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主讲人：李奇电话：13668362347E-mail：907108513@qq.com矿业工程概论第九章矿井通风与安全技术第一节矿井通风一、矿井空气（一）地面空气的组成地面空气是由干空气和水蒸汽组成的混合气体，亦称为湿空气。干空气是指完全不含有水蒸汽的空气，由氧、氮、二氧化碳、氩、氖和其他一些微量气体所组成的混合气体。干空气的组成成分比较稳定。湿空气中含有水蒸气，但其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。定义：地面空气进入矿井以后即称为矿井空气。（二）矿井空气的主要成分及基本性质新鲜空气：井巷中用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气，污浊空气：通过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，1．氧气(O2)氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体,人体维持正常生命过程所需的氧气量，取决于人的体质、精神状态和劳动强度等。当空气中的氧浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现种种不舒适的症状，严重时可能导致缺氧死亡。氧浓度（体积）/%主要症状17静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难15呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动能力10～12失去理智，时间稍长有生命危险6～9失去知觉，呼吸停止，如有及时抢救几分钟内可能导致死亡矿井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，也使空气中的氧浓度相对降低。2．二氧化碳(CO2)（1）主要性质:不助燃，也不能供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比空气重（其比重为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。（2）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。（3）主要来源：煤和有机物的氧化；人员呼吸；碳酸性岩石分解；炸药爆破；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆炸等。3．氮气(N2)性质：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。但空气中含氮量升高，则势必造成氧含量相对降低，从而也可能造成人员的窒息性伤害。正因为氮气具有的惰性，因此可将其用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。氮气主要来源：井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出,灭火人为注氮。（三）矿井空气主要成分的质量（浓度）标准《规程》第100条，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，必须停工处理。（四）矿井空气中的有害气体空气中常见有害气体：CO、NO2、SO2、NH3、H2。1、基本性性质（1）一氧化碳（CO）性质：一氧化碳是一种无色、无味、无臭的气体。相对密度为0.97，微溶于水，能与空气均匀地混合。一氧化碳能燃烧，当空气中一氧化碳浓度在13～75％范围内时有爆炸的危险。主要危害：血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞。一氧化碳与人体血液中血红素的亲合力比氧大250～300倍。一旦一氧化碳进入人体后，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”。0.08%，40分钟引起头痛眩晕和恶心，0.32%，5~10分钟引起头痛、眩晕，30分钟引起昏迷，死亡。