第一章矿井空气ch1

安徽理工大学能源与安全学院安全工程系《通风安全学》第一章矿井空气本章主要内容第一节矿井空气成份一、地面空气的组成二、矿井空气的主要成分及基本性质三、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准第二节矿井空气中的有害气体一、基本性性质二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准第三节矿井气候一、矿井气候对人体热平衡的影响二、衡量矿井气候条件的指标三、矿井气候条件的安全标准本章重点矿内空气的主要成分、井下常见的有害气体、矿井的气候条件。第一章矿井空气第一节矿井空气成份定义：地面空气进入矿井以后即称为矿井空气。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。第一节矿井空气成份二、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。第一节矿井空气成份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中度劳动30-401.2-2.6重劳动40-601.8-2.4极重劳动40-802.5-3.1第一节矿井空气成份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第一节矿井空气成份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。第一节矿井空气成份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。第一节矿井空气成份（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。第一节矿井空气成份三、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。第二节矿井空气中的有害气体空气中常见有害气体：CO、NO2、SO2、NH3、H2。一、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。第二节矿井空气中的有害气体主要危害：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。第二节矿井空气中的有害气体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。第二节矿井空气中的有害气体第二节矿井空气中的有害气体2003年12月23日22时左右，重庆市开县高桥镇的川东北气矿16H井发生特大井喷事故，造成243人死亡。第二节矿井空气中的有害气体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。第二节矿井空气中的有害气体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。第二节矿井空气中的有害气体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。第二节矿井空气中的有害气体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。第二节矿井空气中的有害气体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。二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准第二节矿井空气中的有害气体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第三节矿井气候矿井空气的温度、湿度和流速三个参数为矿井气候条件的三要素。一、矿井气候对人体热平衡的影响人体散热主要是通过人体皮肤表面与外界的对流、辐射和汗液蒸发这三种基本形式。•对流散热取决于周围空气的温度和流速；•辐射散热主要取决于环境温度；•蒸发散热取决于周围空气的相对湿度和流速。第三节矿井气候人体热平衡关系式：qm-qw=qd+qz+qf+qch式中：qm——产热量，取决于人体活动量；qW——用于做功而消耗的热量，qm-qw排出的多余热量；qd——对流散热量，低于人体表面温度，为负，否则，为正；qz——汗液蒸发或呼出水蒸气所带出的热量；qf——人体与周围物体表面的辐谢散热量；qch——由热量转化而没有排出体外的能量；第三节矿井气候人体热平衡时，qch=0；当外界环境影响人体热平衡时，人体温度升高qch0，人体温度降低，qch0空气温度：对人体对流散热起着主要作用。相对湿度：影响人体蒸发散热的效果。风速：影响人体对流散热和蒸发散热的效果。对流换热强度随风速而增大。同时湿交换效果也随风速增大而加强。如有风的天气，凉衣服干得快。第三节矿井气候二、衡量矿井气候条件的指标1.干球温度干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的指标之一。特点：直接反映出矿井气候条件的好坏。指标比较简单，使用方便。只反映了气温对矿井气候条件的影响，而没有反映出气候条件对人体热平衡的综合作用。•气温过高或过低，对人体都有不良的影响。最适宜的矿内空气温度是15～20℃。第三节矿井气候1)影响矿内空气温度的主要因素(1）岩石温度--岩层温度的三带变温带：随地面气温的变化而变化的地带；恒温带：地表下地温常年不变的地带；增温带：恒温带以下地带。第三节矿井气候不同深度处的岩层温度可按式计算：t＝t0+G(Z－Z0)式中：t0－恒温带处岩层的温度，℃；G－地温梯度，即岩层温度随深度变化率，℃/m，常用百米地温梯度，即℃/100m；Z－岩层的深度；Z0－恒温带的深度.第三节矿井气候(2）空气的压缩与膨胀空气向下流动时，空气受压缩产生热量，一般垂深每增加100m，温度升高1℃；相反，空气向上流动时，则因膨胀而降温，平均每升高100m，温度下降0.8～0.9℃。(3）氧化生热矿井内的有机矿物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化发热。例如，经氧化生成2g二氧化碳时，可使1m3空气升温14.5℃。在煤层中的采掘巷道，暴露煤面氧化产生的热量较大，故回采工作面是通风系统中温度最高的区段。第三节矿井气候(4）水分蒸发水分蒸发时从空气中吸收热量，使空气温度降低。每蒸发1克水可吸收0.585千卡的热量，能使1m3空气降温1.9℃，可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用。(5）通风强度指单位时间进入井巷的风量。温度较低的空气流经巷道或工作面时，能够吸收热量，供风量越大，吸收热量越多。因此，加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一。第三节矿井气候(6)地面空气温度的变化地面气温对井下气温有直接影响，尤其是较浅的矿井，矿内空气温度受地面气温的影响更为显著。(7)地下水的作用矿井地层中如果有高温热泉，或有热水涌出时，能使地温升高，相反，若地下水活动强烈，则地温降低。(８)其它因素如机械运转以及人体散热等都对井下气温有一定影响。特别是随着机械化程度的不断提高，机械运转所产生的热量不能忽视。第三节矿井气候•2)．矿内空气温度的变化规律在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度大，水分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大。第三节矿井气候2.湿球温度湿球温度是可以反映空气温度和相对湿度对人体热平衡的影响，比干球温度要合理些。在相同干球温度下，若湿球温度低，则相对湿度小，反之，湿球温度与气温相接近，则相对湿度大。但这个指标仍没有反映风速对人体热平衡的影响。第三节矿井气候3.等效温度等效温度定义为湿空气的焓与比热的比值。它是一个以能量为基础来评价矿井气候条件的指标。当气温在25～36℃时，等效温度和湿球温度基本上呈线性，两者有同样的意义。因为V↓hv↓p，压差的作