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1、矿井通风机械 Ventilation Mechanism 第一章矿井通风概述 第一节矿井空气成份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 最后排出矿井的全过程称为矿井通风 目的 主要任务 保证矿井空气的质量符合要求 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 其主要成分如下 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 气体成分按体积计 按质量计 备
2、注氧气 O2 20 9623 32惰性稀有气体氦 氮气 N2 79 076 71氖 氩 氪 二氧化碳 CO2 0 040 06氙等计在氮气中 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 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 min 休息6 150 2 0 4轻劳动20 250 6 1 0中度劳动30 401 2 2 6重
3、劳动40 601 8 2 4极重劳动40 802 5 3 1 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 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 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 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 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
4、炭自燃 瓦斯 煤尘爆炸等 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 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 灭火人为注氮 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 矿井
5、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 一氧化碳 CO 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 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
6、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 硫化氢 H2S 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 硫化氢相对密度为1 19 易溶于水 在常温 常压下一个体积的水可溶解2 5个体积的硫化氢 所以它可能积存于旧巷的积水中 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 0 005 0 01 1 2小时后出现眼及呼吸
7、道刺激 0 015 0 02 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 二氧化氮 NO2 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 0 01 出现严重中毒 主要来源 井下爆破工作 4 二氧化硫 SO2 二氧化硫无色 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
8、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 5 氨气 NH3 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 氨气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 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
9、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矿井空气中有害气体的最高容许浓度有害气体名称符号最高容许浓度 一氧化碳CO0 0024氧化氮 折算成二氧化氮 NO20 00025二氧化硫SO20 0005硫化氢H2S0 00066氨NH30 004 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新陈代谢是人类生命活动的基本过程之一 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 对流散热取决于周围空
10、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 人体热平衡关系式 qm qw qd qz qf qchqm 人体在新陈代谢中产热量 取决于人体活动量 qW 人体用于做功而消耗的热量 qm qw人体排出的多余热量 qd 人体对流散热量 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 可正 可负 qch 人体由热量转化而没有排出体外的能量 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 矿井气候条件的三要素是影响人体热平衡的主要因素 空气温度
11、 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 如有风的天气 凉衣服干得快 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 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 3 等效温度等效温度定义为湿
12、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 4 同感温度同感温度 也称有效温度 是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 5 卡他度卡他度是1916年由英国L 希尔等人提出的 卡他度用卡他计测定 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 Kd 41 868F tW 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 三 矿井气候条件的安全标准我国现行评价矿
13、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 第二节矿井空气流动的能量与压力能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念 压力可以理解为 单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能 一 风流的能量与压力1 静压能 静压 1 静压能与静压的概念空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动 这种由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能 J m3 在矿井通风中 压力的概念与物理学中的压强相同 即单位面积上受到的垂直作用力 静压Pa N m2也可称为是静压能 值相等 静压特点a 无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力
14、b 风流中任一点的静压各向同值 且垂直于作用面 c 风流静压的大小 可以用仪表测量 反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少 如说风流的压力为101332Pa 则指风流1m3具有101332J的静压能 压力的两种测算基准 表示方法 根据压力的测算基准不同 压力可分为 绝对压力和相对压力 A 绝对压力 以真空为测算零点 比较基准 而测得的压力称之为绝对压力 用P表示 B 相对压力 以当时当地同标高的大气压力为测算基准 零点 测得的压力称之为相对压力 即通常所说的表压力 用h表示 风流的绝对压力 P 相对压力 h 和与其对应的大气压 P0 三者之间的关系如下式所示 h P P0 Pi与
15、hi比较 I 绝对静压总是为正 而相对静压有正负之分 II 同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化 而相对静压与高度无关 III Pi可能大于 等于或小于与该点同标高的大气压 P0i 2 重力位能 1 重力位能的概念物体在地球重力场中因地球引力的作用 由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能 简称位能 用EPO表示 如果把质量为M kg 的物体从某一基准面提高Z m 就要对物体克服重力作功M g Z J 物体因而获得同样数量 M g Z 的重力位能 即 EPO M g Z重力位能是一种潜在的能量 它只有通过计算得其大小 而且是一个相对值 实际工作中一般计算位能差 位能计算重力位能的计算
16、应有一个参照基准面 Ep012 igdzi如下图1 两断面之间的位能差 3 位能与静压的关系当空气静止时 v 0 由空气静力学可知 各断面的机械能相等 设以2 2断面为基准面 1 1断面的总机械能E1 EPO1 P12 2断面的总机械能E2 EPO2 P2由E1 E2得 EPO1 P1 EPO2 P2由于EPO2 0 2 2断面为基准面 EPO1 12 g Z12 所以 P2 EPO1 P1 12 g Z12 P1说明 位能与静压能之间可以互相转化 II 在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能 4 位能的特点a 位能是相对某一基准面而具有的能量 它随所选基准面的变化而变化 但位能差为定值 b 位能是一种潜在的能量 它在本处对外无力的效应 即不呈现压力 故不能象静压那样用仪表进行直接测量 c 位能和静压可以相互转化 在进行能量转化时遵循能量守恒定律 3 动能 动压 1 动能与动压的概念当空气流动时 除了位能和静压能外 还有空气定向运动的动能 用Ev表示 J m3 其动能所转化显现的压力叫动压或称速压 用符号hv表示 单位Pa 2 动压的计算单位体积空气所具有的动能为 Evi i V
