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1第一章矿井空气及气候条件矿井生产过程中，必须持续不断地将地面空气输送到井下各个作业地点，以供给人员呼吸，并稀释和排除井下各种有害气体和矿尘，创造良好矿井气候条件，确保井下作业人员的身体健康和劳动安全。第一节矿井空气成分一、地面空气地面空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，亦称为湿空气。干空气是指完全不含有水蒸气的空气，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，成分的数量基本不变。干空气成分的数量用体积浓度或质量浓度来表示，前者为某种气体的体积在干空气的总体积中所占的百分数；后者为某种气体的质量在干空气的总质量中所占的百分比。其主要成分如表1-1所示。表1-1干空气的组成成分表气体成分按体积计/%按质量计/%分子量氮气（N2）78.08875.52728.013氧气（O2）20.94923.14331.999二氧化碳（CO2）0.0300.04644.010其它气体0.9331.284备注：其它气体主要指的是氦、氖、氩、氪、氙等惰性稀有气体。工程计算中，干空气可近似地仅考虑氧气和氮气，组成按氧气（21%）、氮气（79%）来计算。干空气的物理参数如下：分子量28.97气体常数287.05J/kg.K空气密度（0℃，1atm）1.293kg/m3湿空气中含有水蒸气，其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。地面空气中，水蒸气的浓度随地区和气候而变化，其体积浓度变化范围为0~4%。此外，实际空气中还含有微量的污染气体和尘埃。二、矿井空气的主要成分及其基本性质2矿井空气主要来源于地面空气，虽然发生了一系列变化，但其主要成分仍然是氧气和氮气。1.氧气（O2）氧气是一种无色、无味的气体，相对于空气的比重为1.105，化学性质活泼，易使其它物质氧化，能助燃，是矿井火灾以及瓦斯、煤尘爆炸的必要条件。氧气是人呼吸所必需的气体，人的生命主要是依靠吃进食物和不断吸入空气中的氧气，在体内进行新陈代谢来维持的。人对氧气的需要量取决于人的体质、精神状态和劳动强度等，人的需氧量与劳动强度的关系如表1-2所示。表1-2人体输氧量与劳动强度的关系劳动强度呼吸空气量（L/min）氧气消耗量（L/min）休息6~150.2~0.4轻劳动20~250.6~1.0中等劳动30~401.2~2.6重劳动40~601.8~2.4极重劳动40~802.5~3.1空气中氧气浓度为21%左右对人的呼吸最为有利。空气中氧气浓度的降低会影响人的健康，甚至危及生命。空气中氧气浓度降低对人体的影响见表1-3。表1-3人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系氧浓度（体积）%主要症状171510~126~9静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动能力失去理智，时间稍长有生命危险失去知觉，呼吸停止，如不及时抢救几分钟内可能导致死亡矿井中由于有害气体的涌出、物质氧化、人员呼吸等消耗氧气，会导致井下空气中氧气浓度降低。在通风不良或停风的巷道，氧气的浓度可以降低3到5%以下，冒然进入会导致窒息死亡，我国煤矿每年都发生多起因缺氧造成的窒息死亡事故。另一方面，对于井下瓦斯积聚区域或采空区，不可盲目送入空气，否则，会使之达到瓦斯爆炸的条件或引发煤炭自燃。考虑到井下作业，体力劳动强度较大，《金属非金属矿山安全规程》(GBl6423—2006)(以后简称《规程》)规定：井下采掘工作面进风流中的空气成分(按体积计算)，氧气不低于20％，二氧化碳不高于0．5％。工作地点按照人数计算风量时，每人每分钟不得低于4m3。2.氮气氮气是一种无色、无味、无毒的气体，相对于空气的比重为0.97；化学性质稳定，一般不与其它物质起反应，在矿井生产中常被当作惰性气体用来灭火或惰化采空区。