1、通风安全学教案第一章 矿井空气一、教学目的及要求 了解矿井通风的概念及发展历程，掌握矿井空气的主要成分及其基本性质，掌握矿井主要有害气体及熟悉其性质，了解矿井气候的概念及主要衡量指标。二、重点难点本章的重点： 矿井空气矿井空气的主要成分，矿井主要有害气体及熟悉其性质。本章的难点：矿井气候的概念及主要衡量指标。三、学时分配(2学时)第一节：矿井空气成分 （0.5学时）第二节：矿井空气中有害气体（1学时）第三节：矿井气候 （0.5学时）四、教学内容与过程 第一章 矿井空气一、矿井通风概念及目的矿井通风的概念：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
2、过程称为矿井通风。（注：应用动画或PPT演示风流在井巷中流动的全过程）矿井通风的目的：在矿井生产过程中，必须源源不断地将地面空气输送到井下各个作业地点，以供给人员呼吸，并稀释和排除井下各种有毒、有害气体和矿尘，创造良好的矿内工作环境，保障井下作业人员的身体健康和劳动安全。矿井通风的首要任务：保证矿井空气的质量符合要求。二、矿井通风技术的发展（注：此部分结合实际图片给学生讲解）1、约在1640年，人们开始把进风和回风路线分开，以利用自然通风压力进行矿井通风。2、为了加大通风压力，1650年在回风路线上设置火筐，1787年又在回风路线上设置火炉，使回风风流加热。3、1807年风量约200m3min
3、的活塞式空气泵、1849年转速约95rmi n风量约500m3min的蒸气离心式扇风机、1898年电力初型轴流式扇风机相继投入使用。4、20世纪40年代以来，矿井已使用功率约1500kW和3000kw的电力轴流式和离心式大型扇风机。5、1672年人们只知道身穿潮湿衣帽，伏在底板上，手举装有燃着蜡烛的木棍点燃局部积存的沼气。出于危险，后来改用背上共有燃着的蜡烛的骡马去点燃沼气。6、1813年开始用安全油灯照明并检查沼气和二气化碳的浓度。20世纪40年代以来，气体的检测技术有了较大的发展。特别是60年代以来，风流中各参数(沼气和一氧化碳的浓度风速、压力、温度等)已经实现了遥测和遥讯。7、1745年
4、，俄国科学家MBOMOHOCOB发表了空气在矿井流动的理论，1764年法国采矿工程师JARS发表了关于矿井自然通风的理论，成为矿井通风学科史上奠基的两篇论文。20世纪以来，发表和出版了许多关于矿井通风的论文和专著。现在矿井通风已成为内容丰富的一门学科。有关矿井通风史的详细内容见：第一节 矿井空气成分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，其主要成分如下表所示：气体成分按体积计按质量计备注氧气（O2）20.
5、9623.32惰性稀有气体氦、氖、氩、氪、氙等计在氮气中氮气（N2）79.0076.71CO20.040.06湿空气中含有少量水蒸气，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地面空气进入井下时，由于受到污染，其成分和性质要发生变化。固有新鲜空气和污浊空气之分。 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。尽管矿井空气与地面空气相比，在性质上存在许多差异，但在新鲜空气中其主要成分仍然的氧、氮和二氧化碳。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
6、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 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身亡。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系氧浓度/%主要症状17静止时无影响，工作时能产生喘息和呼吸困难15呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动能力1012失去理智，时间稍长有生命危险69失去知觉
7、，呼吸停止，如不及时抢救几分钟内可能导致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。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体的无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有刺激作用，所以在抢救遇难者进行人工输氧时加入5%的二氧化碳。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
8、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。案例：平顶山某矿“9.7”重大高氮缺氧窒息事故 1982年9月7日平顶山某矿戊8-179综采面正在安装，当时矿井为压入式通风，该采面下行通风，且为无煤柱开采。因主要通风机轴承发热，停风13min后，造成一起严重的高氮缺氧窒息事故，上区段采空区从小绞车窝
9、涌出的高氮气体，使工作面23人中的9人窒息死亡，14人经抢救得救。三、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准 煤矿安全规程依据其主要成分（O2、CO2）作了明确的规定。 采掘工作面进风流中：u 氧气浓度不得低于20；u 二氧化碳浓度不得超过0.5；u 总回风流中二氧化碳浓度不得超过0.75；u 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。国外规定，国际劳工局规定进风流中氧气浓度19%。俄罗斯、德国工作地点氧气浓度20%。美国、日本规定行人巷道中氧气浓度19% 。第二节 矿井空气中有害气体空气中常见有害气体：CO、H2S、NO2、SO
10、2、NH3、H2。一、基本性质、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1375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250300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%，510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
11、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。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，可能积存于旧巷积水中。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。0.0050.01%，12小时后出现眼及呼吸道刺激，0.0150.02% 规程规定硫化氢的允许浓度为0.00066%。主要来源：有机物腐烂；含硫矿物的水解；矿物氧化和燃烧；
12、从老空区和旧巷积水中放出。2003年12月23日22时左右，重庆市开县高桥镇的川东北气矿16H井发生特大井喷事故，造成243人死亡。、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。NO2中毒症状与浓度的关系NO2浓度（体积）/%主要症状0.00424小时内出现咳嗽症状0.006短时间内感到喉咙刺激，咳嗽，胸痛0.01短时间内出现严重中毒症状，神经麻痹, 严重咳
