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矿井通风
第一章矿井空气
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,最后将污浊空气排出矿井的全过程称为矿井通风。
第二节矿井空气中的有害气体
空气中常见有害气体:
CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2
1、一氧化碳(CO)
一氧化碳是一种无色、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。
一氧化碳能燃烧,当空气中一氧化碳浓度在13~75%范围内时有爆炸的危险。
主要危害:
造成人体血液“窒息”。
主要来源:
爆破;矿井火灾;煤炭自燃以及煤尘瓦斯爆炸事故等。
2、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,但当浓度较高时,因嗅觉神经中毒麻痹,反而嗅不到。
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,所以它可能积存于旧巷的积水中。
硫化氢能燃烧,空气中硫化氢浓度为4.3~45.5%时有爆炸危险。
主要来源:
有机物腐烂;含硫矿物的水解;矿物氧化和燃烧;从老空区和旧巷积水中放出。
主要危害:
硫化氢剧毒,有强烈的刺激作用;能阻碍生物氧化过程,使人体缺氧。
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。
浓度标准0.00066%
3、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。
主要危害:
二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸,对眼睛、呼吸道粘膜和肺部有强烈的刺激及腐蚀作用,二氧化氮中毒有潜伏期,中毒者指头出现黄色斑点。
0.01%出现严重中毒。
主要来源:
井下爆破工作。
4.二氧化硫(SO2)
二氧化硫无色、有强烈的硫磺气味及酸味,空气中浓度达到0.0005%即可嗅到。
其相对密度为2.22,易溶于水。
主要危害:
遇水后生成硫酸,对眼睛及呼吸系统粘膜有强烈的刺激作用,可引起喉炎和肺水肿。
当浓度达到0.002%时,眼及呼吸器官即感到有强烈的刺激;浓度达0.05%时,短时间内即有致命危险。
主要来源:
含硫矿物的氧化与自燃;在含硫矿物中爆破;以及从含硫矿层中涌出。
5.氨气(NH3)
无色、有浓烈臭味的气体,相对密度为0.596,易溶于水。
空气浓度中达30%时有爆炸危险。
主要危害:
氨气对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用,可引起喉头水肿。
主要来源:
爆破工作,注凝胶、水灭火等;部分岩层中也有氨气涌出。
6.氢气(H2)
无色、无味、无毒,相对密度为0.07。
氢气能自燃,其点燃温度比沼气低100~200℃,
主要危害:
当空气中氢气浓度为4~74%时有爆炸危险。
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、或煤氧化。
主要有害气体中:
CO、H2S、NH3、H2等有爆炸危险性。
有害气体名称 符号最高容许浓度/%
一氧化碳 CO0.0024
氧化氮(折算成二氧化氮)NO2 0.00025
二氧化硫SO20.0005
硫化氢H2S0.00066
氨NH30.004
氢 H2 0.5%
第三节矿井气候
矿井气候:
温度、湿度和流速
一、矿井气候对人体热平衡的影响
矿井气候条件的三要素是影响人体热平衡的主要因素。
1、空气温度:
对人体对流散热起着主要作用。
2、相对湿度:
影响人体蒸发散热的效果。
3、风速:
影响人体的对流散热和蒸发散热的效果。
二、衡量矿井气候条件的指标
1.干球温度
2.湿球温度
3.等效温度
4.同感温度
5.卡他度
我国煤矿安全《规程》规定采掘工作面温度不得超过26℃,机电硐室温度不得超过30℃。
第二章矿井空气流动的基本理论
第一节空气的主要物理参数
一、温度
温度是描述物体冷热状态的物理量。
测量温度的标尺简称温标。
矿井表示气候条件的主要参数之一。
国际单位为:
热力学温标,其单位为K(kelvin),用符号T来表示
常用的摄氏温标为实用温标,用t表示,单位为摄氏度℃。
摄氏温标的每1℃与热力学温标的每1K完全相同,它们之间的关系为:
T=273.15+t
二、压力(压强)
大气压力:
地球表面一层很厚的空气层对地面所形成的压力。
其大小取决于大重力场中位置相对高度,空气相对温度、湿度(相对湿度)和气体成分等参数。
空气的压力也称为空气的静压,用符号P表示。
一般来讲,在同一水平面,不大的范围内,可以认为空气压力是相同的。
矿井常用压强单位:
PaMpammHgmmH20barmmbaratm等。
换算关系:
1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa
1mmHg=13.6mmH20=133.32Pa
1mmbar=100Pa=10.19mmH20
1mmH20=9.81Pa
三、湿度
表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。
表示空气湿度的方法:
绝对湿度、相对温度和含湿量三种。
1、绝对湿度
每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对湿度。
其单位与密度单位相同(Kg/m3),其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。
v=Mv/V
饱和空气:
在一定的温度和压力下,单位体积空气所能容纳水蒸汽量是有极限的,超过这一极限值,多余的水蒸汽就会凝结出来。
这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气,这时水蒸气分压力叫饱和水蒸分压力,PS,其所含的水蒸汽量叫饱和湿度s。
2、相对湿度
单位体积空气中实际含有的水蒸汽量(V)与其同温度下的饱和水蒸汽含量(S)之比称为空气的相对湿度
φ=V/S反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。
Φ愈小空气愈干燥,φ=0为干空气;
φ愈大空气愈潮湿,φ=1为饱和空气。
温度下降,其相对湿度增大,冷却到φ=1时的温度称为露点
3、含湿量
