煤矿矿井空气及有害气体.ppt

煤矿粉尘监测 内蒙古矿山安全与职业危害检测检验中心 第一章煤矿矿井空气及有害气体 一位哲人曾说过 人类在创造物质文明的同时 也在毁灭人类自己 这句话告诫和提示我们 人类在过去一个世纪的全球工业化发展中 没有注意人与自然 人与社会和人与环境的和谐关系 用牺牲自然的原始状态 牺牲环境 牺牲劳动者的健康和生命换来了所谓的物质文明 随着人类的文明进步和社会的发展 现在我们不得不承认我们犯了一个幼稚的错误 我国目前提倡构建和谐社会 强调科学发展和人与社会 人与自然的和谐共存 只有这样 才能保证社会的健康 持续发展 预防和控制煤炭行业的职业危害 最大限度地保护广大从业人员的健康和生命中已成当务之急 也是构建和谐煤炭行业的需要 第一节矿井空气 一 空气成分 表1 1空气正常化学组分 干燥空气 气温0 气压101325Pa 氧是人类生存必需的元素 氧的分子式为O2 分子量32 0 密度1 42kg m3 相对密度1 105 新鲜空气中氧气约占21 地面空气的氧气含量是稳定的 一般情况下 不会发生减少的现象 在与外界自然环境相对隔离的场所 如无良好的通风 氧气含量可有所降低 如矿井下 由于人的呼吸 矿物氧化 坑木腐烂 爆破 煤自燃等消耗大量氧气 如通风量不足就会造成空气中的氧气含量降低 由于人体有一定的代偿能力 空气中氧气含量轻微降低对人体无明显危害 氧气含量在16 以上时 人还能正常生活 当氧气含量降至7 8 时 是一个危险界限 此时机体的代偿能力急剧衰退 体温下降 可因缺氧窒息而死亡 二 常用的空气状态参数 一 空气的压力空气的压力是由气体分子不断地无规则运动产生的 在运动过程中不断接触到的物体表面 从而产生了对各物体表面的压力 空气的密度越大 气压越高 密度越小 气压越低 当温度为0 时 在纬度45 处海平面上的大气压力为101 325kPa 这一压力值通常称为1个标准大气压 大气压随海拔高度的变化而变化 海拔越高 大气压越低 海拔越低 大气压越高 一般来说 矿井垂深每增加100m 大气压则相应增加1 1kPa左右 在监测工作中经常需要测量采样地点的大气压 测量现场的气压常用空盒气压计或精密数字气压计 二 空气的密度空气的密度是指单位体积的空气的质量 常用单位为g L或kg m3 混合气体静置后 由于各种成分的密度不同 出现密度大的聚积在下层 密度小的聚积上层的分层现象 了解气体的这一物理特性 对于防治有害气体的危害具有重要意义 为了便于比较有害气体与干燥空气两者密度的大小 人们常用相对密度这一概念 相对密度是指在标准状态下 某种气体密度与干燥空气密度 1 293kg m3 之比 相对密度小于1 说明该种气体比空气轻 反之 则说明比空气重 三 空气的湿度1 绝对湿度绝对湿度是指在一定温度下 单位体积或单位质量的空气中所含水分的质量 单位常以g m3 g kg表示 2饱和湿度饱和湿度是指在一定温度下 单位体积空气中所能容纳水蒸气的最大值 可从有关资料中查出某一气温下所对应的饱和湿度 例如气温20 时饱和湿度为17 16g m3 30 时为30 14g m3 3 相对湿度通常情况下 空气中水蒸气的含量总是低于饱和状态的 如果绝对湿度离饱和状态较远 水容易蒸发成水蒸气 人们就感到干燥 反之 离饱和状态较近时 由于水不容易蒸发 人们就感到潮湿 如果空气的绝对湿度相同 由于温度的不同 它们离开饱和状态的远近也不同 