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1、第一章 矿井空气 矿井通风的主要任务就是把地面新鲜空气源源不断地送入井下，供给人员呼吸，排除各种有害气体和矿尘，创造一个良好的矿内气候条件，从而保障井下人员的身体健康和安全生产。所以，矿井空气的质量和数量是反映矿井通风效果的主要指标。本章重点阐述矿井空气的主要成分，井下常见的有害气体，空气成分和有害气体的安全标准及测定方法，矿井的气候条件，风速、风量测定等主要内容，为进一步学习矿井通风理论奠定基础。第一节 矿井空气成分地面空气又称为大气，是由多种气体组成的混合气体。大气中除了水蒸气的比例随地区和季节变化较大以外，其余化学组成成分相对稳定，尽管随时间、地点和海拔高度有所变化，但变化不大。一般将不
2、含水蒸气的空气称为干空气，它的组成成分和体积百分比分别为氧气（20.96%）、氮气(79%)和二氧化碳(0.04%).地面空气从井筒进入井下就成了矿井空气。由于受井下各种自然因素和人为生产因素的影响，与地面空气相比，矿井空气将发生一系列变化。主要有：氧气含量减少；有毒有害气体含量增加；粉尘浓度增大；空气的温度、湿度、压力等物理状态变化等。在矿井通风中，习惯上把进入采掘工作面等用风地点之前，空气成分或状态变化不大的风流叫做新鲜风流，简称新风，如进风井筒、水平进风大巷、采区进风上山等处；经过用风地点后，空气成分或状态变化较大的风流叫做污风风流，简称污风或乏风，如采掘工作面回风巷、矿井回风大巷、回风
3、井筒等处。尽管矿井中的空气成分有了一定的变化，但主要成分仍同地面一样，由氧气、氮气和二氧化碳等组成。一、矿井空气的主要成分及其基本性质（一） 氧气（O2）氧气是一种无色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为1.105。氧气是很活跃的化学元素，易使多种元素氧化，能助燃。 氧气是维持人体正常生理机能所不可缺少的气体。人类之所以能够在地球上生存，是因为人体内不断汲取食物和吸入氧气，通过氧化作用，进行细胞的新陈代谢作用而维持的。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，人在休息时的需氧量为0.20.4L/min；在工作时为13 L/min。空气中的氧气浓度直接
4、影响着人体健康和生命安全，当氧气浓度降低时，人体就会产生不良反应，严重者会缺氧窒息甚至死亡。人体缺氧症状与空气中氧气浓度的关系如表1-1所示。表1-1 人体缺氧症状与空气中氧气浓度的关系氧气浓度（体积）/%人体主要症状1715101269静止状态无影响，工作时会感到喘息、呼吸困难和强烈心跳呼吸及心跳急促，无力进行劳动失去知觉，昏迷，有生命危险短时间内失去知觉，呼吸停止，可能导致死亡地面空气进入井下后，氧气浓度要有所降低，氧气浓度降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩、坑木和其他有机物的缓慢氧化；爆破工作；井下火灾和瓦斯、煤尘爆炸；煤岩和生产中产生其他有害气体等。在正常通风的井巷和工作面中，氧气浓度与
5、地面相比一般变化不大，不会对人体造成太大影响。但在井下盲巷、通风不良的巷道中或发生火灾、爆炸事故后，应特别注意对氧气浓度的检查，以防发生窒息事故。（二） 氮气（N2）氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，相对密度为0.97，微溶于水，不助燃，无毒，不能供人呼吸。氮气在正常情况下对人体无害，但当空气中的氮气浓度增加时，会相应降低氧气浓度，人会因缺氧而窒息。在井下废弃旧巷或封闭的采空区中，有可能积存氮气。如1982年9月7日，我国某矿因矿井主要通风机停风，井下采空区的氮气大量涌出，致使采煤工作面支架安装人员缺氧窒息，造成多人伤亡事故。矿井中的氮气主要来源于：井下爆破；有机物的腐烂；天然生成的氮气从煤岩
