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1、安全工程学院安全工程学院矿井通风与安全矿井通风与安全 Mine Ventilation and Safety中国矿业大学多媒体教学课件矿井通风与安全矿井通风与安全 Mine Ventilation and Safety第1章 矿内空气第1章 矿内空气1.1 矿内空气成分及其基本性质 1.2 矿内空气的主要物理参数 1.3 矿井气候 学习目标、重点与难点学习目标学习目标1 1、矿内空气的主要成分、矿内空气的主要成分2 2、井下常见的有害气体、井下常见的有害气体3 3、矿内空气的主要物理参数、矿内空气的主要物理参数4 4、矿井的气候条件，矿内空气的温度、湿度，风速，矿内、矿井的气候条件，矿内空气的
2、温度、湿度，风速，矿内气候参数的测定。气候参数的测定。重点与难点重点与难点1 1、矿内空气主要成分及其性质、矿内空气主要成分及其性质2 2、井下常见的有害气体、来源及最高允许浓度、井下常见的有害气体、来源及最高允许浓度 3 3、矿井的气候条件（温度、湿度，风速）、矿井的气候条件（温度、湿度，风速）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。进风井筒进风井筒主要通风机主要通风机回风井回风井风门风门调节风窗调节
3、风窗回风巷回风巷进风巷进风巷密闭墙密闭墙风桥风桥工作面工作面辅助通风机辅助通风机简化的通风系统立体图进风巷进风巷风流1.1 矿内空气成分及其基本性质1.1.1 矿内空气的主要成分1.1.2 矿内空气中常见的有害气体1.1 矿内空气成分及其基本性质1.1.1 矿内空气的主要成分井下空气的主要来源是地面空气。地面空气是由多种气体组成的干空气和水蒸汽组合而成的混合气体。通常状况下，干空气各组分的数量基本不变。在混合气体中，水蒸汽的浓度随地区和季节而变化，其平均浓度约为1%；此外还含有尘埃和烟雾等杂质。表表1-1-1 干空气主要成分干空气主要成分气体成分气体成分按体按体积计积计/%/%按按质质量量计计
4、/%/%氮气（氮气（N N2 2）78.1378.1375.7175.71氧气（氧气（O O2 2）20.9020.9023.1723.17二氧化碳（二氧化碳（COCO2 2）0.030.030.050.05氩氩气（气（ArAr）0.930.930.910.91其它（其它（水蒸汽、惰性水蒸汽、惰性稀有气体和微量的灰稀有气体和微量的灰尘尘与微生物等与微生物等）0.010.010.160.161.1.1 矿内空气的主要成分地面空气进入矿井以后，由于受到污染，其成分和性质要地面空气进入矿井以后，由于受到污染，其成分和性质要发生一系列的变化，如氧浓度降低，二氧化碳浓度增加。发生一系列的变化，如氧浓度降
5、低，二氧化碳浓度增加。一般来说，将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻一般来说，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的进风巷道内的空气称为新鲜空气（新风）新鲜空气（新风）；经过用风地；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊污浊空气（乏风）空气（乏风）。矿内空气主要成分除氧气（矿内空气主要成分除氧气（O2O2）、氮气（）、氮气（N2N2）、二氧化）、二氧化碳（碳（CO2CO2）、水蒸汽（）、水蒸汽（H2OH2O）以外，）以外，有时还混入一些有害气体有时还混入一些有害气体，如瓦斯（，如瓦斯（CH4CH4
6、）、一氧化碳）、一氧化碳（COCO）、硫化氢（）、硫化氢（H2SH2S）、二氧化硫（）、二氧化硫（SO2SO2）、二氧化）、二氧化氮（氮（NO2NO2）、氨气（）、氨气（NH3NH3）、氢气（）、氢气（H2H2）和矿尘等。）和矿尘等。1.1.1 矿内空气的主要成分（1）氧气（O2）氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体。人类在生命活动过程中，必须不断吸入氧气，呼出二氧化碳。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。空气中氧的浓度对人的健康影响很大。最有利于呼吸的氧浓度为21%左右；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
7、能导致缺氧死亡。人体需氧量与劳动强度的关系劳动劳动强强度度呼吸空气量呼吸空气量/L/Lminmin-1-1氧气消耗量氧气消耗量/L/Lminmin-1-1休息休息0 0.2 20.40.4轻劳动轻劳动0 0.6 6.0.0中度中度劳动劳动1 1.2 2.6.6重重劳动劳动1 1.8 82.42.4极重极重劳动劳动2 2.5 53.03.0氧氧浓浓度度（体（体积积）/%主要症状主要症状1717静止静止时时无影响，工作无影响，工作时时能引起喘息和呼吸困能引起喘息和呼吸困难难1515呼吸及心跳急促，耳呼吸及心跳急促，耳鸣鸣目眩，感目眩，感觉觉和判断能和判断能力降低，失去力降低，失去劳动劳动能力能力1
