矿井通风chPPT课件

.,1,课程介绍,什么是矿井通风矿井通风的历史与发展矿井通风学的理论基础与学科内容课程特点与学习方法教材与参考资料课程考核,.,2,（1）背景安全健康作业环境的需求我国煤炭资源丰富，但大多为地下开采。在煤矿井下开采过程中，会产生大量瓦斯、粉尘、高温（地热和设备发热）等，是影响井下安全和气候条件的主要因素。因此，为创造适宜井下作业安全环境和气候条件，需要进行矿井通风。因此，矿井通风是矿井安全生产的基本手段，是创造井下作业环境的基础。灾害事故控制的需求煤矿井下可能发生煤炭自燃或活在爆炸等事故，在灾变时期及时有效地控制风量和风向，因此，矿井通风也是防止事故规模与范围扩大、进而消灭事故的重要技术手段。,1、什么是矿井通风？,.,3,（2）矿井通风为在井下创造一种适宜井下人员的气候条件和安全环境，依靠风机等动力将新鲜空气沿着井巷网络输送到采掘进工作面、硐室和其他用风地点，满足这些地区的作业环境和安全要求，同时将污浊空气排出地面，此即矿井通风。构成：由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流监测与控制设施组成。目的与任务：在正常生产时期：利用通风动力，以最经济的方式向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气，保证人员呼吸；稀释并排除瓦斯、粉尘等有害物质，降低热害，为井下工人创造良好的劳动环境。灾变时期：及时有效地控制风向和风量，并与其他措施相结合，防止灾害扩大，进而消灭事故。,.,4,矿井通风: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，最后排出矿井的全过程。,.,5,（3）矿井通风系统的特点矿井通风系统是矿井开采系统的重要子系统；矿井通风系统在结构上不断变化；矿井通风系统的运行状态受矿山地质因素、开采技术条件等诸多因素影响。,.,6,2.矿井通风历史与发展,（1）中世纪前希腊人就懂得了利用进风巷和回风巷形成风流回路；在罗马时期，奴隶挥动棕榈叶使空气流动循环，更一般地，采用生火加热空气使空气向上运动形成矿井空气流动。（2）中世纪-工业革命时期GeorgusAgricola,1556发表的“DeReMetallica”是最早的矿井通风文献之一，此后200年一直采用为当时的矿井通风教材。,.,7,“DeReMetallica”（GeorgusAgricola,1556）欧洲中世纪的情况，描述了用马匹和人力驱动离心式风机、木质导风管与风箱的连接、风门、井筒导流板等情况，还描述了窒息性气体（二氧化碳）以及瓦斯的爆炸性等危险。,.,8,现代化的局部通风机和主要通风机,19世纪初，英国煤矿采用水蒸气或空气为动力的喷射器进行通风，到1807年出现了活塞式空气泵，1898年出现以电力为动力的轴流式风机，20世纪40年代出现了大型离心式风机。,.,9,我国明代（13681644）南方地下采煤时用竹筒排放瓦斯实现自然通风。,.,10,（3）工业革命-信息时代采矿业经历了快速的发展，但由于当时的矿井通风技术水平较低，矿工主要受到尘肺病、矿井爆炸与火灾的威胁。在英国煤矿，大量的矿工由于矿井爆炸、火灾等而失去生命，最终促成在19世纪形成了矿井通风科学。1854年，英国人JohnAtkinson发表了著名的“OntheTheoryoftheVentilationofMines”，提出的Atkinson方程成为矿井通风工程的理论基础，但直到他去世60年后，人们才重新认识该理论的重要性。1920-1930年代，在航空推进器基础上开发出来的大型轴流式风机得到广泛的运用。在1950年代，人们开始采用模拟计算机模型来分析矿井通风网络。在1960-1970年代，由于对矿井通风能力的要求不断提高，很多矿井就着手对风井和地面主风机进行升级，而且大型风机设计取得了很大的突破，几乎在同一时期，人们在大型制冷技术领域也取得了进步（尤其在南非）。,.,11,（4）信息时代利用计算机对整个通风网络进行分析，可以利用计算机来预测矿井通风对主风机的性能要求，以及在复杂矿井网络中风流的分布。,.,12,（5）我国矿井通风技术的现状与未来机械通风，大多数采取分区通风，基本实现了矿井通风质量标准化管理；矿井通风设计、通风系统优化和监测工作的计算机化，矿井通风网络解算、主要通风机选型优化和风量优化调节等智能化、可视化；智能化通风仪表、新型环境监测系统和大功率高效风机。,.,13,矿井风流的非稳态流动理论以及采空区渗流理论为灾变时期风流实时控制、控制采空区漏风、防止自燃发火、寻找隐蔽火源、减少采空区瓦斯涌出和提高瓦斯抽采效果等技术提供理论依据；微电子控制与计算机管理在矿井通风及其管理技术中的运用包括新型自动化通风参数测试仪表的研制等；通风装备的大型化、高效率与自动控制技术；深、热矿井的通风理论和改善其环境条件的技术措施。