1第一章矿井空气

第一章矿井空气2课堂讲述与讨论（55～65min）人类千年来在地球表面的大气条件下生活，大气有比较稳定的化学成分、温度、气压和湿度。人体已习惯并适应这样的大气条件，当这些条件发生剧烈改变时，人体就有不舒服的感觉，其工作能力就会减弱，甚至生病、死亡。因此，为保证矿井采掘活动的正常进行，就要求与地面相近似的大气条件，矿井通风就是为此服务的，是保证矿井空气的质量符合要求。矿井通风定义：利用机械自然通风为动力，使地面空气进入井下，并在井巷中做定向和定量流动，最后将污浊空气排出矿井的全过程就是矿井通风。第一节矿井空气地面空气进入矿井以后即为矿井空气。矿井空气进入矿井后，当成分变化不大时，称为新鲜空气，简称新风，当变化较大时，例如：氧含量减少，有害气体或粉尘等混入达到一定程度时，称为污浊空气，又称为乏风。由于井下各种自然因素的影响，乏风在成分与质量上都有着不同程度的差别。一、地面空气地面空气=干空气+水蒸气，正常称为湿空气。干空气是指完全不含水蒸气的空气，由氧、氮、CO2、氩、和其他一些微量所组成的混合气体。干空气的组成成分比较稳定，其主要成分如下表所示。地表大气组成成分气体成分按体积计/%按质量计/%备注氧气（O2）20.9623.23惰性稀有气体氦、氖、氩、氪、氙等计入氮气中氮气（N2）79.0076.71二氧化碳（CO2）0.040.06湿空气中仅含有少量的水蒸气，但其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态发生变化。二、矿井空气的主要成分及基本性质地面空气进入矿井以后，由于受污染，其成分和性质发生一系列变化，如氧浓度降低二氧化碳浓度增加，混入各种有毒有害气体和矿尘；空气状态参数（温度、湿度压力等）发生改变等。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到内的空气，称为新鲜空气；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊空气。尽管矿井空气与地面空气相比，在性质上存在许多差异，但在新鲜空气中其主要成分仍然的氧、氮和二氧化碳。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。一般情况下，人体需氧量与劳动强度的关系如下表。人体需氧量与劳动强度的关系劳动强度呼吸空气量氧气消耗量/L·min-1休息6～150.2～0.4轻劳动20～250.6～1.0中度劳动30～401.2～1.6重劳动40～601.8～2.4极重劳动40～802.5～3.0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。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系如下表所示。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系氧浓度/%主要症状17静止时无影响，工作时能产生喘息和呼吸困难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，如不及时抢救几分钟内可能导致死亡造成矿井空气中氧浓度降低的主要原因有：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。此外，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。所以，在井下通风不良的地点，空气中的氧浓度可能显著降低，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。缺氧窒息是造成矿井人员的伤亡的原因之一。我国《规程》规定井下每人配风量不少于4m3/min。2.二氧化碳（CO2）二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比空气重（与空气的相对密度为1.52），在风速较小巷道中，底板浓度较大；在风速较大的巷道中，一般能与空气较好的混合。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体的无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有刺激作用，如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体正常呼吸功能就不能维持。所以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，但当空气中的二氧化碳浓度过高时，也将十空气的氧浓度相对降低，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。空气中二氧化碳对人体的危害程度与浓度的关系如下表。二氧化碳中毒症状与浓度的关系二氧化碳浓度（体积）/%主要症状1呼吸加深，但对工作效率无明显影响3呼吸急促，心跳加快，头痛，人体很快疲劳5呼吸困难，头痛，恶心呕吐，耳鸣6严重喘息，极度虚弱无力7～9动作不协调，大约十分钟可发生昏迷9～11几分钟内可导致死亡主要来源：○1人员呼吸，○2煤和有机物氧化，○3磷酸岩石分解，○4炸药爆破，○5煤炭自燃，○6瓦斯、煤尘爆炸等，○7煤层岩层中分解产生二氧化碳。3.氮气（N2）氮气是一种惰性气体也是新鲜空气中的主要成分，本身无毒，不助燃，也不供呼吸。但氮气浓度升高会造成氧浓度相对降低，从而导致人员窒息性伤害。但氮气是惰性气体，可用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。氮气主要来源：○1井下爆破和生物的腐烂，○2煤岩层的氮气涌出。三、矿井空气中主要成分的质量标准（浓度）《规程》规定：采掘工作面进风流中氧气浓度不得低于20%，二氧化碳浓度不得超过0.5%；总回风流中二氧化碳不得超过0.75%，（若超过需要查明原因）；但采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5%时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。国外规定，国际劳工局规定进风流中氧气浓度＞20%。俄罗斯、德国工作地点氧气浓度＞20%。美国、日本规定行人巷道中氧气浓度＞19%第二节矿井空气中有害气体矿井空气中常见的有害气体：CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2等一、矿井空气中常见有害气体的基本性质1、CO是一种无色、无味、无臭的气体，相对密度为0.97。