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1kg炸药爆破能产生的有毒气体相当于10~20L的二氧化氮。

2．柴油机工作时产生的废气柴油机的废气成分很复杂，它是柴油在高温高压下燃烧时所产生的各种有毒有害气体的混合体。

一般情况下有氮氧化物，含氧碳氢化合物、低碳氧化合物、油烟等，但其中的主要成分为氧化氮，一氧化碳，醛类和油烟等，柴油机排放的废气量由于受各种因素的影响，变化较大，往往会恶化井下空气。

3．硫化矿物的氧化在开采高硫矿床时，由于硫化矿物缓慢氧化除产生大量的热外，还会产生二氧化硫和硫化氢气体

在含硫矿岩中进行爆破工作，或硫化矿尘爆炸以及坑木腐烂和硫化矿物水解，都会产生硫化气体。

4．井下火灾当井下失火引起坑木、油料、电缆等燃烧时，会产生大量一氧化碳，可知人中毒死亡。

在煤矿中瓦斯和煤尘爆炸产生的大量一氧化碳，是造成重大死亡事故的主要原因。

（二）氧气浓度降低，主要原因是：

1．有害气体的析出会冲淡氧气的浓度。

2．井下物质氧化、人员呼吸等消耗氧气。

3．井下火灾、爆炸等灾害会消耗大量氧气。

（三）矿井空气的温度、湿度等状态参数发生了变化。

由于井巷围岩散热、氧化、人员、机电设备散热及水分蒸发等原因，会使井下空气温度升高，湿度增加，空气的其它状态参数也会发生相应变化。

地面空气进入矿井以后发生了一系列的变化，我们将流动在矿井井巷及井下工作地点的空气称为矿井空气。

相对于地面空气，在成份和性质上变化不大的矿井空气称为新鲜空气，简称新风，如进风井巷中的空气。

把流经采掘工作面及硐室等工作地点或受到井下矿尘和有害气体污染的，在成份和性质上变化较大的矿井空气称为污浊空气，简称污风或乏风，如回风井巷中的空气。

通常以用风地点为界，将用风地点以前的风流称为新鲜空气，或进风流；

将用风地点以后的风流称为污浊空气，或回风流。

第二节矿井空气中常见有害气体

一、常见有害气体及其允许标准

金属矿山井下常见的对安全生产威胁较大的有毒气体有:

一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、硫化物（硫化氢H2S和二氧化硫SO2）等，此外还有矿尘和氡气及其子体。

