度变化，总质量也变化。在含有1kg干空气的湿空气中水蒸气的质量称为湿空气的含湿量,符号为d，单位g/Kg(d．a)。含湿量与水蒸气分压力及相对湿度的关系如下：(七)湿球温度–将温度计的水银球用湿纱布包裹便是一个湿球温度计。当湿空气中的水蒸气未达到饱和时，湿纱布上的水分就会蒸发，从而吸收温度计的热量使温度计的实际温度低于空气温度(即干球温度)，相对湿度越低，则干球温度与湿球温度之差越大。从干球温度和湿球温度就可查图或查表求出湿空气的相对湿度.vsvvpBppBpd622622第一节矿井通风系统矿井通风系统–保证为井下各作业地点提供新空，排出泛风的通风网络、通风动力和通风控制设施总称。一、矿井通风方式–按进、回风井在井田内的位置不同，通风系统分为中央式、对角式、区域式及混合式。第二章通风系统(一)中央式–进、回风井均位于井田走向中央，风流在井下流动路线沿走向折返。–存在问题边远采区与中央采区风阻相差悬殊；边远采区风路长，阻力大，可能因此风量不足；通过中央采区及采空区的漏风较大。–分类按进、回风井沿倾斜方向相对位置的不同，可分为中央并列式和中央分列式(中央边界式)两种。–1．中央并列式图示：图(a)所示特点：进、回风井均布置在中央工业广场内，建井期限较短，便于贯通，井筒延深时通风也较方便；但井底车场附近漏风大，要特别加强管理。适用：井田走向长度不大、瓦斯与自然发火都不严重的矿井。–2．中央分列式(中央边界式)图示：图(b)所示特点：进、回风井在沿倾斜方向上相隔一段距离。回风井通常位于井田浅部边界沿走向的中央，不在工业广场内。进、回风道间的漏风主要是通过中央采区的采空区。适用：井田走向长度不大，瓦斯与自燃发火比较严重的矿井。(二)对角式–特点：与中央式相比，安全出口较多，风流单向流动，边远采区的通风路线短，阻力和漏风较小。–缺点：采用抽出式通风时，管理相对