礦內(nèi)空氣與動力學(xué)基礎(chǔ)

1時國慶博士、副教授shiguoqing2001@163.co井通風與安全

MineVentilationandSafety中國礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件2礦井通風的目的與意義礦井通風的任務(wù)和目的:

連續(xù)供給井下新鮮空氣,供人呼吸,并排除井下有毒有害氣體與礦塵,創(chuàng)造良好的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,確保井下人員健康與安全.礦井通風系統(tǒng)：通常被稱為礦井的心臟與動脈。礦井通風是保障礦井安全的最主要技術(shù)手段之一。3進風井筒主要通風機回風井風門調(diào)節(jié)風窗回風巷進風巷密閉墻風橋工作面輔助通風機簡化的通風系統(tǒng)立體圖進風巷風流4礦井通風與安全課程設(shè)置礦井通風部分:

礦內(nèi)空氣與動力學(xué)基礎(chǔ)、礦井通風阻力、礦井通風動力、風量分配與調(diào)節(jié)、局部通風、采區(qū)通風、通風系統(tǒng)設(shè)計。安全專題部分：礦井瓦斯防治、礦井火災(zāi)防治、礦井粉塵防治、礦井水災(zāi)防治、熱害治理等專題。5第1章礦內(nèi)空氣中國礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件6學(xué)習目標、重點與難點學(xué)習目標1、礦內(nèi)空氣的主要成分2、井下常見的有害氣體3、礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)4、礦井的氣候條件，礦內(nèi)空氣的溫度、濕度，風速，礦內(nèi)氣候參數(shù)的測定。重點與難點1、礦內(nèi)空氣主要成分及其性質(zhì)2、井下常見的有害氣體、來源及最高允許濃度

3、礦井的氣候條件（溫度、濕度，風速）7第1章礦內(nèi)空氣1.1礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì)1.2礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)

1.3礦井氣候81.1礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì)1.1.1礦內(nèi)空氣的主要成分1.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體□91.1礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì)1.1.1礦內(nèi)空氣的主要成分