6、中涌出等。（三） 二氧化碳（CO2）二氧化碳是无色、略带酸臭味的气体，相对密度为1.52，不助燃也不能供人呼吸，略带毒性，易溶于水。新鲜空气中含有的微量二氧化碳对人是无害的，但二氧化碳对人体的呼吸有刺激作用，所以在为中毒或窒息的人员输氧时，常常要在氧气中加入5%的二氧化碳，以促使患者加强呼吸。当空气中的二氧化碳浓度过高时，将使空气中的氧气含量相对降低，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也能造成人员中毒或窒息。空气中二氧化碳浓度对人体的危害程度如表1-2所示。表1-2 空气中二氧化碳浓度对人体的影响二氧化碳浓度（体积）/% 人体主要症状1351010202025呼吸加深，急促 呼吸急促，心跳加
7、快，头痛，很快疲劳呼吸困难，头痛，恶心，耳鸣头痛，头昏，呼吸困难，昏迷呼吸停顿，失去知觉，时间稍长会死亡短时间中毒死亡二氧化碳比空气重，常常积聚在煤矿井下的巷道底板、水仓、溜煤眼、下山尽头、盲巷、采空区及通风不良处。矿井中二氧化碳的主要来源有：煤和有机物的氧化；人员呼吸；井下爆破；井下火灾；瓦斯、煤尘爆炸等。有时也能从煤岩中大量涌出，甚至与煤或岩石一起突然喷出，给安全生产造成重大影响。如我国某矿，曾在1975年6月发生过一起二氧化碳和岩石突出事故，突出二氧化碳11000m3。二氧化碳窒息同缺氧窒息一样，都是造成矿井人员伤亡的重要原因之一。二、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准矿井空气的主要成分
8、中，由于氧气和二氧化碳对人员身体健康和安全生产影响很大，所以煤矿安全规程（以下简称规程）对其浓度标准做了明确规定。主要如下：采掘工作面进风流中，按体积计算，氧气浓度不低于20%；二氧化碳浓度不超过0.5%。矿井总回风巷或一翼回风巷风流中，二氧化碳超过0.75%时，必须立即查明原因，进行处理。采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中二氧化碳超过1.5%时，采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5%时，都必须停止工作，撤出人员，进行处理。三、矿井空气主要成分的检测方法矿井空气主要成分的检测方法可分为两大类：一是取样分析法，二是快速测定法。（一） 取样分析法利用取样瓶或吸气球等容器提取井下空气式样，送往地面
9、化验室进行分析。分析仪器多用气相色谱仪，它是一种通用型气体分析仪器，可完成多种气体的定性和定量分析。它的优点是分析精度高，定性准确，分析速度快，一次进样可以同时完成多种气体的分析；缺点是所需时间长，操作复杂，技术要求高。一般用于井下火区成分检测或需精确测定空气成分的场合。（二）快速测定法利用便携式仪器在井下就地检测，快速测定出主要气体成分。尽管它的测定精度不如取样分析法高，但基本能满足矿井的一般要求，是目前普遍采用的测定方法。1、氧气浓度的快速测定方法（1） 利用氧气检测仪检测检测井下氧气的便携式仪器种类较多，主要有AY1B型、JJY1型（可测O2、CH4两种气体）等。其中AY1B型是普遍使用
10、的氧气检测仪，用来检测采煤工作面、回风巷、采空区、瓦斯抽放管路及瓦斯、煤尘爆炸或火灾等事故灾区中的氧气浓度。仪器为本质安全型，具有功率小、结构简单、测量线性好等特点。AY1B型氧气检测仪采用的是电化学“隔膜式伽伐尼电池”原理。氧气传感元件（隔膜式伽伐尼电池）分别由铂、铅两种不同金属做阴极和阳极，碱性溶液做电解液，通过聚四氯乙烯薄膜将其封闭构成，如图1-1a所示。当氧气透过隔膜在电极上发生电化学反应时，在两个电极间将形成同氧气浓度成正比的电流值，通过测定电极间的电流值即可实现对氧气浓度的测定。图1-1b为AY1B型氧气检测仪的外部结构图。（a）（b）图1-1 AY1B型氧气检测仪（a）隔膜式伽伐
