矿内空气简介

矿井内各种气体，蒸气和矿尘混合物的总称。当其成分与地面空气近似时，称矿内新鲜空气。地面空气进入矿井后，由于物质氧化、分解和其他气体与矿尘的混入，成分发生变化。O2减少，CO2增加,混入的有害气体通常有CH4、CO2、CO、H2S、NOx、SO2、H2、Hg和As的蒸气以及内燃机的废气等。开采含 U(铀)、Th(钍)等伴生元素的金属矿床时，还将混入放射性气体Rn(氡)及其子体(RaA～RaD)（见矿山辐射防护）。矿内空气的温度和湿度主要决定于矿物与岩层的物理化学性质、开采深度、生产工艺、地理和地质因素。个别矿井气温可达30℃以上。煤矿和金属矿内空气的相对湿度一般为80～90%,涌水量大的巷道内可达100%。盐类矿涌水量小,盐类吸湿性强，相对湿度约15～16%。水灾、爆炸事故以及大爆破后，空气被毒化。瓦斯突出区或封闭火区，氧浓度显著降低。

空气中氧浓度降到15～17%时，人体因缺氧而呼吸困难,心律加快,逐渐丧失劳动能力;降到9%时能很快窒息死亡。中国矿山安全条例规定，矿内工作地点氧浓度不得低于20%。矿内常见有毒有害气体的主要来源、危害性和允许浓度 。

防止矿内空气污染最普遍采用的有效措施是矿井通风。为了减少空气中有毒有害气体和矿尘，还应采取以下措施：①防止进风污染；②改进生产工艺和设备；③加强采空区密闭，防止有害气体涌出；④防止发生火灾和爆炸事故；⑤抽放瓦斯（见瓦斯抽放）；⑥用水或化学品水溶液，吸收可溶性有害气体。

井下空气的主要来源是地面空气（大气），它是由多种气体组成的干空气和水蒸汽组合而成的混合气体。通常状况下，干空气各组分的数量基本不变（表1-1-1）。在混合气体中，水蒸汽的浓度随地区和季节而变化，其平均浓度约为1 %；此外还含有尘埃和烟雾等杂质 。

表1-1-1 干空气主要成分

为便于测量与计算，气体的浓度一般按体积百分计，如无特殊说明，以下均指体积浓度。

地面空气进入矿井以后，由于受到污染，其成分和性质要发生一系列的变化，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）。矿内空气主要成分除氧气（O₂）、氮气（N₂）、二氧化碳（CO₂）、水蒸汽（H₂O）以外，还混入大量的有害气体，如瓦斯（CH₄）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H₂S）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、氨气（NH₃）、氢气（H₂）和矿尘等。

矿内空气氧气（O2）

氧气是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体，比重为1.105。矿内氧气来源于进入矿井的地面大气所固有的含量。由于矿内各有机物（木材、支架等）和无机物（矿物、岩石）的氧化，矿物自燃，矿井火灾，以及瓦斯、煤尘爆炸等，都要直接消耗氧气，此外，井巷内不断放出的各种有害气体，也相对的降低氧气的浓度。

当空气中的氧浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现种种不舒适的症状，严重时可能导致缺氧死亡。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系如表1-1-2所示.。

表1-1-2 人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系

造成矿井空气中氧气浓度降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩和其他有机物的缓慢氧化；煤炭自然；瓦斯、煤尘爆炸。此外，煤岩和生产过程中产生的各种有害气体，也使空气中的氧气浓度相对降低。所以，在井下通风不良的地点，空气中的氧气浓度可能显著降低，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》（以下简称《规程》）规定，采掘工作面的进风流中氧气浓度不得低于20 %。为此，必须对矿井进行不断的通风，将适量的新鲜空气源源不断地送到井下。这是矿井通风最基本的任务之一。

矿内空气氮气（N2）

氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，对空气的相对密度为0.97，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。在正常情况下，氮气对人体无害，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。在废弃的旧巷或隔离着的火区内，可积存大量的氮，使氧浓度相对地减少，使人因缺氧而窒息。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。

