《通風安全學》教案第一章礦井空氣一、教學目的及要求了解礦井通風的概念及發展歷程，掌握礦井空氣的主要成分及其基本性質，掌握礦井主要有害氣體及熟悉其性質，了解礦井氣候的概念及主要衡量指標。二、重點難點本章的重點：礦井空氣礦井空氣的主要成分，礦井主要有害氣體及熟悉其性質。本章的難點：礦井氣候的概念及主要衡量指標。三、學時分配(2學時)第一節：礦井空氣成分（0.5學時）第二節：礦井空氣中有害氣體（1學時）第三節：礦井氣候（0.5學時）四、教學內容與過程第一章礦井空氣一、礦井通風概念及目的礦井通風的概念：利用機械或自然通風動力，使地面空氣進入井下，并在井巷中作定向和定量地流動，最后排出礦井的全過程稱為礦井通風。（注：應用動畫或PPT演示風流在井巷中流動的全過程）礦井通風的目的：在礦井生產過程中，必須源源不斷地將地面空氣輸送到井下各個作業地點，以供給人員呼吸，并稀釋和排除井下各種有毒、有害氣體和礦塵，創造良好的礦內工作環境，保障井下作業人員的身體健康和勞動安全。礦井通風的首要任務：保證礦井空氣的質量符合要求。二、礦井通風技術的發展（注：此部分結合實際圖片給學生講解）1、約在1640年，人們開始把進風和回風路線分開，以利用自然通風壓力進行礦井通風。2、為了加大通風壓力，1650年在回風路線上設置火筐，1787年又在回風路線上設置火爐，使回風風流加熱。3、1807年風量約200m3／min的活塞式空氣泵、1849年轉速約95r／min風量約500m4、20世紀40年代以來，礦井已使用功率約1500kW和3000kw的電力軸流式和離心式大型扇風機。5、1672年人們只知道身穿潮濕衣帽，伏在底板上，手舉裝有燃著蠟燭的木棍點燃局部積存的沼氣。出于危險，后來改用背上共有燃著的蠟燭的騾馬去點燃沼氣。6、1813年開始用安全油燈照明并檢查沼氣和二氣化碳的濃度。20世紀40年代以來，氣體的檢測技術有了較大的發展。特別是60年代以來，風流中各參數(沼氣和一氧化碳的濃度．風速、壓力、溫度等)已經實現了遙測和遙訊。7、1745年，俄國科學家M．B．лOMOHOCOB發表了空氣在礦井流動的理論，1764年法國采礦工程師JARS發表了關于礦井自然通風的理論，成為礦井通風學科史上奠基的兩篇論文。20世紀以來，發表和出版了許多關于礦井通風的論文和專著?，F在礦井通風已成為內容豐富的一門學科。有關礦井通風史的詳細內容見：/home.php?mod=space&uid=532981&do=blog&id=414589。第一節礦井空氣成分地面空氣進入礦井以后即稱為礦井空氣。一、地面空氣的組成地面空氣是由干空氣和水蒸汽組成的混合氣體，亦稱為濕空氣。干空氣是指完全不含有水蒸汽的空氣，由氧、氮、二氧化碳、氬、氖和其他一些微量氣體所組成的混合氣體。干空氣的組成成分比較穩定，其主要成分如下表所示：氣體成分按體積計／％按質量計／％備注氧氣（O2）20.9623.32惰性稀有氣體氦、氖、氬、氪、氙等計在氮氣中氮氣（N2）79.0076.71CO20.040.06濕空氣中含有少量水蒸氣，但其含量的變化會引起濕空氣的物理性質和狀態變化。二、礦井空氣的主要成分及基本性質地面空氣進入井下時，由于受到污染，其成分和性質要發生變化。固有新鮮空氣和污濁空氣之分。新鮮空氣：井巷中用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內的空氣，污濁空氣：通過用風地點以后、受污染程度較重的回風巷道內的空氣。盡管礦井空氣與地面空氣相比，在性質上存在許多差異，但在新鮮空氣中其主要成分仍然的氧、氮和二氧化碳。1．氧氣(O2)氧氣是維持人體正常生理機能所需要的氣體,人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取決于人的體質、精神狀態和勞動強度等。