礦內(nèi)空氣

礦井常見的有害氣體有一氧化碳、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫、氨氣、瓦斯等 。下面分別介紹之。

礦內(nèi)空氣一氧化碳（CO）

一氧化碳是一種無色、無味、無臭的氣體，相對密度為0.97，微溶于水，但能溶于氨水，能與空氣均勻地混合。與酸、堿不起反應，只能被活性炭少量吸附。

一氧化碳能燃燒，當空氣中一氧化碳濃度在13 %～75 %時有爆炸的危險。

一氧化碳是一種對血液、神經(jīng)有害的毒物。一氧化碳隨空氣吸人體內(nèi)后，通過肺泡進入血液，并與血液中的血紅蛋白結(jié)合。一氧化碳與血紅蛋白的結(jié)合力比氧與血紅蛋白的結(jié)合力大200~300倍。一氧化碳與血紅蛋白結(jié)合成碳氧血紅蛋白(COHb)，不僅減少了血球攜氧能力，而且抑制、減緩氧和血紅蛋白的解析與氧的釋放。一氧化碳對人的危害主要取決于空氣中一氧化碳的濃度和與人的接觸時間(見表1-1-4、圖1-1-1)．一氧化碳還可導致心肌損傷，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)特別是錐體外系統(tǒng)也有損害，經(jīng)實驗證明一氧化碳還可引起慢性中毒。

表1-1-4 一氧化碳中毒癥狀與濃度的關系

礦內(nèi)爆破作業(yè)、煤炭自燃及發(fā)生火災或煤塵、瓦斯爆炸時都能產(chǎn)生一氧化碳。

《規(guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為0.0024 %。

礦內(nèi)空氣硫化氫（H2S）

硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當空氣中濃度達到0.0001 %即可嗅到，但當濃度較高時，因嗅覺神經(jīng)中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氫相對密度為1.19，易溶于水，在常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫，所以它可能積存于舊巷的積水中。硫化氫能燃燒，空氣中硫化氫濃度為4.3 %～45.5 %時有爆炸危險。

硫化氫有劇毒，有強烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、氣管炎和肺水腫；而且還能阻礙生物的氧化過程，使人體缺氧。當空氣中硫化氫濃度較低時主要以腐蝕刺激作用為主；濃度較高時能引起人體迅速昏迷或死亡，腐蝕刺激作用往往不明顯。硫化氫中毒癥狀與濃度的關系如表1-1-5所示。

表1-1-5　硫化氫中毒癥狀與濃度的關系

空氣中硫化氫的主要來源：有機物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區(qū)和廢舊巷道積水中放出；我國有些礦區(qū)煤層中也有硫化氫涌出。

《規(guī)程》規(guī)定：井下空氣中硫化氫含量不得超過0.00066 %。

礦內(nèi)空氣二氧化氮（NO2）

二氧化氮是一種褐紅色的氣體，有強烈的刺激氣味，相對密度為1.59，易溶于水生成HNO₃，對眼睛、呼吸道粘膜和肺部組織有強烈的刺激及腐蝕作用，嚴重時可引起肺水腫。二氧化氮中毒有潛伏期，有的在嚴懲中毒時尚無明顯感覺，還可堅持工作。但經(jīng)過6～24小時后發(fā)作，中毒者指頭出現(xiàn)黃色斑點，并出現(xiàn)嚴懲的咳嗽、頭痛、嘔吐甚至死亡。二氧化氮中毒癥狀與濃度的關系如表1-1-6所示。