主要来源：爆破；矿井火灾；煤炭自燃以及煤尘瓦斯爆炸事故等。CO（%）主要症状0.022～3小时内可能引起轻微头痛0.0840分钟内出现头痛,眩晕和恶心。2小时内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷0.325～10分钟内出现头痛，眩晕。半小时内可能出现昏迷并有死亡危险。1.28几分钟内出现昏迷和死亡。CO中毒症状与浓度的关系（2）硫化氢（H2S）性质：硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到0.0001％即可嗅到，但当浓度较高时，因嗅觉神经中毒麻痹，反而嗅不到。相对密度为1.19，易溶于水。硫化氢能燃烧，空气中硫化氢浓度为4.3～45.5％时有爆炸危险。主要危害：硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用；能阻碍生物氧化过程，使人体缺氧。当空气中硫化氢浓度较低时主要以腐蚀刺激作用为主，浓度较高时能引起人体迅速昏迷或死亡。主要来源：有机物腐烂；含硫矿物的水解；矿物氧化和燃烧；从老空区和旧巷积水中放出。（3）二氧化氮（NO2）性质：二氧化氮是一种褐红色的气体，有强烈的刺激气味，相对密度为1.59，易溶于水。主要危害：二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部有强烈的刺激及腐蚀作用，二氧化氮中毒有潜伏期，中毒者指头出现黄色斑点。主要来源：井下爆破工作。中毒症状与浓度关系表二氧化氮（体积）/%主要症状0.0042～4小时内可出现咳嗽症状。0.006短时间内感到喉咙刺激，咳嗽，胸疼。0.01短时间内出现严重中毒症状，神经麻痹，严惩咳嗽，恶心，呕吐。0.025短时间内可能出现死亡。(4)二氧化硫(SO2)性质：无色、有强烈的硫磺气味及酸味，空气中浓度达到0.0005％即可嗅到。其相对密度为2.22，易溶于水。主要危害：遇水后生成硫酸，对眼睛及呼吸系统粘膜有强烈的刺激作用，可引起喉炎和肺水肿。当浓度达到0.002％时，眼及呼吸器官即感到有强烈的刺激；浓度达0.05％时，短时间内即有致命危险。主要来源：含硫矿物的氧化与自燃；在含硫矿物中爆破；以及从含硫矿层中涌出。（5）氨气(NH3)性质：无色、有浓烈臭味的气体，相对密度为0.596，易溶于水，。空气浓度中达30％时有爆炸危险。主要危害：对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，引起喉头水肿。主要来源：爆破工作，注凝胶、水灭火等；岩层中也涌出。（6）氢气(H2)性质：无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比沼气低100～200℃，主要危害：当空气中氢气浓度为4～74％时有爆炸危险。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、或煤氧化。矿井空气中有害气体对井下作业人员的生命安全危害极大，因此，《规程》对常见有害气体的安全标准做了明确的规定。2、矿井空气中有害气体的安全浓度标准有害气体名称分子式最高容许浓度/%一氧化碳CO0.0024氧化氮（折算成二氧化氮）NO20.00025二氧化硫SO20.0005硫化氢H2S0.00066氨NH30.004矿井空气中有害气体的最高容许浓度（一）矿井通风系统矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，它是矿井通风方式、通风方法、通风网路和风流控制设施的总称。1、通风方式：指进风和回风井的布置方式。按位置不同，可分为中央式、对角式、区域式及混合式。改变矿井通风方式是矿井通风系统改造的主要方法之一。中央式：进、回风井大致位于井田走向中央。对角式：进风井位于井田中央，回风井设在沿走向的两翼。分区式：进风井位于井田中央，开采井田浅部，在每采区掘一个小回风井与采区回风巷相通，不必掘总回风巷。混合式：两种或两种以上的通风方式综合应用的通风方式称为混合式通风方式。二、矿井通风(a)中央并列式主井副井风井(b)中央分列式风井主井副井（c）两翼对角式风井风井主井副井(d)分区式主井副井风井风井风井2、通风方法：矿井主要通风机的工作方法，有抽出式、压入式和压抽混合式三种。我国90%以上的矿井采用抽出式通风方法。