礦井通風與安全(中國礦業(yè)大學課件)第1章礦內空氣.ppt

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1、秦波濤 王德明 安全工程學院,礦井通風與安全 Mine Ventilation and Safety,中國礦業(yè)大學多媒體教學課件,礦井通風系統(tǒng)組成,,礦井通風概念:依靠通風動力，將定量的新鮮空氣，沿著既定的通風路線不斷地輸入井下，以滿足各用風地點的需要，同時將用過的污濁空氣不斷地排出地面。這種對礦井不斷輸入新鮮空氣和排出污濁空氣的作業(yè)過程叫做礦井通風。 礦井通風目的:是為井下各工作地點提供足夠的新鮮空氣，使其中有毒有害氣體、粉塵不超過規(guī)定值，并有適宜的氣候條件。,第1章 礦內空氣,中國礦業(yè)大學多媒體教學課件,第1章 礦內空氣,1.1 礦內空氣成分及其基本性質 1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù)

2、 1.3 礦井氣候 1.4 礦內空氣的熱力變化過程 1.5 實際氣體的狀態(tài)方程 ,學習目標、重點與難點,學習目標 1、礦內空氣的主要成分 2、井下常見的有害氣體 3、礦內空氣的主要物理參數(shù) 4、礦井的氣候條件，礦內空氣的溫度、濕度，風速，礦內氣候參數(shù)的測定。 重點與難點 1、礦內空氣主要成分及其性質 2、井下常見的有害氣體、來源及最高允許濃度 3、礦井的氣候條件（溫度、濕度，風速）,1.1 礦內空氣成分及其基本性質,1.1.1 礦內空氣的主要成分 1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,,1.1 礦內空氣成分及其基本性質,1.1.1 礦內空氣的主要成分 井下空氣的主要來源是地面空氣。

3、地面空氣是由多種氣體組成的干空氣和水蒸汽組合而成的混合氣體。 通常狀況下，干空氣各組分的數(shù)量基本不變。在混合氣體中，水蒸汽的濃度隨地區(qū)和季節(jié)而變化，其平均濃度約為1 %；此外還含有塵埃和煙霧等雜質。,表1-1-1 干空氣主要成分,1.1.1 礦內空氣的主要成分,地面空氣進入礦井以后，由于受到污染，其成分和性質要發(fā)生一系列的變化，如氧濃度降低，二氧化碳濃度增加。 一般來說，將井巷中經過用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內的空氣稱為新鮮空氣（新風）；經過用風地點以后、受污染程度較重的回風巷道內的空氣，稱為污濁空氣（乏風）。 礦內空氣主要成分除氧氣（O2）、氮氣（N2）、二氧化碳（CO2）、水蒸

4、汽（H2O）以外， 有時還混入一些有害氣體，如瓦斯（CH4）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、氨氣（NH3）、氫氣（H2）和礦塵等。,1.1.1 礦內空氣的主要成分,（1） 氧氣（O2） 氧氣是維持人體正常生理機能所需要的氣體。人類在生命活動過程中，必須不斷吸入氧氣，呼出二氧化碳。人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取決于人的體質、精神狀態(tài)和勞動強度等。 空氣中氧的濃度對人的健康影響很大。最有利于呼吸的氧濃度為21%左右；當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產生不良的生理反應，出現(xiàn)種種不舒適的癥狀，嚴重時可能導致缺氧死亡。,人體需氧量與勞動強度的關系,當

5、空氣中氧濃度降低時，人體就可能產生不良生理反應，出現(xiàn)種種不適癥狀，嚴重時可能導致缺氧死亡。,人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關系,（1） 氧氣（O2）,礦內空氣中氧濃度降低的主要原因 人員呼吸 煤巖和其他有機物的緩慢氧化 煤炭自燃 瓦斯、煤塵爆炸 煤巖和生產過程中產生的各種有害氣體稀釋 在井下通風不良的地點，如果不經檢查而貿然進入，就可能引起人員的缺氧窒息。,煤礦安全規(guī)程規(guī)定，采掘工作面的進風流中氧氣濃度（按體積百分比計算）不得低于20%。 為此，必須對礦井進行不斷的通風，將適量的新鮮空氣源源不斷地送到井下。這是礦井通風最基本的任務之一。,1.1.1 礦內空氣的主要成分,（2）氮氣（N2） 氮氣是

