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-1-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1.1.1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。1.1.1.1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，水蒸气的浓度随地区和季节而变化，其平均的体积浓度约为1%；此外还含有尘埃和烟雾等杂质，有时能污染局部地区的地面空气。新鲜空气无色，无味和无臭，是维持生命所必需的，并能助燃。1.1.1.2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。1.矿井空气的主要成分就煤矿而官，井下空气的成分种类共有O2、CH4、CO2、CO、H2S、SO2、N2、N02、H2、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一定的差异。在上述成分中，氧是井下人员呼吸所必需的，必须保持-2-足够的浓度，其余九种(水蒸气除外)气体和浮尘，超过一定浓度时，对人体都是有害的，必须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超过一定浓度时，还能使人体中毒。故称这九种气体为有害有毒气体，又名为广义的矿井瓦斯，而狭义的矿井瓦斯则专指CH4。CH4是煤矿井下昔遍存在的气体，在一定浓度范围内，具有爆炸性。所以，CH4是煤矿井下最危险的气体。煤矿井下经常出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根据。2.物理变化井下的物理变化有：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。多数矿井有沼气涌出现象,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：井下各种作业所产生的微小的岩尘、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。以上物理变化的结果，不仅使井下空气的成分种类增多，而且各种成分的浓度亦发生变化。-3-3.化学变化井下的化学变化有：井下一切物质(煤、岩石、坑木、……等)的缓慢、氧化、爆破工作、火区氧化和人员的呼吸等都会产生二氧化碳；井下的爆破工作、火区氧化和机械润滑油高温分解等都能产生一氧化碳(CO)；井下火区氧化和含硫煤的水解都能产生硫化氢；井下火区氧化和含硫煤的缓慢氧化都能产生二氧化硫，井下爆破工作能产生氧化氮；井下充电硐室的电解能产生氢；井下火区氧化能产生氨。1.1.1.3井下空气成分的基本性质1.氧(O2)氧是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体，比重为1.105，是人呼吸所必须的物质，故须供给井下足够的风量，以保证井下空气中有足够的氧量．因为氧是很活跃的元素，易使其它物质氧化,并能助燃，产生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缓慢氧化；煤炭自燃；瓦斯、煤尘爆炸。此外，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。缺氧窒息是造成矿井人员伤亡的原因之一。2.二氧化碳(CO2)-4-二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，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，则人体的正常呼吸功能就不能维持。所以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。但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．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。但空气中若氮气浓度升高，则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。1.1.1.4井下常见有毒有害气体的基本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)，-5-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)。可根据以上性质察觉这些气体的存在。有毒有害气体对人体的影响：对人体有毒的气体有五种。其中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能驱逐人体血液中的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。1.1.1.5井下空气成分安全标准由于矿井空气质量对人员健康和矿井安全有着重要的影响，所以《煤矿安全规程》(以下简称《规程》)对矿井空气主要成分(氧气、二氧化碳)的浓度标准做出了明确的规定：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-6-须停工处理。由于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都做了明确的规定，其值如表1-1-3所列。制定这些标准时，都留有较大的安全系数。如空气中CO浓度达0.048%时一小时内才可出现轻微的中毒症状，而《规程》规定的CO最高允许浓度为0.0024％，是其轻微中毒浓度的1/20；再如N02浓度达0.025％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0.00025％，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，就完全可以避免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)0.00240.000250.00050.000660.004-7-1.1.2矿井空气主要物理参量气体的分子具有体积和相互吸引力，但在分析气体的一般问题时，这两个因素的影响很小。为了便于分析和计算，一般可把多种气体看成是没有这两个因素的理想气体，因此，井下空气也可视为理想气体。气体的分子作永不停息的不规则运动，这种运动产生热能，故气体分子运动是热运动，气体的物理参量较多，其中比容、压力、温度是三个基本参量。1.1.2.1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。单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。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。2.空气的比容质量为M(kg)的空气占有的空间(或容积)为Ｖ(m3)，则空气的比容(又名容积度)就是容积Ｖ和质量M之比。或者说是单位质量空气所占有的体积，即：-8-（1-2-2）也就是空气的密度倒数。1.1.2.2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位为K(Kelvin)，用符号Ｔ表示。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)为基本定点，定义为273.15K，每1K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：生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℃。1.1.2.3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表示。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观表现。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。按照统计观点，大量空气分子作无规则的热运动时，在各个方向运动的机会是均等的，故空气的绝对静压具有在各个方向上强度相等的特点。压力的单位为Pa(帕斯卡，1Pa＝lN/102)，压力较大时可-9-采用kPa(1kPa＝103Pa)、MPa(1MPa＝103kPa＝106Pa)。其他压力单位参见附录。1.1.2.4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，便产生粘性阻力(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。另外，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)1.1.2.5空气的湿度１．空气湿度的意义空气的湿度表示空气中所含水蒸气量的多少或潮湿程度，表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：单位体积湿空气中所含水蒸气的质量绝对值。其单位与密度单位相同，用符号表示。饱和湿度：单位体积湿空气中所含饱和水蒸气质量绝对值。用符号表示。相对湿度：单位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。-10-值小表示空气干爆，吸收水分的能力强；反之，值大则空气潮湿，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。1.1.2.6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干空气的焓和其中水蒸气的焓的总和，1.1.3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全有重要的影响。1.1.3.1人体的热平衡人要维持正常生理机能并进行各种劳动，就必须摄取空气、水和食物。这些物质进入人体经过消化、分解，产生能量(热量)。人的整个机体都参加产热过程，其中以肌肉活动产热量最多。当人进行体力劳动时，肌肉产热量增至正常量(在安静状态下的产热量)的十余倍，可达2500—3140kJ／h。人体产生的热量一部分用于身体各器官的正常生理机能活动，另一部分用来供肌肉作功，剩余的则通过辐射，对流传导、汗液蒸发等途径与周围环境进行热交换，散发到体外。人体代谢产热过程是体内生物化学过程，而散热过程则是物理过程。所以人体热平衡并非是简单的物理过程，而是在神经系统调节下的非常复杂的。1.1.3.2矿井气候对人体热平衡的影响矿井气候是由空气温度、湿度，风速和辐射四要素组成的，它们都影响着人体热平衡，且各要素之间的影响在很大程度上可以互换。例如，环境相对湿度增高对人体所造成的影响可以被风速的增加所抵消。-11-1．温度在矿井气候的四个要素中，气温对人体热调节起着主要作用。当气温较低时辐射和对流传导散热是人体主要散热方式，当气温逐渐升高后，人体汗腺活动越来越显著，汗液蒸发散热就逐渐成为主要散热方式。2．湿度空气相对湿度对人体热平衡和温热感有着重要作用，特别是．在气温高的条件下，作用就更为明显。因高温时，人体主要依靠汗液蒸发散热才能保持热平衡，此时相对湿度大，将妨碍汗液蒸发，使汗液成滴状珠淌下。这种情况下汗液携带走的热量甚少，不能