矿井通风与空气调节03.ppt

矿井通风与空气调节 矿井通风与矿井安全 主要学习内容介绍 两大部分组成 一 矿井通风二 矿井灾害防治理论与技术 主要学习内容介绍 一 矿井通风与空气调节的历史发展 课程设置二 矿井空气的成分 性质及变化规律三 矿井风流运动特征与风流能量变化四 矿井风流流态与流动阻力 通风阻力 五 矿井通风动力与动力设备类型 特性六 通风网络与风流流动规律七 采区通风八 掘进通风九 矿井风量调节 按需调节 十 矿井通风设计 通风方式 风量分配 阻力 设备选型 十一 矿井空气降温与加热 空气调节 矿井通风部分 1 矿井通风与空气调节的历史发展 课程设置2 矿井空气的成分 性质及变化规律3 矿井风流运动特征与风流能量变化4 矿井风流流态与流动阻力 通风阻力 5 矿井通风动力与动力设备类型 特性6 通风网络与风流流动规律7 采区通风8 掘进通风9 矿井风量调节 按需调节 10 矿井通风设计 通风方式 风量分配 阻力 设备选型 11 矿井空气降温与加热 空气调节 矿井灾害防治理论与技术部分 1 矿井瓦斯防治2 矿井火灾防治3 矿井粉尘灾害4 矿井水防治 主要参考书目 1 黄元平 矿井通风 2 赵以蕙 矿井通风与空气调节 3 张国枢 通风安全学 4 王德明 矿井通风与安全 5 俞启香 矿井瓦斯防治 6 中国矿井通风工程图集 7 煤矿安全规程 学习方式 课堂讲授 40 72 实验 8 12 考察方式 1 实验报告2 平时考察 考勤 作业 3 闭卷考试 自我介绍 姓名 潘奇志联系方式 MBQQ 848858981专业 安全技术与工程 采矿工程 从这一刻开始 我们将一起学习和探讨有关矿井通风的各类知识 绪论 一 国内安全生产方针安全第一 预防为主 综合治理二 矿井通风概念1 何为矿井通风2 通风任务 目的 手段三 矿井通风发展简史古代不知通风1640自然通风1650回风线路设置火炉 热风压 1849蒸汽离心式通风机1898电力轴流式通风机现在趋向通风自动化 早期的通风装置 人踩风箱鼓风 早期的通风装置 马踩轮子通风 早期的通风装置 马转圈通风 轴流式局部通风机 轴流式主要通风机 四 通风课程设置是采矿工程 安全技术与工程专业的主干专业课之一 前置课程为 采煤学 或采煤概论 流体力学 热力学等后续课程 矿井安全类课程 第一章矿井空气成分 一 国内安全生产方针安全第一 预防为主 综合治理二 矿井通风概念1 何为矿井通风2 通风任务 目的 手段三 矿井通风发展简史古代不知通风1640自然通风1650回风线路设置火炉 热风压 1849蒸汽离心式通风机1898电力轴流式通风机现在趋向通风自动化 矿井通风目的 为井下各工作地点提供足够的新鲜空气 使其中有毒有害气体 粉尘不超过规定值 并有适宜的气候条件 矿井通风系统 主要通风机 通风网络巷道和通风构筑物组成 矿井通风系统矿井的心脏与动脉 是保障矿井安全的最主要技术手段之一 第二章矿井空气 主要为大家介绍矿井井下空气成分 有毒有害气体和气候条件 2 1矿内空气成分及其基本性质 地面空气主要成分 矿内空气 地面空气进入矿井以后 其成分和性质要发生一系列变化 如氧浓度降低 二氧化碳浓度增加 混入各种有毒 有害气体和矿尘 空气的状态参数 温度 湿度 压力等 发生改变等 一般来说 将井巷中经过用风地点以前 受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为新鲜空气 新风 经过用风地点以后 受污染程度较重的回风巷道内的空气 称为污浊空气 乏风 有毒有害气体成分 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是氧 氮和二氧化碳 在污浊空气中含有大量有毒有害气体 一氧化碳 CO 二氧化氮 NO2 二氧化硫 SO2 硫化氢 H2S 等 2 1 1氧气 O2 氧气是维持人体正常生理机能所需要的气体 人类在生命活动过程中 必须不断吸入氧气 呼出二氧化碳 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 人体需氧量与劳动强度的关系 人体缺氧症状与氧浓度的关系 当空气中氧浓度降低时 人体就可能产生不良生理反应 出现种种不适症状 严重时可能导致缺氧死亡 矿内空气中氧浓度降低的主要原因 