表1-1-6 二氧化氮中毒癥狀與濃度的關系

空氣中二氧化氮的主要來源：井下爆破工作。

《規(guī)程》規(guī)定：氮氧化合物不得超過0.00025 %。

礦內(nèi)空氣二氧化硫（SO2）

二氧化硫為無色氣體，具有強烈的硫磺氣味及酸味，對空氣的相對密度為1.4337，易積聚在巷道底部。易溶于水。

礦內(nèi)含硫礦物氧化、燃燒及在含硫礦物中爆破都會產(chǎn)生二氧化硫。含硫礦層也涌出二氧化硫。

二氧化硫能被眼結(jié)膜和上呼吸道粘膜的富水粘液吸收，刺激眼粘膜和鼻咽等粘膜；在潮濕的礦內(nèi)，能與空氣中水分結(jié)合緩慢地形成硫酸（H₂SO₄），使其刺激作用更強。當空氣中濃度為0.3～l ppm時，健康人可由嗅覺感知，使呼吸道輕度收縮，呼氣中受阻，4～6 ppm時，則對鼻咽及呼吸道粘膜有強烈刺激作用。長時間在二氧化硫濃度為5～10 ppm(或更低)的環(huán)境中呼吸，可引起慢性支氣管炎，慢性鼻咽炎。呼吸道阻力增大、呼吸道炎癥及肺泡本身受到二氧化硫破壞的結(jié)果，可導致肺氣腫和支氣管哮喘。吸入含高濃度的二氧化硫空氣，可引起急性支氣管炎，發(fā)生聲門水腫和呼吸道麻痹，濃度為400～500 ppm時可立即危及生命。

《規(guī)程》規(guī)定礦內(nèi)空氣中二氧化硫最高容許濃度為0.0005 %。

礦內(nèi)空氣氨氣（NH3）

氨氣為無色和有劇毒的氣體，對空氣的相對密度為0.9，易溶于水，對人體有毒害作用，《規(guī)程》規(guī)定，礦內(nèi)最大容許濃度為0.004 %(30 mg/m)。但當其濃度達到0.0l %對就可嗅到其特殊臭味。氨氣主要在礦內(nèi)發(fā)生火災或爆炸事故時產(chǎn)生。

礦內(nèi)空氣瓦斯（CH4）

瓦斯的主要成分是甲烷（CH₄），甲烷是一種無色、無味、無臭的氣體，對空氣的相對密度為0.55，難溶于水，擴散性較空氣高1.6倍。雖然無毒，但當濃度較高時，會引起窒息。不助燃，但在空氣中具有一定濃度（5~16 %）并遇到高溫（650～750 ℃）時能引起爆炸。《規(guī)程》規(guī)定，工作面進風流中CH₄的濃度不能大于0.5 %，采掘工作面和采區(qū)的回風流中CH₄的濃度不能大于1.0 %，礦井和一翼的總回風流中，CH₄最高容許濃度為0.75 %。

礦內(nèi)空氣氫氣（H2）

氫氣無色無味，具有爆炸性，在礦井火災或爆炸事故中和井下充電硐室均會產(chǎn)生，其最高容許濃度為0.5 %。

礦內(nèi)空氣其它有害物質(zhì)

礦內(nèi)空氣除了上述有害氣體外，還含有其他一些有害物質(zhì)，如在采掘生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的煤和巖石的細微顆粒(統(tǒng)稱為礦塵)。礦塵對礦內(nèi)空氣的污染不容忽視。礦塵對礦井生產(chǎn)和人體都有嚴重危害。煤塵能引起爆炸；粉塵特別是呼吸性粉塵能引起礦工塵肺病。因此《規(guī)程》對作業(yè)場所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度作了如表1-1-7的規(guī)定。

表1-1-7作業(yè)場所空氣中粉塵濃度標準

此外，井下小型空氣壓縮機產(chǎn)生的廢氣及使用柴油機的礦井柴油機排出的廢氣也都污染了礦內(nèi)空氣，這些廢氣的主要成分為氮的氧化物，一氧化碳，醛類和油煙等。

礦內(nèi)空氣密度

單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，用符號ρ表示?？諝饪梢钥醋魇蔷|(zhì)氣體 。

礦內(nèi)空氣比容

空氣的比容是指單位質(zhì)量空氣所占有的體積，用符號(m/kg)表示，比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個狀態(tài)參數(shù)的兩種表達方式。