8、0101212失去理智，失去理智，时间时间稍稍长长有生命危有生命危险险6 69 9失去知失去知觉觉，呼吸停止，如不及，呼吸停止，如不及时抢时抢救几分救几分钟钟内可能内可能导导致死亡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（1）氧气（O2）矿内空气中氧浓度降低的主要原因矿内空气中氧浓度降低的主要原因人员呼吸人员呼吸煤岩和其他有机物的缓慢氧化煤岩和其他有机物的缓慢氧化煤炭自燃煤炭自燃瓦斯、煤尘爆炸瓦斯、煤尘爆炸煤岩和生产过程中产生的各种有害气体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
9、检查而贸然进入，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。就可能引起人员的缺氧窒息。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。1.1.1 矿内空气的主要成分（2 2）氮气（）氮气（N2N2）氮气氮气是无色、无味、无是无色、无味、无臭臭的惰性气体，是新鲜空的惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，对空气的相对密度为气中的主要成分，对空气的相对密度为0.970.97，它，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。本身无毒、不助燃，也不供呼吸。但空气
10、中若氮气浓度升高，则势必造成氧浓度相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。灭火和防止瓦斯爆炸。矿井空气中氮气主要来源矿井空气中氮气主要来源是：地面大气、井下爆是：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。破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。1.1.1 矿内空气的主要成分（3 3）二氧化碳（）二氧化碳（CO2CO2）二氧化碳二氧化碳是无色，略带酸臭味的气体，是无色，略带酸臭味的气体，比
11、重为比重为1.521.52，是一种较重的气体，很难与空气，是一种较重的气体，很难与空气 均匀混合，均匀混合，故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显故常积存在巷道的底部，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶的分界。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，对眼、鼻、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。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，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。的正常
12、呼吸功能就不能维持。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）1-3 二氧化碳中毒症状与浓度的关系二氧化碳二氧化碳浓浓度度（体（体积积）/%主主 要要 症症 状状1 1呼吸加深，但呼吸加深，但对对工作效率无明工作效率无明显显影响影响3 3呼吸急促，心跳加快，呼吸急促，心跳加快，头头痛，人体很快痛，人体很快疲疲劳劳5 5呼吸困呼吸困难难，头头痛，痛，恶恶心，呕吐，耳心，呕吐，耳鸣鸣6 6
13、严严重喘息，极度虚弱无力重喘息，极度虚弱无力7 79 9动动作不直作不直协调协调，大，大约约十分十分钟钟可可发发生昏迷生昏迷9 91111数数分分钟钟内可内可导导致死亡致死亡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）规程规定采掘工作面的进风流中，CO2 2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
14、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 2）1.1 矿内空气成分及其基本性质1.1.2 矿内空气中常见的有害气体 矿井常见的有害气体有一氧化碳、硫化氢、二氧化氮、二氧化硫、氨气、瓦斯等。下面分别介绍。1.1.2 矿内空气中常见的有害气体（1）一氧化碳（CO）COCO是一种无色、无味、无臭的气体，相对对密度为是一种无色、无味、无臭的气体，相对对密度为0.97,0.97,微溶于水微溶于水,能与空气均匀地混合。能与空气均匀地混合。COCO能燃烧，浓度在能燃烧，浓度在131375%75%时有爆炸的危险；时有爆炸的危险；COCO与人体血液中血红素的亲合力比
15、氧大与人体血液中血红素的亲合力比氧大150150300300倍倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。细胞）。一旦一旦COCO进入人体后，首先就与血液中的血红素相结进入人体后，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，从而造成人体血液失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息窒息”。一氧化碳中毒症状与浓度的关系COCO浓度（体积）浓度（体积）/%/%主主 要要 症症 状状0.020.022 23 3小时内可能引起轻微头痛小时内可能引起轻微头痛0.080.
