矿井通风与安全

2020/7/14166矿井通风与安全精品课课件2020/7/14安全与环境工程系167目录教学模块Ⅰ矿井空气及调节教学模块Ⅱ通风阻力及动力教学模块Ⅲ通风网络图及风量分配教学模块Ⅳ矿井通风系统及设计教学模块Ⅴ采区通风系统教学模块Ⅵ掘进通风系统教学模块Ⅶ煤矿灾害及防治2020/7/14安全与环境工程系168教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1矿井空气成分、性质和变化规律1.1.1矿井空气的成分矿井空气的主要来源是地面空气，但地面空气进入井下以后会发生物理和化学两种变化，变化，因而矿井空气在成分、质量和数量都和地面空气有着程度不同的区别。1.1.1.1地面空气成分的种类和数量地面空气是干空气和水蒸气组成的混合气体，通常称为湿空气。在正常情况下，干空气由氧、氮及二氧化碳等成分组成，而且这些成分的数量基本不变．干空气成分的数量用体积浓度或质量浓度来表示，前者为某种气体的体积在干空气的总体积中所占的百分数，后者为某种气体的质量在干空气的总质量中所占的百分数。在混合气体中，水蒸气的浓度随地区和季节而变化，其平均的体积浓度约为1%；此外还含有尘埃和烟雾等杂质，有时能污染局部地区的地面空气。2020/7/14安全与环境工程系169教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.1.2矿井空气的主要成分及生成上面提到，地面空气进入井下后，因发生物理和化学两种变化，使其成分种类增多，各种成分的浓度也发生改变。1.矿井空气的主要成分就煤矿而官，井下空气的成分种类共有O2、CH4、CO2、CO、H2S、SO2、N2、N02、H2、NH3、水蒸气和浮尘十二种。由于各矿的具体条件不同，各矿的井下空气成分种类和浓度都有一定的差异。在上述成分中，氧是井下人员呼吸所必需的，必须保持足够的浓度，其余九种(水蒸气除外)气体和浮尘，超过一定浓度时，对人体都是有害的，必须把它们的浓度降低到没有危害的程度．在这九种气体中CO、H2S、SO2和N02超过一定浓度时，还能使人体中毒。故称这九种气体为有害有毒气体，又名为广义的矿井瓦斯，而狭义的矿井瓦斯则专指CH4。CH4是煤矿井下昔遍存在的气体，在一定浓度范围内，具有爆炸性。所以，CH4是煤矿井下最危险的气体。煤矿井下经常出现且数量较多的气体是CH4和CO2，它们是计算矿井所需风量的主要根据。2020/7/14安全与环境工程系170教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.1.3井下空气成分的基本性质1.氧(O2)氧是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体，比重为1.105，是人呼吸所必须的物质，故须供给井下足够的风量，以保证井下空气中有足够的氧量．因为氧是很活跃的元素，易使其它物质氧化,并能助燃，产生CO2和CO，故应阻止空气进入采空区和火区，以防止氧对煤炭氧化而自燃。氧对人体的影响：人们吸入空气中的氧，供体内食物氧化，产生新细胞，以维持生命，并全部或部分变成CO2而呼出。人的耗氧量大小随劳动强度及体质强弱而异。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，若空气中氧的体积浓度降低到15％，就会使人呼吸急促,脉膊加快，灯焰熄灭，降到10%，就可能使人休克，严重时可能导致缺氧死亡。2020/7/14安全与环境工程系171教学模块Ⅰ矿井空气及调节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。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的。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，则人体的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。3．氮气(N2)氮气是一种惰性气体，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。矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。2020/7/14安全与环境工程系172教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.2矿井空气主要物理参量气体的分子具有体积和相互吸引力，但在分析气体的一般问题时，这两个因素的影响很小。为了便于分析和计算，一般可把多种气体看成是没有这两个因素的理想气体，因此，井下空气也可视为理想气体。气体的分子作永不停息的不规则运动，这种运动产生热能，故气体分子运动是热运动，气体的物理参量较多，其中比容、压力、温度是三个基本参量。1.1.2.1空气的密度、比容及温度1.空气的密度空气和其他物质一样具有质量。单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。空气可以看作是均质流体，故：式中—空气的密度，kg/m3；M—空气的质量，kg；Ｖ—空气的体积，m3。2020/7/14安全与环境工程系173教学模块Ⅰ矿井空气及调节2.空气的比容质量为M(kg)的空气占有的空间(或容积)为Ｖ(m3)，则空气的比容(又名容积度)就是容积Ｖ和质量M之比。或者说是单位质量空气所占有的体积。也就是空气的密度倒数。故空气的比容和密度是两个相互依存的参量,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变化。在不同的矿井其变化规律是不同的。在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变化，而在什么条件下又是不可忽略的。3.空气的温度温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。热力学绝对温标的单位为K(Kelvin)，用符号Ｔ表示。国际单位制还规定摄氏(Celsius)温标为实用温标，用t表示，单位为摄氏度，代号为℃。摄氏温标的每1℃与热力学温标的每1K完全相同，温度是矿井表征气候条件的主要参数之一。