在礦井通風中，空氣流經(jīng)復雜的通風網(wǎng)絡時，其溫度和壓力將會發(fā)生一系列的變化，這些變化都將引起空氣密度的變化。在不同的礦井其變化規(guī)律是不同的。在實際應用中，應考慮什么情況下可以忽略密度的這種變化，而在什么條件下又是不可忽略的。

礦內(nèi)空氣粘性

當流體層間發(fā)生相對運動時，在流體內(nèi)部兩個流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力（內(nèi)摩擦力）以便阻止相對運動，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。例如，空氣在管道內(nèi)以速度u作層流流動時，管壁附近的流速較小，向管道軸線方向流速逐漸增大，如同把管內(nèi)的空氣分成若干薄層，溫度是影響流體粘性的主要因素之一，但對氣體和液體的影響不同。氣體的粘性隨溫度的升高而增大；液體的粘性隨溫度的升高而減小。

礦內(nèi)空氣比熱

為了計算熱力過程的熱交換量，必須知道單位數(shù)量氣體的熱容量或比熱。單位物量的氣體，升高或降低絕對溫度1 K時所吸收或放出的熱量稱為比熱。

比熱的單位取決于熱量單位和物量單位。表示物量的單位不同，比熱的單位也不同。通常采用的物量單位：質(zhì)量(kg)、標準容積(Nm)和千摩爾(kmo1)。因此，相應的就有質(zhì)量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。

質(zhì)量比熱的符號c，表示1 kg空氣高或降低1K時所吸收或放出的熱量，單位是J/（kg?K）。

容積比熱的符號是c′，表示1 Nm體積空氣升高或降低1 K時所吸收或放出的熱量，單位是J/（Nm?K）。

摩爾比熱的符號是C或MC，表示1 kmol空氣升高或降低1K時所吸收或放出的熱量，單位是J/（kmol?K）。

礦內(nèi)空氣內(nèi)能

內(nèi)能是指氣體內(nèi)部分子熱運動的內(nèi)動能和由分子間相互吸引所產(chǎn)生的勢能的總和。質(zhì)量為m kg的氣體內(nèi)能用U表示，單位是kJ；單位質(zhì)量的內(nèi)能用u表示，稱為比內(nèi)能，單位為kJ/kg，即

u=U/m kJ/kg

空氣的動能決定于氣體的絕對溫度T，動能越大，溫度越高；而氣體分子的內(nèi)能則決定于分子間的距離，即決定于空氣的比容v，故空氣的內(nèi)能u是T和v的函數(shù)，即u=f（T，v）。內(nèi)能是氣體狀態(tài)的參量之一，但它不是獨立的參量，它可由氣體狀態(tài)的基本參量T和v求出。因此，氣體的內(nèi)能就是氣體在一定狀態(tài)下所具有的能量，這種能量的改變只決定于始末兩個狀態(tài)的改變。

井下空氣可視為理想氣體，而理想氣體是沒有勢能的，故井下空氣的內(nèi)能和比容無關，只是絕對溫度的函數(shù)。

礦內(nèi)空氣焓

焓是一個組合的狀態(tài)參數(shù)，是指一定狀態(tài)下的濕空氣的內(nèi)能與流動功之和。

礦內(nèi)空氣熵

熵是一個導出的狀態(tài)參數(shù)。對簡單可壓縮均勻系（即只有兩個獨立變量的熱力系）。

礦井內(nèi)各種氣體，蒸氣和礦塵混合物的總稱。當其成分與地面空氣近似時，稱礦內(nèi)新鮮空氣。地面空氣進入礦井后，由于物質(zhì)氧化、分解和其他氣體與礦塵的混入，成分發(fā)生變化。O2減少，CO2增加,混入的有害氣體通常有CH4、CO2、CO、H2S、NOx、SO2、H2、Hg和As的蒸氣以及內(nèi)燃機的廢氣等。開采含 U(鈾)、Th(釷)等伴生元素的金屬礦床時，還將混入放射性氣體Rn(氡)及其子體(RaA～RaD)（見礦山輻射防護）。礦內(nèi)空氣的溫度和濕度主要決定于礦物與巖層的物理化學性質(zhì)、開采深度、生產(chǎn)工藝、地理和地質(zhì)因素。個別礦井氣溫可達30℃以上。煤礦和金屬礦內(nèi)空氣的相對濕度一般為80～90%,涌水量大的巷道內(nèi)可達100%。鹽類礦涌水量小,鹽類吸濕性強，相對濕度約15～16%。水災、爆炸事故以及大爆破后，空氣被毒化。瓦斯突出區(qū)或封閉火區(qū)，氧濃度顯著降低。

