矿井通风与空气调节基础知识

1矿井通风与空气调节基础知识2现代化的局部通风机3现代化的主要通风机4第1章矿内空气•矿井通风的任务和目的:•连续供给井下新鲜空气,供人呼吸,并排除井下有毒有害气体与矿尘,创造良好的生产作业环境,确保井下人员健康与安全.•矿井通风系统：通常被称为矿井的心脏与动脉。矿井通风是保障矿井安全的最主要技术手段之一。5进风井筒主要通风机回风井风门调节风窗回风巷进风巷密闭墙风桥工作面辅助通风机简化的通风系统立体图进风巷6矿内空气的主要成分•一般来说，将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为新鲜空气（新风）；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊空气（乏风）。•矿内空气主要成分除氧气（O2）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）以外，有时还混入一些有害气体，如瓦斯（CH4）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、氨气（NH3）、氢气（H2）和矿尘等。7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，如不及时抢救几分钟内可能导致死亡•当空气中氧浓度降低时，人体就可能产生不良生理反应，出现种种不适症状，严重时可能导致缺氧死亡。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系8研究表明：当氧气浓度低于12%时，可燃物失爆；当氧气浓度低于3%时，可燃物失燃。9（1）氧气（O2）•矿内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在井下通风不良的地点，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。10•《煤矿安全规程》规定，采掘工作面的进风流中氧气浓度（按体积百分比计算）不得低于20%。•为此，必须对矿井进行不断的通风，将适量的新鲜空气源源不断地送到井下。这是矿井通风最基本的任务之一。11矿内空气的主要成分•（2）氮气（N2）•氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，对空气的相对密度为0.97，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：地面大气、井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。12矿内空气的主要成分•（3）二氧化碳（CO2）•二氧化碳是无色，略带酸臭味的气体，比重为1.52，是一种较重的气体，很难与空气均匀混合，故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助燃也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。•在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的，但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。13二氧化碳对人呼吸的影响•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）二氧化碳（CO2）14二氧化碳中毒症状与浓度的关系二氧化碳浓度（体积）/%主要症状1呼吸加深，但对工作效率无明显影响3呼吸急促，心跳加快，头痛，人体很快疲劳5呼吸困难，头痛，恶心，呕吐，耳鸣6严重喘息，极度虚弱无力7～9动作不直协调，大约十分钟可发生昏迷9～11数分钟内可导致死亡15•矿井空气中二氧化碳的主要来源•煤和有机物的氧化；人员呼吸；•碳酸性岩石分解；炸药爆破；•煤炭自然；瓦斯、煤尘爆炸等。•此外，有的煤层和岩层中也能长期过续地放出二氧化碳，有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出，给矿井带来极大的危害。（3）二氧化碳（CO2）16•《规程》规定•采掘工作面的进风流中，CO2不超过0.5%。•采区回风巷和采掘工作面回风巷回风流中二氧化碳浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理。•总回风巷或一翼回风巷中，二氧化碳超过0.75%时，必须查明原因，进行处理。（3）二氧化碳（CO2）17矿内空气中常见的有害气体（1）一氧化碳（CO）CO是一种无色、无味、无臭的气体，相对对密度为0.97,微溶于水,能与空气均匀地混合。CO能燃烧，浓度在13～75%时有爆炸的危险；CO与人体血液中血红素的亲合力比氧大150～300倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。一旦CO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”。18一氧化碳中毒症状与浓度的关系CO浓度（体积）/%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。19（1）一氧化碳（CO）矿内CO的来源与允许浓度•空气中一氧化碳的主要来源有：矿内爆破作业、煤炭自燃及发生火灾或煤尘、瓦斯爆炸时都能产生一氧化碳•《规程》规定:矿内空气中CO浓度不得超过0.0024%。20矿内空气中常见的有害气体•（2）硫化氢（H2S）•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。硫化氢对空气的相对密度为1.19，易溶于水，在常温、常压下一个体积的水可溶解2.5个体积的硫化氢，所以它可能积存于旧巷的积水中。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。•硫化氢有剧毒，有强烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、气管炎和肺水肿；而且还能阻碍生物的氧化过程，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，腐蚀刺激作用往往不明显。