16、084040分钟内出现头痛分钟内出现头痛,眩晕和恶心。眩晕和恶心。2 2小时小时内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出内发生体温和血压下降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷。冷汗，可能出现昏迷。0.320.325 51010分钟内出现头痛，眩晕。半小时分钟内出现头痛，眩晕。半小时内可能出现昏迷并有死亡危险。内可能出现昏迷并有死亡危险。1.281.28几分钟内出现昏迷和死亡。几分钟内出现昏迷和死亡。（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%。1.1.2
17、矿内空气中常见的有害气体（2 2）硫化氢（）硫化氢（H H2 2S S）硫化氢硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到到0.0001%0.0001%即可嗅到，但当浓度较高时，因嗅觉神经中毒即可嗅到，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麻痹，反而嗅不到。硫化氢对空气的相对密度为1.191.19，易，易溶于水，在常温、常压下一个体积的水可溶解溶于水，在常温、常压下一个体积的水可溶解2.52.5个体积个体积的硫化氢，所以它可能积存于旧巷的积水中。硫化氢能燃的硫化氢，所以它可能积存于旧巷的积水中。硫化氢能燃烧，
18、空气中硫化氢浓度为烧，空气中硫化氢浓度为4.3%4.3%45.5%45.5%时有爆炸危险。时有爆炸危险。硫化氢硫化氢有剧毒，有强烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、气有剧毒，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；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往不明显。硫化氢中毒症状与浓度的关系如表1-1-51
19、-1-5所示。所示。表1-1-5 H2S中毒症状与浓度的关系硫化硫化氢浓氢浓度度 /%/%主主 要要 症症 状状0.00250.00250.0030.003有有强强烈臭味烈臭味0.0050.0050.010.011 12h2h内出内出现现眼及呼吸道刺激症状眼及呼吸道刺激症状,臭味臭味“减弱减弱”或或“消失消失”0.0150.0150.020.02出出现恶现恶心，呕吐，心，呕吐，头晕头晕，四肢无力，反，四肢无力，反应应迟钝迟钝。眼和呼吸道有。眼和呼吸道有强强烈刺激症状烈刺激症状0.0350.0350.0450.0450.50.51h1h内出内出现严现严重中毒重中毒,可可发发生肺炎、支气管生肺炎、
20、支气管炎及肺水炎及肺水肿肿，有死亡危，有死亡危险险。0.060.060.070.07很快昏迷，短很快昏迷，短时间时间内死亡。内死亡。井下H2 2S的来源与允许浓度井下空气中H2 2S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H2 2S含量不得超过0.00066%。（3 3）二氧化氮（）二氧化氮（NO2NO2）二氧化氮二氧化氮是一种褐红色的气体是一种褐红色的气体,有强烈的刺激气味有强烈的刺激气味,相对密度为相对密度为1.59,1.59,易溶于水易溶于水.二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸二氧化氮溶
21、于水后生成腐蚀性很强的硝酸,对眼睛、对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，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。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。但经过明显感觉，还可坚持工作。但经过6 62424小时后发小时后发作，中毒者指头出现黄色斑点，并出现严重的咳作，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。嗽、头痛、呕吐甚至死亡。二氧化氮中毒症状与浓度的关系如表二氧化氮中毒症状与浓度的关系如表1-1-61-1-6所示。所示。二氧化氮中毒症状与浓度的关
22、系二氧化氮二氧化氮（体（体积积）/%主主 要要 症症 状状0.0040.0042 24 4小小时时内可出内可出现现咳嗽症状。咳嗽症状。0.0060.006短短时间时间内感到喉内感到喉咙咙刺激，咳嗽，胸疼。刺激，咳嗽，胸疼。0.010.01短短时间时间内出内出现严现严重中毒症状，神重中毒症状，神经经麻痹，麻痹，严惩严惩咳嗽，咳嗽，恶恶心，呕吐。心，呕吐。0.0250.025短短时间时间内可能出内可能出现现死亡。死亡。（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%。1.1.2 矿内空气中常见的有害气体（4）二