6、無色、無味、無臭的惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，對空氣的相對密度為0.97，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。 但空氣中若氮氣濃度升高，則勢必造成氧濃度相對降低，從而也可能導致人員的窒息性傷害。正因為氮氣為惰性氣體，因此又可將其用于井下防滅火和防止瓦斯爆炸。 礦井空氣中氮氣主要來源是：地面大氣、井下爆破和生物的腐爛，有些煤巖層中也有氮氣涌出。,1.1.1 礦內空氣的主要成分,（3）二氧化碳（CO2） 二氧化碳是無色，略帶酸臭味的氣體，比重為1.52，是一種較重的氣體，很難與空氣 均勻混合，故常積存在巷道的底部，在靜止的空氣中有明顯的分界。二氧化碳不助然也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水

7、溶液成弱酸性，對眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。 在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對人體是無害的，但如果空氣中完全不含有二氧化碳，則人體的正常呼吸功能就不能維持。,二氧化碳對人呼吸的影響 在搶救遇難者進行人工輸氧時，往往要在氧氣中加入5%的二氧化碳，以刺激遇難者的呼吸機能。 當空氣中二氧化碳的濃度過高時，也將使空氣中的氧濃度相對降低，輕則使人呼吸加快，呼吸量增加，嚴重時也可能造成人員中毒或窒息。,（3）二氧化碳（CO2）,1-3 二氧化碳中毒癥狀與濃度的關系,礦井空氣中二氧化碳的主要來源 煤和有機物的氧化；人員呼吸； 碳酸性巖石分解；炸藥爆破； 煤炭自然；瓦斯、煤塵爆炸等。 此外，有的煤層和巖層中也能

8、長期過續(xù)地放出二氧化碳，有的甚至能與煤巖粉一起突然大量噴出，給礦井帶來極大的危害。,（3）二氧化碳（CO2）,規(guī)程規(guī)定 采掘工作面的進風流中， CO2不超過0.5 %。 采區(qū)回風巷和采掘工作面回風巷回風流中二氧化碳濃度達到1.5 %時，必須停止工作，撤出人員，查明原因，制定措施，進行處理。 總回風巷或一翼回風巷中，二氧化碳超過0.75 %時，必須查明原因，進行處理。,（3）二氧化碳（CO2）,1.1 礦內空氣成分及其基本性質,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體 礦井常見的有害氣體有一氧化碳、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫、氨氣、瓦斯等。下面分別介紹。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（

9、1）一氧化碳（CO） CO是一種無色、無味、無臭的氣體，相對對密度為0.97,微溶于水,能與空氣均勻地混合。 CO能燃燒，濃度在1375%時有爆炸的危險； CO與人體血液中血紅素的親合力比氧大150300倍（血紅素是人體血液中攜帶氧氣和排出二氧化碳的細胞）。 一旦CO進入人體后，首先就與血液中的血紅素相結合，因而減少了血紅素與氧結合的機會，使血紅素失去輸氧的功能，從而造成人體血液“窒息”。,一氧化碳中毒癥狀與濃度的關系,（1）一氧化碳（CO）,礦內CO的來源與允許濃度 空氣中一氧化碳的主要來源有：礦內爆破作業(yè)、煤炭自燃及發(fā)生火災或煤塵、瓦斯爆炸時都能產生一氧化碳 規(guī)程規(guī)定:礦內空氣中CO濃度不

10、得超過0.0024% 。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（2）硫化氫（H2S） 硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當空氣中濃度達到0.0001%即可嗅到，但當濃度較高時，因嗅覺神經中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氫對空氣的相對密度為1.19，易溶于水，在常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫，所以它可能積存于舊巷的積水中。硫化氫能燃燒，空氣中硫化氫濃度為4.3 %45.5 %時有爆炸危險。 硫化氫有劇毒，有強烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、氣管炎和肺水腫；而且還能阻礙生物的氧化過程，使人體缺氧。當空氣中硫化氫濃度較低時主要以腐蝕刺激作用為主；濃度較高時能引起人體迅速昏迷或死亡，腐