矿内空气二氧化碳（CO2）

二氧化碳是无色略带酸臭味的气体，对空气的相对密度为1.52，是一种较重的气体，很难与空气均匀混合，常积聚于巷道的底部、井筒和下山的掘进迎头，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助燃也不能供人呼吸，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，它对人的呼吸有刺激作用，如果空气中完全不含有二氧化碳，人体的正常呼吸功能就不能维持。当肺泡中二氧化碳增多时，能刺激人的呼吸神经中枢，引起呼吸频繁，呼吸量增加，所以在急救受有害气体伤害的患者时，常常首先让其吸入含有5 %二氧化碳的氧气以加强呼吸。但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。空气中二氧化碳对人体的危害程度与浓度的关系如表1-1-3所示。

表1-1-3 二氧化碳中毒症状与浓度的关系

二氧化碳的主要来源有：有机物的氧化；人员的呼吸；煤和岩石的缓慢氧化，以及矿井水与碳酸性岩石的分解作用；爆破工作，矿内火灾，煤炭自燃以及瓦斯、煤尘爆炸时，也能产生大量二氧化碳。此外，有的煤层或岩层能长期连续放出二氧化碳，甚至有的煤层在短时间内大量喷出或与大量煤粉同时喷出二氧化碳。发生这种现象时，往往会造成严重破坏性事故。例如吉林省营城煤矿五井，在1976年6月曾发生一次CO₂和岩石突出，突出岩石1005 t，CO₂11000 m。法国也曾发生过CO₂突出的事故。

《规程》规定：采掘工作面的进风流中，二氧化碳不超过0.5 %。采区回风巷和采掘工作面回风巷回风流中二氧化碳浓度达到1.5 %时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理。总回风巷或一翼回风巷中，二氧化碳超过0.75 %时，必须查明原因，进行处理。

矿井常见的有害气体有一氧化碳、硫化氢、二氧化氮、二氧化硫、氨气、瓦斯等 。下面分别介绍之。

矿内空气一氧化碳（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，但能溶于氨水，能与空气均匀地混合。与酸、碱不起反应，只能被活性炭少量吸附。

一氧化碳能燃烧，当空气中一氧化碳浓度在13 %～75 %时有爆炸的危险。

一氧化碳是一种对血液、神经有害的毒物。一氧化碳随空气吸人体内后，通过肺泡进入血液，并与血液中的血红蛋白结合。一氧化碳与血红蛋白的结合力比氧与血红蛋白的结合力大200~300倍。一氧化碳与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白(COHb)，不仅减少了血球携氧能力，而且抑制、减缓氧和血红蛋白的解析与氧的释放。一氧化碳对人的危害主要取决于空气中一氧化碳的浓度和与人的接触时间(见表1-1-4、图1-1-1)．一氧化碳还可导致心肌损伤，对中枢神经系统特别是锥体外系统也有损害，经实验证明一氧化碳还可引起慢性中毒。

表1-1-4 一氧化碳中毒症状与浓度的关系

矿内爆破作业、煤炭自燃及发生火灾或煤尘、瓦斯爆炸时都能产生一氧化碳。

《规程》规定其最高容许浓度为0.0024 %。

矿内空气硫化氢（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。

硫化氢有剧毒，有强烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、气管炎和肺水肿；而且还能阻碍生物的氧化过程，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，腐蚀刺激作用往往不明显。硫化氢中毒症状与浓度的关系如表1-1-5所示。

表1-1-5　硫化氢中毒症状与浓度的关系

空气中硫化氢的主要来源：有机物腐烂；含硫矿物的水解；矿物氧化和燃烧；从老空区和废旧巷道积水中放出；我国有些矿区煤层中也有硫化氢涌出。

《规程》规定：井下空气中硫化氢含量不得超过0.00066 %。

矿内空气二氧化氮（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，易溶于水生成HNO₃，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，有的在严惩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，并出现严惩的咳嗽、头痛、呕吐甚至死亡。二氧化氮中毒症状与浓度的关系如表1-1-6所示。