井下空氣的主要來源是地面空氣。地面空氣是由多種氣體組成的干空氣和水蒸汽組合而成的混合氣體。通常狀況下，干空氣各組分的數(shù)量基本不變。在混合氣體中，水蒸汽的濃度隨地區(qū)和季節(jié)而變化，其平均濃度約為1%；此外還含有塵埃和煙霧等雜質(zhì)。10表1-1-1干空氣主要成分氣體成分按體積計/%按質(zhì)量計/%氮氣（N2）78.1375.71氧氣（O2）20.9023.17二氧化碳（CO2）0.030.05氬氣（Ar）0.930.91其它（水蒸汽、惰性稀有氣體和微量的灰塵與微生物等）0.010.16111.1.1礦內(nèi)空氣的主要成分 地面空氣進入礦井以后，由于受到污染，其成分和性質(zhì)要發(fā)生一系列的變化，如氧濃度降低，二氧化碳濃度增加。一般來說，將井巷中經(jīng)過用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內(nèi)的空氣稱為新鮮空氣（新風）；經(jīng)過用風地點以后、受污染程度較重的回風巷道內(nèi)的空氣，稱為污濁空氣（乏風）。礦內(nèi)空氣主要成分除氧氣、氮氣、二氧化碳、水蒸汽以外，有時還混入一些有害氣體，如瓦斯、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、二氧化氮、氨氣、氫氣和礦塵等。121.1.1礦內(nèi)空氣的主要成分 （1）氧氣（O2）氧氣是維持人體正常生理機能所需要的氣體。人類在生命活動過程中，必須不斷吸入氧氣，呼出二氧化碳。人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取決于人的體質(zhì)、精神狀態(tài)和勞動強度等?？諝庵醒醯臐舛葘θ说慕】涤绊懞艽蟆Ｗ钣欣诤粑难鯘舛葹?1%左右；當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產(chǎn)生不良的生理反應(yīng)，出現(xiàn)種種不舒適的癥狀，嚴重時可能導(dǎo)致缺氧死亡。13人體需氧量與勞動強度的關(guān)系勞動強度呼吸空氣量/L·min-1氧氣消耗量/L·min-1休息６～１５0.2～0.4輕勞動２０～２５0.6～１.0中度勞動３０～４０1.2～１.6重勞動４０～６０1.8～2.4極重勞動４０～８０2.5～3.014氧濃度（體積）/%主要癥狀17靜止時無影響，工作時能引起喘息和呼吸困難15呼吸及心跳急促，耳鳴目眩，感覺和判斷能力降低，失去勞動能力10～12失去理智，時間稍長有生命危險6～9失去知覺，呼吸停止，如不及時搶救幾分鐘內(nèi)可能導(dǎo)致死亡當空氣中氧濃度降低時，人體就可能產(chǎn)生不良生理反應(yīng)，出現(xiàn)種種不適癥狀，嚴重時可能導(dǎo)致缺氧死亡。人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關(guān)系15（1）氧氣（O2）礦內(nèi)空氣中氧濃度降低的主要原因人員呼吸煤巖和其他有機物的緩慢氧化煤炭自燃瓦斯、煤塵爆炸煤巖和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種有害氣體在井下通風不良的地點，如果不能經(jīng)檢查而貿(mào)然進入，就可引起人員的缺氧窒息。16《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采掘工作面的進風流中氧氣濃度（按體積百分比計算）不得低于20%。為此，必須對礦井進行不斷的通風，將適量的新鮮空氣源源不斷地送到井下。這是礦井通風最基本的任務(wù)之一。171.1.1礦內(nèi)空氣的主要成分（2）氮氣（N2）氮氣是無色、無味、無臭的惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，對空氣的相對密度為0.97，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。但空氣中若氮氣濃度升高，則勢必造成氧濃度相對降低，從而也可能導(dǎo)致人員的窒息性傷害。正因為氮氣為惰性氣體，因此又可將其用于井下防滅火和防止瓦斯爆炸。礦井空氣中氮氣主要來源是：地面大氣、井下爆破和生物的腐爛，有些煤巖層中也有氮氣涌出。181.1.1礦內(nèi)空氣的主要成分 （3）二氧化碳（CO2）二氧化碳是無色，略帶酸臭味的氣體，比重為1.52，是一種較重的氣體，很難與空氣均勻混合，故常積存在巷道的底部，在靜止的空氣中有明顯的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，對眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對人體是無害的，但如果空氣中完全不含有二氧化碳，則人體的正常呼吸功能就不能維持。19二氧化碳對人呼吸的影響在搶救遇難者進行人工輸氧時，往往要在氧氣中加入5%的二氧化碳，以刺激遇難者的呼吸機能。當空氣中二氧化碳的濃度過高時，也將使空氣中的氧濃度相對降低，輕則使人呼吸加快，呼吸量增加，嚴重時也可能造成人員中毒或窒息。（3）二氧化碳（CO2）201-3二氧化碳中毒癥狀與濃度的關(guān)系二氧化碳濃度（體積）/%主要癥狀1呼吸加深，但對工作效率無明顯影響3呼吸急促，心跳加快，頭痛，人體很快疲勞5呼吸困難，頭痛，惡心，嘔吐，耳鳴6嚴重喘息，極度虛弱無力7～9動作不直協(xié)調(diào)，大約十分鐘可發(fā)生昏迷9～11數(shù)分鐘內(nèi)可導(dǎo)致死亡21礦井空氣中二氧化碳的主要來源煤和有機物的氧化；人員呼吸；碳酸性巖石分解；炸藥爆破；煤炭自然；瓦斯、煤塵爆炸等。此外，有的煤層和巖層中也能長期過續(xù)地放出二氧化碳，有的甚至能與煤巖粉一起突然大量噴出，給礦井帶來極大的危害。（3）二氧化碳（CO2）22《規(guī)程》規(guī)定采掘工作面的進風流中，CO2不超過0.5%。采區(qū)回風巷和采掘工作面回風巷回風流中二氧化碳濃度達到1.5%時，必須停止工作，撤出人員，查明原因，制定措施，進行處理。總回風巷或一翼回風巷中，二氧化碳超過0.75%時，必須查明原因，進行處理。（3）二氧化碳（CO2）231.1礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì)1.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體一氧化碳、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫、氨氣、瓦斯等。分別介紹如下：241.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（1）一氧化碳（CO）無色、無味、無臭的氣體，相對對密度為0.97,微溶于水,能與空氣均勻地混合。CO能燃燒，濃度在13～75%時有爆炸的危險；CO與人體血液中血紅素的親合力比氧大150～300倍。進入人體后，先與血液中的血紅素相結(jié)合，減少血紅素與氧結(jié)合的機會，使血紅素失去輸氧的功能，從而造成人體血液“窒息”。25一氧化碳中毒癥狀與濃度的關(guān)系CO濃度（體積）/%主要癥狀0.022～3小時內(nèi)可能引起輕微頭痛0.0840分鐘內(nèi)出現(xiàn)頭痛,眩暈和惡心。2小時內(nèi)發(fā)生體溫和血壓下降，脈搏微弱，出冷汗，可能出現(xiàn)昏迷。0.325～10分鐘內(nèi)出現(xiàn)頭痛，眩暈。半小時內(nèi)可能出現(xiàn)昏迷并有死亡危險。1.28幾分鐘內(nèi)出現(xiàn)昏迷和死亡。26（1）一氧化碳（CO）礦內(nèi)CO的來源與允許濃度空氣中一氧化碳的主要來源有：礦內(nèi)爆破作業(yè)、煤炭自燃及發(fā)生火災(zāi)或煤塵、瓦斯爆炸時都能產(chǎn)生一氧化碳《規(guī)程》規(guī)定:礦內(nèi)空氣中CO濃度不得超過0.0024%。271.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（2）硫化氫（H2S）硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當空氣中濃度達到0.0001%即可嗅到，但當濃度較高時，因嗅覺神經(jīng)中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氫對空氣的相對密度為1.19，易溶于水，在常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫，所以它可能積存于舊巷的積水中。硫化氫能燃燒，空氣中硫化氫濃度為4.3%～45.5%時有爆炸危險。硫化氫有劇毒，有強烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、氣管炎和肺水腫；而且還能阻礙生物的氧化過程，使人體缺氧。當空氣中硫化氫濃度較低時主要以腐蝕刺激作用為主；濃度較高時能引起人體迅速昏迷或死亡，腐蝕刺激作用往往不明顯。硫化氫中毒癥狀與濃度的關(guān)系如表1-1-5所示。28表1-1-5H2S中毒癥狀與濃度的關(guān)系硫化氫濃度/%主要癥狀0.0025～0.003有強烈臭味0.005～0.011～2h內(nèi)出現(xiàn)眼及呼吸道刺激癥狀,臭味“減弱”或“消失”0.015～0.02出現(xiàn)惡心，嘔吐，頭暈，四肢無力，反應(yīng)遲鈍。眼和呼吸道有強烈刺激癥狀0.035～0.0450.5～1h內(nèi)出現(xiàn)嚴重中毒,可發(fā)生肺炎、支氣管炎及肺水腫，有死亡危險。0.06～0.07很快昏迷，短時間內(nèi)死亡。29井下H2S的來源與允許濃度井下空氣中H2S的主要來源：有機物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區(qū)和廢舊巷道積水中放出；我國有些礦區(qū)煤層中也有硫化氫涌出。《規(guī)程》規(guī)定：井下空氣中H2S含量不得超過0.00066%。30