11、蝕刺激作用往往不明顯。硫化氫中毒癥狀與濃度的關系如表1-1-5所示。,表1-1-5 H2S中毒癥狀與濃度的關系,（2）硫化氫（H2S）,井下H2S的來源與允許濃度 井下空氣中H2S的主要來源：有機物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區(qū)和廢舊巷道積水中放出；我國有些礦區(qū)煤層中也有硫化氫涌出。 規(guī)程規(guī)定：井下空氣中H2S含量不得超過0.00066 %。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（3）二氧化氮（NO2） 二氧化氮是一種褐紅色的氣體,有強烈的刺激氣味,相對密度為1.59,易溶于水. 二氧化氮溶于水后生成腐蝕性很強的硝酸,對眼睛、呼吸道粘膜和肺部組織有強烈的刺激及腐蝕作用，嚴重時

12、可引起肺水腫。 二氧化氮中毒有潛伏期，有的在嚴重中毒時尚無明顯感覺，還可堅持工作。但經過624小時后發(fā)作，中毒者指頭出現(xiàn)黃色斑點，并出現(xiàn)嚴重的咳嗽、頭痛、嘔吐甚至死亡。 二氧化氮中毒癥狀與濃度的關系如表1-1-6所示。,二氧化氮中毒癥狀與濃度的關系,（3）二氧化氮（NO2）,二氧化氮的來源與允許濃度 礦內空氣中二氧化氮的主要來源：井下爆破工作。 規(guī)程規(guī)定，氮氧化合物不得超過0.00025%。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（4）二氧化硫（SO2） 二氧化硫為無色氣體，具有強烈的硫磺氣味及酸味，對空氣的相對密度為1.4337，易積聚在巷道底部，易溶于水。 二氧化硫能被眼結膜和上呼吸道粘膜

13、的富水粘液吸收，刺激眼粘膜和鼻咽等粘膜；二氧化硫與水后生成硫酸,對呼吸器官有腐蝕作用,使用喉嚨和支氣管發(fā)炎,呼吸麻痹,嚴重時引起肺病水腫,當空氣中含二氧化硫為0.0005%時,嗅覺器官能聞到刺激味。0.002%時,有強烈的刺激,可引起頭痛和喉痛。0.05%時，引起急性支氣管炎和肺水腫，短期間內即死亡。,（4）二氧化硫（SO2）,二氧化氮的來源與允許濃度 礦內含硫礦物氧化、燃燒及在含硫礦物中爆破都會產生二氧化硫，有時含硫礦層也涌出二氧化硫。 規(guī)程規(guī)定礦內空氣中二氧化硫最高容許濃度為0.0005 %。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（5）氨氣（NH3） 氨氣為無色、有劇毒的氣體，對空氣的相

14、對密度為0.59，易溶于水，對人體有毒害作用 規(guī)程規(guī)定，礦內最大容許濃度為0.004 %(3mg/m3)。但當其濃度達到0.01%時就可嗅到其特殊臭味。氨氣主要在礦內發(fā)生火災或爆炸事故時產生。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（6）瓦斯（CH4） 瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷是一種無色、無味、無臭的氣體，對空氣的相對密度為0.55，難溶于水，擴散性較空氣高1.6倍。 雖然無毒，但當濃度較高時，會引起窒息。不助燃，但在空氣中具有一定濃度（516 %）并遇到高溫（650750 ）時能引起爆炸。 規(guī)程規(guī)定，工作面進風流中CH4的濃度不能大于0.5 %，采掘工作面和采區(qū)的回風流中CH4的

15、濃度不能大于1.0 %，礦井和一翼的總回風流中，CH4最高容許濃度為0.75 %。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（7）氫氣（H2） 氫氣無色無味，具有爆炸性，在礦井火災或爆炸事故中和井下充電硐室均會產生，其最高容許濃度為0.5 %。,1.1.2 礦內空氣中常見的有害氣體,（8）其它有害物質 礦內空氣除了上述有害氣體外，還含有其他一些有害物質，如在采掘生產過程中所產生的煤和巖石的細微顆粒(統(tǒng)稱為礦塵)。 礦塵對礦內空氣的污染不容忽視，它對礦井生產和人體都有嚴重危害。煤塵能引起爆炸，粉塵特別是呼吸性粉塵能引起礦工塵肺病。因此規(guī)程對作業(yè)場所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度作了如表1-1

16、-7的規(guī)定。,表1-1-7作業(yè)場所空氣中粉塵濃度標準,1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù),1.2.1 密度 1.2.2 比容 1.2.3 粘度 1.2.4 比熱,,1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù),1.2.1 密度 單位體積空氣所具有的質量稱為空氣的密度，用符號表示。空氣可以看作是均質氣體，故： 式中 M空氣的質量，kg ； V空氣的體積，m3 ； 空氣的密度，kgm3； 一般地說，當空氣的溫度和壓力改變時，其體積會發(fā)生變化。所以空氣的密度是隨溫度、壓力而變化的，從而可以得出空氣的密度是空間點坐標和時間的函數(shù)。 如在大氣壓P0為101 325Pa、氣溫為0(27315K)時，干空氣的密度0為