11、尼电池结构示意图 （b）AY1B型氧气检测仪的外部结构图1氧气浓度显示器；2仪器铭牌；3示值调准电位器旋钮；4氧气扩散孔；5提手；6密封盖；7开关（2）利用比长式氧气检测管检测这种方法与矿井中主要有害气体的检测基本相同（详见本章第二节）2、二氧化碳浓度的快速检测方法矿井空气中二氧化碳的测定主要使用光学瓦斯鉴定器，检查方法详见煤矿安全教材。也可利用比长式检测管法检测。第二节 矿井空气中的有害气体及其检测矿井空气中常见的有害气体除了前节提到的二氧化碳和氮气以外，主要还有一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、氨气（NH3）、氢气（H2）、甲烷（CH4）等。本节将
12、重点介绍其中的部分气体性质、危害、浓度标准和检测方法。一、矿井空气中的有害气体及其基本性质（一）一氧化碳（CO）一氧化碳是无色、无味、无臭的气体，相对密度0.97，微溶于水，能燃烧，当体积浓度达到13%75%时遇火源有爆炸性。一氧化碳有剧毒。人体血液中的血红素与一氧化碳的亲和力比它与氧气的亲和力大250300倍，因此，当人体吸入含有一氧化碳的空气时，一氧化碳首先与血红素相结合，阻碍了氧气的正常结合，从而造成人体血液缺氧引起窒息和中毒。一氧化碳的中毒程度与中毒浓度、中毒时间、呼吸频率和深度及人的体质有关。与中毒浓度和中毒时间的关系如表1-3所示。表1-3 一氧化碳的中毒程度与浓度的关系一氧化碳浓
13、度（体积）/%主 要 症 状0.016数小时后有头痛、心跳、耳鸣等轻微中毒症状0.0481h可引起轻微中毒症状0.1280.51h引起意识迟钝、丧失行动能力等严重中毒症状0.40短时间失去知觉、抽筋、假死。30min内即可死亡一氧化碳中毒除上述症状外，最显著的特征是中毒者粘膜和皮肤呈樱桃红色。矿井中一氧化碳的主要来源有：爆破工作；矿井火灾；瓦斯及煤尘爆炸等。据统计，在煤矿发生的瓦斯爆炸、煤尘爆炸及火灾事故中，约7075%的死亡人员都是因一氧化碳中毒所致。（二）硫化氢（H2S）硫化氢是无色、微甜、略带臭鸡蛋味的气体，相对密度为1.19，易溶于水，当浓度达4.3%46%时具有爆炸性。硫化氢有剧毒。
14、它不但能使人体血液缺氧中毒，同时对眼睛及呼吸道的粘膜具有强烈的刺激作用，能引起鼻炎、气管炎和肺水肿。当空气中浓度达到0.0001%时可嗅到臭味，但当浓度较高时（0.0050.01%），因嗅觉神经中毒麻痹，臭味“减弱”或“消失”，反而嗅不到。硫化氢的中毒程度与浓度的关系如表1-4所示。表1-4 硫化氢的中毒程度与浓度的关系硫化氢浓度（体积）/%主 要 症 状0.0001有强烈臭鸡蛋味0.01流唾液和清鼻涕、瞳孔放大、呼吸困难0.050.51h严重中毒，失去知觉、抽筋、瞳孔变大，甚至死亡0.1短时间内死亡矿井中硫化氢的主要来源有：坑木等有机物腐烂；含硫矿物的水化；从老空区和旧巷积水中放出。1971
15、年，我国某矿一上山掘进工作面曾发生一起老空区透水事故，人员撤出后，矿调度室主任和一名技术员去现场了解透水情况，被涌出的硫化氢熏倒致死。有些矿区的煤层中也有硫化氢涌出。（三）二氧化硫（SO2）二氧化硫是无色、有强烈硫磺气味及酸味的气体，当空气中二氧化硫浓度达到0.0005%时即可嗅到刺激气味。它易溶于水，相对密度为2.32，是井下有害气体中密度最大的，常常积聚在井下巷道的底部。二氧化硫有剧毒。空气中的二氧化硫遇水后生成硫酸，对眼睛有刺激作用，矿工们将其称之为“瞎眼气体”。此外，也能对呼吸道的粘膜产生强烈的刺激作用，引起喉炎和肺水肿。二氧化硫的中毒程度与浓度的关系如表1-5所示。表1-5 二氧化硫的中毒程度与浓度的关系二氧化硫浓度（体积）/%主 要 症 状0.0005嗅到刺激性气味0.002头痛、眼睛红肿、流泪、喉痛0.05引起急性支气管炎和肺水肿，短时间内有生命危险矿井中二氧化硫的主要来源有：含硫矿物的氧化与燃烧；在含硫矿物中爆破；从含硫煤体中涌出。（四）二氧化氮（NO2）二氧化氮是一种红褐色气体，有强烈的刺激性气味，相对密度1.59，易溶于水。二氧化氮是