2003年12月23日22時左右，重慶市開縣高橋鎮(zhèn)的川東北氣礦16H井發(fā)生特大井噴事故，造成243人死亡。3132（3）二氧化氮（NO2）二氧化氮是一種褐紅色的氣體,有強烈的刺激氣味,相對密度為1.59,易溶于水.二氧化氮溶于水后生成腐蝕性很強的硝酸,對眼睛、呼吸道粘膜和肺部組織有強烈的刺激及腐蝕作用，嚴重時可引起肺水腫。二氧化氮中毒有潛伏期，有的在嚴重中毒時尚無明顯感覺，還可堅持工作。但經(jīng)過6～24小時后發(fā)作，中毒者指頭出現(xiàn)黃色斑點，并出現(xiàn)嚴重的咳嗽、頭痛、嘔吐甚至死亡。二氧化氮中毒癥狀與濃度的關(guān)系如表1-1-6所示。33二氧化氮中毒癥狀與濃度的關(guān)系二氧化氮（體積）/%主要癥狀0.0042～4小時內(nèi)可出現(xiàn)咳嗽癥狀。0.006短時間內(nèi)感到喉嚨刺激，咳嗽，胸疼。0.01短時間內(nèi)出現(xiàn)嚴重中毒癥狀，神經(jīng)麻痹，嚴懲咳嗽，惡心，嘔吐。0.025短時間內(nèi)可能出現(xiàn)死亡。34（3）二氧化氮（NO2）二氧化氮的來源與允許濃度礦內(nèi)空氣中二氧化氮的主要來源：井下爆破工作?！兑?guī)程》規(guī)定，氮氧化合物不得超過0.00025%。351.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（4）二氧化硫（SO2）二氧化硫為無色氣體，具有強烈的硫磺氣味及酸味，對空氣的相對密度為1.4337，易積聚在巷道底部，易溶于水。二氧化硫與水后生成硫酸,對呼吸器官有腐蝕作用,使用喉嚨和支氣管發(fā)炎,呼吸麻痹,嚴重時引起肺病水腫,當空氣中含二氧化硫為0.0005%時,嗅覺器官能聞到刺激味。0.002%時,有強烈的刺激,可引起頭痛和喉痛。0.05%時，引起急性支氣管炎和肺水腫，短期間內(nèi)即死亡。36（4）二氧化硫（SO2）二氧化硫的來源與允許濃度礦內(nèi)含硫礦物氧化、燃燒及在含硫礦物中爆破都會產(chǎn)生二氧化硫，有時含硫礦層也涌出二氧化硫?！兑?guī)程》規(guī)定礦內(nèi)空氣中二氧化硫最高容許濃度為0.0005%。371.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（5）氨氣（NH3）氨氣為無色、有劇毒的氣體，對空氣的相對密度為0.59，易溶于水，對人體有毒害作用《規(guī)程》規(guī)定，礦內(nèi)最大容許濃度為0.004%(3mg/m3)。但當其濃度達到0.0l%時就可嗅到其特殊臭味。氨氣主要在礦內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故時產(chǎn)生。381.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（6）瓦斯（CH4）瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是一種無色、無味、無臭的氣體，對空氣的相對密度為0.55，難溶于水，擴散性較空氣高1.6倍。雖然無毒，但當濃度較高時，會引起窒息。不助燃，但在空氣中具有一定濃度（5~16%）并遇到高溫（650～750℃）時能引起爆炸?！兑?guī)程》規(guī)定，工作面進風流中CH4的濃度不能大于0.5%，采掘工作面和采區(qū)的回風流中CH4的濃度不能大于1.0%，礦井和一翼的總回風流中，CH4最高容許濃度為0.75%。WHY391.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（7）氫氣（H2）氫氣無色無味，具有爆炸性，在礦井火災(zāi)或爆炸事故中和井下充電硐室均會產(chǎn)生，其最高容許濃度為0.5%。401.1.2礦內(nèi)空氣中常見的有害氣體（8）其它有害物質(zhì)礦內(nèi)空氣除了上述有害氣體外，還含有其他一些有害物質(zhì)，如在采掘生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的煤和巖石的細微顆粒(統(tǒng)稱為礦塵)。礦塵對礦內(nèi)空氣的污染不容忽視，它對礦井生產(chǎn)和人體都有嚴重危害。煤塵能引起爆炸，粉塵特別是呼吸性粉塵能引起礦工塵肺病。因此《規(guī)程》對作業(yè)場所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度作了如表1-1-7的規(guī)定。41表1-1-7作業(yè)場所空氣中粉塵濃度標準粉塵中游離SiO2含量（%）最高允許濃度/mg/m3總粉塵呼吸性粉塵＜10103.510～＜502150～＜8020.5≥8020.3421.2礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)1.2.1密度1.2.2比體積（比容）1.2.3粘度1.2.4比熱□431.2礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)1.2.1密度單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，用符號ρ表示?？諝饪梢钥醋魇蔷|(zhì)氣體，故：式中M——空氣的質(zhì)量，kg；

V——空氣的體積，m3

；

ρ——空氣的密度，kg／m3；一般地說，當空氣的溫度和壓力改變時，其體積會發(fā)生變化。所以空氣的密度是隨溫度、壓力而變化的，從而可以得出空氣的密度是空間點坐標和時間的函數(shù)。如在大氣壓P0為101325Pa、氣溫為0℃(273．15K)時，干空氣的密度ρ0為1．293kg／m3。44濕空氣的密度是1m3空氣中所含干空氣質(zhì)量和水蒸氣質(zhì)量之和：式中—1m3濕空氣中干空氣的質(zhì)量，kg；