17、1293 kgm3。,,,,,濕空氣的密度是1 m3空氣中所含干空氣質量和水蒸氣質量之和： 式中 1m3濕空氣中干空氣的質量， kg ； 1m3濕空氣中水蒸氣的質量，kg,,,,,,,,1.2.1 密度,由氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律可以得出濕空氣的密度計算公式： 式中P空氣的壓力，Pa ； t空氣的溫度， ； Ps溫度t時飽和水蒸氣的分壓，Pa ； 相對濕度，用數(shù)表示。,,,,,1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù),1.2.2 比體積 空氣的比體積是指單位質量空氣所占有的體積，用符號 (m3/kg)表示，比容和密度互為倒數(shù)，它們是一個狀態(tài)參數(shù)的兩種表達方式。則： 在礦井通風中，

18、空氣流經復雜的通風網絡時，其溫度和壓力將會發(fā)生一系列的變化，這些變化都將引起空氣密度的變化，在不同的礦井這種變化的規(guī)律是不同的。 在實際應用中，應考慮什么情況下可以忽略密度的這種變化，而在什么條件下又是不可忽略的。,,1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù),1.2.3 粘度 當流體層間發(fā)生相對運動時，在流體內部兩個流體層的接觸面上，便產生粘性阻力（內摩擦力）以便阻止相對運動，流體具有的這一性質，稱作流體的粘性。,例如，空氣在管道內以速度u作層流流動時，管壁附近的流速較小，向管道軸線方向流速逐漸增大，如同把管內的空氣分成若干薄層，圖1-2-1所示。,1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù),1.2.3 粘度 當流

19、體層間發(fā)生相對運動時，在流體內部兩個流體層的接觸面上，便產生粘性阻力(內摩擦力)以阻止相對運動，流體具有的這一性質，稱作流體的粘性。 由牛頓內摩擦定律得： 式中 F--內摩擦力，N； S--流層之間的接觸面積，m2； --動力粘度(或稱絕對粘度)，Pa.s。,,,當流體處于靜止狀態(tài)或流層間無相對運動時， dudy=0，則F=0。礦井通風中常用運動粘度，用符號 (m2s)表示： 式中 氣體的密度，kg/m3 流體粘度隨溫度和壓強而變化，由于分子結構及分子運動機理的不同，液體和氣體的變化規(guī)律是截然相反的?？諝夂退恼扯入S溫度的變化規(guī)律如圖1-2-2所示。,,圖1-2-2 空氣與水的粘

20、性隨溫度的變化,,,在實際應用中，壓力對流體的粘性影響很小，可以忽略。在考慮流體的可壓縮性時常采用動力粘度而不用運動粘度。表1-2-1為幾種有關流體的粘度。,1.2 礦內空氣的主要物理參數(shù),1.2.4 比熱 為了計算熱力過程的熱交換量，必須知道單位數(shù)量氣體的熱容量或比熱。單位物量的氣體，升高或降低絕對溫度1 K時所吸收或放出的熱量稱為比熱。定義式為 ，kJ/（kgK） 比熱的單位取決于熱量單位和物量單位。表示物量的單位不同，比熱容的單位也不同。通常采用的物量單位：質量(kg)、標準容積(Nm3)和千摩爾(kmo1)。因此，相應的就有質量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。,,,空氣的比熱,1

21、.3 礦井氣候,礦井氣候是指礦井空氣的溫度、濕度和風速這三個參數(shù)的綜合作用狀態(tài)。這三個參數(shù)的不同組合，便構成了不同的礦井氣候條件。 礦井氣候條件對井下作業(yè)人員的身體健康和勞動安全有重要的影響。,,1.3 礦井氣候,1.3.1 礦內空氣的溫度 1.3.2 礦內空氣的濕度 1.3.3 風速 1.3.4 礦內氣候參數(shù)的測定,,1.3 礦井氣候,1.3.1 礦內空氣的溫度 溫度是氣體狀態(tài)的基本參數(shù)之一。氣體分子的運動是熱運動，氣體分子熱運動的動能大小，表示這種熱運動的強弱程度，體現(xiàn)出氣體的冷熱程度。 表示這種冷熱程度的參數(shù)就是溫度，溫度的高低用“溫標來衡量”。目前國際上常用的有絕對溫標（開氏溫標），單