干湿的程度也就不同 相对湿度是指空气中实际含水蒸气量与同一温度下饱和水蒸气量之比的百分数 即绝对湿度与同一温度下饱和湿度之比的百分数 相对湿度可从干湿球温度计或温湿度表上查得 相对湿度高于80 称为高气温 低于30 称为低气温 人适宜的相对湿度为60 左右 四 空气的温度 我国统一实行的法定计量单位中 应用于温度的量的名称有两个 即热力学温度 单位名称为开 尔文 单位符号为K 和摄氏温度 单位名称为摄氏度单位符号为 在日常生活中人们习惯用摄氏度 t 描述温度的高低 在监测工作中需要将采集的气体体积换算成标准采样体积时 则应采用热力学温度 T 两者之间的关系为 T t 273 15 煤矿安全规程 规定 进风口以下的空气温度必须在2 以上 生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26 机电设备硐室的空气温度不得超过30 当空气温度超过时 必须缩短超温地点工作人员的工作时间 并给予高温保健待遇 采掘工作面的空气温度超过30 机电设备硐室的空气温度超过34 时 必须停止作业 煤矿常见有害气体及其危害 有害气体浓度表示方法与换算有害气体浓度表示方法常用的有害气体浓度表示方法有两种 一种是质量 体积混合表示法 是以每立方米空气中某种有害气体的毫克数表示 即mg m3 另一种是体积 体积表示法 是指某种有害气体体积占空气采样体积的比 常用百分数 或百万分数 ppm 表示 1ppm即百万分之一 体积百分数浓度与体积百万分数浓度之间的关系是1 10000ppm 2有害气体浓度表示法之间的换算 1 由ppm换算成mg m3 M ppmmg m3 1 2 22 4式中M 被测物质的分子量 2 由体积百分数浓度换算成mg m3 先将体积百分数浓度值乘以1000000变成ppm 再用式 1 2 换算成mg m3 煤矿安全规程 对矿井有害气体浓度作了规定 对二氧化碳 CO2 允许浓度的规定 采掘工作面的进风流中 CO2浓度不超过0 5 矿井总回风巷中CO2浓度超过0 75 时 必须立即查明原因进行处理 采区回风巷 采掘工作面回风巷风流中CO2浓度超过1 5 时 必须停止工作 撤出人员 采取措施进行处理 对瓦斯允许浓度的规定 在采掘工作面进风流的瓦斯浓度不得超过0 5 在采掘工作面和采区的回风流中 瓦斯浓度不得超过1 在矿井和一翼的总回风流中 瓦斯浓度不得超过0 75 煤矿安全规程 还对瓦斯超限时的处理作了严格的规定 对氢气 H2 允许浓度的规定 井下充电室风流中以及局部积聚处的氢气浓度 不得超过0 5 工作场所空气中一氧化碳等六种有害气体的职业接触限值mg m3 三 常见有害气体及其危害1 一氧化碳 一氧化碳的分子式是CO 分子量为28 01 密度为1 251kg m3 相对密度为0 967 CO是无色无味无臭的气体 易燃易爆 爆炸浓度界限为12 5 74 CO在煤矿井下主要产生于煤的自然发火和坑木腐烂以及放炮的炮烟中 当发生煤尘 瓦斯爆炸时 将产生大量CO 瓦斯爆炸后 其浓度一般在2 3 煤尘爆炸后 其浓度甚至高达8 左右 在煤矿井下监测CO浓度变化趋势 可作为判断煤层是否发生自然发火的指标 一氧化碳 CO 与血红蛋白 Hb 的结合力比氧气 O2 与血红蛋白 Hb 的结合力大240 300倍 一氧化碳 CO 中毒机理就是一氧化碳 CO 竞争性地抑制了氧气 O2 