—1m3濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量，kg1.2.1密度45由氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律可以得出濕空氣的密度計算公式：式中P—空氣的壓力，Pa；

t—空氣的溫度，℃；

Ps—溫度t時飽和水蒸氣的分壓，Pa（查表）

—相對濕度，用％數(shù)表示。1.2.1密度461.2礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)1.2.2比體積空氣的比體積是指單位質(zhì)量空氣所占有的體積，用符號(m3/kg)表示，比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個狀態(tài)參數(shù)的兩種表達方式。則：在礦井通風中，空氣流經(jīng)復(fù)雜的通風網(wǎng)絡(luò)時，其溫度和壓力將會發(fā)生一系列的變化，這些變化都將引起空氣密度的變化，在不同的礦井這種變化的規(guī)律是不同的。在實際應(yīng)用中，應(yīng)考慮什么情況下可以忽略密度的這種變化，而在什么條件下又是不可忽略的。471.2礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)1.2.3粘度當流體層間發(fā)生相對運動時，在流體內(nèi)部兩個流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力（內(nèi)摩擦力）以便阻止相對運動，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。48例如，空氣在管道內(nèi)以速度u作層流流動時，管壁附近的流速較小，向管道軸線方向流速逐漸增大，如同把管內(nèi)的空氣分成若干薄層，圖1-2-1所示。49當流體層間發(fā)生相對運動時，在流體內(nèi)部兩個流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力(內(nèi)摩擦力)以阻止相對運動，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。由牛頓內(nèi)摩擦定律得：式中F--內(nèi)摩擦力，N；

S--流層之間的接觸面積，m2；

--動力粘度(或稱絕對粘度)，Pa.s。50當流體處于靜止狀態(tài)或流層間無相對運動時，du／dy=0，則F=0。礦井通風中常用運動粘度，用符號(m2／s)表示：式中ρ——氣體的密度，kg/m3流體粘度隨溫度和壓強而變化，由于分子結(jié)構(gòu)及分子運動機理的不同，液體和氣體的變化規(guī)律是截然相反的?？諝夂退恼扯入S溫度的變化規(guī)律如圖1-2-2所示。51圖1-2-2空氣與水的粘性隨溫度的變化52在實應(yīng)用中，壓力對流體的粘性影響很小，可以忽略。在考慮流體的可壓縮性時常采用動力粘度μ而不用運動粘度。表1-2-1為幾種有關(guān)流體的粘度。流體名稱動力粘度運動粘度空氣1.808×10-51.501×10-5氮氣(N2)1.76×10-51.41×10-5氧氣(O2)2.04×10-51.43×10-5甲烷(CH4)1.08×10-51.52×10-5水1.005×10-31.007×10-6531.2.4比熱為了計算熱力過程的熱交換量，必須知道單位數(shù)量氣體的熱容量或比熱。單位物量的氣體，升高或降低絕對溫度1K時所吸收或放出的熱量稱為比熱。定義式為，kJ/（kg?K）比熱的單位取決于熱量單位和物量單位。表示物量的單位不同，比熱容的單位也不同。通常采用的物量單位：質(zhì)量(kg)、標準容積(Nm3)和千摩爾(kmo1)。因此，相應(yīng)的就有質(zhì)量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。54空氣的比熱比熱溫度-10℃0℃15℃30℃80℃等容比熱

0.70760.71180.71180.71590.7201等壓比熱

0.99651.00061.00061.00061.0009551.3礦井氣候礦井氣候是指礦井空氣的溫度、濕度和風速這三個參數(shù)的綜合作用狀態(tài)。這三個參數(shù)的不同組合，便構(gòu)成了不同的礦井氣候條件。礦井氣候條件對井下作業(yè)人員的身體健康和勞動安全有重要的影響。□561.3礦井氣候1.3.1礦內(nèi)空氣的溫度1.3.2礦內(nèi)空氣的濕度1.3.3風速1.3.4礦內(nèi)氣候參數(shù)的測定□571.3礦井氣候1.3.1礦內(nèi)空氣的溫度溫度是氣體狀態(tài)的基本參數(shù)之一。礦內(nèi)空氣溫度是影響礦內(nèi)氣候條件的重要因素。氣溫過高或過低，對人體都有不良的影響。最適宜的礦內(nèi)空氣溫度是15～20℃。絕對溫標（開氏溫標），單位為K；攝氏溫標t，單位為℃。

t=T-273.15≈T-273（1-3-1）58（1）影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素1）巖石溫度

礦內(nèi)空氣的溫度與巖石溫度直接相關(guān)。巖層溫度分為三帶：變溫帶——隨地面氣溫的變化而變化的地帶。夏季巖層從空氣中吸熱而使地溫升高，冬季則相反；恒溫帶——地表下地溫常年不變的地帶。恒溫帶的深度一般為20～30米，恒溫帶的溫度則接近于當?shù)氐哪昶骄鶜鉁兀?9（1）影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素增溫帶——恒溫帶以下地帶。隨深度的增加成正比增加，不同深度處的巖層溫度可按式計算：t＝t0+G(Z－Z0)

（1-3-2）式中t0－恒溫帶處巖層的溫度，℃；G－地溫梯度，即巖層溫度隨深度變化率，℃/m，常用百米地溫梯度，即℃/100m；Z－巖層的深度，m；Z0－恒溫帶的深度，m。60（1）影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素2）空氣的壓縮與膨脹

