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/mi

n ） 休 息 6-15 0.2 － 0.4

轻 劳 动 20-25 0.6-1.0

中度劳动 30-40 1.2-2.6

重 劳 动 40-60 1.8-2.4

极重劳动 40-80 2.5-3.1

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

0.02 2 ～ 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

0.004 2 ～ 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 CO 0.0024

氧化氮（折算成二氧化氮） NO2 0.00025

二氧化硫 SO2 0.0005

硫化氢 H2S 0.00066

氨 NH3 0.004

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 qch>0，人体温度降低， qch<0 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 1 m3 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，

压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于 0, 在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。

第三节 矿井气候 4 .同感温度

也称有效温度， 1923年由美国采暖工程师协会提出的。这个指标是通过实验，凭受试者对环境的感觉而得出的同感温度计算图。 t、 V、Φ，记下感受， V=0、Φ=100% ，调节 T‘，感受相同； 它反应 t、 V、 Φ对人体影响， T 越高，人舒适越差； t=25℃， t’=23 ℃, V=1.5m/s; T‘=18℃

第三节 矿井气候 5.卡他度卡他度分为：干卡他度、湿卡他度 干卡他度：反映了气温和风速对气候条件的影响，但没有反映空气湿度的影响。为了测出温度、湿度和风速三者的综合作用效果，

K d=41.868F/t W/m2 湿卡他度（ Kw）：是在卡他计贮液球上包裹上一层湿纱布时测得的卡他度，其实测和计算方法完全与干卡他度相同。

第三节 矿井气候 三、矿井气候条件的安全标准 我国现行评价矿井气候条件的指标是干球温度。 1982年国务院颁布的《矿山安全条例》第 53条规定，矿井空气最高容许干球温度为 28℃。

2006 年《规程》 102 条规定：进风井口以下的空气温度 (干 )必须在 2℃以上。生产采掘工作面空气温度不得超过 26℃，超过 30℃时，必须停止作业；

机电设备峒室空气温度不得超过 30℃，超过 34℃ 必须停止作业。

第三节 矿井气候 国外： 俄罗斯：同感温度≤ 26℃， Φ<90% ； ≤ 25℃， Φ>90% ； 德国：同感温度≤ 25℃， 允许值； 25<te≤29℃，限作业 6小时 美国：同感温度 ≤ 32℃， 允许值； te>32℃，禁止作业；

本章习题

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谢谢本章内容结束