这些有害气体来源于井下爆破、矿石氧化与自燃、坑木腐烂、井下无轨设备排的尾气、井下火灾等都会产生有毒有害气体。

1．一氧化碳CO

2．氮氧化物

3．二氧化硫SO2

4．硫化氢H2S

5．浮扬粉尘

矿井粉尘对人的健康有危害，硫化矿尘可引起人的皮肤发炎；

铅、砷、汞尘进人人体会引起中毒；

当人体长期吸人含游离二氧化硅（Si02）的矿尘时，会导致矽肺病。

矿尘中游离二氧化硅含量越高，对人体危害越大。

一般金属非金属矿山游离二氧化硅含量在30％-70％，也有高达90％以上的。

6.氡气（Rn）

氡气是一种无色、无味的气体，对空气的比重为7.7，半衰期3.8d，能溶于水和有机溶剂，在油脂中地溶解度为水的125倍。

氡是惰性气体，一般不参与化学反应。

矿内空气中的氡主要来源于：

（1）由矿岩壁析出的氡；

（2）爆破崩落的矿石析出的氡；

（3）地下水析出的氡；

（4）地面空气中的氡随人风风流进入井下。

在一些老的矿山，由于开采面积较大，崩落区多，采空区中积累的氡有时也会成为氡的主要来源。

氡及其子体（氡在衰变过程中所产生的中间产物）是放射性元素，在蜕变过程中会产生一定量的α、β、γ射线，对人体有辐射危害。

吸入这些含氡空气，氡及其子体易沉积在呼吸道上，对呼吸道及肺组织会造成的辐射危害。

氡及其子体对人体的危害是有条件的，这些条件就是：

（1）空气中氡及其子体要超过一定浓度；

（2）氡及其子体能进人人体内；

（3）人体在接受上述浓度的氡及其子体要超过一定的时间。

《放射卫生防护基本标准》规定，矿山井下作业地点氡在空气中的最大允许浓度为3.7kBq／m3；

氡子体的潜能值不超过6.4μJ／m3。

第三节矿井气候

一、矿井气候条件及其对人体热平衡的影响

矿井气候条件是指矿井空气温度、湿度、大气压力和风速等参数所反映的综合状态，反映的是人体对井下环境的热感受。

人不论在休息或在工作时，身体不断地产生热量和散失热量，以保持热平衡，人体产生热量的多少取决于体质、年龄和劳动强度的大小。

劳动强度越大，产生热量越多，成年人进行轻微劳动时每小时产生的热量约为500KJ，进行繁重劳动时每小时产生的热量约为1100KJ。

人体产生热量的一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。

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形式进行的，呼吸和排泄也散发少量的热。

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周围环境的温度；

蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度，人体每蒸发1克汗液，可以散热2.42KJ。

当空气的温度达到人的皮肤温度（33～34℃）时，出汗蒸发几乎成为人体唯一的散热方式。

即工作环境的温度、湿度和风速三者的综合状态决定着人体的散热条件。

三者在一定的范围内，人体能够依靠自身的调节机能，使散热量和产热量之间保持相对平衡，体温保持在36.5～37℃之间，维持人的正常生理活动。

在井下生产的劳动强度情况下，比较适宜的空气温度为20℃左右，风速为1m/s左右。

此条件适合人体的对流和辐射散热，人的感觉会比较舒适。

空气温度超过25℃将不利于劳动状态下人体的散热。

空气的湿度决定着蒸发的效果。

湿度低于30%，属于干燥空气，蒸发过快，会感到干燥；

湿度高于80%，属于高湿空气，蒸发困难；

湿度达到100%，蒸发停止，人体感觉适宜的湿度为50～60%。

井下环境中，空气的湿度难以调节，往往是通过温度和风速的合理调节给工作环境创造一个比较舒适的工作气候条件，这也是矿井通风的一个基本任务。

当矿井气候条件不能满足人体的产热和散热的平衡时，则会对人体产生危害。

比如，寒冷地区，气温低、风速大的环境，潮湿空气会带走人体过多的热量，人体就会发冷，甚至感冒。

而高温、高湿的空气，会使人感到闷热。

当温湿度过高的时候，会使人体的对流和辐射和蒸发散热大大减低，人体的热量不能及时散出，甚至超过人体的热承受能力，会给人体健康和矿井安全生产带来危害—即所谓的矿井热害。

矿井高温热环境的危害主要表现在①人长时间处在高温热环境中生理调节机能将发生障碍，出现体温升高，代谢紊乱，心跳加快，心律失常，血压升高等现象，甚至虚脱中暑，严重时可导致昏迷或死亡。