22、位為K；攝氏溫標t，單位為。 t=T-273.15T-273 （1-3-1） 礦內空氣溫度是影響礦內氣候條件的重要因素。氣溫過高或過低，對人體都有不良的影響。最適宜的礦內空氣溫度是1520 。,（1）影響礦內空氣溫度的主要因素,1） 巖石溫度 礦內空氣的溫度與巖石溫度直接相關。地表溫度是隨地面氣溫的變化而變化的，隨著深度的增加，地溫隨氣溫變化的幅度則逐漸減小，當達到一定深度時，地溫不再變化。巖層溫度分為三帶： 變溫帶隨地面氣溫的變化而變化的地帶。夏季巖層從空氣中吸熱而使地溫升高，冬季則相反； 恒溫帶地表下地溫常年不變的地帶。恒溫帶的深度一般為2030米，恒溫帶的溫度則接近于當?shù)氐?/p>

23、年平均氣溫；,（1）影響礦內空氣溫度的主要因素,增溫帶恒溫帶以下地帶。隨深度的增加成正比增加，不同深度處的巖層溫度可按式計算： tt0+G ( ZZ0) （1-3-2） 式中 t0恒溫帶處巖層的溫度，； G地溫梯度，即巖層溫度隨深度變化率，/m，常用百米地溫梯度，即/100 m； Z巖層的深度，m； Z0恒溫帶的深度，m。,（1）影響礦內空氣溫度的主要因素,2） 空氣的壓縮與膨脹 空氣向下流動時，由于空氣柱的增加，空氣受到壓縮而產生熱量，一般垂深每增加100 m，其溫度升高1 ；相反，空氣向上流動時，則又因膨脹而降溫，平均每升高100 m，溫度下降0.80.9 。 3）氧化生熱 礦

24、井內的有機礦物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化發(fā)熱。例如，經氧化生成2 g二氧化碳時，可使1 m3空氣升溫14.5 。在煤層中的采掘巷道，暴露煤面氧化產生的熱量較大，故回采工作面一般是通風系統(tǒng)中溫度最高的區(qū)段。,（1）影響礦內空氣溫度的主要因素,4）水分蒸發(fā) 水分蒸發(fā)時從空氣中吸收熱量，使空氣溫度降低。每蒸發(fā)1 g 水可吸收2.45kJ( 0.585kcal)的熱量，能使1 m3空氣降溫1.9 ，可見水的蒸發(fā)對降溫起著重要的作用。 5）通風強度(指單位時間進入井巷的風量) 溫度較低的空氣流經巷道或工作面時，能夠吸收熱量，供風量越大，吸收熱量越多。因此，加大通風強度是降低礦井溫度的主要措施

25、之一。,（1）影響礦內空氣溫度的主要因素,6）地面空氣溫度的變化 地面氣溫對井下氣溫有直接影響，尤其是較淺的礦井，礦內空氣溫度受地面氣溫的影響更為顯著。 7）地下水的作用 礦井地層中如果有高溫熱泉，或有熱水涌出時，能使地溫升高，相反，若地下水活動強烈，則地溫降低。 8）其它因素 如機械運轉以及人體散熱等都對井下氣溫有一定影響。特別是隨著機械化程度的不斷提高，機械運轉所產生的熱量不能忽視。,（2）井下空氣溫度變化規(guī)律,規(guī)程規(guī)定， 井下采掘工作面的氣溫不得超過26 ， 機電硐室內的氣溫不得超過30 ； 冬季總進風的氣溫必須在2 以上，除機電硐室外在井下風流的氣溫允許在226 的范圍變化。 井下氣溫

26、小于2 或大于26 時，就得采取加熱或降溫的措施。 在一般情況下，井下氣溫在上述范圍內變化，大致有以下規(guī)律性：,（2）井下空氣溫度變化規(guī)律,在進風路線上礦內空氣的溫度與地面氣溫相比，有冬暖夏涼的現(xiàn)象?；夭晒ぷ髅娴臍鉁卦谡麄€風流路線上，一般是最高的區(qū)段。在回風路線上，因通風強度較大，水分蒸發(fā)吸熱，氣流向上流動而膨脹降溫，使氣溫略有下降，但基本上常年變化不大,1.3.2 礦內空氣的濕度,1、濕度的表示方式 礦內空氣濕度是指礦內空氣中所含水蒸汽量。 絕對濕度 指每1m3或1kg的濕空氣中所含水蒸汽量的克數(shù)。 相對濕度 指濕空氣中實際含有水蒸汽量與同溫度下的飽和水蒸汽量之比的百分數(shù)。 式中 w空氣中

