第1章 礦內(nèi)空氣.ppt

1、1,安全工程學院,Mine Ventilation and Safety,礦 井 通 風 與 安 全,2,3,課程體系與學習方法,一、教學參考書 張國樞通風安全學 王德明 礦井通風與安全 黃元平礦井通風 趙以蕙 礦井通風與空氣調(diào)節(jié) 俞啟香礦井瓦斯防治 中國礦井通風工程圖集,4,課程體系與學習方法,二、學習方法 課程教學與實驗結(jié)合 課程設計與現(xiàn)場實習結(jié)合 三、考試要求 評定成績：期末考試成績?yōu)闇?5,礦井通風科學技術(shù)的發(fā)展,1640 自然通風 1650 回風線路設置火爐（熱風壓） 1849 蒸汽離心式通風機 1898 電力軸流式通風機 1862 關(guān)于煤自燃的文章 1813 安全油燈檢查O2、CH

2、4、CO2 1960s 風流環(huán)境參數(shù)監(jiān)測 1970s 電子計算機應用,6,早期的通風裝置：人踩風箱鼓風,7,早期的通風裝置：馬踩輪子通風,8,早期的通風裝置：馬轉(zhuǎn)圈通風,9,現(xiàn)代化的局部通風機,10,現(xiàn)代化的主要通風機,11,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,12,學習目標、重點與難點,學習目標 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

3、、礦井的氣候條件（溫度、濕度，風速）,13,第1章 礦內(nèi)空氣,通風目的：為井下各工作地點提供足夠的新鮮空氣，使其中有毒有害氣體、粉塵不超過規(guī)定值，并有適宜的氣候條件。 通風系統(tǒng)：通風機、通風網(wǎng)絡巷道和通風構(gòu)筑物組成。 通風系統(tǒng)礦井的心臟與動脈，是保障礦井安全的最主要技術(shù)手段之一。 本章重點闡述礦內(nèi)空氣的主要成分、井下常見的有害氣體、礦井的氣候條件。,14,通風機,巷道 網(wǎng)絡,通風 設施,15,16,1.1 礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì),地面空氣主要成分,17,礦內(nèi)空氣,地面空氣進入礦井以后，其成分和性質(zhì)要發(fā)生一系列變化，如氧濃度降低，二氧化碳濃度增加；混入各種有毒、有害氣體和礦塵；空氣的狀態(tài)參數(shù)（

4、溫度、濕度、壓力等）發(fā)生改變等。 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；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。,18,有毒有害氣體成分,盡管礦井空氣與地面空氣相比，在性質(zhì)上存在許多差異，但在新鮮空氣中其主要成分仍然是氧、氮和二氧化碳。在污濁空氣中含有大量有毒有害氣體：一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）等。,19,1.1.1 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

5、狀態(tài)和勞動強度等。,20,人體需氧量與勞動強度的關(guān)系,21,人體缺氧癥狀與氧濃度的關(guān)系,22,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，如果不經(jīng)檢查而貿(mào)然進入，就可能引起人員的缺氧窒息。 煤礦安全規(guī)程規(guī)定，礦內(nèi)采掘工作面的進風流中氧含量不得低于20 %。,23,1.1.2 氮氣（N2）,氮氣是一種惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，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

6、防滅火和防止瓦斯爆炸。 礦井空氣中氮氣主要來源是：井下爆破和生物的腐爛，有些煤巖層中也有氮氣涌出。,24,1.1.3 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，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。,25,二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

7、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。,26,二氧化碳中毒癥狀與濃度的關(guān)系,27,礦內(nèi)二氧化碳的主要來源,礦井空氣中二氧化碳的主要來源是：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連續(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。 規(guī)程規(guī)定：進風流中二氧化碳不超過0.5 %；總回風流中，二氧化碳不超過1 %。,28,1.1.4 一氧化碳（CO）,無色、無味、無臭，相對密度0.97，微溶于水，能與空氣均勻地混合；可燃燒，濃度在1

8、3 %75 %時有爆炸危險；與人體血液中血紅素的親合力比氧大150300倍（血紅素是人體血液中攜帶氧氣和排出二氧化碳的細胞）。一旦進入人體后，首先就與血液中的血紅素相結(jié)合，因而減少了血紅素與氧結(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”。,29,CO中毒癥狀與濃度的關(guān)系,30,CO對人身體狀況影響,31,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：井下爆破；礦井火災；煤炭自然以及煤塵、瓦斯爆炸事故等。 規(guī)程規(guī)定:礦內(nèi)空氣中CO濃度不得超過 0.0024 % 。,32,1.1.5 二氧化硫(SO2),無色、有強烈硫磺味，易溶于水，風速較小時，易積聚于巷道底部，對眼睛有強

9、烈刺激作用。 空氣中含量為0.0005 %時，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。 規(guī)程規(guī)定：空氣中二氧化硫含量不得超過0.0005 %。,33,1.1.6 二氧化氮(NO2),褐紅色，有強烈的刺激氣味，相對密度1.59，易溶于水。 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。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624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。,34,二氧化氮中毒癥狀與濃度的關(guān)

10、系,35,二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。 規(guī)程規(guī)定氮氧化合物不得超過0.00025 %。,36,1.1.7 硫化氫（H2S）,無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，空氣中濃度達到0.0001 %即可嗅到。相對密度1.19，易溶于水，常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫，可能積存于舊巷積水中?？諝庵辛蚧瘹錆舛葹?.3 %45.5 %時有爆炸危險。 劇毒，有強烈刺激作用?？諝庵袧舛容^低時主要是腐蝕刺激；濃度較高時能引起人體迅速昏迷或死亡。 規(guī)程規(guī)定硫化氫的允許濃度為0.00066%。,37,2003年12月23日22時左右，重慶市開縣高橋鎮(zhèn)的川東北氣礦