一般垂深每增加100m，其溫度升高1℃；相反，空氣向上流動時，則又因膨脹而降溫，平均每升高100m，溫度下降0.8～0.9℃。3）氧化生熱礦井內(nèi)的有機礦物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化發(fā)熱。例如，經(jīng)氧化生成2g二氧化碳時，可使1m3空氣升溫14.5℃。在煤層中的采掘巷道，暴露煤面氧化產(chǎn)生的熱量較大，故回采工作面一般是通風系統(tǒng)中溫度最高的區(qū)段。61（1）影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素4）水分蒸發(fā)水分蒸發(fā)時從空氣中吸收熱量，使空氣溫度降低。每蒸發(fā)1g水可吸收2.45kJ(0.585kcal)的熱量，能使1m3空氣降溫1.9℃，可見水的蒸發(fā)對降溫起著重要的作用。5）通風強度溫度較低的空氣流經(jīng)巷道或工作面時，能夠吸收熱量，供風量越大，吸收熱量越多。因此，加大通風強度是降低礦井溫度的主要措施之一。62（1）影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素6）地面空氣溫度的變化地面氣溫對井下氣溫有直接影響，尤其是較淺的礦井，礦內(nèi)空氣溫度受地面氣溫的影響更為顯著。7）地下水的作用礦井地層中如果有高溫熱泉，或有熱水涌出時，能使地溫升高，相反，若地下水活動強烈，則地溫降低。8）其它因素如機械運轉(zhuǎn)以及人體散熱等都對井下氣溫有一定影響。特別是隨著機械化程度的不斷提高，機械運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量不能忽視。63（2）井下空氣溫度變化規(guī)律《規(guī)程》規(guī)定，井下采掘工作面的氣溫不得超過26℃，機電硐室內(nèi)的氣溫不得超過30℃；冬季總進風的氣溫必須在2℃以上，除機電硐室外在井下風流的氣溫允許在2~26℃的范圍變化。井下氣溫小于2℃或大于26℃時，就得采取加熱或降溫的措施。在一般情況下，井下氣溫在上述范圍內(nèi)變化，大致有以下規(guī)律性：64（2）井下空氣溫度變化規(guī)律在進風路線上礦內(nèi)空氣的溫度與地面氣溫相比，有冬暖夏涼的現(xiàn)象?；夭晒ぷ髅娴臍鉁卦谡麄€風流路線上，一般是最高的區(qū)段。工作面上，氣溫升高。類似“恒溫加熱器”。在回風路線上，因通風強度較大，水分蒸發(fā)吸熱，氣流向上流動而膨脹降溫，使氣溫略有下降，但基本上常年變化不大651.3.2礦內(nèi)空氣的濕度1、濕度的表示方式礦內(nèi)空氣濕度是指礦內(nèi)空氣中所含水蒸汽量。絕對濕度——指每1m3或1kg的濕空氣中所含水蒸汽量的克數(shù)。相對濕度——指濕空氣中實際含有水蒸汽量與同溫度下的飽和水蒸汽量之比的百分數(shù)。式中ρw——空氣中所含水蒸汽量(即絕對濕度)，g/m3；

ρs——在同一溫度下空氣中的飽和水蒸汽量，g/m3

?？諝庵酗柡退羝康拇笮∪Q于空氣的溫度。含濕量在含有1kg干空氣的濕空氣中，所挾帶的水蒸汽質(zhì)量，稱為濕空氣的含濕量（d）。661.3.2礦內(nèi)空氣的濕度2、影響濕度的因素(1)地面濕度隨季節(jié)變化較大，陰雨季節(jié)濕度較大，夏季相對濕度較低，但氣溫較高，冬季相對濕度較大，但氣溫較低，絕對濕度并不太高。地面濕度除受季節(jié)影響外，還與地理位置有關(guān)，我國空氣濕度分布，沿海地區(qū)較高(平均為70～80%)，向內(nèi)陸逐漸降低，西北地區(qū)達最低值(平均為30～40%)。(2)當?shù)V井涌水量較大或滴水較多，由于水珠易于蒸發(fā)，則井下比較潮濕，一般金屬礦山井下濕度在80~90%左右。在鹽礦，涌水較小，且鹽類吸濕性較強，相對濕度一般為15～25%。673、礦內(nèi)空氣濕度的變化規(guī)律進風線路有可能出現(xiàn)冬干夏濕的現(xiàn)象。進風井巷有淋水的情況除外。在采掘工作面和回風線路上，氣溫長年不變，濕度也長年不變，一般都接近100％，隨著礦井排出的污風，每晝夜可從礦井內(nèi)帶走數(shù)噸甚至上百噸的地下水?！?81.3礦井氣候1.3.3風速1、井巷斷面上的風速分布在礦井通風中，空氣流速簡稱為風速。井巷中某點在水平方向的瞬時速度隨時間的變化在某一平均值的上下波動。采用時均風速后，井巷中空氣的流動一般可視為定常流(穩(wěn)定流)。69紊流中的速度分布巷道內(nèi)的風速分布70由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦影響，井巷斷面上風速分布是不均勻的。在貼近壁面處仍存在層流運動薄層，即層流層。其厚度δ隨Re增加而變薄，它的存在對流動阻力、傳熱和傳質(zhì)過程有較大影響。在層流邊層以外，從巷壁向巷道軸心方向，風速逐漸增大，呈拋物線分布,井巷斷面的平均風速v為：（1-3-8）式中S為斷面積，即為通過斷面S上的風量Q，則巷道內(nèi)的速度分布特點712、風速對礦內(nèi)氣候的影響風速顯著地影響者礦內(nèi)對流散熱。當風流溫度低于礦內(nèi)環(huán)境溫度時，流速越大，散熱量越多。當風流溫度高于礦內(nèi)環(huán)境溫度時，礦井反而從風流中得到對流熱，此時風速越大，礦內(nèi)環(huán)境得到的對流熱越多。72731.3.4礦內(nèi)氣候參數(shù)的測定1、溫度和濕度的測定通常，是用干濕球溫度計測算空氣溫度和濕度的。干球溫度td可以直接通過干球溫度計讀出，反應(yīng)空氣的實際溫度。濕球溫度計的讀數(shù)，實際上反映了濕紗布中水的溫度。穩(wěn)定條件下的讀數(shù)才稱之為濕球溫度tw。74圖1-3-4干濕球溫度計圖1-3-5風扇濕度計