27、所含水蒸汽量(即絕對濕度)，g/m3； s在同一溫度下空氣中的飽和水蒸汽量， g/m3 ?？諝庵酗柡退羝康拇笮∪Q于空氣的溫度。 含濕量 在含有1 kg干空氣的濕空氣中，所挾帶的水蒸汽質量，稱為濕空氣的含濕量（d）。,,1.3.2 礦內空氣的濕度,2、影響濕度的因素 (1) 地面濕度隨季節(jié)變化較大，陰雨季節(jié)濕度較大，夏季相對濕度較低，但氣溫較高，冬季相對濕度較大，但氣溫較低，絕對濕度并不太高。地面濕度除受季節(jié)影響外，還與地理位置有關，我國濕度分布，沿海地區(qū)較高(平均為7080%)，向內陸逐漸降低，西北地區(qū)達最低值(平均為3040 %)。 (2) 當?shù)V井涌水量較大或滴水較多，由于水珠易于

28、蒸發(fā)，則井下比較潮濕，一般金屬礦山井下濕度在8090%左右。在鹽礦，涌水較小，且鹽類吸濕性較強，相對濕度一般為1525%。,3、礦內空氣濕度的變化規(guī)律 進風線路有可能出現(xiàn)冬干夏濕的現(xiàn)象。進風井巷有淋水的情況除外。在采掘工作面和回風線路上，氣溫長年不變，濕度也長年不變，一般都接近100，隨著礦井排出的污風，每晝夜可從礦井內帶走數(shù)噸甚至上百噸的地下水。,,1.3 礦井氣候,1.3.3 風速 1、井巷斷面上的風速分布 在礦井通風中，空氣流速簡稱為風速。 井巷中某點在水平方向的瞬時速度隨時間的變化在某一平均值的上下波動，這種現(xiàn)象稱為脈動現(xiàn)象。 因此，可以利用該平均值代替具有脈動現(xiàn)象的真實風速值，這個平

29、均值稱為時均風速，即通常所說的井巷斷面上某點的風速。采用時均風速后，井巷中空氣的流動一般可視為定常流(穩(wěn)定流)。,紊流中的速度分布,,巷道斷面等風速線分布,,,由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦影響，井巷斷面上風速分布是不均勻的。在貼近壁面處仍存在層流運動薄層，即層流邊層。其厚度隨Re增加而變薄，它的存在對流動阻力、傳熱和傳質過程有較大影響。在層流邊層以外，從巷壁向巷道軸心方向，風速逐漸增大，呈拋物線分布，如圖1-3-3所示。設斷面上任一點風速為，則井巷斷面的平均風速v為： （1-3-8） 式中 S為斷面積，即為通過斷面S上的風量Q，則,,,,1.3.3 風速,2、風速對礦內氣候的影響

30、風速顯著地影響者礦內對流散熱。當風流溫度低于礦內環(huán)境溫度時，流速越大，散熱量越多。當風流溫度高于礦內環(huán)境溫度時，礦井反而從風流中得到對流熱，此時風速越大，礦內環(huán)境得到的對流熱越多。,1.3 礦井氣候,1.3.4 礦內氣候參數(shù)的測定 1、溫度和濕度的測定 通常，是用干濕球溫度計測算空氣溫度和濕度的。如圖1-8，干濕球溫度計是兩支相同的溫度計或兩支其他溫度敏感元件組成。其中一支的感溫包用干紗布包著，稱為干球溫度計；另一支用濕紗布包著，稱為濕球溫度計。 干球溫度td可以直接通過干球溫度計讀出，反應的周圍空氣的實際溫度。濕球溫度計的讀數(shù)，實際上反映了濕紗布中水的溫度。但是，值得注意的是，并不是任一讀數(shù)