,.,14,3.通风理论基础与学科内容,（1）学科基础矿井通风中，瓦斯的稀释排放、降尘降温等都是以为流体为工作介质，通过利用流体的的物理作用，有效地组织流体流动来得意实现的。因此要对矿井通风过程中的各种流体力学问题做出准确的判断和计算、正确解决专业范围内的流体力学设计和计算问题，都需要流体力学的基本知识。其在供热通风空调（HVAC）和燃气工程也有广泛的运用。除此以外，还涉及热力学、拓扑学、计算机等学科。,.,15,（2）主要内容：包括基本理论和实际应用两部分。矿井空气成分、物理性质与状态参数，有害气体的危害性与安全浓度要求；矿井风流流动特性、矿井风流能量及其变化、能量方程及其应用；矿井通风阻力特性、类型与测算；矿井通风动力、主要通风机类型与特性、通风机的联合工作；矿井通风网络中风流流动的基本规律、风量分配与调节、矿井通风网络解算；矿井通风设计与生产矿井通风系统技术改造；矿井通风设施；掘进通风；矿井通风管理与通风参数测量；矿内热环境与矿井空气调节。,.,16,4、课程特点、要求与学习方法,（1）课程特点理论性：矿井通风涉及流体力学、热力学、拓扑学和计算机技术、仪器仪表技术等学科基础，研究对象上包括各种巷道网络条件下的风流流动规律与解算、通风系统的可靠性与有效性、通风检测与监控仪表、通风机的工作原理、特性及其与矿井通风网络之间的相互作用等，因而具有较强的理论性。实践性：矿井通风主要针对煤矿开采过程中采、掘工作面的通风，通风方式与通风设施选取、运行等受矿山地质和开采工艺等诸多因素影响，因而矿井通风基本理论的运用具有较强的实践性。（2）基本要求学生应重点对矿井通风基本知识与基本理论加以理解与掌握，在应熟悉煤矿井下开采过程中开拓系统与采掘工作面的基本布置方式的基础上，理解掌握各种通风设施的基本原理、功能和适用条件，掌握矿井通风设计的基本内容，并能针对矿山实际情况进行矿井通风设计。（3）学习方法理论与实践并重,.,17,5、教材与参考资料,（1）教材通风安全学，张国枢主编，中国矿业大学出版社，2007年1月第2版（2）参考资料矿井通风，黄元平编，中国矿业大学出版社，1986年矿井通风与空气调节，赵以蕙编，中国矿业大学出版版，1990年中国煤炭工业百科全书安全卷Basicmineventilation.Revision5,AMCConsultantsPtyLtd.2005.,.,18,6、课程考核,平时成绩：作业、考勤、课堂表现，20%实验：20%综合考试：60%,.,19,第一章矿井空气,1.1矿内空气成分与基本性质,地面干空气主要成分,定义：地面空气进入矿井以后即称为矿内空气。地面空气则是由干空气和水蒸汽组成的混合气体，亦称为湿空气。,.,20,地面空气进入矿井以后成分和性质的变化氧浓度降低，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）。,.,21,有毒有害气体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：甲烷、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。,.,22,1.1.1氧气（O2）,性质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。此外，氧气是助燃物。,人体需氧量与劳动强度的关系,.,23,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。,.,24,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，井下采掘工作面的进风流中，氧含量不得低于20%。,.,25,1.1.2氮气（N2）,性质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。另外，由于氮气为惰性气体，可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井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。,.,26,1.1.3二氧化碳（CO2）,性质二氧化碳是无色，略带酸臭味的气体，比重为1.52（与空气的相对密度），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。,.,27,二氧化碳中毒症状与浓度的关系,.,28,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；煤炭自然；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CO2不超过0.5%；总回风流中，CO2不超过0.75%；当采掘工作面风流中CO2浓度达到1.5%或采区、采掘工作面回风道风流CO2浓度超过1.5%时，需要停工处理。