23、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，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对空气的相对密度为1.43371.4337，易积聚在巷道底部，易积聚在巷道底部，易溶于水。易溶于水。二氧化硫与水后生成硫酸二氧化硫与水后生成硫酸,对呼吸器官有腐蚀作用对呼吸器官有腐蚀作用,使用喉咙和支气管发炎使用喉咙和支气管发炎,呼吸麻痹呼吸麻痹,严重时引起肺病严重时引起肺病水肿水肿,当空气中含二氧化硫为当空气中含二氧化硫为0.0005%0.0005%时时,嗅觉器官能闻嗅觉器官能闻到刺激味。到刺激味。0.002%0.002%时时,有强烈的刺激有强烈的刺激,可引起头痛可引
24、起头痛和喉痛。和喉痛。0.05%0.05%时，引起急性支气管炎和肺水肿，时，引起急性支气管炎和肺水肿，短期间内即死亡。短期间内即死亡。（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%。1.1.2 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0.0l%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
25、生。1.1.2 矿内空气中常见的有害气体（6 6）瓦斯（）瓦斯（CH4CH4）瓦斯的主要成分是甲烷（瓦斯的主要成分是甲烷（CH4CH4），甲烷是一种无），甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为0.550.55，难溶于水，扩散性较空气高，难溶于水，扩散性较空气高1.61.6倍。倍。虽然无毒，但当浓度较高时，会引起窒息。不助虽然无毒，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（燃，但在空气中具有一定浓度（516%516%）并遇到）并遇到高温（高温（650650750 750）时能引起爆炸。）时能引起爆炸。规程规定规程规定，工作面
26、进风流中，工作面进风流中CH4CH4的浓度不能的浓度不能大于大于0.5%0.5%，采掘工作面和采区的回风流中，采掘工作面和采区的回风流中CH4CH4的的浓度不能大于浓度不能大于1.0%1.0%，矿井和一翼的总回风流中，矿井和一翼的总回风流中，CH4CH4最高容许浓度为最高容许浓度为0.75%0.75%。1.1.2 矿内空气中常见的有害气体（7）氢气（H2）氢气无色无味，具有爆炸性，在矿井火灾或爆炸事故中和井下充电硐室均会产生，其最高容许浓度为0.5%。1.1.2 矿内空气中常见的有害气体（8 8）其它有害物质）其它有害物质矿内空气除了上述有害气体外，还含有其他一些矿内空气除了上述有害气体外，还
27、含有其他一些有害物质，如在采掘生产过程中所产生的煤和岩有害物质，如在采掘生产过程中所产生的煤和岩石的细微颗粒石的细微颗粒(统称为矿尘统称为矿尘)。矿尘对矿内空气的污染不容忽视，它对矿井生产矿尘对矿内空气的污染不容忽视，它对矿井生产和人体都有严重危害。煤尘能引起爆炸，粉尘特和人体都有严重危害。煤尘能引起爆炸，粉尘特别是呼吸性粉尘能引起矿工尘肺病。因此规程别是呼吸性粉尘能引起矿工尘肺病。因此规程对作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）对作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）浓度作了如表浓度作了如表1-1-71-1-7的规定。的规定。表1-1-7作业场所空气中粉尘浓度标准 粉粉尘尘中游中游离离S
28、iOSiO2 2含含量量 （%）最高允最高允许浓许浓度度/mg/m/mg/m3 3总总粉粉尘尘呼吸性粉呼吸性粉尘尘101010103.53.5101050502 21 1505080802 20.50.580802 20.30.31.2 矿内空气的主要物理参数1.2.1 密度1.2.2 比容1.2.3 粘度1.2.4 比热1.2 矿内空气的主要物理参数1.2.1 密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号 表示。表示。空气可以看作是均质气体，故：空气可以看作是均质气体，故：式中式中 M M空气的质量，空气的质量，kg kg；V V空气的体积
29、，空气的体积，mm3 3 ；空气的密度，空气的密度，kgkgmm3 3；一般地说，当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变一般地说，当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。所以空气的密度是随温度、压力而变化的，从而可化。所以空气的密度是随温度、压力而变化的，从而可以得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。以得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。如在大气压如在大气压P P0 0为为101 325Pa101 325Pa、气温为、气温为0 0(273(27315K)15K)时，干时，干空气的密度空气的密度 0 0为为1 1293 kg293 kgmm3 3。湿空气的密度是1 m3空气中所含干空