正常情况下，空气中的氮气对人体无害，但是在井下有限空间里，当空气中氮气浓度过高时，将相对降低氧气浓度而使人缺氧窒息。导致矿井空气中氮气浓度增大的原因主要有：①氧气的消耗，则氮气的浓度会相对增加。②从煤层或围岩中涌出氮气。③在矿井防灭火中人为注氮，惰化采空区时泄漏的氮气。④炸药爆破以及含氮有机物的腐烂等产生一定量的氮气。由于氮气无毒，实际中可以通过检测氧气的浓度来防止氮气的危害。三、空气进入矿井后发生的变化地面空气进入矿井后，由于受到井巷围岩、生产活动以及矿岩中涌出气体的作用，空气的成分和状态会发生相应的变化：（一）混入了有害气体和矿尘1．爆破时所产生的炮烟炸药在井下爆炸后，产生大量的有害气体，种类和数量与炸药的性质、爆炸条件与介质有关。在一般情况下，产生的主要成分大部分为一氧化碳和氮氧化合物。1kg炸药爆破能产生的有毒气体相当于10~20L的二氧化氮。2．柴油机工作时产生的废气柴油机的废气成分很复杂，它是柴油在高温高压下燃烧时所产生的各种有毒有害气体的混合体。一般情况下有氮氧化物，含氧碳氢化合物、低碳氧化合物、油烟等，但其中的主要成分为氧化氮，一氧化碳，醛类和油烟等，柴油机排放的废气量由于受各种因素的影4响，变化较大，往往会恶化井下空气。3．硫化矿物的氧化在开采高硫矿床时，由于硫化矿物缓慢氧化除产生大量的热外，还会产生二氧化硫和硫化氢气体，如FeS2+2H2O—→Fe(OH)2+H2S十SCaS+H2O+CO2—→CaCO3+H2SFe7S8+O2—→7FeS+SO2在含硫矿岩中进行爆破工作，或硫化矿尘爆炸以及坑木腐烂和硫化矿物水解，都会产生硫化气体(SO2，H2S)。4．井下火灾当井下失火引起坑木、油料、电缆等燃烧时，会产生大量一氧化碳，可知人中毒死亡。在煤矿中瓦斯和煤尘爆炸产生的大量一氧化碳，是造成重大死亡事故的主要原因。（二）氧气浓度降低，主要原因是：1．有害气体的析出会冲淡氧气的浓度。2．井下物质氧化、人员呼吸等消耗氧气。3．井下火灾、爆炸等灾害会消耗大量氧气。（三）矿井空气的温度、湿度等状态参数发生了变化。由于井巷围岩散热、氧化、人员、机电设备散热及水分蒸发等原因，会使井下空气温度升高，湿度增加，空气的其它状态参数也会发生相应变化。地面空气进入矿井以后发生了一系列的变化，我们将流动在矿井井巷及井下工作地点的空气称为矿井空气。相对于地面空气，在成份和性质上变化不大的矿井空气称为新鲜空气，简称新风，如进风井巷中的空气。把流经采掘工作面及硐室等工作地点或受到井下矿尘和有害气体污染的，在成份和性质上变化较大的矿井空气称为污浊空气，简称污风或乏风，如回风井巷中的空气。通常以用风地点为界，将用风地点以前的风流称为新鲜空气，或进风流；将用风地点以后的风流称为污浊空气，或回风流。第二节矿井空气中常见有害气体一、常见有害气体及其允许标准5金属矿山井下常见的对安全生产威胁较大的有毒气体有:一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)，此外还有矿尘和氡气及其子体。1．一氧化碳CO一氧化碳是无色、无味、无臭的气体，对空气的比重为0.97，能均匀地散布于空气中，不用特殊仪器不易察觉，一般化学性质不活泼，但浓度在13％—75％时能引起爆炸。极毒，当空气中的一氧化碳浓度为0．4％时，在很短时间内人就会失去知觉，抢救不及时就会中毒死亡。日常生活中的“煤气中毒”就是一氧化碳中毒。人在静止状态下，当一氧化碳浓度达到0．016％时，无征兆或有轻微征兆；达到0．048％时，轻微中毒，1h内出现耳鸣、心跳、头昏、头痛；达到0．128％时，严重中毒，0．5—1h内出现头痛、耳鸣、心跳、四肢无力、哭闹、呕吐等。2．氮氧化物氮氧化物是炸药爆炸时产生的大量一氧化氮和二氧化氮，一氧化氮极不稳定，遇空气中的氧即转化为二氧化氮。二氧化氮是一种褐红色有强烈窒息性的气体，对空气比重为1．57，易溶于水，而生成腐蚀性很强的硝酸。它对人的眼、鼻、呼吸道及肺部组织有强烈腐蚀破坏作用，对人体危害最大的是破坏肺部组织，引起肺水肿。