②高温高湿的作业环境中会使作业人员精神烦躁、疲惫乏力、精力不集中，增加了事故的发生率。

③影响着作业人员劳动生产效率。

④易引发其它灾害，如增大瓦斯涌出量，煤层自然着火危险性增加等。

第二章矿井空气流动基本理论

本章的重点：

1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ；

2、风流的能量与点压力----静压，静压能；

动压、动能；

位能；

全压；

抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系

3、能量方程

连续性方程；

单位质量能量方程、单位体积能量方程

4、能量方程在矿井中的应用----边界条件、压力坡度图

本章的难点：

点压力之间的关系

能量方程及其在矿井中的应用

主要研究内容：

矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。

介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。

根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。

第一节空气的主要物理参数

一、温度

温度是描述物体冷热状态的物理量。

矿井表示气候条件的主要参数之一。

热力学绝对温标的单位K，摄式温标：

T=273.15+t

二、压力（压强）

1、定义：

空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。

压强在矿井通风中习惯称为压力。

它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。

三、湿度

表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。

表示空气湿度的方法：

绝对湿度、相对温度和含湿量三种。

１、绝对湿度

２、相对湿度

例如：

甲地：

t=18℃，V＝0.0107Kg/m3,

乙地：

t=30℃，V＝0.0154Kg/m3

解：

查附表当t为18℃，s＝0.0154Kg/m3,,

当t为30℃，s＝0.03037Kg/m3,

∴甲地：

φ＝V／S＝0.7＝70%

φ＝V／S＝0.51＝51%

乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。

露点：

将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100％时，此时的温度称为露点。

上例甲地、乙地的露点分别为多少？

３、含湿量

井下空气湿度的变化规律

进风线路有可能出现冬干夏湿的现象。

进风井巷有淋水的情况除外。

在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100％，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水。

第二节风流的能量与压力

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

2、重力位能

第三节矿井通风中的能量方程

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，使得通风阻力和通风动力相平衡。

关于能量方程使用的几点说明

1.能量方程的意义是，表示1kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。

2.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；

所研究的始、末断面要选在缓变流场上。

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。

在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。

如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；

如果为负，则风流方与假设相反。

4.正确选择求位能时的基准面。

5.在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；

如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。

６.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。

7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程

第三章井巷通风阻力

本章重点和难点：

摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算

当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。

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。

第一节井巷断面上风速分布

一、风流流态

1、管道流

同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。

当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流（或滞流）。

当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流（或湍流）。

二、井巷断面上风速分布

（1）紊流脉动

风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则变化。

（2）时均速度

瞬时速度vx随时间τ的变化。

其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段T内，流速vx总是围绕着某一平均值上下波动。

（3）巷道风速分布

由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。

层流边层：

在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。

其厚度δ随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。

在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。

第二节摩擦风阻与阻力

一、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）。

由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：

（Pa）

λ－－无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。

d——圆形风管直径，非圆形管用当量直径；

1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀粘贴于管壁。

砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；

绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r称为相对糙度。

以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。

对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出λ与Re的关系曲线，如图所示。

结论分析：

Ⅰ区——层流区。

当Re＜2320（即lgRe＜3.36）时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。

这表明λ与相对糙度ε/r无关，只与Re有关，且λ=64/Re。

与相对粗糙度无关

Ⅱ区——过渡流区。

2320≤Re≤4000（即3.36≤lgRe≤3.6），在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。

所有的实验点几乎都集中在线段Ⅱ上。

λ随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。

Ⅲ区——水力光滑管区。

在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态（Re＞4000），但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度ε（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明λ与ε仍然无关，而只与Re有关。

随着Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线Ⅲ。

Ⅳ区——紊流过渡区，即图中Ⅳ所示区段。

在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。

Ⅴ区——水力粗糙管区。

在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有ε>

>

δ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。

故在该区段，λ与Re无关，而只与相对糙度有关。

摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：

2．层流摩擦阻力

当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：

μ=ρ·

ν∴

可得圆管层流时的沿程阻力系数：

∴古拉兹实验所得到的层流时λ与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。

层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。

二、摩擦阻力系数与摩擦风阻

1．摩擦阻力系数α

矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，λ值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则λ可视为定值；

在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3。

对上式，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：

第三节局部风阻与阻力

由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。

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。

一、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：

式中：

ξ——局部阻力系数，无因次。

层流ξ

计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,当ξ确定后，便可用

几种常见的局部阻力产生的类型：

1、突变

紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。

2、渐变

主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。

因为Vhvp，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0,在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。