含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量(kg)称为空气的含湿量。
d=V/d,
四、密度
单位体积空气所具有的质量称为空气的密度,与P、t、湿度等有关。
湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和。
湿空气密度计算公式:
五、粘性
流体抵抗剪切力的性质。
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。
其大小主要取决于温度。
温度是影响流体粘性主要因素,气体随温度升高而增大,而液体降低
第二节风流的能量与压力
一、风流的能量与压力
1.静压能-静压
2、重力位能
3.动能-动压
4.全压
风道中任一点风流,在其流动方向上同时存在静压和动压,两者之和称之为该点风流的全压,即:
全压=静压+动压。
由于静压有绝对和相对之分,故全压也有绝对和相对之分。
A、绝对全压(Pti)Pti=Pi+hvi
B、相对全压(hti)hti=hi+hvi=Pti-Poi
说明:
A、相对全压有正负之分;
B、无论正压通风还是负压通风,Pti>Pihti>hi。
二、风流的点压力之间相互关系
风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。
通风管道中流动的风流的点压力可分为:
静压、动压和全压。
风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为:
hvi=Pti-Pi
hvi、hI和hti三者之间的关系为:
hti=hi+hvi。
压入式通风(正压通风):
风流中任一点的相对全压恒为正。
∵PtiandPi>Poi
∴hi>0,hti>0且hti>hi,hti=hi+hvi
压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加,即出口风流的绝对压力大于风机进口的压力。
抽出式通风(负压通风):
风流中任一点的相对全压恒为负,对于抽出式通风由于hti和hi为负,实际计算时取其绝对值进行计算。
∵PtiandPi<Poi
hti<0且hti>hi,但|hti|<|hi|
实际应用中,因为负通风风流的相对全压和相对静压均为负值,故在计算过程中取其绝对值进行计算。
即:
|hti|=|hi|-hvi
抽出式通风的实质是使风机入口风流的能量降低,即入口风流的绝对压力小于风机出口的压力。
第三节矿井通风中的能量方程
一、空气流动连续性方程
在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质,充满它所流经的空间。
在无点源或点汇存在时,根据质量守恒定律:
对于稳定流,流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。
单位质量可压缩空气井巷中流动时能量方程:
有压源Lt在时
单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程可写成如下一般形式。
有压源Lt在时,单位质量可压缩空气井巷中流动时能量方程可写成如下一般形式。
国内最常用的公式:
第三章井巷通风阻力
第一节井巷断面上风速分布
《规程》规定,井巷中最低允许风速为0.15m/s,由此可见,矿井内所有通风井巷中的风流均呈紊流状态。
第二节摩擦风阻与阻力
1、摩擦阻力
风流在井巷中作沿程流动时,由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。
紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式:
标准摩擦阻力系数
支架间距(棚距)L与文拄的直径或纵向厚度d。
之比,即支架的纵口径Δ来表示巷道的轴向相对糙度
2.摩擦风阻Rf
紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式
《规程》:
新井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定,以后每3年至少进行1次。
第四节矿井总风阻与矿井等积孔
1、矿井总风阻
从入风井口到主要通风机入口,把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来,就得到矿井通风总阻力hRm,这就是井巷通风阻力的叠加原则。
已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q,即可求得矿井总风阻:
2、矿井等积孔
我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。
假定在无限空间有一薄壁,在薄壁上开一面积为A(m2)的孔口。
当孔口通过的风量等于矿井风量,且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时,则孔口面积A称为该矿井的等积孔。
取ρ=1.2kg/m3,则:
因Rm=hRm/Q2,故有
A是Rm的函数,故可以表示矿井通风的难易程度。
我国按等积孔大小确定矿井通风难易程度的标准为:
A<1m2,通风困难;A>2m2,通风容易。
第五节降低矿井通风阻力措施
一、降低井巷摩擦阻力措施
1.减小摩擦阻力系数α。
2.保证有足够大的井巷断面。
在其它参数不变时,井巷断面扩大33%,Rf值可减少50%。
3.选用周长较小的井巷。
在井巷断面相同的条件下,圆形断面的周长最小,拱形断面次之,矩形、梯形断面的周长较大。
4.减少巷道长度。
5.避免巷道内风量过于集中。
二、降低局部阻力措施
局部阻力与ξ值成正比,与断面的平方成反比。
因此,为降低局部阻力,
1、应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小,断面大小悬殊的井巷,其连接处断面应逐渐变化。
2、尽可能避免井巷直角转弯或大于90°的转弯,在巷道转弯的内侧或内外两侧作成斜线形或圆弧形,将位于风流正面的某些必要构件或设备作成流线形等。
3、主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。
4、要加强矿井总回风道的维护和管理,对冒顶、片帮和积水处要及时处理。
5、由于局部阻力和通过该处风量的平方成正比,所以应努力做到降低高风量处的局部阻力。
特别注意降低总回风道和风峒的局部阻力。
为此要及时清扫风峒
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