30、气质量和水蒸气质量之和：式中 1m3湿空气中干空气的质量，kg；1m3湿空气中水蒸气的质量，kg 1.2.1 密度密度由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：式中P空气的压力，Pa；t空气的温度，；Ps温度t时饱和水蒸气的分压，Pa；相对湿度，用数表示。1.2 矿内空气的主要物理参数1.2.2 1.2.2 比体积比体积空气的比体积是指单位质量空气所占有的体积，用符号空气的比体积是指单位质量空气所占有的体积，用符号 (m3/kg)(m3/kg)表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。则：的两种表达方式。则：在矿井
31、通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度和压在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度和压力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化，在不同的矿井这种变化的规律是不同的。变化，在不同的矿井这种变化的规律是不同的。在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变化，而在什么条件下又是不可忽略的。化，而在什么条件下又是不可忽略的。1.2 矿内空气的主要物理参数1.2.3 粘度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）以便阻止相对运动，流体具
32、有的这一性质，称作流体的粘性。例如，空气在管道内以速度u作层流流动时，管壁附近的流速较小，向管道轴线方向流速逐渐增大，如同把管内的空气分成若干薄层，图1-2-1所示。当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体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，便产生粘性阻力层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力内摩擦力)以阻以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。粘性。由牛顿内摩擦定律得：由牛顿内摩擦定律得：式中式中 F-F-内摩擦力，内摩擦力，N N；S-S-流层之间的接触面积，流层之间的接触面积，mm2 2；-动力粘度动力粘度(
33、或称绝对粘度或称绝对粘度)，Pa.sPa.s。当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，dududydy=0=0，则，则F=0F=0。矿井通风中常用运动粘度，。矿井通风中常用运动粘度，用符号用符号 (m2(m2s)s)表示：表示：式中式中 气体的密度，气体的密度，kg/m3 kg/m3 流体粘度随温度和压强而变化，由于分子结构及流体粘度随温度和压强而变化，由于分子结构及分子运动机理的不同，液体和气体的变化规律是分子运动机理的不同，液体和气体的变化规律是截然相反的。空气和水的粘度随温度的变化规律截然相反的。空气和水的粘度随温度的变化规律如图如图1-2-21-
34、2-2所示。所示。图1-2-2 空气与水的粘性随温度的变化在实际应用中，压力对流体的粘性影响很小，可以忽略。在实际应用中，压力对流体的粘性影响很小，可以忽略。在考虑流体的可压缩性时常采用动力粘度在考虑流体的可压缩性时常采用动力粘度 而不用运动粘而不用运动粘度。表度。表1-2-11-2-1为几种有关流体的粘度。为几种有关流体的粘度。流体名称流体名称流体名称流体名称动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度空气空气空气空气1.808101.808101.808101.80810-5-5-5-51.501101.501101.501101.50110-5-5-5-5氮气氮气氮气氮气(N(N(N(N2 2 2
35、 2)1.76101.76101.76101.7610-5-5-5-51.41101.41101.41101.4110-5-5-5-5氧气氧气氧气氧气(O(O(O(O2 2 2 2)2.04102.04102.04102.0410-5-5-5-51.43101.43101.43101.4310-5-5-5-5甲烷甲烷甲烷甲烷(CH(CH(CH(CH4 4 4 4)1.08101.08101.08101.0810-5-5-5-51.52101.52101.52101.5210-5-5-5-5水水水水1.005101.005101.005101.00510-3-3-3-31.007101.0071
36、01.007101.00710-6-6-6-61.2.4 1.2.4 比热比热为了计算热力过程的热交换量，必须知道单位数量气体的为了计算热力过程的热交换量，必须知道单位数量气体的热容量或比热。单位物量的气体，升高或降低绝对温度热容量或比热。单位物量的气体，升高或降低绝对温度1 1 K K时所吸收或放出的热量称为比热。定义式为时所吸收或放出的热量称为比热。定义式为 ，kJ/kJ/（kgKkgK）比热的单位取决于热量单位和物量单位。表示物量的单位比热的单位取决于热量单位和物量单位。表示物量的单位不同，比热容的单位也不同。通常采用的物量单位：质量不同，比热容的单位也不同。通常采用的物量单位：质量(k