空氣中氧濃度降到15～17%時，人體因缺氧而呼吸困難,心律加快,逐漸喪失勞動能力;降到9%時能很快窒息死亡。中國礦山安全條例規(guī)定，礦內(nèi)工作地點氧濃度不得低于20%。礦內(nèi)常見有毒有害氣體的主要來源、危害性和允許濃度 。

防止礦內(nèi)空氣污染最普遍采用的有效措施是礦井通風。為了減少空氣中有毒有害氣體和礦塵，還應采取以下措施：①防止進風污染；②改進生產(chǎn)工藝和設備；③加強采空區(qū)密閉，防止有害氣體涌出；④防止發(fā)生火災和爆炸事故；⑤抽放瓦斯（見瓦斯抽放）；⑥用水或化學品水溶液，吸收可溶性有害氣體。

井下空氣的主要來源是地面空氣（大氣），它是由多種氣體組成的干空氣和水蒸汽組合而成的混合氣體。通常狀況下，干空氣各組分的數(shù)量基本不變（表1-1-1）。在混合氣體中，水蒸汽的濃度隨地區(qū)和季節(jié)而變化，其平均濃度約為1 %；此外還含有塵埃和煙霧等雜質(zhì) 。

表1-1-1 干空氣主要成分

為便于測量與計算，氣體的濃度一般按體積百分計，如無特殊說明，以下均指體積濃度。

地面空氣進入礦井以后，由于受到污染，其成分和性質(zhì)要發(fā)生一系列的變化，如氧濃度降低，二氧化碳濃度增加；混入各種有毒、有害氣體和礦塵；空氣的狀態(tài)參數(shù)（溫度、濕度、壓力等）發(fā)生改變等。一般來說，將井巷中經(jīng)過用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內(nèi)的空氣稱為新鮮空氣（新風）；經(jīng)過用風地點以后、受污染程度較重的回風巷道內(nèi)的空氣，稱為污濁空氣（乏風）。礦內(nèi)空氣主要成分除氧氣（O₂）、氮氣（N₂）、二氧化碳（CO₂）、水蒸汽（H₂O）以外，還混入大量的有害氣體，如瓦斯（CH₄）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H₂S）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、氨氣（NH₃）、氫氣（H₂）和礦塵等。

礦內(nèi)空氣氧氣（O2）

氧氣是無色、無臭、無味、無毒和無害的氣體，比重為1.105。礦內(nèi)氧氣來源于進入礦井的地面大氣所固有的含量。由于礦內(nèi)各有機物（木材、支架等）和無機物（礦物、巖石）的氧化，礦物自燃，礦井火災，以及瓦斯、煤塵爆炸等，都要直接消耗氧氣，此外，井巷內(nèi)不斷放出的各種有害氣體，也相對的降低氧氣的濃度。

當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產(chǎn)生不良的生理反應，出現(xiàn)種種不舒適的癥狀，嚴重時可能導致缺氧死亡。人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關系如表1-1-2所示.。

表1-1-2 人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關系

造成礦井空氣中氧氣濃度降低的主要原因有：人員呼吸；煤巖和其他有機物的緩慢氧化；煤炭自然；瓦斯、煤塵爆炸。此外，煤巖和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種有害氣體，也使空氣中的氧氣濃度相對降低。所以，在井下通風不良的地點，空氣中的氧氣濃度可能顯著降低，如果不經(jīng)檢查而貿(mào)然進入，就可能引起人員的缺氧窒息。