与血红蛋白 Hb 的结合能力 一氧化碳 CO 取代氧气 O2 与血红蛋白 Hb 结合 使氧气 O2 的运送和组织利用氧气 O2 的功能发生障碍 引起中毒 人在一氧化碳 CO 浓度为115mg m3 92ppm 环境中 至多2小时 h 即可发生中毒 空气中的一氧化碳浓度为1 时 10000ppm 人呼吸数次后就会昏迷 1 2分钟 min 便可死亡 2 二氧化碳 二氧化碳的分子式是CO2 分子量为44 01密度为1 976kg m3 相对密度为1 529 二氧化碳 CO2 主要存在于煤层和煤块内 在采煤过程中与瓦斯一道排出 此外 坑木腐烂 人员呼吸 煤自然发火以及爆破等也可产生二氧化碳 CO2 由于二氧化碳 CO2 密度大 一般多积聚于巷道低处及通风不良的废巷中 个别煤层或岩层中会出现大量二氧化碳 CO2 异常涌出现象 称为二氧化碳 CO2 突出 如营城煤矿和窑街矿区曾发生二氧化碳 CO2 突出事故 二氧化碳 CO2 主要经呼吸道吸入人体内 高密度时有显著毒性作用 主要是对呼吸中枢的毒性作用 低浓度时呼吸中枢兴奋 如浓度达到3 时 呼吸加深 高密度时抑制呼吸中枢 如浓度达到8 时 呼吸困难 呼吸频率增加 3 二氧化硫 二氧化硫的分子式是SO2 分子量为64 07 密度为2 927kg m3 相对密度为2 264 矿井中二氧化硫主要来源于含硫矿物 如黄铁矿等 的氧化和自然以及井下爆破 二氧化硫 SO2 主要是通过呼吸道吸入而产生中毒作用 其次是皮肤 粘膜的接触吸收 二氧化硫 SO2 易为皮肤和粘膜的湿润表面所吸收 溶解于皮肤 粘膜表面水分中而变成亚硫酸 一部分进而成为硫酸 刺激皮肤和粘膜 吸收到体内的亚硫酸以硫酸盐形式从尿中排出 二氧化硫 SO2 对呼吸道及眼结膜有强烈刺激作用 高密度吸入可引起喉头水肿 肺水肿 声带痉挛以至窒息 当浓度为1 5mg m3时 即可闻到刺鼻气味 当浓度为50mg m3时 可引起眼刺激症状及窒息感 因二氧化硫 SO2 具有特殊的臭味和对粘膜强烈的刺激作用 所以由于吸入高浓度二氧化硫 SO2 而致死的中毒事故极为少见 4 硫化氢 硫化氢的分子式是H2S 分子量为34 08 密度为1 539kg m3 相对密度为1 188 硫化氢是具有臭鸡蛋气味的剧毒气体 且易燃易爆 爆炸浓度范围为4 3 46 有机物腐败时可产生硫化氢 故粪窑 污水沟 暗渠中常有硫化氢积聚 井下积水的老塘和采空区 由于煤及硫化矿物中的硫与水作用生成硫化氢蓄积于水中 1体积的水可溶解约4体积的硫化氢 一旦扰动这些积水常有大量硫化氢逸出 地层中天然存在硫化氢 在煤矿岩层或煤层中有涌出或喷出现象 另外 煤层一定区域的鸡窝煤内存在硫化氢 落煤时逸出 可使靠近落煤地点的采煤工发生中毒 硫化氢气体较空气重 易积聚于低凹处 硫化氢属于化学性窒息性气体 急性中毒时可引起肺水肿和中毒性脑病 当空气中硫化氢浓度为1ppm时 就能闻出臭鸡蛋味 当达到50 150ppm时 嗅神经被麻痹 反而闻不出臭鸡蛋味 据报道 在150 300ppm浓度下 接触数小时出现轻度的眼结膜和呼吸道刺激症状并可有支气管炎和肺水肿 当浓度在700ppm以上时 可直接抑制呼吸中枢 引起窒息而迅速死亡 最严重硫化氢中毒 会发生就地猝倒而迅速死亡 5 氨 氨的分子式是NH3 分子量为17 03 密度为0 771kg m3 相对密度为0 597 氨是无色有恶臭气味的刺激性气体 极易溶于水而形成氢氧化铵 