表1-1-6 二氧化氮中毒症状与浓度的关系

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 %。

矿内空气二氧化硫（SO2）

二氧化硫为无色气体，具有强烈的硫磺气味及酸味，对空气的相对密度为1.4337，易积聚在巷道底部。易溶于水。

矿内含硫矿物氧化、燃烧及在含硫矿物中爆破都会产生二氧化硫。含硫矿层也涌出二氧化硫。

二氧化硫能被眼结膜和上呼吸道粘膜的富水粘液吸收，刺激眼粘膜和鼻咽等粘膜；在潮湿的矿内，能与空气中水分结合缓慢地形成硫酸（H₂SO₄），使其刺激作用更强。当空气中浓度为0.3～l ppm时，健康人可由嗅觉感知，使呼吸道轻度收缩，呼气中受阻，4～6 ppm时，则对鼻咽及呼吸道粘膜有强烈刺激作用。长时间在二氧化硫浓度为5～10 ppm(或更低)的环境中呼吸，可引起慢性支气管炎，慢性鼻咽炎。呼吸道阻力增大、呼吸道炎症及肺泡本身受到二氧化硫破坏的结果，可导致肺气肿和支气管哮喘。吸入含高浓度的二氧化硫空气，可引起急性支气管炎，发生声门水肿和呼吸道麻痹，浓度为400～500 ppm时可立即危及生命。

《规程》规定矿内空气中二氧化硫最高容许浓度为0.0005 %。

矿内空气氨气（NH3）

氨气为无色和有剧毒的气体，对空气的相对密度为0.9，易溶于水，对人体有毒害作用，《规程》规定，矿内最大容许浓度为0.004 %(30 mg/m)。但当其浓度达到0.0l %对就可嗅到其特殊臭味。氨气主要在矿内发生火灾或爆炸事故时产生。

矿内空气瓦斯（CH4）

瓦斯的主要成分是甲烷（CH₄），甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，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。虽然无毒，但当浓度较高时，会引起窒息。不助燃，但在空气中具有一定浓度（5~16 %）并遇到高温（650～750 ℃）时能引起爆炸。《规程》规定，工作面进风流中CH₄的浓度不能大于0.5 %，采掘工作面和采区的回风流中CH₄的浓度不能大于1.0 %，矿井和一翼的总回风流中，CH₄最高容许浓度为0.75 %。

矿内空气氢气（H2）

氢气无色无味，具有爆炸性，在矿井火灾或爆炸事故中和井下充电硐室均会产生，其最高容许浓度为0.5 %。

矿内空气其它有害物质

矿内空气除了上述有害气体外，还含有其他一些有害物质，如在采掘生产过程中所产生的煤和岩石的细微颗粒(统称为矿尘)。矿尘对矿内空气的污染不容忽视。矿尘对矿井生产和人体都有严重危害。煤尘能引起爆炸；粉尘特别是呼吸性粉尘能引起矿工尘肺病。因此《规程》对作业场所空气中粉尘（总粉尘、呼吸性粉尘）浓度作了如表1-1-7的规定。

表1-1-7作业场所空气中粉尘浓度标准

此外，井下小型空气压缩机产生的废气及使用柴油机的矿井柴油机排出的废气也都污染了矿内空气，这些废气的主要成分为氮的氧化物，一氧化碳，醛类和油烟等。

矿内空气密度

单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号ρ表示。空气可以看作是均质气体 。

矿内空气比容

空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号(m/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。

在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度和压力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化。在不同的矿井其变化规律是不同的。在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变化，而在什么条件下又是不可忽略的。

矿内空气粘性

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）以便阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。例如，空气在管道内以速度u作层流流动时，管壁附近的流速较小，向管道轴线方向流速逐渐增大，如同把管内的空气分成若干薄层，温度是影响流体粘性的主要因素之一，但对气体和液体的影响不同。气体的粘性随温度的升高而增大；液体的粘性随温度的升高而减小。

矿内空气比热

为了计算热力过程的热交换量，必须知道单位数量气体的热容量或比热。单位物量的气体，升高或降低绝对温度1 K时所吸收或放出的热量称为比热。

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(Nm)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。