《煤礦安全規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）規(guī)定，采掘工作面的進風流中氧氣濃度不得低于20 %。為此，必須對礦井進行不斷的通風，將適量的新鮮空氣源源不斷地送到井下。這是礦井通風最基本的任務之一。

礦內(nèi)空氣氮氣（N2）

氮氣是無色、無味、無臭的惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，對空氣的相對密度為0.97，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。在正常情況下，氮氣對人體無害，但空氣中若氮氣濃度升高，則勢必造成氧濃度相對降低，從而也可能導致人員的窒息性傷害。在廢棄的舊巷或隔離著的火區(qū)內(nèi)，可積存大量的氮，使氧濃度相對地減少，使人因缺氧而窒息。正因為氮氣為惰性氣體，因此又可將其用于井下防滅火和防止瓦斯爆炸。

礦井空氣中氮氣主要來源是：井下爆破和生物的腐爛，有些煤巖層中也有氮氣涌出。

礦內(nèi)空氣二氧化碳（CO2）

二氧化碳是無色略帶酸臭味的氣體，對空氣的相對密度為1.52，是一種較重的氣體，很難與空氣均勻混合，常積聚于巷道的底部、井筒和下山的掘進迎頭，在靜止的空氣中有明顯的分界。二氧化碳不助燃也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，對眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對人體是無害的，它對人的呼吸有刺激作用，如果空氣中完全不含有二氧化碳，人體的正常呼吸功能就不能維持。當肺泡中二氧化碳增多時，能刺激人的呼吸神經(jīng)中樞，引起呼吸頻繁，呼吸量增加，所以在急救受有害氣體傷害的患者時，常常首先讓其吸入含有5 %二氧化碳的氧氣以加強呼吸。但當空氣中二氧化碳的濃度過高時，也將使空氣中的氧濃度相對降低，輕則使人呼吸加快，呼吸量增加，嚴重時也可能造成人員中毒或窒息?？諝庵卸趸紝θ梭w的危害程度與濃度的關系如表1-1-3所示。

表1-1-3 二氧化碳中毒癥狀與濃度的關系

二氧化碳的主要來源有：有機物的氧化；人員的呼吸；煤和巖石的緩慢氧化，以及礦井水與碳酸性巖石的分解作用；爆破工作，礦內(nèi)火災，煤炭自燃以及瓦斯、煤塵爆炸時，也能產(chǎn)生大量二氧化碳。此外，有的煤層或巖層能長期連續(xù)放出二氧化碳，甚至有的煤層在短時間內(nèi)大量噴出或與大量煤粉同時噴出二氧化碳。發(fā)生這種現(xiàn)象時，往往會造成嚴重破壞性事故。例如吉林省營城煤礦五井，在1976年6月曾發(fā)生一次CO₂和巖石突出，突出巖石1005 t，CO₂11000 m。法國也曾發(fā)生過CO₂突出的事故。

《規(guī)程》規(guī)定：采掘工作面的進風流中，二氧化碳不超過0.5 %。采區(qū)回風巷和采掘工作面回風巷回風流中二氧化碳濃度達到1.5 %時，必須停止工作，撤出人員，查明原因，制定措施，進行處理?？偦仫L巷或一翼回風巷中，二氧化碳超過0.75 %時，必須查明原因，進行處理。

（1） 巖石溫度 礦內(nèi)空氣的溫度與巖石溫度直接相關。地表溫度是隨地面氣溫的變化而變化的，隨著深度的增加，地溫隨氣溫變化的幅度則逐漸減小，當達到一定深度時，地溫不再變化。巖層溫度的三帶：

變溫帶——隨地面氣溫的變化而變化的地帶。夏季巖層從空氣中吸熱而使地溫升高，冬季則相反；

恒溫帶——地表下地溫常年不變的地帶。恒溫帶的深度一般為20～30米，恒溫帶的溫度則接近于當?shù)氐哪昶骄鶜鉁兀?