氨水 也容易从水溶液中逸出 我国某些矿井岩层中有天然氨涌出 如铁法矿区和峰峰矿区的万年矿等 便尿也放出氨 低浓度氨对眼和上呼吸道粘膜有刺激作用 吸入高浓度的NH3会引起支气管炎症及中毒性肺炎 肺水肿 空气中氨浓度大于2 时可引起皮肤和眼结膜 角膜的灼伤 6 氮氧化物 氮氧化物的种类很多 主要有氧化亚氮 N2O 氧化氮 NO 二氧化氮 NO2 三氧化二氮 N2O3 四氧化二氮 N2O4 及五氧化二氮 N2O5 氧化亚氮又称笑气 毒性不大 其余的氮氧化物除二氧化氮外均不稳定 遇光 湿或热变成二氧化氮及氧化氮 氧化氮在常温下又迅速氧化成二氧化氮 二氧化氮的毒性是氧化氮的4 5倍 二氧化氮的分子量是46 01 密度为2 054kg m3 相对密度为1 5886 矿井空气中的氮氧化物主要产生于用硝铵炸药爆破的炮烟中 汽车尾气中也含有氮氧化物 成为城市主要空气污染物之一 氮氧化物为刺激性气体 较难溶于水 因而可达呼吸道深部的细支气管和肺泡 对肺组织产生强烈的刺激和腐蚀作用 可引起支气管炎和肺水肿等 7 甲烷 甲烷的分子式是CH4 分子量为16 04 密度为kg m3 相对密度为0 554 甲烷俗称沼气 也称瓦斯 从广义上讲 矿井瓦斯是井下有害气体的总称 从狭义上讲矿井瓦斯专指甲烷 甲烷是伴随着煤炭的形成而生成的 据粗略估算 每形成1t烟煤 可伴生大约600m3以上的甲烷 由烟煤变质形成无烟煤时 每吨煤又可伴有大约240的甲烷生成 由于甲烷密度小 分子直径极小 扩散能力强 经过漫长的地质年代和地质变动后 大部分已通过岩层的裂隙逸散到大气中 少部分仍储存在煤体和围岩中 当开采煤炭时 这部分甲烷就会涌出煤体和围岩 分布于采掘空间的空气中 在甲烷压力不很高的情况下 通常是通过暴露的煤壁表面缓慢渗透泄出 当在煤层 断层或其它裂隙 空隙处积聚了大量甲烷 处于极高的压力状态下 具备一定条件时 会发生甲烷喷出或突出现象 分别称为瓦斯喷出和瓦斯突出 瓦斯突出时伴有大量煤尘和煤碎片及煤块一同抛向远方 且常伴有强大的声音 甲烷相对密度很小 往往积聚于井下空间的顶部 尤其是风速小或无风的场所更是如此 甲烷对人基本无毒性 但矿井高浓度的甲烷会挤占空气的空间 使空气中氧气浓度下降 从而使空气具有窒息性 当空气中甲烷浓度达到43 空气中氧气浓度降至12 人在此环境中就会感到呼吸困难 时间稍长就会昏迷 甚至死亡 甲烷易燃 爆炸浓度界限为5 16 甲烷爆炸通常称瓦斯爆炸 瓦斯爆炸的发生需要具备三个条件 一是甲烷浓度在爆炸界限内 二是混合气体中氧气浓度不低于12 三是有足够能量的点火源 即火源温度不低于650 能量大于0 28mJ 持续时间大于甲烷爆炸感应期 混合气体中氧气浓度不低于12 这一条件通常是具备的 预防瓦斯爆炸的关键是控制瓦斯浓度超限和防止产生点火源 瓦斯爆炸产生的冲击波 火焰 有害气体是瓦斯爆炸的主要危害因素 爆炸冲击波的传播速度大于音速 声音在标准状态下空气中的传播速度为331 4m s 最高可达2000m s 冲击波正向传播的峰值压力一般为5 8个大气压 最高可达20个大气压 爆炸冲击波造成人员的创伤 井下设施设备毁坏和冒顶 火焰锋面温度可达2150 2650 火焰锋面经过时会造成人体皮肤和呼吸器官及食道 胃粘膜烧伤 可烧坏电气设备和电缆 并可能引燃井巷中的可燃物产生新的火源 燃烧生成大量的CO2和H2O 不完全燃烧产生的CO浓度一般