压入式：主要通风机设在入风井口，在压入式通风机作用下，矿井井巷大气处在高于当地大气压力的正压状态。抽出式:主要通风机设在回风井口,在抽出式通风机作用下,矿井井巷大气处在低于当地大气压力的负压状态。压抽混合式：主要通风机分别设置于进回风井口。主要用于压入、抽出互相转换的过渡期。工作方式优点缺点适用条件压入式污风不经风机，射程远，可用柔性风筒，漏风稀释污风污风经巷道排出，污风排出时间长巷道有瓦斯，巷道不长，瓦斯突出巷抽出式巷道无瓦斯抽－压混合式巷道长、无瓦斯优缺点与压入式相反兼有抽—压优缺点3、矿井通风网络矿井风流按照生产要求在巷道中流动时，风流分岔、汇合线路的结构形式。基本形式：串联并联角联4、通风设施井下主要通风设施有：风墙、风门、调节风窗、风桥5、几种采区通风系统回采工作面通风系统由工作面进风巷、采煤工作面和工作面回风巷组成。采煤工作面通风系统有U、Z、Y、双Z、W和H形等形式。目前我国煤矿多采用U形通风系统。前进式U型后退式后退式前进式Z型后退式•前进式型Y型W双型Z•H型6、矿井通风机械矿井通风机（离心式、轴流式）7、掘进工作面通风必须采用全风压通风和局部通风机通风局部通风机工作方式也可分为压入式、抽出式、抽－压混合式老顶直接顶煤层顶板采矿开挖空洞顶板岩石下沉变形、破坏，产生事故是指能在采空区不规则冒落、不能向煤壁前方和采空区矸石上永久传递力的、其作用力必须由支架全部承担的那部分岩层的总和。是指自身能形成平衡结构、能永久向煤壁前方和采空区矸石上传递力的、其运动对采场矿压有明显影响的、作用力无须支架全部承担的那部分岩层。第二节矿井顶板防治一、矿山压力的基本概念水平原岩应力铅垂原岩应力采矿开挖引起的应力集中存在于地层中示受工程扰动的天然应力为原岩应力，也称为岩体初始应力，绝对应力或地应力。天然存在于原岩内而与人为因素无关的应力场称为原岩应力场。来源：地质构造运动和岩体自重。存在形式：一部分以弹性能形式存在，另一部分由于种种原因在岩石中处于自我平衡状态。采场中一切压力显现的根源，是采动引起的上覆岩层运动。上覆岩层是指需要控制的岩层，包括直接顶和老顶。1.矿山压力由于采掘活动的影响，而在采掘空间周围岩体上及支护物上所产生的力称为矿山压力。水平原岩应力铅垂原岩应力采矿开挖引起的应力集中2.矿山压力显现由于矿山压力的作用将引其围岩及支护物的位移、变形、破坏等一系列的力学现象称为矿压显现。3.矿山压力与矿山压力显现的关系（1）矿压是矿压显现的原因，矿压显现是矿压作用的结果。（2）矿压存在是绝对的、不可控制的，矿压显现是相对的、有条件的、可以控制的。（3）矿压显现与矿压大小并不成比例。(a)(b)(c)(d)矿山压力显现的基本形式顶板下沉与支架承载顶底板移近两帮鼓出冒顶、片帮矿山压力控制：人为减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，叫做“矿山压力控制”，简称矿压控制。把矿山压力显现控制在合理的范围，这是矿山压力控制的根本目的。二、影响矿山压力显现的基本因素5）断层与褶曲6）挤压与破碎带2）开采深度1.地质因素1）岩石力学性质2.开采技术因素2）开采程序3）支护方法4）顶板控制方法5）工作面推进速度6）采高与控顶距7）上部煤层残留煤柱1）巷道位置三、顶板事故的产生原岩应力重新分布掘进过程支护不及时支架强度不足顶板事故支架不适应围岩的变形与破坏类型变形的时间效应空洞围岩破坏特殊地质条件采矿岩石开挖开挖空洞周边应力集中四、矿山压力控制利用矿山压力活动规律采用合理的开挖顺序和过程避免顶板事故，保证采矿作业安全人工控制与支护五、采煤工作面顶板事故防治（一）老顶来压时的压垮型冒顶(主要发生在老顶来压时）致因：顶板来压过大；支架支撑力不足。厚层难冒顶板大面积冒顶垮落带老顶岩块压坏采场支架垮落带老顶岩块冲击压坏采场支架离层冲击压坏支架预防措施：1、提高采场支架的初撑力使用初撑力大的支柱——小煤矿使用的木支柱和摩擦金属支柱初撑力小，刚度差，易导致煤层复合顶板离层，又使采场支架不稳定，所以有条件的矿要推广使用单体液压支柱。正确操作——操作时将初撑力给足；二次补液；支柱架设正规。支柱一定要升紧；单体摩擦支柱一定要使用液压升柱器升柱，升柱完成后水平楔要打紧；单体液压支柱注液系统压力要足够，必要时使用增压注液枪；木背板不宜过厚；钻底支柱要穿鞋。液压系统——保证泵站压力；密封件不失效、管路不漏液；安全阀要达到规定的调整标准。支柱完好