二氧化氮中毒后有较长的潜伏期，初期没有什么感觉(经过4—12h甚至24h以后才发生中毒症兆)，即使在危险的浓度下，初期也只是感觉呼吸道受刺激，开始咳嗽吐黄痰，呼吸困难，以至很快死亡。当空气中二氧化氮浓度为0．004％时，2—4h还不会引起中毒现象；当浓度为0．006％时，就会咳嗽，胸部发痛；当浓度为0．01％时，短时间内对呼吸器官就有很强烈的刺激作用，会导致咳嗽、呕吐、神经麻木；当浓度为0．025％时，很快使人中毒死亡。3．二氧化硫SO2二氧化硫是无色但有强烈硫磺味的气体，易溶于水，对空气比重为2．2，常存在于巷道底部，对眼睛有强烈刺激作用。当空气中含二氧化硫为0．0005％时，嗅觉器官能闻到刺激味；当浓度为0．002％时，有强烈刺激，可引起头痛和喉痛；当浓度为0．05％时，引起急性支气管炎和肺水肿，短时间内即死亡。4．硫化氢H2S硫化氢是无色有臭鸡蛋味的气体，对空气比重1．19，易溶于水，常积6存于巷道的积水中。能燃烧，当浓度达到6％时，具有爆炸性。有很强的毒性，能使血液中毒，对眼睛粘膜及呼吸道有强烈的刺激作用。当空气中的硫化氢浓度达到0．01％时，人能嗅到气味，并会流唾液，流鼻涕；当浓度为0．05％时，经过0．5-1h，就能引起严重中毒；当浓度为0．1％时，在短时间内就有生命危险。5．浮扬粉尘矿井粉尘对人的健康有危害，硫化矿尘可引起人的皮肤发炎；铅、砷、汞尘进人人体会引起中毒；当人体长期吸人含游离二氧化硅(Si02)的矿尘时，会导致矽肺病。矿尘中游离二氧化硅含量越高，对人体危害越大。一般金属非金属矿山游离二氧化硅含量在30％-70％，也有高达90％以上的。井下作业地点有害物质的最高允许浓度规定为：一氧化碳，30mg／m3；氮氧化物(换算为二氧化氮(N02)，5mg／m3；二氧化硫，15mg／m3；硫化氢，10mg／m3；含游离二氧化硅10％以上的粉尘(石英、石英岩等)，2mg／m3；石棉粉尘及含石棉10％的粉尘，2mg／m3；含游离二氧化硅10％以下的滑石粉尘，4mg／m3。6.氡气（Rn）氡气是一种无色、无味的气体，对空气的比重为7.7，半衰期3.8d，能溶于水和有机溶剂，在油脂中地溶解度为水的125倍。氡是惰性气体，一般不参与化学反应。矿内空气中的氡主要来源于：(1)由矿岩壁析出的氡；(2)爆破崩落的矿石析出的氡；(3)地下水析出的氡；(4)地面空气中的氡随人风风流进入井下。在一些老的矿山，由于开采面积较大，崩落区多，采空区中积累的氡有时也会成为氡的主要来源。氡及其子体（氡在衰变过程中所产生的中间产物）是放射性元素，在蜕变过程中会产生一定量的α、β、γ射线，对人体有辐射危害。吸入这些含氡空气，氡及其子体易沉积在呼吸道上，对呼吸道及肺组织会造成的辐射危害。氡及其子体对人体的危害是有条件的，这些条件就是：(1)空气中氡及其子体要超过一定浓度；(2)氡及其子体能进人人体内；7(3)人体在接受上述浓度的氡及其子体要超过一定的时间。《放射卫生防护基本标准》规定，矿山井下作业地点氡在空气中的最大允许浓度为3.7kBq／m3；氡子体的潜能值不超过6.4μJ／m3。二、矿井有害气体的检测方法概述矿井有害气体检测是防止有害气体危害的前提，也是矿井通风安全测量的重要内容。检测的目的是掌握矿井有害气体的规律及其浓度，确定其是否符合规定。若不符合规定要求，则必须采取措施进行处理。另外，通过气体检测还可以分析通风质量，检查漏风，预测井下煤炭自燃及分析火区状态等。这里只对有害气体的检测方法进行概述。矿山有害气体检测有化验室分析、现场测试两种方式。1．化验室分析采用气相色谱仪、红外光谱仪等设备对采集的气样进行测定分析，可以准确检测井下空气的各种成分，一般用于全面分析测定气体成分或者检测微量气体。2．现场测试用便携式检测仪器到井下检测地点进行测定。金属矿山常用的是检定管快速检测法和数字式便携检测仪检测法。⑴检定管检测法。检定管是内部装有吸附了化学试剂的颗粒状指示胶的玻璃管。测定不同气体的检定管，其指示胶吸附的化学试剂不同。测定时，用吸气装置在一定时间内定量地抽取被测气样，并流经检定管，当含有被测气体的空气以通过检定管时，被测气体与吸附的化学试剂发生化学反应，使指