人體輸氧量與勞動強度的關系勞動強度呼吸空氣量（L/min）氧氣消耗量（L/min）休息6-150.2-0.4輕勞動20-250.6-1.0中度勞動30-401.2-2.6重勞動40-601.8-2.4極重勞動40-802.5-3.1 當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產生不良的生理反應，出現種種不舒適的癥狀，嚴重時可能導致缺氧身亡。人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關系氧濃度/%主要癥狀17靜止時無影響，工作時能產生喘息和呼吸困難15呼吸及心跳急促，耳鳴目眩，感覺和判斷能力降低，失去勞動能力10～12失去理智，時間稍長有生命危險6～9失去知覺，呼吸停止，如不及時搶救幾分鐘內可能導致死亡礦井空氣中氧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；煤炭自燃；瓦斯、煤塵爆炸；此外，煤巖和生產過程中產生的各種有害氣體，也使空氣中的氧濃度相對降低。2．二氧化碳(CO2)二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略帶酸臭味。二氧化碳比空氣重（其比重為1.52），在風速較小的巷道中底板附近濃度較大；在風速較大的巷道中，一般能與空氣均勻地混合。在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對人體的無害的。二氧化碳對人體的呼吸中樞神經有刺激作用，所以在搶救遇難者進行人工輸氧時加入5%的二氧化碳。礦井空氣中二氧化碳的主要來源是：煤和有機物的氧化；人員呼吸；碳酸性巖石分解；炸藥爆破；煤炭自燃；瓦斯、煤塵爆炸等。3．氮氣(N2)氮氣是一種惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。但空氣中含氮量升高，則勢必造成氧含量相對降低，從而可能造成人員的窒息性傷害。正因為氮氣具有的惰性，因此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。案例：平頂山某礦“9.7”重大高氮缺氧窒息事故1982年9月7日平頂山某礦戊8-179綜采面正在安裝，當時礦井為壓入式通風，該采面下行通風，且為無煤柱開采。因主要通風機軸承發熱，停風13min后，造成一起嚴重的高氮缺氧窒息事故，上區段采空區從小絞車窩涌出的高氮氣體，使工作面23人中的9人窒息死亡，14人經搶救得救。三、礦井空氣主要成分的質量（濃度）標準《煤礦安全規程》依據其主要成分（O2、CO2）作了明確的規定。采掘工作面進風流中：氧氣濃度不得低于20％；二氧化碳濃度不得超過0.5％；總回風流中二氧化碳濃度不得超過0.75％；當采掘工作面風流中二氧化碳濃度達到1.5％或采區、采掘工作面回風道風流中二氧化碳濃度超過1.5％時，必須停工處理。國外規定，國際勞工局規定進風流中氧氣濃度＞19%。俄羅斯、德國工作地點氧氣濃度＞20%。美國、日本規定行人巷道中氧氣濃度＞19%。第二節礦井空氣中有害氣體空氣中常見有害氣體：CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2。一、基本性質１、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，能與空氣均勻地混合。一氧化碳能燃燒，當空氣中一氧化碳濃度在13～75％范圍內時有爆炸的危險。主要危害：血紅素是人體血液中攜帶氧氣和排出二氧化碳的細胞。一氧化碳與人體血液中血紅素的親合力比氧大250～300倍。一旦一氧化碳進入人體后，首先就與血液中的血紅素相結合，因而減少了血紅素與氧結合的機會，使血紅素失去輸氧的功能，從而造成人體血液“窒息”。0.08%，40分鐘引起頭痛眩暈和惡心，0.32%，5~10分鐘引起頭痛、眩暈，30分鐘引起昏迷，死亡。主要來源：爆破；礦井火災；煤炭自燃以及煤塵瓦斯爆炸事故等。２、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。