人员呼吸煤岩和其他有机物的缓慢氧化煤炭自燃瓦斯 煤尘爆炸煤岩和生产过程中产生的各种有害气体 在井下通风不良的地点 如果不经检查而贸然进入 就可能引起人员的缺氧窒息 煤矿安全规程 规定 矿内采掘工作面的进风流中氧含量不得低于20 2 1 2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 但空气中若氮气浓度升高 则势必造成氧浓度相对降低 从而也可能导致人员的窒息性伤害 正因为氮气为惰性气体 因此又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 2 1 3二氧化碳 CO2 二氧化碳是无色 略带酸臭味的气体 比重为1 52 很难与空气均匀混合 故常积存在巷道的底部 在静止的空气中有明显的分界 二氧化碳不助然也不能供人呼吸 易溶于水 生成碳酸 使水溶液成弱酸性 对眼 鼻 喉粘膜有刺激作用 在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的 但如果空气中完全不含有二氧化碳 则人体的正常呼吸功能就不能维持 二氧化碳对人呼吸的影响 在抢救遇难者进行人工输氧时 往往要在氧气中加入5 的二氧化碳 以刺激遇难者的呼吸机能 当空气中二氧化碳的浓度过高时 也将使空气中的氧浓度相对降低 轻则使人呼吸加快 呼吸量增加 严重时也可能造成人员中毒或窒息 二氧化碳中毒症状与浓度的关系 矿内二氧化碳的主要来源 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 此外 有的煤层和岩层中也能长期连续地放出二氧化碳 有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出 给矿井带来极大的危害 规程 规定 进风流中二氧化碳不超过0 5 总回风流中 二氧化碳不超过1 2 1 4一氧化碳 CO CO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 CO能燃烧 浓度在13 75 时有爆炸的危险 CO与人体血液中血红素的亲合力比氧大150 300倍 血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞 一旦CO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 HbCO指数 CO随空气吸入后 通过肺泡进入血液循环 与血液中的血红蛋白 Hb 和血液外的其他某些含铁蛋白质 如肌红蛋白 二价铁的细胞素等 形成可逆性的结合 由于其与血红蛋白的亲和力要比氧与血红蛋白的亲和力大240倍 故把血液内氧合血红蛋白中的氧排挤出来 而形成碳氧血红蛋白 HbCO 又由于碳氧血红蛋白的离解比氧合血红蛋白 HbO2 的离解慢3600倍 故HbCO较之HbO2更为稳定 毒理和临床表现 一氧化碳 CO CO Hb HbCO亲和力HbCO HbO2300倍解离速度HbCO HbO23600倍 毒理和临床表现 1 CO所致组织缺氧及其程度取决于以下因素 HbCO饱和度 空气中CO浓度愈高 肺泡气中CO分压愈大 血液中HbCO饱和度愈高 吸入空气中氧和CO分压 吸入高氧分压气体 可加速HbCO解离和CO排出 每分钟肺通气量 劳动量大 空气和血液中CO达到平衡的时间缩短 HbCO 动脉血氧量 对缺氧最敏感的中枢神经系统能量供应障碍 使大脑和基底神经节 尤其是苍白球和黑质发生变性 软化或坏死 出现中枢神经系统损害 毒理和临床表现 2 急性中毒临床表现主要为中枢神经 心血管以及血液系统方面症状 如剧烈头痛 头昏 恶心 呕吐 短暂昏厥 不同程度意识障碍或昏迷 皮肤粘膜呈樱桃红色 重者并发脑水肿 休克或严重心肌损害 呼吸衰竭 出现以锥体系或锥体外系症状精神意识障碍为主要表现的CO神经精神后发症或迟发脑病 CO中毒症状与浓度的关系 一氧化碳对人的生理作用 矿内CO的来源与允许浓度 空气中一氧化碳的主要来源有 井下爆破 矿井火灾 煤炭自然以及煤尘 瓦斯爆炸事故等 规程 规定 矿内空气中CO浓度不得超过0 0024 2 1 5二氧化硫 SO2 SO2是一种无色 有强烈硫磺味的气体 易溶于水 在风速较小时 易积聚于巷道的底部 对眼睛有强烈刺激作用 