硫化氢中毒症状与浓度的关系如表1-1-5所示。21H2S中毒症状与浓度的关系硫化氢浓度/%主要症状0.0025～0.003有强烈臭味0.005～0.011～2h内出现眼及呼吸道刺激症状,臭味“减弱”或“消失”0.015～0.02出现恶心，呕吐，头晕，四肢无力，反应迟钝。眼和呼吸道有强烈刺激症状0.035～0.0450.5～1h内出现严重中毒,可发生肺炎、支气管炎及肺水肿，有死亡危险。0.06～0.07很快昏迷，短时间内死亡。22井下H2S的来源与允许浓度•井下空气中H2S的主要来源：有机物腐烂；含硫矿物的水解；矿物氧化和燃烧；从老空区和废旧巷道积水中放出；我国有些矿区煤层中也有硫化氢涌出。•《规程》规定：井下空气中H2S含量不得超过0.00066%。23（3）二氧化氮（NO2）•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.•二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸,对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，严重时可引起肺水肿。•二氧化氮中毒有潜伏期，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作。但经过6～24小时后发作，中毒者指头出现黄色斑点，并出现严重的咳嗽、头痛、呕吐甚至死亡。•二氧化氮中毒症状与浓度的关系如下表所示。24二氧化氮中毒症状与浓度的关系二氧化氮（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。25（3）二氧化氮（NO2）二氧化氮的来源与允许浓度•矿内空气中二氧化氮的主要来源：井下爆破工作。•《规程》规定，氮氧化合物不得超过0.00025%。26矿内空气中常见的有害气体•（4）二氧化硫（SO2）•二氧化硫为无色气体，具有强烈的硫磺气味及酸味，对空气的相对密度为1.4337，易积聚在巷道底部，易溶于水。•二氧化硫与水后生成硫酸,对呼吸器官有腐蚀作用,使用喉咙和支气管发炎,呼吸麻痹,严重时引起肺病水肿,•当空气中含二氧化硫为0.0005%时,嗅觉器官能闻到刺激味。0.002%时,有强烈的刺激,可引起头痛和喉痛。0.05%时，引起急性支气管炎和肺水肿，短期间内即死亡。27（4）二氧化硫（SO2）二氧化硫的来源与允许浓度•矿内含硫矿物氧化、燃烧及在含硫矿物中爆破都会产生二氧化硫，有时含硫矿层也涌出二氧化硫。•《规程》规定矿内空气中二氧化硫最高容许浓度为0.0005%。28矿内空气中常见的有害气体（5）氨气（NH3）•氨气为无色、有剧毒的气体，对空气的相对密度为0.59，易溶于水，对人体有毒害作用•《规程》规定，矿内最大容许浓度为0.004%(3mg/m3)。但当其浓度达到0.01%时就可嗅到其特殊臭味。氨气主要在矿内发生火灾或爆炸事故时产生。29矿内空气中常见的有害气体（6）瓦斯（CH4）•瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为0.55，难溶于水，扩散性较空气高1.6倍。•虽然无毒，但当浓度较高时，会引起窒息。不助燃，但在空气中具有一定浓度（5~16%）并遇到高温（650～750℃）时能引起爆炸。•《规程》规定，工作面进风流中CH4的浓度不能大于0.5%，采掘工作面和采区的回风流中CH4的浓度不能大于1.0%，矿井和一翼的总回风流中，CH4最高容许浓度为0.75%。30第2章矿井通风阻力•风流必须具有一定的能量，用以克服井巷对风流所呈现的通风阻力。通常矿井通风阻力分为摩擦阻力与局部阻力两类，它们与风流的流动状态有关。一般情况下，摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。31摩擦阻力•3.2.1摩擦阻力的意义和理论基础•风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦而产生的阻力称作摩擦阻力。所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力hfr的产生情况和大小也不同。32摩擦阻力•前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是：式中λ为实验比例系数，无因次；ρ为水流的密度，•L为圆管的长度，m；d为圆管的直径，m；•V为圆管内水流的平均速度，m/s。•上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风流都能应用，只是流态不同时，式中λ的实验表达式不同。□33摩擦阻力计算公式的推导由达西公式：又因为式中：r——管道水力半径，mS——与流动方向相垂直的截面积，U——被流体所浸润的周边长度，m□34摩擦阻力计算公式的推导将代入达西公式得令则又因为若通过井巷的风量为，则代入上式得此式即为摩擦阻力的计算公式35摩擦阻力的计算方法•完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计的重要依据。•即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求通过的风量，以及其中有无提升运输设备等，用查表法选定该井巷的摩擦阻力系数值，然后计算该井巷的摩擦阻力。36局部阻力•局部阻力的概念•风流在井巷的局部地点，由于速度或方向突然发生变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，因而在该局部地带产生一种附加的阻力，称为局部阻力。•井下产生局部阻力的地点较多，例如巷道拐弯、分叉和汇合处，巷道断面变化处，进风井口和回风井口等。37局部阻力•局部阻力的计算方法•在一般情况下，由于矿井内风流的速压较小，所产生的局部风阻也较小，井下各处的局部阻力之和只占矿井总阻力的10～20%左右。•故在通风设计工作中，不逐一计算井下各处的局部阻力，只在这个百分数范围内估计一个总数。但对掘进通风用的风筒和风量较大的井巷，由于其中风流的速压较大，就要逐一计算局部阻力。•计算局部阻力时，用下式比较简便。先要根据井巷局部地点的特征，对照前人实验所得表中查出局部阻力系数的近似值，然后用图表中所指定的相应风速进行计算。38几种局部阻力的ζ值39第3章通风动力•欲使空气在矿井中源源不断地流动，就必须