37、g)(kg)、标准容积、标准容积(Nm3)(Nm3)和千摩尔和千摩尔(kmo1)(kmo1)。因此，相应的就。因此，相应的就有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。空气的比热比比比比热热热热 温度温度温度温度-10-10 0 0 15 15 30 30 80 80 等容比热等容比热等容比热等容比热 0.70760.70760.71180.71180.71180.71180.71590.71590.72010.7201等压比热等压比热等压比热等压比热 0.99650.99651.00061.00061.00061.00061.00061.00061.00091.0
38、0091.3 矿井气候矿井气候是指矿井空气的温度、湿度和风速这三个参数的综合作用状态。这三个参数的不同组合，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。1.3 矿井气候1.3.1 矿内空气的温度1.3.2 矿内空气的湿度1.3.3 风速1.3.4 矿内气候参数的测定1.3 矿井气候1.3.1 矿内空气的温度温度是气体状态的基本参数之一。矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素。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1520。绝对温标（开氏温标），单位为K；摄氏温标t，单位为。t=T-273.15T-273 （1-3-1）（1）影
39、响矿内空气温度的主要因素1）岩石温度 矿内空气的温度与岩石温度直接相关。岩层温度分为三带：变温带随地面气温的变化而变化的地带。夏季岩层从空气中吸热而使地温升高，冬季则相反；恒温带地表下地温常年不变的地带。恒温带的深度一般为2030米，恒温带的温度则接近于当地的年平均气温；（1）影响矿内空气温度的主要因素增温带恒温带以下地带。随深度的增加成正比增加，不同深度处的岩层温度可按式计算：tt0 0+G(ZZ0 0)（1-3-2）式中 t0 0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/100 m；Z岩层的深度，m；Z0 0恒温带的深度，m。（1）影响矿内空气温
40、度的主要因素2）空气的压缩与膨胀 一般垂深每增加100 m，其温度升高1；相反，空气向上流动时，则又因膨胀而降温，平均每升高100 m，温度下降0.80.9。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2 g二氧化碳时，可使1 m3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，故回采工作面一般是通风系统中温度最高的区段。（1）影响矿内空气温度的主要因素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 g 水可吸收2.45kJ(0.585kcal)的热量，能使1 m3空气降温1.9，可见水的蒸发对降温起着重要的作
41、用。5）通风强度 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。（1）影响矿内空气温度的主要因素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。（2）井下空气温度变化规律规程规定规程规定，井下采掘工作面的气温不得超过井下采掘工作
42、面的气温不得超过26 26，机电硐室内的气温不得超过机电硐室内的气温不得超过30 30；冬季总进风的气温必须在冬季总进风的气温必须在2 2 以上，除机电硐室以上，除机电硐室外在井下风流的气温允许在外在井下风流的气温允许在226 226 的范围变化。的范围变化。井下气温小于井下气温小于2 2 或大于或大于26 26 时，就得采取加热时，就得采取加热或降温的措施。或降温的措施。在一般情况下，井下气温在上述范围内变化，大在一般情况下，井下气温在上述范围内变化，大致有以下规律性：致有以下规律性：（2）井下空气温度变化规律在进风路线上在进风路线上在进风路线上在进风路线上矿内空气的温矿内空气的温矿内空气的
43、温矿内空气的温度与地面气温相比，有冬暖度与地面气温相比，有冬暖度与地面气温相比，有冬暖度与地面气温相比，有冬暖夏凉的现象。回采工作面的夏凉的现象。回采工作面的夏凉的现象。回采工作面的夏凉的现象。回采工作面的气温在整个风流路线上，一气温在整个风流路线上，一气温在整个风流路线上，一气温在整个风流路线上，一般是最高的区段。在回风路般是最高的区段。在回风路般是最高的区段。在回风路般是最高的区段。在回风路线上，因通风强度较大，水线上，因通风强度较大，水线上，因通风强度较大，水线上，因通风强度较大，水分蒸发吸热，气流向上流动分蒸发吸热，气流向上流动分蒸发吸热，气流向上流动分蒸发吸热，气流向上流动而膨胀降温