质量比热的符号c，表示1 kg空气高或降低1K时所吸收或放出的热量，单位是J/（kg∙K）。

容积比热的符号是c′，表示1 Nm体积空气升高或降低1 K时所吸收或放出的热量，单位是J/（Nm∙K）。

摩尔比热的符号是C或MC，表示1 kmol空气升高或降低1K时所吸收或放出的热量，单位是J/（kmol∙K）。

矿内空气内能

内能是指气体内部分子热运动的内动能和由分子间相互吸引所产生的势能的总和。质量为m kg的气体内能用U表示，单位是kJ；单位质量的内能用u表示，称为比内能，单位为kJ/kg，即

u=U/m kJ/kg

空气的动能决定于气体的绝对温度T，动能越大，温度越高；而气体分子的内能则决定于分子间的距离，即决定于空气的比容v，故空气的内能u是T和v的函数，即u=f（T，v）。内能是气体状态的参量之一，但它不是独立的参量，它可由气体状态的基本参量T和v求出。因此，气体的内能就是气体在一定状态下所具有的能量，这种能量的改变只决定于始末两个状态的改变。

井下空气可视为理想气体，而理想气体是没有势能的，故井下空气的内能和比容无关，只是绝对温度的函数。

矿内空气焓

焓是一个组合的状态参数，是指一定状态下的湿空气的内能与流动功之和。

矿内空气熵

熵是一个导出的状态参数。对简单可压缩均匀系（即只有两个独立变量的热力系）。

（1） 岩石温度 矿内空气的温度与岩石温度直接相关。地表温度是随地面气温的变化而变化的，随着深度的增加，地温随气温变化的幅度则逐渐减小，当达到一定深度时，地温不再变化。岩层温度的三带：

变温带——随地面气温的变化而变化的地带。夏季岩层从空气中吸热而使地温升高，冬季则相反；

恒温带——地表下地温常年不变的地带。恒温带的深度一般为20～30米，恒温带的温度则接近于当地的年平均气温；

增温带——恒温带以下地带。随深度的增加成正比增加，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℃/100 m；

Z－岩层的深度，m；

Z₀－恒温带的深度，m。

（2） 空气的压缩与膨胀 空气向下流动时，由于空气柱的增加，空气受到压缩而产生热量，一般垂深每增加100 m，其温度升高1 ℃；相反，空气向上流动时，则又因膨胀而降温，平均每升高100 m，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2 g二氧化碳时，可使1 3 m空气升温14.5 ℃。在煤层中的采准巷道，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。

（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1 m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。

（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。

（8）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。

矿内空气湿度是指矿内空气中所含水蒸汽量 。

矿内空气湿度的表示方式

空气的湿度表示空气中所含水蒸气量的多少或潮湿程度，表示空气湿度的方法有绝对湿度、相对湿度和含湿量三种。

绝对湿度 指单位容积或单位质量湿空气中含有水蒸汽的质量，用表示。其单位与密度的单位相同，其数值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。在温度不变的条件下，单位体积空气所能容纳的水蒸汽分子数是有一定限度的，超过这一限度，多余的水蒸汽就会凝结出来。这种含有最大限度水蒸汽量的湿空气叫做饱和空气；其所含水蒸汽量叫饱和湿度，用表示，此时的水蒸汽分压力叫做饱和水蒸汽压力，用P_s表示。

矿内空气影响湿度的因素

(1)地面湿度随季节变化较大，阴雨季节湿度较大，夏季相对湿度较低，但气温较高，冬季相对湿度较大，但气温较低，绝对湿度并不太高。地面湿度除受季节影响外，还与地理位置有关，我国湿度分布，沿海地区较高(平均为70～80%)，向内陆逐渐降低，西北地区达最低值(平均为30～40 %)。

(2)当矿井涌水量较大或滴水较多，由于水珠易于蒸发，则井下比较潮湿，一般金属矿山井下湿度在80~90%左右。在盐矿，涌水较小，且盐类吸湿性较强，相对湿度一般为15～25 %。2100433B

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