矿井通风与安全管理

矿井通风与安全管理华北科技学院安全工程学院倪文耀教授134836012982011春季秦皇岛安全培训第一章矿井空气利用机械或自然通风动力，使地面空气进入井下，并在井巷中作定向和定量地流动，克服通风阻力，最后排出矿井的全过程称为矿井通风。矿井通风的4大任务：1、保证作业人员有足够的空气呼吸；2、排除矿井有害气体和矿尘，使矿井空气的质量符合要求；3、在井下创造良好的气候条件；4、为矿井抗灾和救灾提供支持。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。湿空气中含有水蒸气，其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。干空气是指完全不含有水蒸汽的空气。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——回风、乏风。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)人体需氧量与劳动强度的关系。4m3/min/人。O218，静止时无影响，工作时呼吸困难。井下空气中的氧浓度比地面稍低，但人体还是安全的。矿井空气中氧浓度降低的主要原因有：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。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，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。矿井空气中二氧化碳的主要来源是：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。我国少数矿井为高碳酸矿井。3．氮气(N2)惰性气体，空气中的主要成分，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。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。我国少数矿井有高氮缺氧情况。三、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准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、基本性质１、一氧化碳（CO）无色、无味、无臭的气体。微溶于水，能与空气均匀地混合。一定条件能燃烧、有爆炸的危险。主要危害：轻者引起头痛眩晕和恶心，重者引起头痛、眩晕昏迷或死亡。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。CO对灭火人员身体状况的影响２、硫化氢（H2S）无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味的剧毒性气体。一定条件下能燃烧或爆炸。主要危害：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。３、二氧化氮（NO2）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：剧毒性气体，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。主要来源：井下爆破工作。4.二氧化硫(SO2)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，易溶于水。主要危害：剧毒性气体，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。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。5.氨气(NH3)无色、有浓烈臭味的气体，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，可引起喉头水肿。主要来源：爆破工作，注凝胶、水灭火等；部分岩层中也有氨气涌出。6.氢气(H2)无色、无味、无毒，相对密度为0.07。能自燃或爆炸。主要危害：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。二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准《煤矿安全规程》对常见有害气体的安全标准做了明确的规定。第三节矿井气候矿井气候：矿井空气的温度、湿度和流速三个参数的综合作用。这三个参数也称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：影响人体的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。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：在一定程度上直接反映出矿井气候条件的好坏。指标比较简单，使用方便。但这个指标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。•《煤矿安全规程》对有关地点的温度规定是按干温度考核的。•进风井口以下的空气温度必须在2℃以上。•生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。•采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。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。但这个指标仍没有反映风速对人体热平衡的影响。第二章矿井通风能量方程及应用当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，以克服通风阻力。一、空气流动连续性方程在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空间。在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出的流体质量。如图井巷中风流从1断面流向2断面，作定常流动时，有：Mi=constρ１V1S1＝ρ２V２S２ρ１、ρ2－－1、2断面上空气的平均密度，kV1,，V2－－1、2断面上空气的平均流速，S1、S2－－1、２断面面积。１２两种特例：（I）若S1＝S2，则ρ１V1＝ρ２V２；（II）若ρ１＝ρ２，则V1S1＝V２S２。对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即Q=viSi=const二、通风能量方程将矿井空气近似看做不可压缩流体后，单位体积流体的能量方程可近似的写成：或三、关于能量方程使用的几点说明1.能量方程的意义2.风流流动必须是稳定流3.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。4.正确选择求位能时的基准面。5、在使用能量方程的始、末面（点）之间有外加能量（压源）时的情况６.应用能量方程时要注意各项单位的一致性例解：假设风流方向12，列能量方程：=（101324.7－101858）＋0＋100×9.81×1.2=643.9J/m3。由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，12。m122122212121R12g2v2vPPhZZZ1-Z221四、能量方程在矿井通风中的应用1、水平风道的通风能量（压力）坡度线意义：掌握压力沿程变化情况；有利于通风管理。如图所示的通风机－水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。012345678910P0压力Pa流程扩散器HthR12hR78例如图2-4-4所示的同采工作面简化系统，风流从进风上山经绕道1分为二路；一路流经1－２－３－４(2－３为工作面Ⅰ)；另一路流经１－５－６－４（５－６为工作面Ⅱ）。两路风流在回风巷汇合后进入回风上山。如果某一工作面或其采空区出现有害气体是否会影响另一工作面？123456ⅠⅡ0123456ⅠⅡ压力流程第三章井巷通风阻力通风阻力产生的原因：风流的粘滞性和惯性、井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。一、风流流态分为层流(或滞流)和紊流(或湍流)。具体用雷诺数来判别其流态。根据雷诺数－Re判别流态。式中：平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re=2300作为管道流动流态的判定准数，即：Re≤2300层流，Re＞2300紊流当量直径对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：USde4UvSRe4二、摩擦阻力风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。三、摩擦阻力系数、摩擦风阻与摩擦阻力的关系1．摩擦阻力系数α——简称阻力系数矿井中大多数通风井巷风流为紊流状态，已进入阻力平方区，λ可视为定值；令：α称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或N.s2/m4。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：823QSLUhf标准摩擦阻力系数α0：在标准状态（ρ0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值记为α0，当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正：2.102．摩擦风阻Rf——简称风阻对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的α、L、U、S归结为一个参数Rf：：Rf称为巷道的摩擦风阻，其国际单位为：kg/m7或N.s2/m8。工程单位：kgf.s2/m8，或写成：kμ。1N.s2/m8=9.8-1kμ=102μ3、摩擦阻力计算紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：此式也称摩擦阻力定律。2QRhff四、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：查表得α0αRfhf生产矿井：hfRfαα0五、局部阻力1、局部阻力的概念由于局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。2、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示：22vhl222QShl几种常见的局部阻力产生的类型：１）突变２）渐变３）转弯处４）分岔与会合六矿井总风阻与矿井等积孔1、井巷阻力特性在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比。即h＝RQ2，其图形为抛物线。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。风阻R越大，曲线越陡。０QhR2、矿井总风阻从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井通风总阻力hRm，这就是井巷通风阻力的叠加。已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻：Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。Rm越大，矿井通风越困难；3、矿井等积孔我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。假定在一个孔口通过的风量等于矿井风量，且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积A称为该矿井的等积孔。AIIIP2,v2P2,v2可推导出：因Rm=hＲm／Ｑ2，故有由此可见，A是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。当A＞２，容易；A＝１~2，中等；A＜１困难。RmhQA19.1mRA19.1说明：1、对于多风机工作的矿井，应根据各主要通风机工作系统的通风阻力和风量，分别计算各主要通风机所担负系统的等积孔，进行分析评价。2、多风机工作的矿井的等效等积孔计算公式：iiiiiiiQhQQQhQhQA2/3/19.119.1）（总总七降低矿井通风阻力措施1、降低井巷摩擦阻力措施1．减小摩擦阻力系数α。2．保证有足够大的井巷断面。3．选用周长较小的井巷。4．减少巷道长度。5．避免巷道内风量过于集中（早分开，晚汇合）。2、降低局部阻力措施第四章矿井通风动力第一节自然风压一、自然风压及其形成和计算1、自然通风由自然因素作用而形成的通风叫自然通风。分析如图在冬季和夏季巷道中空气密度的变化给风流稳定性带来的影响.自然风压：作用在最低水平两侧空气柱重力差012345dzρ1dzρ2z2、自然风压的计算根据自然风压定义，上图所示系统的自然风压HN可用下式计算：简化计算采用注意：1