44、，使气温略有下而膨胀降温，使气温略有下而膨胀降温，使气温略有下而膨胀降温，使气温略有下降，但基本上常年变化不大降，但基本上常年变化不大降，但基本上常年变化不大降，但基本上常年变化不大1.3.2 矿内空气的湿度1 1、湿度的表示方式、湿度的表示方式矿内空气湿度矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量。是指矿内空气中所含水蒸汽量。绝对湿度绝对湿度指每指每1m1m3 3或或1kg1kg的湿空气中所含水蒸汽量的克数。的湿空气中所含水蒸汽量的克数。相对湿度相对湿度指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数。水蒸汽量之比的百分数。式中式中 ww空
45、气中所含水蒸汽量空气中所含水蒸汽量(即绝对湿度即绝对湿度)，g/m3g/m3；s s在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量，在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量，g/m g/m3 3 。空气。空气中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。中饱和水蒸汽量的大小取决于空气的温度。含湿量含湿量 在含有在含有1 kg1 kg干空气的湿空气中，所挟带的水蒸汽质量，称干空气的湿空气中，所挟带的水蒸汽质量，称为湿空气的含湿量（为湿空气的含湿量（d d）。）。1.3.2 矿内空气的湿度2 2、影响湿度的因素、影响湿度的因素(1)(1)地面湿度随季节变化较大，阴雨季节湿度较大，夏季地面湿度随季节变化较大，阴雨季节湿度较大，夏
46、季相对湿度较低，但气温较高，冬季相对湿度较大，但气温相对湿度较低，但气温较高，冬季相对湿度较大，但气温较低，绝对湿度并不太高。地面湿度除受季节影响外，还较低，绝对湿度并不太高。地面湿度除受季节影响外，还与地理位置有关，我国湿度分布，沿海地区较高与地理位置有关，我国湿度分布，沿海地区较高(平均为平均为707080%)80%)，向内陆逐渐降低，西北地区达最低值，向内陆逐渐降低，西北地区达最低值(平均为平均为303040%)40%)。(2)(2)当矿井涌水量较大或滴水较多，由于水珠易于蒸发，当矿井涌水量较大或滴水较多，由于水珠易于蒸发，则井下比较潮湿，一般金属矿山井下湿度在则井下比较潮湿，一般金属矿
47、山井下湿度在8090%8090%左右。左右。在盐矿，涌水较小，且盐类吸湿性较强，相对湿度一般为在盐矿，涌水较小，且盐类吸湿性较强，相对湿度一般为151525%25%。3 3、矿内空气湿度的变化规律、矿内空气湿度的变化规律 进风线路有可能出现进风线路有可能出现冬干冬干冬干冬干夏湿夏湿夏湿夏湿的现象。进风井巷有淋的现象。进风井巷有淋水的情况除外。在采掘工作水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一不变，湿度也长年不变，一般都接近般都接近100100，随着矿井，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的井内带
48、走数吨甚至上百吨的地下水。地下水。1.3 矿井气候1.3.3 风速1、井巷断面上的风速分布在矿井通风中，空气流速简称为风速。井巷中某点在水平方向的瞬时速度随时间的变化在某一平均值的上下波动。采用时均风速后，井巷中空气的流动一般可视为定常流(稳定流)。紊流中的速度分布 巷道断面等风速线分布 由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流层。其厚度随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布,井巷断面的平均风速v为：（1-3-8）式中 S为断面积，即为通过断面
49、S上的风量Q，则 1.3.3 风速2、风速对矿内气候的影响风速显著地影响者矿内对流散热。当风流温度低于矿内环境温度时，流速越大，散热量越多。当风流温度高于矿内环境温度时，矿井反而从风流中得到对流热，此时风速越大，矿内环境得到的对流热越多。1.3.4 矿内气候参数的测定1、温度和湿度的测定通常，是用干湿球温度计测算空气温度和湿度的。干球温度td可以直接通过干球温度计读出，反应空气的实际温度。湿球温度计的读数，实际上反映了湿纱布中水的温度。稳定条件下的读数才称之为湿球温度tw。图图1-3-4 1-3-4 干湿球温度计干湿球温度计 图图1-3-5 1-3-5 风扇湿度计风扇湿度计 测算空气湿度时，先
50、用仪表测出相对湿度，再算测算空气湿度时，先用仪表测出相对湿度，再算测算空气湿度时，先用仪表测出相对湿度，再算测算空气湿度时，先用仪表测出相对湿度，再算出绝对湿度。构造简单的常用仪表是风扇湿度计，出绝对湿度。构造简单的常用仪表是风扇湿度计，出绝对湿度。构造简单的常用仪表是风扇湿度计，出绝对湿度。构造简单的常用仪表是风扇湿度计，它是由干球温度计和湿球温度计组成，用自带的它是由干球温度计和湿球温度计组成，用自带的它是由干球温度计和湿球温度计组成，用自带的它是由干球温度计和湿球温度计组成，用自带的发条转动小风扇。发条转动小风扇。发条转动小风扇。发条转动小风扇。测量时，从两支温度计上分别读出空气的干温度