3、转弯处

流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。

4、分岔与会合

上述的综合。

∴局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力

二、局部阻力系数和局部风阻

（一）局部阻力系数ξ

紊流局部阻力系数ξ一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。

1．突然扩大

式中：

v1、v2——分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；

S1、S2——分别为小断面和大断面的面积，m；

ρm——空气平均密度，kg/m3。

对于粗糙度较大的井巷，可进行修正

2．突然缩小

对应于小断面的动压，ξ值可按下式计算：

3．逐渐扩大

逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。

当Θ＜20°

时，渐扩段的局部阻力系数ξ可用下式求算：

式中α——风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4；

n——风道大、小断面积之比，即Ｓ2／Ｓ1；

θ——扩张角。

4．转弯

巷道转弯时的局部阻力系数（考虑巷道粗糙程度）可按下式计算：

当巷高与巷宽之比H/b=0.2～1.0时，

当H/b=1～2.5时

式中ξ0——假定边壁完全光滑时，90°

转弯的局部阻力系数，其值见表3-3-1；

α——巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4；

β——巷道转弯角度影响系数。

5．风流分叉与汇合

（二）局部风阻

例3-3：

某巷道突然扩大段，砌碹支护，断面S1=6m2，S2=24m2，通过风量Q=48m3/s，空气密度ρ=1.25kg/m3，求突然扩大局部阻力。

设砌碹巷道α=0.005kg/m3

ξ=（1-S1/S2）2=（1-6/24）2=0.563

ξ’=ξ（1+α/0.01）=0.563（1+0.005/0.01）=0.845

hL=ξ’ρV12/2=ξ’ρ（Q/S1）2/2

=0.845×

1.25（48/6）2/2=33.8Pa

例3-4：

某回风道，断面高2.8m，宽2.5m，混凝土棚支护，α=0.02kg/m3，有一直角转弯，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数ξ’

表3-3-1，ξ0=0.93，由表3-3-2，β=1.0

H/b=2.8/2.5=1.12,

ξ’=[（ξ0+28α）b/H]β

=[（0.93+28×

0.02）2.5/2.8]×

1=1.33

若V=6m/s，ρ=1.2kg/m3,

则：

hL=ξ’ρV2/2=1.33×

1.2×

6×

6/2=57Pa

例3-5：

某直角分叉巷道，θ2=0，θ3=90°

，α=0.015kg/m3，V1=8m/s,V2=6m/s,V3=3m/s,ρ=1.25kg/m3,求hL1-2,hL1-3

已知α=0.015kg/m3，Kα=1.35

hL1-2=Kαρ/2（V12-2V1V2cosθ2+V22）

=1.35×

1.25/2（82-2×

8×

1+62）

=3.37Pa

hL1-3=Kαρ/2（V12-2V1V3cosθ3+V32）

3×

0+32）

=71.59Pa

例3-6：

某直角汇流巷道，θ1=0，θ2=90°

，α=0.015kg/m3，V1=5m/s,V2=6m/s,V3=8m/s,ρ=1.25kg/m3,求hL1-3,hL2-3

cosθ1=1,cosθ2=0,ω=Q1V1cosθ1/Q3=3.125

hL1-3=Kαρ/2（V12-2V3ω+V32）

=1.35×

1.25/2（52-2×

3.125+82）=39Pa

hL2-3=Kαρ/2（V22-2V3ω+V32）

1.25/2（62-2×

33.125+82）=42Pa

第四节矿井总风阻与矿井等积孔

一、井巷阻力特性

二、矿井总风阻

三、矿井等积孔

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。

第五节降低矿井通风阻力措施

降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益都具有重要意义。

无论是矿井通风设计还是生产矿井通风技术管理工作，都要尽可能地降低矿井通风阻力。

应该强调的是，由于矿井通风系统的阻力等于该系统最大阻力路线上的歌分支的摩擦阻力和局部阻力之和，因此，降阻之前必须首先确定通风系统的最大阻力路线，通过阻力测定调查最大阻力路线上阻力分布，找出阻力超常的分支，对其实施降低摩擦阻力和局部阻力措施。

如果不在最大阻力路线上降阻是无效的，有时甚至是有害的。

摩擦阻力是矿井通风在阻力的主要组成部分，因此要以降低井巷摩擦阻力为重点，同时注意降低某些风量大的井巷的局部阻力。

一、降低井巷摩擦阻力措施

1．减小摩擦阻力系数α。