75測算空氣濕度時，先用儀表測出相對濕度，再算出絕對濕度。構(gòu)造簡單的常用儀表是風扇濕度計，它是由干球溫度計和濕球溫度計組成，用自帶的發(fā)條轉(zhuǎn)動小風扇。測量時，從兩支溫度計上分別讀出空氣的干溫度td(℃)和濕溫度tw(℃)根據(jù)實測的td和td-tw兩個數(shù)值在表1-10中查出空氣的相對濕度φ值；又根據(jù)td在表1-11中查出飽和絕對濕度的近似值（g/m3），再根據(jù)式算（1-13）出絕對濕度值（g/m3）。76例如，測得某礦總進風量為4000m3/min，其干溫度的平均值td=22℃，濕溫度的平均值tw=21℃，求其相對濕度和絕對濕度。解：查表1-10得其相對濕度φ=91%，又根據(jù)td值查表1-11得出飽和絕對濕度19.3g/m3，故其絕對濕度約為91%×19.3=17.56g/m3。77782、風速的測定測量巷道中任一斷面上各點風速的平均值，常用風速儀（又名風表）測得。只要測出巷道斷面上各點風速的平均值，就可算得風量。風量是通風管理中經(jīng)常性監(jiān)測項目之一。79礦內(nèi)常用的風表按迎風轉(zhuǎn)動部件的形式大致分為葉式和杯式兩種。葉式風表轉(zhuǎn)輪由8塊鋁質(zhì)葉片組成，葉式風表其中的一種用于測量0.5～10m/s的中等風速，一種用于測量0.3～0.5m/s的低風速。葉式風表80杯式風表的轉(zhuǎn)輪由4個杯狀鋁勺組成，能被風流吹轉(zhuǎn)。杯式風表適用于測量5～25m/s的較高風速，它的慣性和機械強度較大，開始轉(zhuǎn)動的最低風速為1.0～1.5m/s。杯式風表81風速在巷道斷面內(nèi)的分部是不均勻的。一般來說，在巷道的軸心部分風速最大，而靠近巷道周壁風速最小。所謂巷道內(nèi)風流的速度是指平均風速而言。因此，測量風速時，風表不能只停留在巷道斷面的某部位，而應(yīng)把風表正迎風流，在整個斷面內(nèi)均勻移動。其移動路線如圖所示的幾種形式，根據(jù)巷道斷面的大小和測風時間的長短選用。。測風的路線82測定時，先使計數(shù)指針回零，手持風表在巷道斷面上某點迎風放置，待葉輪轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后打開開關(guān)，計數(shù)指針開始走動，同時開動秒表，按上圖路線移動，記錄測定時間.測定1或2min，關(guān)閉開關(guān)。根據(jù)指針讀數(shù)和測風時間，算得風表指示風速Va，再按風表的校正曲線校正得真實風速Vt。在線性區(qū)Vt與Va的關(guān)系可用下式表示：m/s式中a，b——常數(shù)，取決于風表轉(zhuǎn)動部件的慣性和摩擦力。8384側(cè)身法測風：由于測風員立于巷道中，減少了通風斷面，從而增加了風速，測得結(jié)果較實際風速為大。因此需根據(jù)斷面大小進行校正，才能得到巷道斷面的實際風速v。通常采用下列斷面校正算式：Vt：按風表校正曲線校正后的風速，m/s；

S：巷道斷面，m2；

Sb：測風員占據(jù)巷道的近似面積，通常取0.3～0.4m2。85機械傳動式風表是受到風流動壓作用而轉(zhuǎn)動的，空氣密度對風表的轉(zhuǎn)速有一定影響。當測風地點的空氣密度與風表校正時的空氣密度相差較大時，按風表校正曲線校正后的風速還要用下式改正：86為了保證測風精度，使用風表時應(yīng)注意下列幾點：1）風表度盤背著風流，否則風表指針會發(fā)生倒轉(zhuǎn)。2）風表不能距人體太近，以免引起較大的誤差。3）風表按上述路線路動時，速度要均勻。4）葉式風表一定要與風流垂直，尤其在傾斜巷道測風時更應(yīng)注意此點。875）在同一斷面的測風次數(shù)不應(yīng)小于三次，每次測量結(jié)果的誤差不應(yīng)超過5%左右。6）所使用的風表應(yīng)和測定的風速相適應(yīng)，否則，將損壞風表或測量不準確，甚至吹不動葉輪。7）為了減少測量誤差，一般要求在一分鐘內(nèi)剛好從移動路線的起點移到終點。88第2章礦內(nèi)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)中國礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件89第2章礦內(nèi)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)

根據(jù)能量平衡及轉(zhuǎn)換定律，結(jié)合礦井風流的特點，分析礦井風流任一斷面上的機械能和風流沿井巷運動的能量變化規(guī)律及其應(yīng)用，為以后章節(jié)提供理論基礎(chǔ)。90第2章礦內(nèi)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)2.1流體的概念

2.2風流能量與能量方程

2.3風流壓力91學(xué)習目標、重點與難點學(xué)習目標1、流體的概念2、風流能量與能量方程3、風流壓力重點與難點1、點壓力之間的關(guān)系2、能量方程及其在礦井中的應(yīng)用922.1流體的概念流體是一種受任何微小剪切力作用時都能連續(xù)變形的物質(zhì)。流體可分為液體和氣體。氣體的分子分布比液體分子相距大約103倍。氣體的分子距很大，分子間的吸引力很小，總是充滿它所能夠達到的全部空間。液體的分子距較小，分子間的吸引力較大，液體的流動性不如氣體。此外，一定質(zhì)量的液體具有一定的體積，并取容器的形狀，但不像氣體那樣能夠充滿全部空間?！?3流體具有流動性，兩層流體以一定速度作相對運動時，在兩層的交界面上就要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這種內(nèi)摩擦力阻礙各層的流動。流體中的內(nèi)摩擦力又叫粘滯力，決定它的因素很復(fù)雜，因此就造成了研究液體運動時的很大困難，為簡化問題，假定在流體運動中并無內(nèi)摩擦力的存在。一般來說，流體是可以壓縮的，當壓力改變時其體積就要改變，因而密度也隨之必變。這也增加了研究問題時的復(fù)雜性，為此，又假定流體是不可壓縮的。既沒有內(nèi)摩擦又沒有壓縮性的流體，叫做理想流體。真實流體都是有粘性的，在研究過程中，首先以理想流體代替真實流體，以便清晰揭示流體主要運動特性；然后，再根據(jù)需要考慮粘性的影響。因此，理想流體是為便于解決實際問題對真實流體作的一種抽象。942.2風流能量與能量方程2.2.1風流能量