31、都可以認為是濕球溫度，只有在熱濕交換達到平衡，即穩(wěn)定條件下的讀數(shù)才稱之為濕球溫度tw。,,圖1-3-4 干濕球溫度計 圖1-3-5 風扇濕度計,,,,測算空氣濕度時，先用儀表測出相對濕度，再算出絕對濕度。構造簡單的常用儀表是風扇濕度計（如圖1-9），它是由干球溫度計和濕球溫度計組成，用自帶的發(fā)條轉動小風扇。 測量時，從兩支溫度計上分別讀出空氣的干溫度(又名干球溫度)td ()和濕溫度(又名濕球溫度)tw ()，含水蒸汽量較少的空氣容易吸收紗布上的水分，或者說濕紗布上的水分比較容易蒸發(fā)，水分被蒸發(fā)越多，被紗布包著水銀球的溫度就越降低，則td與tw之差越大，表示空氣越干燥或其相對濕度越

32、小。 根據(jù)實測的td和td-tw兩個數(shù)值在附表1中查出空氣的相對濕度值；又根據(jù)td在附表2中查出飽和絕對濕度的近似值（g/m3），再根據(jù)式算（1-13）出絕對濕度值（g/m3）。,,例如，測得某礦總進風量為4000 m3/min，其干溫度的平均值td=22 ，濕溫度的平均值tw=21 ，則查附表2得其相對濕度=91 %，又根據(jù)td值查附表2得出飽和絕對濕度=19.3 g/m3，故其絕對濕度約為=91 %19.3=17.56 g/m3。,1.3 礦井氣候,1.3.4 礦內氣候參數(shù)的測定 2、風速的測定 測量巷道中任一斷面上各點風速的平均值，常用風速儀（又名風表）測得。只要測出巷道斷面上各點風速的

33、平均值，就可算得風量。風量是通風管理中經常性監(jiān)測項目之一。 礦內常用的風表按迎風轉動部件的形式大致分為葉式和杯式兩種，如圖1-3-7。杯式風表適用于測量525 m/s的較高風速，它的慣性和機械強度較大，開始轉動的最低風速為1.01.5 m/s。葉式風表其中的一種用于測量0.510 m/s的中等風速，一種用于測量0.30.5 m/s的低風速。葉式風表轉輪由8塊鋁質葉片組成，杯式風表的轉輪由4個杯狀鋁勺組成，能被風流吹轉。,風表,（a）葉式風表 （b）杯式風表,,空氣在巷道內流動時，由于受到內外摩擦的影響，風速在巷道斷面內的分部是不均勻的。一般來說，在巷道的軸心部分風速最大，而靠近巷

34、道周壁風速最小。 通常所謂巷道內風流的速度是指平均風速而言。因此，測量風速時，風表不能只停留在巷道斷面的某部位，而應把風表正迎風流，在整個斷面內均勻移動。其移動路線如圖1-3-8所示的幾種形式，根據(jù)巷道斷面的大小和測風時間的長短選用。,風表移動路線,,,測定時，先使計數(shù)指針回零，手持風表在巷道斷面上某點迎風放置，待葉輪轉動穩(wěn)定后打開開關，計數(shù)指針開始走動，同時開動秒表，按上圖路線移動，記錄測定時間.測定1或2 min，關閉開關。根據(jù)指針讀數(shù)和測風時間，算得風表指示風速，再按風表的校正曲線查得真實風速，即為斷面上該點的風速。圖1-3-9為某翼式風表校正曲線，圖中1部分為非線性區(qū)，2部分為線性區(qū)。

35、在線性區(qū)與的關系可用下式表示： ，m/s 式中 a，b常數(shù)，取決于風表轉動部件的慣性和摩擦力。,,,用風表測量巷道內的平均風速，一般習慣用側身法。用此法測風時，測風員背向巷道壁站立，手持風表將手臂向風流垂直方向伸直，然后在巷道斷面內作均勻移動。用側身法測風，由于測風員立于巷道中，減少了通風斷面，從而增加了風速，測得結果較實際風速為大。因此需根據(jù)斷面大小進行校正，才能得到巷道斷面的實際風速v。通常采用下列斷面校正算式： 式中 Vt 按風表校正曲線校正后的風速，m/s； S巷道斷面，m2； Sb測風員占據(jù)巷道的近似面積，通常取0.30.4 m2。,,,機械傳動式風表是受到風流動壓作用而轉動