2020/7/14安全与环境工程系174教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.2.2空气的压力空气的压力也称为空气的静压（绝对静压），用符号Ｐ表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。其大小取决于在重力场中的位置(相对高度)、空气、温度、湿度(相对湿度)和气体成分等参数。空气的压力是单位容积中空气分子热运动的总动能的2／3所产生的能对外做功的机械能。因此，空气压力的压力的大小可以用仪表测定。1.1.2.3空气的粘性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)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。另外，在矿井通风中还常用运动粘度系数，和气体密度有关，即和压力有关，这两个系数有如下的关系（表１-２-１为几种有关流体的粘度）：＝μ/，m２/s(1—2—4)2020/7/14安全与环境工程系175教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.3矿井气候矿井气候是指矿井空气的温度、湿度、风速和辐射这四个参数的综合作用状态。这四个参数的不同组合，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。1.1.3.1人体的热平衡人要维持正常生理机能并进行各种劳动，就必须摄取空气、水和食物。这些物质进入人体经过消化、分解，产生能量(热量第三节矿井气候)。人的整个机体都参加产热过程，其中以肌肉活动产热量最多。当人进行体力劳动时，肌肉产热量增至正常量(在安静状态下的产热量)的十余倍，可达2500—3140kJ／h。人体产生的热量一部分用于身体各器官的正常生理机能活动，另一部分用来供肌肉作功，剩余的则通过辐射，对流传导、汗液蒸发等途径与周围环境进行热交换，散发到体外。人体代谢产热过程是体内生物化学过程，而散热过程则是物理过程。在正常情况下，人体依靠自身的调节机能，使产热和散热保持动平衡。2020/7/14安全与环境工程系176教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.3.2矿井气候对人体热平衡的影响矿井气候是由空气温度、湿度，风速和辐射四要素组成的，它们都影响着人体热平衡，且各要素之间的影响在很大程度上可以互换。例如，环境相对湿度增高对人体所造成的影响可以被风速的增加所抵消。1．温度在矿井气候的四个要素中，气温对人体热调节起着主要作用。当气温较低时辐射和对流传导散热是人体主要散热方式，当气温逐渐升高后，人体汗腺活动越来越显著，汗液蒸发散热就逐渐成为主要散热方式。．２.湿度空气相对湿度对人体热平衡和温热感有着重要作用，特别是．在气温高的条件下，作用就更为明显。因高温时，人体主要依靠汗液蒸发散热才能保持热平衡，此时相对湿度大，将妨碍汗液蒸发，使汗液成滴状珠淌下这种情况下汗液携带走的热量甚少，不能起到蒸发散热的作用，因为汗液只有在蒸发的过程中吸收汽化潜热才能带走较多的热量。3．风速风速显著地影响着人体对流散热。当空气温度低于体温时，流速越大，散热量愈多。2020/7/14安全与环境工程系177教学模块Ⅰ矿井空气及调节1.1.3.3衡量矿井气候条件的指标国内外衡量矿井气候条件的指标很多，现择其主要的加以阐述。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。一般来说，由于矿井空气的相对湿度变化不大，所以干球温度能在一定程度上直接反映出矿井气候条件的好坏。而且这个指标比较简单，使用方便，用干球温度计进行测量。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，因而存在较大的局限性。2．湿球温度在相同的气温(干球温度)下，若湿球温度较低，则相对湿度较小；反之，若湿球温度与气温相接近，则相对湿度较大。因此用湿球温度这个指标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，用湿球温度计进行测量。3．同感温度同感温度(也称等效温度或有效温度)是由美国采暖工程师协会（ASHVE）提出的。这个指标是通过实验，根据人在空气温度、湿度、风速三个指标不相同的各种环境是的舒适感觉和湿度已饱和、速度为零、温度不相同的各种环境中的舒适感觉，进行统计和比较，并以湿度已饱和、风速为零、舒适感觉相同的环境空气温度作为指标，用来评价温度、湿度和风速不相同的各种环境对人的舒适感觉。2020/7/14安全与环境工程系178教学模块Ⅰ矿井空气及调节４.卡他度卡他度用卡他计测定。卡他计是一种酒精温度计，如图1-3-2所示。卡他计下端有个比普通温度计大的贮液球，上端有一个小空腔，玻璃管上只有35℃和38℃两个刻度，这两个温度的平均值恰好等于人体的正常体温(36.5℃)。测定时，先把贮液球置于热水中加热，当酒精柱上升至小空腔的一半时取出，擦干贮液球表面水分，然后将其悬挂于待测空气中，此时由于液球散热，酒精柱开始下降，用秒表记下从38℃降到35℃所需时间τ，即可用下式求得干卡他度Kd。(1-3-2)式中F—卡他常数，每只卡他计玻璃管上都标有F值。2020/7/14安全与环境工程系179教学模块Ⅰ矿井空气及调节图1-1-1同感温度计算图及卡他计2020/7/14安全与环境工程系180教学模块Ⅰ矿井空气及调节温度、湿度和风速三者的综合作用效果，需要采用湿卡他度Kw。湿卡他度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。作为一个评价矿井气候条件的指标，卡他度比用一个单一的温度指标要好一些。但与人体相比，它的尺寸太小，其散热效果和人体有很大的差别，在使用上有一定的局限性。1.1.3.4评价矿井气候条件的综合指标目前，世界各国关于矿井气候条件的安全标准差别很大。现将我国及其他一些国家规定标准简介如下：1．我国现行的矿井气候条件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，采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电峒室的空气温度不得超过30℃。2．国外一些国家的矿井气候条件安全标准世界主要产煤国家对矿井气候条件的评价指标并不统一。主要采用的指标有干球温度、湿球温度、同感