,.,29,1.1.4一氧化碳（CO）,性质CO是一种无色、无味、无臭的气体，相对对密度为0.97，微溶于水，能与空气均匀地混合。CO能燃烧，浓度在1375%时有爆炸的危险；CO与人体血液中血红素的亲合力比氧大150300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”。,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。矿内空气中CO浓度不得超过0.0024%。,.,30,一氧化碳对人的生理作用,.,31,1.1.5二氧化硫(SO2),性质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与水后生成硫酸,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%。,.,32,1.1.6二氧化氮(NO2),性质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624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。,.,33,二氧化氮中毒症状与浓度的关系,规程规定二氧化氮最高允许浓度为0.00025%。,.,34,1.1.7硫化氢（H2S）,性质硫化氢无色、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%。,.,35,2003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。,.,36,1.1.8氨气（NH3）,性质氨气是一种无色、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%。,.,37,1.1.9氢气（H2）,性质氢气无色、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100200，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。,.,38,1.1.10瓦斯（CH4）,矿井瓦斯的主要成分与性质矿井瓦斯是指矿井内释放出的90%以上的甲烷及少量的乙烷等气体的总称，因此，瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是一种无色、无味、无臭的无毒气体，对空气的相对密度为0.55，难溶于水，扩散性较空气高1.6倍。浓度高时，引起窒息。不助燃，但在空气中具有一定浓度（5%16%）并遇到高温（650C750C）引起爆炸。,矿井瓦斯涌出在煤层中或其附近进行采掘工作时，在采动影响下煤岩的原始状态受到破坏，发生破裂、卸压膨胀变形，地应力重新分布等变化，部分煤岩的透气性增加，游离瓦斯在压力作用下，经由煤层裂隙通道或暴露面渗流出并涌向采掘空间。随着采掘工作的不断进行，煤体和围岩受到采动影响的范围不断扩大，瓦斯能够长时间、持续地从煤体中释放出来，这是瓦斯涌出的基本形式。如果瓦斯瓦斯涌出在时间上比较突然、空间上集中、大量的瓦斯涌出，则表现为瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。,.,39,矿井瓦斯等级按照qg、Qg和瓦斯涌出形式，对矿井进行分级：qg10m3/t，且Qg40m3/min，为低瓦斯矿井；qg10m3/t，且Qg40m3/min，为高瓦斯矿井；有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出的，为煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。煤矿安全规程规定：采掘进风中CH4浓度不得大于0.5%，矿井总回风和一翼回风中CH4浓度不得大于0.75%；采掘回风中CH4浓度不得大于1.0%。,.,40,1.2矿内气候条件,1.2.1矿井气候与人体热平衡,矿井气候：是矿井空气温度、湿度和流速三个参数的综合作用状态，其对井下作业人员身体健康和劳动安全又重要的影响。人体热平衡：人从食物中摄取营养，在体内缓慢氧化生成热量，一部分用于维持人体正常生理机能和满足对外做功的需要，其余部分则必须通过散热方式排出到体外，从而维持人体热平衡，以保持人体正常生理功能。当人体处于热平衡会感觉舒适，当由于外界因素导致人体热平衡受到破坏时，人体温度升高或降低，产生不舒适感、严重时甚至可能导致疾病或死亡。人体散热方式与影响因素：包括对流、蒸发和辐射三类散热方式，空气温度对人体散热方式有重要的影响，空气温度、湿度和风速是影响人体散热情况的三种主要因素。