微溶于水，能与空气均匀混合，CO能燃烧，当空气中CO浓度在13%～75%时有爆炸危险。CO能与人体血液血红素的亲和能力比氧大250～300倍，血红素是人体血液中携带氧气和排出CO2的细胞。CO进入人体使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。医学上又称为CO为血液窒息性气体。CO与血红素结合后，生成鲜红色的碳氧血红素，故CO中毒最显著的症状就是中毒者黏膜和皮肤均呈樱桃红色。CO中毒症状与浓度的关系CO浓度（体积）/%主要症状0.022～3小时可能引起轻微头痛0.0481小时内出现轻微的中毒症状0.0840分钟内出现头痛，眩晕和恶心。2小时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的来源：○1井下爆破，○2矿井火灾，○3煤炭自燃以及煤尘、瓦斯爆炸事故等。2.硫化氢（HS2）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，HS2相对密度为1.19，易溶于水，在常温常压下，一个体积的水可溶解2.5个体积的HS2，矿井中可能积存与旧巷的积水中。HS2能燃烧，空气中HS2浓度为4.3%～45.5%时有爆炸危险。HS2剧毒，有强烈的刺激作用，能引起鼻炎，气管炎和肺水肿，能阻碍生物的氧化过程，使人体缺氧。当空气中HS2浓度较低时，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。腐蚀作用往往不明显，HS2中毒症状与浓度的关系如下表所示。HS2浓度（体积）/%主要症状0.0025～0.003有强烈臭味0.005～0.0112小时内出现眼及呼吸道刺激症状，臭味“减弱”或“消失”0.015～0.02出现恶心，呕吐，头晕，四肢无力，反应迟钝。眼及呼吸道有强烈刺激症状0.035～0.0450.5～1小时内出现严重中毒，可发生肺炎，支气管炎及肺水肿，有死亡危险0.06～0.07很快昏迷，短时间内死亡HS2主要来源：○1有机物腐烂；○2含硫矿物水解；○3矿物氧化和燃烧；○4从老空区和旧巷积水中释放出；○5部分地区煤层中有HS2涌出。3.NO2NO2是一种褐红色的气体。有强烈的刺激气体。相对密度为1.59，易溶于水。二氧化氮镕于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道粘膜和肺部组织百强烈的刺激及腐蚀作用，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明显感觉，还可坚持工作。但经过6—24小时后发作，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。NO2中毒症状与浓度的关系如表7所示。NO2中毒症状与浓度的关系NO2浓度（体积）/%主要症状0.0042～4小时内出现咳嗽症状0.006短时间内感到喉咙刺激，咳嗽，胸痛0.01短时间内出现严重中毒症状，神经麻痹，严重咳嗽，恶心，呕吐0.025短时间内可能出现死亡主要来源：井下爆破工作。4.SO2无色、有强烈的刺激的硫磺气味及酸味，当空气中SO2浓度打道0.0005%既可嗅到。其相对密度为2.22，在风速较小时，易积聚于巷道的底部。遇水后生成硫酸，对眼睛和呼吸系统黏膜有强烈的刺激作用。可引起喉炎和肺水肿。当空气中浓度达到0.002%时眼和呼吸器官有强烈的刺激作用；浓度达到0.05%时，短时间内既有生命危险。SO2主要来源：○1含硫矿物的氧化与自燃；○2在含硫矿物中爆破；○3从含硫矿物中涌出。5.NH3NH3是一种无色、有浓烈臭味的气体，比重为0.596，易溶于水，空气中浓度达30%时有爆炸危险。皮肤和呼吸道黏膜有刺激作用。可引起喉头水肿。NH3来源：○1爆破工作；○2用水灭火；○3部分岩层中也有氨气涌出。6.H2氢气无色、无味、无毒，相对密度为0.07。氢气能自燃，其点燃温度比甲烷低100～200℃，当空气中氢气浓度为4%～74%时有爆炸危险。来源：○1井下蓄电池充电时可放出H2；○2有些中等变质煤层中也有H2涌出。主要有害气体中：CO、H2S、、H2等有爆炸危险性。二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准安全浓度标准如表8所示表8矿井空气有害气体的最高允许浓度有害气体符号最高允许浓度COCO0.0024氧化氮（换算成NO2）NO20.00025SO2SO20.0005H2SH2S0.00066NH3NH30.004H2H20.5第三节矿井气候矿井气候是指矿井空气的温度、湿度和流速这三个参数的综合作用状态。对井下作业人员的身体健康和劳动安全有重要的影响。一、矿井气候对人体热平衡的影响人体新陈代谢获得能量；部分用来维持人体自身的生理机能活动以及满足对外做功的需要，其余部分必须通过散热的方式排出体外，才能保持人体正常的生理功能。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进行的。对流散热主要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与周围物体的表面；蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度和流速。在正常情况下，人体依靠自身的调节机能，使产热量和散热量之间保持着平衡，体温维持在36.5—37℃之间。人体的这种热平衡关系可表示如下：mwdzfchq-q=q+q+q+qmq——人体在新陈代谢过程中的产热量，取决于人体活动量的大小;wq——人体用于做功而消院的热量，gD—gl为必须从体内排出的多余热量，它因人体的活动强度不同而异，dq——人体对流散热量。当空气温度低于人体表面温度时，o为正，反之为负；zq——汗液蒸发和呼出水蒸气所带出的热量；fq——人体与周围物体表面问的辐射换热量tgl可能为正，也可能为负；chq——由热量转化而来没有排出体外的能量。当chq=0时，人体保持热平衡而舒适。当chq＜0时，人体体温降低，导致死亡和疾病。当chq＞0时，人体体温升高，导致死亡和疾病。空气温度对人体对流散热起主要作用。当气温低于体温时，对流和辐射是人体的主要散热方式，温差越大，对流散热量越多，当气温等于体温时，对流散热完全停止，蒸发成了人体的主要散热方式。当气温高于体温时，对流传递给人热量，蒸发几乎成为人体惟一的散热方式。相对湿度影响人体蒸发散热的效果。随气温的升高，蒸发散热的作用越来越强．若相对湿度较大，汗液就难于蒸发，不能起到蒸发散热的作用，人体就会感到闷热。风速影响人体的对流散热和蒸发散