SO2与溶于水生成硫酸 对呼吸器官有腐蚀作用 使用喉咙和支气管发炎 呼吸麻痹 严重时引起肺病水肿 当空气中含二氧化硫为0 0005 时 嗅觉器官能闻到刺激味 0 002 时 有强烈的刺激 可引起头痛和喉痛 0 05 时 引起急性支气管炎和肺水肿 短期间内即死亡 规程 规定 空气中二氧化硫含量不得超过0 0005 2 1 6二氧化氮 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 二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸 对眼睛 呼吸道粘膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用 严重时可引起肺水肿 二氧化氮中毒有潜伏期 有的在严重中毒时尚无明显感觉 还可坚持工作 但经过6 24小时后发作 中毒者指头出现黄色斑点 并出现严重的咳嗽 头痛 呕吐甚至死亡 二氧化氮中毒症状与浓度的关系 二氧化氮的来源与允许浓度 矿内空气中二氧化氮的主要来源 井下爆破工作 规程 规定氮氧化合物不得超过0 00025 2 1 7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 硫化氢剧毒 有强烈的刺激作用 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 规程 规定硫化氢的允许浓度为0 00066 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 2 1 8氨气 NH3 氨气是一种无色 有浓烈臭味的气体 比重为0 596 易溶于水 空气浓度中达30 时有爆炸危险 氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用 可引起喉头水肿 矿内空气中氨气的主要来源 爆破工作 用水灭火等 部分岩层中也有氨气涌出 规程 允许浓度为0 004 2 1 9氢气 H2 氢气无色 无味 无毒 相对密度为0 07 氢气能自燃 其点燃温度比甲烷低100 200 当空气中氢气浓度为4 74 时有爆炸危险 井下空气中氢气的主要来源 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 规程 规定允许浓度为0 5 2 1 10甲烷 CH4 为瓦斯的主要成分 甲烷无色 无味 无臭 相对密度为0 55 难溶于水 扩散性较空气高1 6倍 无毒 但高浓度时可窒息 易燃烧 当浓度为 5 16 遇到 650 750 以上高温时易爆炸 井下空气中甲烷的主要来源 煤层 岩层 规程 规定 采掘工作面进风流中不超过0 5 回风流中不超过1 0 8 矿井和一翼总回风流中不超过0 75 0 7 矿井常按井下瓦斯涌出情况划分瓦斯等级 以实现分级安全管理 2 1 11矿尘 井下采掘等生产过程中会产生煤与岩石粉尘 称为矿尘 矿尘 尤其是呼吸性粉尘 可造成尘肺病 可加速设备的磨损 可影响工人视野造成意外 另外 有些煤尘扬起后形成的煤尘雾可能爆炸 呼吸性粉尘 直径5 m以下粉尘 作业场所空气中的粉尘浓度标准 2 2矿井气候 矿井气候是指矿井中空气温度 湿度与风速的综合作用状态 2 2 1矿内空气温度 气体分子进行的热运动 热运动强烈程度由气体分子热运动动能大小表示 体现出气体的冷热程度 表示这种冷热程度的参数是温度 温度的表示方法有三种 1 绝对温度 开 K 2 摄氏度 度 3 华氏温度 F 矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素 是气体状态基本参数之一 气温过高或过低 对人体都有不良的影响 最适宜的矿内空气温度是15 20 1 影响矿内空气温度的主要因素1 岩石温度岩层温度的三带 1 变温带 随地面气温的变化而变化的地带 2 恒温带 地表下地温常年不变的地带 3 增温带 恒温带以下地带 不同深度处的岩层温度可按式计算 t t0 G Z Z0 式中t0 恒温带处岩层的温度 G 地温梯度 即岩层温度随深度变化率 m 常用百米地温梯度 即 100m Z 岩层的深度 Z0 恒温带的深度 影响矿内空气温度的主要因素 2 