增溫帶——恒溫帶以下地帶。隨深度的增加成正比增加，不同深度處的巖層溫度可按式計算：

t=t₀ G ( Z－Z₀)

式中 t₀－恒溫帶處巖層的溫度，℃；

G－地溫梯度，即巖層溫度隨深度變化率，℃/m，常用百米地溫梯度，即℃/100 m；

Z－巖層的深度，m；

Z₀－恒溫帶的深度，m。

（2） 空氣的壓縮與膨脹 空氣向下流動時，由于空氣柱的增加，空氣受到壓縮而產(chǎn)生熱量，一般垂深每增加100 m，其溫度升高1 ℃；相反，空氣向上流動時，則又因膨脹而降溫，平均每升高100 m，溫度下降0.8～0.9 ℃。

（3）氧化生熱 礦井內(nèi)的有機礦物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化發(fā)熱。例如，經(jīng)氧化生成2 g二氧化碳時，可使1 3 m空氣升溫14.5 ℃。在煤層中的采準巷道，暴露煤面氧化產(chǎn)生的熱量較大，故回采工作面是通風系統(tǒng)中溫度最高的區(qū)段。

（4） 水分蒸發(fā) 水分蒸發(fā)時從空氣中吸收熱量，使空氣溫度降低。每蒸發(fā)一克水可吸收0.585千卡的熱量，能使1 m空氣降溫1.9 ℃，可見水的蒸發(fā)對降低氣溫起著重要的作用。

（5）通風強度(指單位時間進入井巷的風量) 溫度較低的空氣流經(jīng)巷道或工作面時，能夠吸收熱量，供風量越大，吸收熱量越多。因此，加大通風強度是降低礦井溫度的主要措施之一。

（6）地面空氣溫度的變化 地面氣溫對井下氣溫有直接影響，尤其是較淺的礦井，礦內(nèi)空氣溫度受地面氣溫的影響更為顯著。

（7）地下水的作用 礦井地層中如果有高溫熱泉，或有熱水涌出時，能使地溫升高，相反，若地下水活動強烈，則地溫降低。

（8）其它因素 如機械運轉(zhuǎn)以及人體散熱等都對井下氣溫有一定影響。特別是隨著機械化程度的不斷提高，機械運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量不能忽視。

礦內(nèi)空氣濕度是指礦內(nèi)空氣中所含水蒸汽量 。

礦內(nèi)空氣濕度的表示方式

空氣的濕度表示空氣中所含水蒸氣量的多少或潮濕程度，表示空氣濕度的方法有絕對濕度、相對濕度和含濕量三種。

絕對濕度 指單位容積或單位質(zhì)量濕空氣中含有水蒸汽的質(zhì)量，用表示。其單位與密度的單位相同，其數(shù)值等于水蒸汽在其分壓力與溫度下的密度。在溫度不變的條件下，單位體積空氣所能容納的水蒸汽分子數(shù)是有一定限度的，超過這一限度，多余的水蒸汽就會凝結(jié)出來。這種含有最大限度水蒸汽量的濕空氣叫做飽和空氣；其所含水蒸汽量叫飽和濕度，用表示，此時的水蒸汽分壓力叫做飽和水蒸汽壓力，用P_s表示。

礦內(nèi)空氣影響濕度的因素

(1)地面濕度隨季節(jié)變化較大，陰雨季節(jié)濕度較大，夏季相對濕度較低，但氣溫較高，冬季相對濕度較大，但氣溫較低，絕對濕度并不太高。地面濕度除受季節(jié)影響外，還與地理位置有關，我國濕度分布，沿海地區(qū)較高(平均為70～80%)，向內(nèi)陸逐漸降低，西北地區(qū)達最低值(平均為30～40 %)。

(2)當?shù)V井涌水量較大或滴水較多，由于水珠易于蒸發(fā)，則井下比較潮濕，一般金屬礦山井下濕度在80~90%左右。在鹽礦，涌水較小，且鹽類吸濕性較強，相對濕度一般為15～25 %。2100433B

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