2.2.2不可壓縮流體的能量方程

2.2.3可壓縮風流能量方程

2.2.4關(guān)于能量方程使用的幾點說明□952.2風流能量與能量方程2.2.1風流能量礦井通風是典型的穩(wěn)定流，風流沿著一維的巷道連續(xù)的流動。在這個流動中涉及到了能量的轉(zhuǎn)移和消耗。能量的改變是我們計算風量和通風壓力等通風工程中重要參數(shù)的基礎(chǔ)。在井巷中，任一斷面上的能量（機械能）都由位能、壓能和動能三部分組成。假設(shè)從風流中任取一質(zhì)量為m，速度為u，相對高度為Z，大氣壓為P的控制體。現(xiàn)在用外力對該控制體做多少功來衡量這三種機械能的大小。962.2.1風流能量1、位能（勢能）物體在地球重力場中因受地球引力的作用，由于相對位置不同而具有的一種能量叫重力位能，簡稱位能，用Ep0表示。當向上移動到高于基點Z（m）時，做的功為，J這就給出了物體在Z高度上的位能。972.2.1風流能量2、靜壓能（流動功）由分子熱運動產(chǎn)生的分子動能的一部分轉(zhuǎn)化過來的能量，并且能夠?qū)ν庾龉Φ臋C械能叫靜壓能，(Ep)。如下圖所示，有一兩端開口的水平管道，斷面積為A，在其中放入體積為V，質(zhì)量為m的單元流體,使其從左向右流動，即使不考慮磨擦阻力，由于管道中存在壓力P，單元體的運動就會有阻力，因此必須施加一個力F克服這個阻力，單元體才會運動。當該力使單元體移動一段距離s后，就做了功。982、靜壓能（流動功）為平衡管道內(nèi)的壓力，施加的力為F=PA

，

N做的功為，J又AS是流體的體積V，所以根據(jù)密度的定義=m/V

或者V=m/則對該單元體做的流動功為或者，（J/kg）當流體在管道中連續(xù)流動時，壓力就必須對流體連續(xù)做功,此時的壓力就稱為壓能，所做的功為流動功。上式就是單位質(zhì)量流體的靜壓能表達式。992.2.1風流能量3、動能當空氣流動時，除了位能和靜壓能外，還有空氣定向運動的動能，質(zhì)量為m

的物體所具有的動能用表示。：1002.2風流能量與能量方程2.2.2不可壓縮流體的能量方程能量方程表達了空氣在流動過程中的壓能、動能和位能的變化規(guī)律，是能量守恒的轉(zhuǎn)換定律在礦井通風中的應(yīng)用。假設(shè)空氣不可壓縮，則在井下巷道內(nèi)流動空氣的任意斷面，它的總能量都等于動能、位能和靜壓能之和。101現(xiàn)有單位質(zhì)量空氣在一巷道內(nèi)流動，考慮到在任意兩點間的能量變化，如圖所示。內(nèi)能的變化是非常小的，忽略不計，又因為外加的機械能通常單獨考慮，撇開這些因素，在圖中1點的總能量等于2點的總能量與1—2之間損失的能量之和，如果用U1和U2分別表示1點和2點的總能量，h1-2表示1點到2點的能量損失，則有下式：1022.2風流能量與能量方程又，所以可以得出：（2-2-1）如果我們認為空氣是不可壓縮的，此時有：所以（2-2-1）式變?yōu)椋海?-2-2）這里的是動能，Zg是位能，是流動功（靜壓能），h1-2是能量損失。如果在方程兩邊同乘以ρ，那么（2-2-2）式變?yōu)椋哼@就是不可壓縮單位質(zhì)量流體常規(guī)的伯努力方程表達式。單位體積24單位質(zhì)量1032.2風流能量與能量方程關(guān)于能量方程使用的幾點說明從能量方程的推導(dǎo)過程可知，方程是在一定的條件下導(dǎo)出的，并對它做了適當?shù)暮喕?。因此，在?yīng)用能量方程時應(yīng)根據(jù)礦井的實際條件，正確理解能量方程中各參數(shù)的物理意義，靈活應(yīng)用。(1)能量方程的意義是，表示1kg(或1m3)空氣由1斷面流向2斷面的過程中所消耗的能量(通風阻力)等于流經(jīng)1、2斷面間空氣總機械能(靜壓能、動壓能和位能)的變化量。(2)風流流動必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時間的變化而變化；所研究的始、末斷面要選在緩變流場上。104(3)風流總是從總能量(機械能)大的地方流向總能量小的地方。在判斷風流方向時，應(yīng)用始末兩斷面上的總能量來進行，而不能只看其中的某一項。如不知風流方向，列能量方程時，應(yīng)先假設(shè)風流方向，如果計算出的能量損失(通風阻力)為正，說明風流方向假設(shè)正確；如果為負，則風流方向假設(shè)錯誤。(4)正確選擇基準面。(5)在始、末斷面間有壓源時，壓源的作用方向與風流的方向一致，壓源為正，說明壓源對風流做功；如果兩者方向相反，壓源為負，則壓源成為通風阻力。105(6)單位質(zhì)量或單位體積流量的能量方程只適用1、2斷面間流量不變的條件，對于流動過程中有流量變化的情況，應(yīng)按總能量的守恒與轉(zhuǎn)換定律列方程。如圖2-2-3所示的情況，當時：(7)應(yīng)用能量方程時要注意各項單位的一致性。1062.3風流壓力及壓力坡度2.3.1壓力的基本概念2.3.2風流點壓力及其相互關(guān)系2.3.3壓力坡度□1072.3.1壓力的基本概念空氣受到重力作用,而且空氣能流動,因此空氣內(nèi)部向各個方向都有壓強（單位面積上的壓力）,這個壓強在礦井通風中習慣稱為壓力，也稱為靜壓，用符號P表示。它是空氣分子熱運動對器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。其大小取決于在重力場中的位置(相對高度)、空氣溫度、濕度(相對濕度)和氣體成分等參數(shù)。108由于無數(shù)個空氣分子作無規(guī)則的熱運動，不斷地與器壁(或井壁或巷道壁)相碰撞，平均起來對任何方向的撞擊次數(shù)是相等的，故器壁各面上所受的壓力也是相等的，即各向同值。根據(jù)上面的分析，空氣的壓力可用下式表示：式中n——單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)；