空气的压缩与膨胀空气向下流动时 空气受压缩产生热量 一般垂深每增加100米 温度升高1 相反 空气向上流动时 则因膨胀而降温 平均每升高100米 温度下降0 8 0 9 3 氧化生热矿井内的有机矿物 坑木 充填材料 油垢 布料等都能氧化发热 例如 经氧化生成2g二氧化碳时 可使1m3空气升温14 5 在煤层中的采掘巷道 暴露煤面氧化产生的热量较大 故回采工作面是通风系统中温度最高的区段 影响矿内空气温度的主要因素 4 水分蒸发水分蒸发时从空气中吸收热量 使空气温度降低 每蒸发一克水可吸收0 585千卡的热量 能使1m3空气降温1 9 可见水的蒸发对降低气温起着重要的作用 5 通风强度 指单位时间进入井巷的风量 温度较低的空气流经巷道或工作面时 能够吸收热量 供风量越大 吸收热量越多 因此 加大通风强度是降低矿井温度的主要措施之一 影响矿内空气温度的主要因素 6 地面空气温度的变化地面气温对井下气温有直接影响 尤其是较浅的矿井 矿内空气温度受地面气温的影响更为显著 7 地下水的作用矿井地层中如果有高温热泉 或有热水涌出时 能使地温升高 相反 若地下水活动强烈 则地温降低 其它因素如机械运转以及人体散热等都对井下气温有一定影响 特别是随着机械化程度的不断提高 机械运转所产生的热量不能忽视 2 矿内空气温度的变化规律 规程 规定 井下采掘工作面气温 26 机电硐室内气温 30 井下温度范围 2 26 在进风路线上矿内空气的温度与地面气温相比 有冬暖夏凉的现象 回采工作面的气温在整个风流路线上 一般是最高的区段 在回风路线上 因通风强度大 水分蒸发吸热 气流向上流动而膨胀降温 使气温略有下降 但基本上常年变化不大 平硐等浅井系统井下气温多随地面空气温度变化而变化 2 2 2矿内空气的湿度 矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量 表示空气湿度的方法有三种 1 绝对湿度 w 单位体积或质量的湿空气中所含水蒸汽量的质量 饱和绝对湿度 s 单位体积或质量的湿空气中所能含最大水蒸气的质量 2 相对湿度 指湿空气中实际含有水蒸汽量与同温度下的饱和水蒸汽量之比的百分数式中 w 空气中所含水蒸汽量 即绝对湿度 g m3 s 在同一温度下空气中的饱和水蒸汽量 g m3 空气中饱和水蒸汽量的大小主要取决于空气的温度 当未达到饱和湿空气冷却时 随着温度降低 其能容纳的最大水蒸气量会降低 即相对湿度增大 当 100时 此时温度称为露点 温度继续下降水蒸气将凝结析出 3 含湿量在含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸气的质量 称为湿空气的含湿量 d g kg干空气 公式中 Ps 饱和水蒸气分压 Pa 湿空气气体常数计算公式 井下空气湿度的变化规律进风线路有可能出现冬干夏湿的现象 进风井巷有淋水的情况除外 在采掘工作面和回风线路上 气温长年不变 湿度也长年不变 一般都接近100 随着矿井排出的污风 每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨的地下水 湿度的测算 1 利用干式温度表测定干温度 td 与湿温度 tw 干温度表示周围空气的实际温度 湿温度表示包裹湿球温度计的含水纱布中水的温度 2 根据td t td tw 查表得出相对湿度 根据td查出饱和绝对湿度 s 利用以下公式计算出绝对湿度 w w s 2 2 3矿内空气的风速 矿内空气风速是指巷道内风流流速 v 巷道断面某点处平均风速 按时间 称为时均风速 瞬时速度随时间的变化称为脉动现象 按时均风速描述巷道风速时 可视巷道中风流为稳定流 受巷道壁面摩擦和空气黏性影响 巷道断面上风速的分布是不均匀的 分布规律为 从巷道壁至巷道中心轴线上风速逐渐增大 呈抛物线形 风速的测定 常用风表测量巷道断面上的风速 常用风表有测量低速 0 3 0 5m s 中速 0 5 10m s 用的叶式风表 测量高速 10m s 用的杯式风表 测风方法 手握风表 侧身 伸直手臂 风表正面正对风流 沿一定线路进行巷道断面内风速测量 测量时间1min 一般测量2次 2次读数误差不超过5 取平均值作为测量值va 查风表校正线得真实风速vt 实际风速 当测点处空气密度 与风表校正时空气密度 