11、16H井發(fā)生特大井噴事故，造成243人死亡。,38,39,1.1.8 氨氣（NH3）,無色、有濃烈臭味，比重為0.596，易溶于水，空氣濃度中達30 %時有爆炸危險。 氨氣對皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉頭水腫。 礦內(nèi)空氣中氨氣的主要來源：爆破工作，用水滅火等；部分巖層中也有氨氣涌出。 規(guī)程允許濃度為0.004%。,40,1.1.9 氫氣（H2）,氫氣無色、無味、無毒，相對密度為0.07。氫氣能自燃，其點燃溫度比甲烷低100200，當空氣中氫氣濃度為4 %74 %時有爆炸危險。 井下空氣中氫氣的主要來源：井下蓄電池充電時可放出氫氣；有些中等變質(zhì)的煤層中也有氫氣涌出。,41,1.1.10

12、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（516 %）并遇到高溫（650750 ）時能引起爆炸。 規(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 %。,42,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

13、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）濃度作了如表規(guī)定。,43,表 作業(yè)場所空氣中粉塵濃度標準,44,1.2 礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù),1.2.1 密度 1.2.2 比體積 1.2.3 粘度 1.2.4 比熱容,45,1.2.1 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 ； 空氣的密度，kgm3；,46,一般地說，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

14、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101 325Pa、氣溫為0(27315K)時，干空氣的密度0為1293 kgm3。,47,濕空氣的密度是1 m3空氣中所含干空氣質(zhì)量和水蒸氣質(zhì)量之和： 式中，d1m3濕空氣中干空氣的質(zhì)量，kg ； v1m3濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量，kg。,48,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 ； 相對濕度，用數(shù)表示。,49,1.2.2 比體積（比容）,空氣的比容是指單位質(zhì)量空氣所占有的體積，用符號(m3kg)表示，比容和密度互為倒數(shù)，它

15、們是一個狀態(tài)參數(shù)的兩種表達方式。則：,50,在礦井通風中，空氣流經(jīng)復雜的通風網(wǎng)絡時，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。 在實際應用中，應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。,51,1.2.3 黏度,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(xiàn)-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。,52,當流體處于靜止狀態(tài)或流層間無相對運動時

16、，dudy=0，則F=0。礦井通風中常用運動粘度，用符號(m2s)表示：,53,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)律如圖所示。,54,圖 空氣與水的粘性隨溫度的變化,55,在實際應用中，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而不用運動粘度。,56,表 幾種有關(guān)流體的粘度。,57,1.2.4 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1 K時所吸收或放出的熱量稱為比熱。定義式為 C=dQ/dT，kJ/（kgK）

17、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，相應的就有質(zhì)量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。,58,表 空氣的比熱容,59,1.3 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。,60,1.3.1 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,61,1.3.1 礦內(nèi)空氣溫度,礦內(nèi)空氣溫度是影響礦內(nèi)氣候條

18、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1520。 1影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素 1）巖石溫度 巖層溫度的三帶 （1）變溫帶：隨地面氣溫的變化而變化的地帶； （2）恒溫帶：地表下地溫常年不變的地帶； （3）增溫帶：恒溫帶以下地帶；,62,不同深度處的巖層溫度可按式計算： tt0+G ( ZZ0) 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； Z0恒溫帶的深度。,63,影響礦內(nèi)空氣溫度的主要因素,2）空氣的壓縮與膨脹 空氣向下流動時，空氣受壓縮產(chǎn)生熱量，一般垂深每增加100米，溫

19、度升高1；相反，空氣向上流動時，則因膨脹而降溫，平均每升高100米，溫度下降0.80.9。 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，故回采工作面是通風系統(tǒng)中溫度最高的區(qū)段。,64,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)一克水可吸收0.585千卡的熱量，能使1 m3空氣降溫1.9，可見水的蒸發(fā)對降低氣溫起著重要的作用。 5）通風強度 （指單位時間進入井巷的風量），溫度較低的空氣流經(jīng)巷道或工作面時，能夠吸

20、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。,65,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。 ) 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。,66,2. 礦內(nèi)空氣溫度的變化規(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

21、，一般是最高的區(qū)段。在回風路線上，因通風強度大，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。,67,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226 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。,68,1.3.2 礦內(nèi)空氣的濕度,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),69,式中：w空氣中所含水蒸汽

22、量(即絕對濕度)， g/m3； s在同一溫度下空氣中的飽和水蒸汽量， g/m3 。 空氣中飽和水蒸汽量的大小取決于空氣的溫度。,70,影響濕度的因素,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)，我國濕度分布，沿海地區(qū)較高(平均為7080%)，向內(nèi)陸逐漸降低，西北地區(qū)達最低值(平均為3040 %)。 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8090%左右。在鹽礦，涌水較小，且鹽類吸濕性較強，相對濕度一般為1525%。,71,進風線路有可

23、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。,72,1.3.3 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)。,73,紊流中的速度分布,74,巷道斷面等風速線分布,75,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。 其厚度隨Re增加而變薄，它的

24、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：,76,2、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。,77,1.3.4 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。,78,圖 干濕球溫度計,圖 風扇濕度計,79,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