——分子平移運動的平均動能。上式闡述了氣體壓力的本質(zhì)。109空氣壓力大小就表示單位體積空氣所具有的機械能量的大小?？諝鈮毫Φ拇笮】梢杂脙x表測定。壓力的單位為Pa(帕斯卡，1Pa＝1N/m2)。在地球引力場中的大氣由于受分子熱運動和地球重力場引力的綜合作用，空氣的壓力在不同標高處其大小是不同的；也就是說空氣壓力還是位置的函數(shù)，它服從玻耳茲曼分布規(guī)律：（見P26）

(式中，為空氣的摩爾質(zhì)量，28.97kg/kmol；g為重力加速度，m/s2；z為海拔高度，m，海平面以上為正，反之為負；R0為通用氣體常數(shù)；T為空氣的絕對溫度，K；P0為海平面處的大氣壓，Pa)。1102.3.2風流點壓力風流的點壓力是指在井巷和通風管道風流中某個點的壓力，就其形成的特征來說，可分為靜壓、動壓和全壓(風流中某一點的靜壓和動壓之和稱為全壓)。根據(jù)壓力的兩種計算基準，某點i的靜壓又分為絕對靜壓(Pi)和相對靜壓（hi）hi=Pi-P0同理，全壓也可分絕對全壓(Pti)和相對全壓（hti）。111＋_點壓力：靜壓、全壓、速壓112在下圖的通風管道中，a圖為壓入式通風，在壓入式通風時，風筒中任一點i的相對全壓恒為正值，所以稱之為正壓通風b圖為抽出式通風，在抽出式通風時，除風筒的風流入口斷面的相對全壓為零外，風筒內(nèi)任一點i的相對全壓恒為負值，故又稱為負壓通風。在風筒中，斷面上的風速分布是不均勻的，一般中心風速大，隨距中心距離增大而減小。因此，在斷面上相對全壓是變化的。113無論是壓入式還是抽出式，其絕對全壓均可用下式表示：（2-3-2）式中Pti——風流中i點的絕對全壓，Pa；

Pi——風流中i點的絕對靜壓，Pa；

hvi——風流中i點動壓，Pa。由于hvi>0，故由（2-3-2）可得，風流中任一點（無論是壓入式還是抽出式）的絕對全壓恒大于其絕對靜壓：（2-3-3）風流中任一點的相對全壓為：

hti（2-3-4）式中P0i——當時當?shù)嘏c風道中i點同標高的大氣壓，Pa。在壓入式風道中（）在抽出式風道中（）由此可見，風流中任一點的相對全壓有正負之分，它與通風方式有關(guān)。

114而對于風流中任一點的相對靜壓，其正負不僅與通風方式有關(guān)，還與風流流經(jīng)的管道斷面變化有關(guān)。在抽出式通風中其相對靜壓總是小于零(負值)；在壓入式通風中，一般情況下，其相對靜壓是大于零(正值)，但在一些特殊的地點其相對靜壓可能出現(xiàn)小于零(負值)的情況，如在通風機出口的擴散器中的相對靜壓一般應(yīng)為負值，對此在學(xué)習中應(yīng)給予注意。1152、風流點壓力的測定測定風流點壓力的常用儀器是壓差計和皮托管。壓差計是度量壓力差或相對壓力的儀器。在礦井通風中測定較大壓差時，常用U型水柱計；測值較小或要求測定精度較高時，則用各種傾斜壓差計或補償式微壓計；現(xiàn)在，一些先進的電子微壓計正在進入通風測定中。116皮托管是一種測壓管，它是承受和傳遞壓力的工具。它由兩個同心管（一般為圓形）組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-3-2所示。尖端孔口a與標著（十）號的接頭相通，側(cè)壁小孔b與標著（一）號的接頭相通。117下面以右圖所示的抽出式通風風筒中i點的相對靜壓測定為例，說明風流點壓力的測定原理。其測定的布置如圖2-3-3所示，皮托管的（一）接頭用膠皮管連在U型水柱計上，水柱計的壓差為h。以水柱計的等壓面0-0為基準面。設(shè)i點至基準面的高度為z，膠皮管內(nèi)的空氣平均密度為，膠皮管外的空氣平均密度為；與i點同標高的大氣壓。118則水柱計等壓面0-0兩側(cè)的受力分別為：水柱計左邊等壓面上受到的力：水柱計右邊等壓面上受到的力：由等壓面的定義得：設(shè)，且忽略這一微小量，經(jīng)整理得：由此可見，這樣測定的h值就是i點的相對靜壓。試問在測定中，水柱計的放置位置是否對測值h有影響，請考慮。119例如圖2-3-1中壓入式通風風筒中某點i的hi＝1000Pa，hvi＝150Pa，風筒外與i點同標高的P0i=101332Pa，求：（1）i點的絕對靜壓Pi；（2）i點的相對全壓hti

；（3）i點的絕對全壓Pti

。解（1）Pa

（2）Pa

（3）Pa120例如圖2-3-1中抽出式通風風筒中某點i的hi＝1000Pa，hvi＝150Pa，風筒外與i點同標高的P0i=101332Pa，求：（1）i點的絕對靜壓Pi；（2）i點的相對全壓hti

；（3）i點的絕對全壓Pti

。解（1）Pa

（2）Pa

（3）Pa1212.3風流壓力及壓力坡度2.3.3壓力坡度通風壓力坡