差别大时 需进一步更正风速 校正曲线 叶式风表 杯式风表 测风移动路线 2 3矿内空气的热物理参数 2 3 1空气的密度 比容 单位体积空气所具有的质量称为空气的密度 用符号 表示 空气可以看作是均质气体 故 式中M 空气的质量 kgV 空气的体积 m3 空气的密度 kg m3 当空气的温度和压力改变时 其体积会发生变化 所以空气密度是随温度 压力而变化的 从而得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数 如在大气压P0为101325Pa 气温为0 273 15K 时 干空气密度 0为1 293kg m3 湿空气的密度是1m3空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和 式中 d 1m3湿空气中干空气的质量 kg v 1m3湿空气中水蒸气的质量 kg 由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式 式中 P 空气的压力 Pa t 空气的温度 Ps 温度t时饱和水蒸气的分压 Pa 相对湿度 用 数表示 空气的比容是指单位质量空气所占有的体积 用符号 m3 kg 表示 比容和密度互为倒数 它们是一个状态参数的两种表达方式 则 空气的内能气体的内能是指气体内部分子热运动的动能和由分子间相互吸引力所产生的位能的总和 井下空气可视为理想气体 而理想气体是没有分子间相互吸引力的气体 因此气体分子的内能决定于气体的绝对温度T 即u f T 2 3 2空气的比热 内能 焓 焓焓是一个组合的状态参数 表示气体热力状态的总能量 是内能和压力功之和 单位质量物质的焓称为比焓 有时也将比焓简称为焓 即有湿空气的比焓是指1kg干空气的焓与其中所含水蒸气的焓 即 比热 热容 单位物量的物质在发生单位温度变化时所吸收或放出的热量称为比热 定义式为 kJ 单位物量 K 比热的单位取决于热量单位和物量单位 表示物量的单位不同 比热的单位也不同 通常采用的物量单位 质量 kg 标准容积 m3 和千摩尔 kmo1 因此 相应的就有质量比热 容积比热和摩尔比热之分 三种比热关系 c是热力过程函数 与物质性质 热力过程 物质所处状态有关 针对热力变化过程中常见的等容过程 等压过程 对应的比热为等容比热 cV 等压比热 cP 热容是温度的单值函数 随温度升高而增大 但cV cP k几乎不随温度变化 称为绝热指数 对于空气k 1 41 2 3 3空气的粘性 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 由牛顿内摩擦定律得 式中 F 内摩擦力 N S 流层之间的接触面积 m2 动力粘度 或称绝对粘度 Pa s 当流体处于静止状态或流层间无相对运动时 du dy 0 则F 0 矿井通风中常用运动粘度 用符号 m2 s 表示 2 3 4空气的压力 绝对静压 空气分子永不停息 无规则地热运动对容器壁面所产生的压强 称为空气的绝对静压 地表大气中的绝对静压习惯上称为大气压力 一个标准大气压力是气温0 时纬45 2 4矿内空气的热力变化过程 矿井空气热力学和自然风压计算等课题都要求对井下空气的状态变化给予具体分析 2 4 1等容过程 就是在比容保持不变的情况下所进行的热力变化过程 当v常数 由气体状态方程可知 上式表明 等容过程是v不变而绝对压力和绝对温度成正比变化的过程 因v不变 即dv 0 则Pdv 0 热力学第一定律得 上式表明 在这个过程中 空气不对外做功 空气所吸收或放出的热量等于内能的增加或减少 因不变 空气密度 也不变 则通风常用的积分式的变化 即压能变化 为 2 4 2等压过程 当P 常数时 则V T R P 常数 表明等压过程是P不变而v和T成正比变化的过程 对外界作功为热量变化为 上式表明 在此过程中 空气所吸收或放出的热量等于空气焓的增加或减少 因 故压能变化为 2 4 3等温过程 当T 常数时 则表明等温过程是T不变而P和v成反比变化的过程 因 则对外作功为 因T不变 则内能u不变 故热量变化为 上式表明 在此过程中 空气从外界获得的热量 等于空气对外界作出的功 或者说空气向外界放出的热量 等于空气从外界获得的功 因故压能变化为 2 4 4绝热过程 绝热过程是空