,.,41,空气温度、湿度和风速对气候条件的影响方式当空气温度较低时（低于体温），主要散热方式为对流、辐射，且温差越大，对流散热越快。当空气温度较高时（大于或等于体温），对流散热完全停止、汗液蒸发是人体散热的主要方式。对于蒸发散热，其散热快慢与空气的相对湿度有关，若相对湿度较大，则难于蒸发，蒸发散热效果差，在较高的温度下人感觉闷热；相反，当气温较低时，若相对湿度较大，加剧潮湿空气对人体的冷感。风速会影响人体的对流散热和蒸发散热效果。风速越大、对流换热强度越大，同时蒸发散热、散湿的效果也增强。但实际情况下，并非风速越高越好。一般地，在不同的井下空气温度下，应采用比较适宜的风速。结论矿井气候对人体热平衡的影响是空气温度、湿度和风速三种因素的综合作用。人在高温、潮湿、风速小的环境中，人体散热慢，出现体温升高、心率加快、身体不舒适等症状，严重时可能导致中暑、死亡等，相反，如果在低温、干燥、风速大的环境，则由于人体散热过快，使体温降低很快，导致感冒或其他疾病。因此，调节盖伞矿井矿井气候是矿井通风的基本任务之一。,.,42,风速与矿井空气温度的合适关系,.,43,1.2.2矿内空气温度及其影响因素,矿内空气温度是影响矿内气候条件的重要因素。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1520。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；,.,44,不同深度处的岩层温度可按式计算：tt0+G(ZZ0)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。,.,45,2）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0.80.9。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。,.,46,4）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。,.,47,6)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。,.,48,2矿内空气温度的变化规律,在进风路线上，受围岩温度、几点设备散热、煤炭等氧化放热等多种因素影响，地面空气进入矿井后，其温度一般随流经的距离增长逐渐增高，通常在回采工作面等区域达到最高温度。但矿内空气的温度与地面气温相比，仍有有冬暖夏凉的现象。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。,.,49,1.2.3矿内空气的湿度,空气湿度的概念：湿度是表征空气中所含水蒸气量或空气潮湿程度的指标，分为绝对湿度和相对湿度。因此，矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量。绝对湿度指每1m3或1kg的湿空气中所含水蒸汽量的克数。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，反映空气所含水蒸气量接近饱和的程度。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取决于空气的温度。注：煤矿常用相对湿度来表示矿井空气湿度，高温下下，湿度越大，汗液难于蒸发，人会感觉闷热，低温下，湿度越大，空气潮湿，加剧冷感；湿度越低，空气越干燥，吸收水分的能力越强。,.,50,井下空气湿度的变化规律在进风线路上，在冬季，地面空气进入矿井后，温度升高，空气能容纳的水蒸汽量增大，因而进风巷空气相对湿度较低，空气较为干燥，能沿途吸收水分；在夏季，入井空气温度降低，空气能容纳的水蒸汽量降低，因此进风巷的空气相对较为潮湿，甚至部分水蒸气凝结形成水珠，因此有时可以观察到进风井巷有淋水的情况。总之，在进风巷有可能出现冬干夏湿的现象。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。,.,51,1.2.4衡量矿井气候条件的指标,干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的主要指标之一。一般由于矿井空气的相对湿度变化不大，干球温度在一定程度上反映了矿井气候条件的好坏，且简单方便。但严格地讲，该指标仅反映了气温的影响，没有反映气候条件对人体热平衡的综合影响，有一定的局限性。湿球温度在相同的干球温度下，若湿球温度较低，表明相对湿度较小，反之若湿球温度与干球温度相近，则表明相对湿度较大。因此，湿球温度可以反映空气温度和相对湿度对人体热平衡的综合影响，比干球温度指标更为合理，但是该指标仍未能反映风速的影响。等效温