13、嗽，恶心，呕吐0.025短时间内可能出现死亡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。6.氢气
14、(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100200，主要危害：当空气中氢气浓度为474时有爆炸危险。主要有害气体中：CO、H2S、NH3、H2等有爆炸危险性。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/%氧化氮（折算成二氧化氮）CO0.0024一氧化碳NO20.00025二氧化硫SO0.0005硫化氢H2S0.00066氨NH0.004规程中规定CO的最高允许浓度为其轻微中毒（0.048%）的1/20，
15、NO2的最高允许浓度为其危险中毒浓度（0.025%）的1/100。可见只要严格遵守规程规定，就可避免有害气体对人体的危害。第三节 矿井气候矿井气候：温度、湿度和流速一、矿井气候对人体热平衡的影响人体新陈代谢获得能量；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，才能保持人体正常的生理功能。 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与周围物体的表面；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
16、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qch0，人体温度降低， qch0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，风速越大，对流散热量也
17、越大。当周围气温小于人体体温时，失热；当周围气温大与于人体体温时，得热。风速越大，蒸发越大。同时湿交换效果也随风速增大而加强,如有风的天气，晾的湿衣服干的快。矿井气候条件对人体热平衡的影响是一种综合的作用，因此，调节和改善矿井气候条件也是矿井通风的基本任务之一。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
18、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。当气温在2536的范围内，等效温度和湿球温度基本上呈线性关系，两者具有同样的意义，因而也是不完善的。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。通过实验得出实验时，将三个受试者置于一个温度为t、相对湿度为，风速为的已知环境中，并记下他们的感受，然后把他们请到另一个温度(用t1表示)可调，相对湿度为l00，风速为0的环境里，通过调节温度t1使他们的感受与第一个环境相同，那么则称t1为第一个环境的同感温度。反映出温度、湿度和风速
19、这三者对人体热平衡的综合作用。显然，同感温度越高，人体舒适感就越差。这个指标虽然能反映出温度、湿度和风速这三者对人体热平衡的综合作用。但是，同感温度是一人的主管感受为基础确定的，经研究表明该指标也存在着一些不足。例：测得某一采煤工作面风流的干球温度为25，湿球温度为23，风速为1.5m/s，求其同感温度。5.卡他度卡他度是1916年由英国L希尔等人提出。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。 Kd=41.868F/t W/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。对高温、高湿矿井用湿卡他度来衡量矿
20、井气候条件比干卡他度更合适。分局希尔的研究，不同劳动强度时较适宜的卡他度值见下表。不同劳动强度时适宜的卡他度值劳动强度干卡他度Kd湿卡他度Kw坐或轻劳动618中等劳动825重劳动1030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，他的尺寸太小，其散热效果和人体有很大的差别，有的研究资料表明：空气对卡他及的冷却能力是空气对人体冷却能力的23倍。虽然有很多学者都在试图从量上来描述卡他度同人体生理反应间的关系，但都没有得到满意的结果。三、矿井气候条件的安全标准制定矿井气候条件的安全标准设计到国家政策、劳动卫生、劳动生理心理学以及现有的国家技术经济条件。目前，世
21、界各国关于矿井气候条件的安全标准差别很大。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，矿井空气最高容许干球温度为28。在此基础上，我国各类矿山在安全规程中，也对矿井气候条件的安全标准做出了相应的规定，但都低于下表值。我国矿山气候条件的安全标准类别最高容许干球温度/煤矿金属矿化学矿铀矿采掘工作面26272626机电硐室30特殊条件下3030热水型和高硫矿井27.5煤矿安全规程规定：采面超过30，硐室超过34 ，必须停止作业。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
22、用的指标有：干球温度、湿球温度、同感温度等，具体见下表。世界主要产煤国家矿山气候条件的安全标准国别最高容许温度/备注俄罗斯干球温度：t26煤矿，相对湿度90%时t25化学矿，金属矿德国同感温度： te25允许值25te29限作业6小时29te30限作业5小时，每小时休息10分钟30te32限作业5小时，每小时休息20分钟te32禁止作业美国同感温度： te32煤矿，允许值te32禁止作业英国湿球温度： tw27.8允许值同感温度： te29.4波兰干球温度：t26煤矿te26劳动定额可减免4%28t33限作业6小时印度干球温度：t32允许值t=3235限作业5小时从世界主要产煤国家矿井气候条件
23、安全标准来看，我国法定的矿井气候允许值最低。但由于客观条件的限制，这一规定往往较难实现。因此，如何根据我国的具体国情，选定科学而符合我国实际情况的标准，还有待于进一步的研究。五、参考书目与资料 1、张国枢.通风安全学(第二版)M. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2011.2、王德明. 矿井通风与安全M. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2012.3、吴中立. 矿井通风与安全M. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1989.4、黄元平. 矿井通风M. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1986.5、煤矿安全规程2011年版六、复习思考题与习题1、煤矿安全规程对矿井空气的质量有哪些规定？2、井下工作人员每人每分钟应供给多少空气（风量，m3/min）？习题:1、3、6、8七、教学后记 应增加绪论内容，通过图片、动画等形式向学生介绍矿井通风的任务、发展，激发学生的学习兴趣；另外该课程的实验一，即“矿井有害气体的测定”应及时开设，便于及时巩固书本理论知识。
