考研必备中国矿业大学矿井通风与课堂笔记珍藏版12章.docx

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考研必备中国矿业大学矿井通风与课堂笔记珍藏版12章

矿井通风与安全

课堂笔记总结（珍藏版）1-2章

第一章矿井空气

本章重点：

1、空气成分；

2、矿井有害气体、来源及最高允许浓度；

3、矿井气候条件。

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。

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。

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。

干空气的组成成分表

气体成分

按体积计／％

按质量计／％

备注

氧气（O2）

20.96

23.32

惰性稀有气体氦、

氮气（N2）

79.0

76.71

氖、氩、氪、

二氧化碳（CO2）

0.04

0.06

氙等计在氮气中

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。

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。

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。

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

6-15

0.2－0.4

轻劳动

20-25

0.6-1.0

中度劳动

30-40

1.2-2.6

重劳动

40-60

1.8-2.4

极重劳动

40-80

2.5-3.1

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。

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、SO2NH3H2。

一、基本性性质

１、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。

２、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。

３、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，用水灭火等；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；有些中等变质的煤层中也有氢气涌出。

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，因此，《规程》对常见有害气体的安全标准做了明确的规定，

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

CO

0.0024

氧化氮（折算成二氧化氮）

NO2

0.00025

二氧化硫

SO2

0.0005

硫化氢

H2S

0.00066

氨

NH3

0.004

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

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+qch

qm——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：

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。

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℃。

第二章矿井空气流动的基本理论

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）

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。

P=2/3n（1/2mv2）

矿井常用压强单位：

PaMpammHgmmH20mmbarbaratm等。

换算关系：

1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa

（见P396）１mmbar=100Pa=10.2mmH20,

１mmHg=13.6mmH20=133.32Pa

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

每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对温度。

其单位与密度单位相同（Kg/m3），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。

v=Mv/V

饱和空气：

在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳水蒸汽量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。

这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气，这时水蒸气分压力叫饱和水蒸分压力，PS，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度s。

２、相对湿度

单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（S）之比称为空气的相对湿度

φ＝V／S

反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。

Φ愈小空气愈干爆，φ＝０为干空气；

φ愈大空气愈潮湿，φ＝１为饱和空气。

温度下降，其相对湿度增大，冷却到φ=1时的温度称为露点

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%

乙地：

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

含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）称为空气的含湿量。

d=V／d,V=φPs/461Td=（P-φPs）/287T

d=0.622φPs/（P-φPs）

四、焓

焓是一个复合的状态参数，它是内能u和压力功PV之和，焓也称热焓。

i=id+d•iV=1.0045t+d（2501+1.85t）

实际应用焓-湿图（I-d）

五、粘性

–流体抵抗剪切力的性质。

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。

其大小主要取决于温度。

根据牛顿内摩擦定律有：

运动粘度为：

m2/s

式中：

μ－－比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性或绝对粘度。

其国际单位：

帕.秒，写作：

Pa.S。

温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低

六、密度

单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与P、t、湿度等有关。

湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即：

根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：

kg/m3

式中：

P为大气压，Ｐsat为饱和水蒸汽压，单位：

Pa；

φ为相对湿度；

Ｔ为空气绝对温度，T=t+273,K。

kg/m3

式中：

P为大气压，Ｐsat为饱和水蒸汽压，单位：

mmHg。

注意：

Ｐ和Ｐsat单位一致。

空气比容：

=V/M=1/

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

（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，

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。

静压也可称为是静压能。

（２）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；

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Pa，则指风流1m3具有101332J的静压能。

（３）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：

以当地当时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（Pi）、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：

hi=Pi－P0

Pi与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。

（２）位能计算

重力位能的计算应有一个参照基准面。

如下图1－２两断面之间的位能差：

Ep012=∫igdzi

（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+P1

2-2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：

Ｉ、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×v2×0.5

式中：

i－－I点的空气密度，Kg/m3；

v－－I点的空气流速，m/s。

Evi对外所呈现的动压hvi，其值相同。

（3）动压的特点

a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。

b.动压总是大于零。

垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。

c.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。

d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。

（４）全压

风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和称之为该点风流的全压，即：

全压＝静压＋动压。

由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。

Ａ、绝对全压（Pti）

Pti＝Pi＋hvi

B、相对全压（hti）

hti＝hi＋hvi＝Pti－Poi

说明：

`A、相对全压有正负之分；

B、无论正压通还是负压通风，Pti>Pihti＞hi。

二、风流的点压力之间相互关系

风流的点压力是指测点的单位体积（1m3）空气所具有的压力。

通风管道中流动的风流的点压力可分为：

静压、动压和全压。

风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：

hvi=Pti-Pi

hvi、hI和hti三者之间的关系为：

hti=hi+hvi。

压入式通风（正压通风）：

风流中任一点的相对全压恒为正。

∵PtiandPi>Poi

∴hi＞０，hti＞0且hti＞hi

压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，即出口风流的绝对压力大于风机进口的压力。

抽出式通风（负压通风）：

风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式通风由于hti和hi为负，实际计算时取其绝对值进行计算。

∵PtiandPi＜Poi

hti＜0且hti＞hi，但|hti|<|hi|

实际应用中，因为负通风风流的相对全压和相对静压均为负值，故在计算过程中取其绝对值进行计算。

即：

|hti|=|hi|－hvi

抽出式通风的实质是使风机出口风流的能量降低，即出口风流的绝对压力小于风机进口的压力。

风流点压力间的关系

例题2-2-1如图压入式通风风筒中某点i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的P0i=101332Pa，求：

（1）i点的绝对静压Pi；

（2）i点的相对全压hti；

（3）i点的绝对静压Pti。

解：

（1）Pi=P0i+hi=101332+1000=102332Pa

（2）hti=hi+hvi=1000+150=1150Pa

（3Pti=P0i+hti=Pi+hvi=101332.32+1150=Pa

例题2-2-2如图抽出式通风风筒中某点i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的P0i=101332Pa，求：

（1）i点的绝对静压Pi；

（2）i点的相对全压hti；

（3）i点的绝对静压Pti。

解：

（1）Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa

（2）|hti|=|hi|－hvi＝1000-150=850Pa

hti＝－850Pa

（3）Pti=P0i+hti=101332.5-850=100482Pa

三、风流点压力的测定

１、矿井主要压力测定仪器仪表

（１）绝对压力测量：

空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。

（介绍实物）

（２）压差及相对压力测量：

恒温气压计、“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。

（３）感压仪器：

皮托管，承受和传递压力，+-测压

２、压力测定

（１）绝对压力－－直接测量读数。

（２）相对静压（以如图正压通风为例）（注意连接方法）：

推导如图h=hi?

以水柱计的等压面0’－0’为基准面，

设:

i点至基准面的高度为Z，胶皮管内的空气平均密度为ρm，胶皮管外的空气平均密度为ρm’；与i点同标高的大气压P0i。

则水柱计等压面0’－0’两侧的受力分别为：

水柱计左边等压面上受到的力：

P左＝P０+ρ水gh＝P0i+ρm’g（z-h）+ρ水gh

水柱计右边等压面上受到的力：

P右＝P0i+ρmgz

由等压面的定义有：

P左＝P右，即：

P0i+ρm’g（z-h）+ρ水gh＝P0i+ρmgz

若ρm＝ρm’有：

∵ρ水＞＞ρm

对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：

说明：

（I）水柱计上下移动时，hi保持不变；

（II）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上hi相同。

（３）相对全压、动压测量

测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化）

（以上关系，实验室验证）

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