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，可能積存于舊巷積水中?？諝庵辛蚧瘹錆舛葹?.3%～45.5%時有爆炸危險。主要危害：硫化氫劇毒，有強烈的刺激作用；能阻礙生物氧化過程，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。0.005~0.01%，1~2小時后出現眼及呼吸道刺激，0.015~0.02%《規程》規定硫化氫的允許濃度為0.00066%。主要來源：有機物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區和舊巷積水中放出。2003年12月23日22時左右，重慶市開縣高橋鎮的川東北氣礦16H井發生特大井噴事故，造成243人死亡。３、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。主要危害：二氧化氮溶于水后生成腐蝕性很強的硝酸，對眼睛、呼吸道粘膜和肺部有強烈的刺激及腐蝕作用，二氧化氮中毒有潛伏期，中毒者指頭出現黃色斑點。0.01%出現嚴重中毒。主要來源：井下爆破工作。NO2中毒癥狀與濃度的關系NO2濃度（體積）/%主要癥狀0.0042～4小時內出現咳嗽癥狀0.006短時間內感到喉嚨刺激，咳嗽，胸痛0.01短時間內出現嚴重中毒癥狀，神經麻痹,嚴重咳嗽，惡心，嘔吐0.025短時間內可能出現死亡4.二氧化硫(SO2)二氧化硫無色、有強烈的硫磺氣味及酸味，空氣中濃度達到0.0005％即可嗅到。其相對密度為2.22，易溶于水。主要危害：遇水后生成硫酸，對眼睛及呼吸系統粘膜有強烈的刺激作用，可引起喉炎和肺水腫。當濃度達到0.002％時，眼及呼吸器官即感到有強烈的刺激；濃度達0.05％時，短時間內即有致命危險。主要來源：含硫礦物的氧化與自燃；在含硫礦物中爆破；以及從含硫礦層中涌出。5.氨氣(NH3)無色、有濃烈臭味的氣體，相對密度為0.596，易溶于水。空氣濃度中達30％時有爆炸危險。主要危害：氨氣對皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉頭水腫。6.氫氣(H2)無色、無味、無毒，相對密度為0.07。氫氣能自燃，其點燃溫度比沼氣低100～200℃主要危害：當空氣中氫氣濃度為4～74％時有爆炸危險。主要有害氣體中：CO、H2S、NH3、H2等有爆炸危險性。二、礦井空氣中有害氣體的安全濃度標準礦井空氣中有害氣體對井下作業人員的生命安全危害極大，因此，《規程》對常見有害氣體的安全標準做了明確的規定。礦井空氣中有害氣體的最高容許濃度有害氣體名稱符號最高容許濃度/%氧化氮（折算成二氧化氮）CO0.0024一氧化碳NO20.00025二氧化硫SO0.0005硫化氫H2S0.00066氨NH0.004《規程》中規定CO的最高允許濃度為其輕微中毒（0.048%）的1/20，NO2的最高允許濃度為其危險中毒濃度（0.025%）的1/100?？梢娭灰獓栏褡袷亍兑幊獭芬幎ǎ涂杀苊庥泻怏w對人體的危害。第三節礦井氣候礦井氣候：溫度、濕度和流速一、礦井氣候對人體熱平衡的影響人體新陳代謝獲得能量；部分用來維持人體自身的生理機能活動以及滿足對外做功的需要，其余部分必須通過散熱的方式排出體外，才能保持人體正常的生理功能。人體散熱主要是通過人體皮膚表面與外界的對流、輻射和汗液蒸發這三種基本形式進行的。對流散熱取決于周圍空氣的溫度和流速；輻射散熱主要取決于環境溫度與周圍物體的表面；蒸發散熱取決于周圍空氣的相對濕度和流速。人體熱平衡關系式：qm-qw=qd+qz+qf+qchqm——人體在新陳代謝中產熱量，取決于人體活動量；qW——人體用于做功而消耗的熱量，qm-qw人體排出的多余熱量；qd——人體對流散熱量，低于人體表面溫度，為負，否則，為正；qz——汗液蒸發或呼出水蒸氣所帶出的熱量；qf——人體與周圍物體表面的輻謝散熱量，可正，可負；qch——人體由熱量轉化而沒有排出體外的能量；人體熱平衡時，qch=0；當外界環境影響人體熱平衡時，人體溫度升高qch>0，人體溫度降低，qch<0礦井氣候條件的三要素是影響人體熱平衡的主要因素。空氣溫度：對人體對流散熱起著主要作用。相對濕度：影響人體蒸發散熱的效果。風速：影響人體的對流散熱和蒸發散熱的效果。對流換熱強度隨風速而增大，風速越大，對流散熱量也越大。當周圍氣溫小于人體體溫時，失熱；當周圍氣溫大與于人體體溫時，得熱。風速越大，蒸發越大。同時濕交換效果也隨風速增大而加強,如有風的天氣，晾的濕衣服干的快。礦井氣候條件對人體熱平衡的影響是一種綜合的作用，因此，調節和改善礦井氣候條件也是礦井通風的基本任務之一。二、衡量礦井氣候條件的指標1.干球溫度干球溫度是我國現行的評價礦井氣候條件的指標之一。特點：在一定程度上直接反映出礦井氣候條件的好壞。指標比較簡單，使用方便。但這個指標只反映了氣溫對礦井氣候條件的影響，而沒有反映出氣候條件對人體熱平衡的綜合作用。2.濕球溫度濕球溫度是可以反映空氣溫度和相對濕度對人體熱平衡的影響，比干球溫度要合理些。但這個指標仍沒有反映風速對人體熱平衡的影響。3.等效溫度等效溫度定義為濕空氣的焓與比熱的比值。它是一個以能量為基礎來評價礦井氣候條件的指標。當氣溫在25—36℃的范圍內，等效溫度和濕球溫度基本上呈線性關系，兩者具有同樣的意義，因而也是不完善的。4.同感溫度同感溫度(也稱有效溫度)是1923年由美國采暖工程師協會提出的。通過實驗得出．實驗時，將三個受試者置于一個溫度為t、相對濕度為ψ，風速為ν的已知環境中，并記下他們的感受，然后把他們請到另一個溫度(用t1表示)可調，相對濕度為l00％，風速為0的環境里，通過調節溫度t1使他們的感受與第一個環境相同，那么則稱t1為第一個環境的同感溫度。反映出溫度、濕度和風速這三者對人體熱平衡的綜合作用。顯然，同感溫度越高，人體舒適感就越差。這個指標雖然能反映出溫度、濕度和風速這三者對人體熱平衡的綜合作用。但是，同感溫度是一人的主管感受為基礎確定的，經研究表明該指標也存在著一些不足。例：測得某一采煤工作面風流的干球溫度為25℃，濕球溫度為23℃，風速為5.卡他度卡他度是1916年由英國L．希爾等人提出。干卡他度：反映了氣溫和風速對氣候條件的影響，但沒有反映空氣濕度的影響。Kd=41.868F/tW/m2濕卡他度（Kw）：是在卡他計貯液球上包裹上一層濕紗布時測得的卡他度，其實測和計算方法完全與干卡他度相同。對高溫、高濕礦井用濕卡他度來衡量礦井氣候條件比干卡他度更合適。分局希爾的研究，不同勞動強度時較適宜的卡他度值見下表。不同勞動強度時適宜的卡他度值勞動強度干卡他度Kd濕卡他度Kw坐或輕勞動618中等勞動825重勞動1030作為一個評價礦井氣候條件的指標，卡他度比用一個單一的溫度指標要好一些，但與人體相比，他的尺寸太小，其散熱效果和人體有很大的差別，有的研究資料表明：空氣對卡他及的冷卻能力是空氣對人體冷卻能力的2～3倍。雖然有很多學者都在試圖從量上來描述卡他度同人體生理反應間的關系，但都沒有得到滿意的結果。三、礦井氣候條件的安全標準制定礦井氣候條件的安全標準設計到國家政策、勞動衛生、勞動生理心理學以及現有的國家技術經濟條件。目前，世界各國關于礦井氣候條件的安全標準差別很大。1、我國現行的礦井氣候條件安全標準我國現行評價礦井氣候條件的指標是干球溫度。1982年國務院頒布的《礦山安全條例》第53條規定，礦井空氣最高容許干球溫度為28℃在此基礎上，我國各類礦山在安全規程中，也對礦井氣候條件的安全標準做出了相應的規定，但都低于下表值。我國礦山氣候條件的安全標準類別最高容許干球溫度/℃煤礦金屬礦化學礦鈾礦采掘工作面26272626機電硐室30特殊條件下3030熱水型和高硫礦井27.5《煤礦安全規程》規定：采面超過30℃，硐室超過342、國外一些國家的礦井氣候條件安全標準世界主要產煤國家對礦井氣候條件的評價指標并不統一。主要采用的指標有：干球溫度、濕球溫度、同感溫度等，具體見下表。世界主要產煤國家礦山氣候條件的安全標準國別