36、的，空氣密度對風表的轉速有一定影響。當測風地點的空氣密度與風表校正時的空氣密度相差較大時，按風表校正曲線校正后的風速還要用下式改正：,,為了保證測風精度，使用風表時應注意下列幾點：,1）風表度盤那一面背著風流，即測風員能看到度盤，否則風表指針會發(fā)生倒轉。 2）風表不能距人體太近，以免引起較大的誤差。 3）風表按上述路線路動時，速度要均勻，如果風表在巷道中心部分停留的時間長，則測量結果較實際風速為大；反之，若風表在巷道四壁停留時間長，則測量結果偏小。 4）葉式風表一定要與風流垂直，尤其在傾斜巷道測風時更應注意此點。,,5）在同一斷面的測風次數(shù)不應小于三次，每次測量結果的誤差不應超過5 %左右。

37、6）所使用的風表應和測定的風速相適應，風速大于10 m/s，應選用高速風表；風速為0.510 m/s，選用中速風表；風速小于0.5 m/s，要選用低速風表。否則，將損壞風表或測量不準確，甚至吹不動葉輪。 7）為了減少測量誤差，一般要求在一分鐘內剛好從移動路線的起點移到終點。,1.4 礦內空氣的熱力變化過程,1.4.1等容過程 就是在比容保持不變的情況下所進行的熱力變化過程。當v=常數(shù)，由氣體狀態(tài)方程可知： 上式表明：等容過程是v不變而絕對壓力和絕對溫度成正比變化的過程。 因v不變，即dv=0，則P dv=0,熱力學第一定律得：,,上式表明：在這個過程中，空氣不對外做功，空氣所吸收或放出的熱量等

38、于內能的增加或減少。 因 不變，空氣密度 也不變，則通風常用的積分式的變化(即壓能變化)為：,,,,,,,當P=常數(shù)時，則vT=RP=常數(shù)。表明等壓過程是P不變而v和T成正比變化的過程。 對外界作功為 熱量變化為：,,,1.4.2等壓過程,上式表明：在此過程中，空氣所吸收或放出的熱量等于空氣焓的增加或減少。 因 ，故壓能變化為：,,,當T=常數(shù)時，則 表明等溫過程是T不變而P和v成反比變化的過程。因 ,則對外作功為： 因T不變，則內能u不變，故熱量變化為：,,,,1.4.3等溫過程,上式表明：在此過程中，空氣從外界獲得的熱量，等于空氣對外界作出的功；或者說空氣向外界放

39、出的熱量，等于空氣從外界獲得的功。因 故壓能變化為：,絕熱過程是空氣和外界沒有熱量交換的情況下 ，所進行的膨脹或壓縮的過程，空氣的 T、v都發(fā)生變化，而且變化規(guī)律很復雜。前人分析得出：在此過程中空氣對外界作出的功等于空氣內能的減少；空氣從外界獲得的功等于空氣內能的增加。其狀態(tài)變化規(guī)律為： 式中k絕熱指數(shù)，對于空氣， k =1.41 則壓能變化為:,,,,,1.4.4 絕熱過程,1.4.5 多變過程 這是多種變化過程，這個過程的狀態(tài)變化規(guī)律為: 式中 n多變指數(shù)，可以是任何實數(shù)，不同的n值決定不同的狀態(tài)變化規(guī)律，描述不同的變化過程 例如，當n=0時，P=常數(shù)，表示等壓過程；

40、 n=1時，Pv=常數(shù)，表示等溫過程； n=K時，Pvk=常數(shù)，表示絕熱過程； n=時，v =常數(shù)，表示等容過程。 因，則壓能變化為：,,,1.5 實際氣體的狀態(tài)方程,實驗證明：只有在低壓下，氣體的性質才近似符合理想氣體狀態(tài)方程式，在高壓低溫下，任何氣體對此方程都出現(xiàn)明顯的偏差，而且壓力愈大，偏離愈多。實際氣體的這種偏離，通常采用與RT的比值來說明這個比值稱為壓縮因子，以符號Z表示，定義式為： （1-5-1） 顯然，理想氣體的Z1，實際氣體的Z一般不等于1，而是Z1或Z<1。Z值偏離1的大小，是實際氣體對理想氣體性質偏離程度的一個度量。,,,本章小結,本章主要闡述了礦內空氣成分及其性質、主要物理參數(shù)以及礦內氣候條件。,,下一章內容,第二章 礦內空氣動力學基礎 第一節(jié) 流體的概念 第二節(jié) 風流能量與能量方程 一、風流能量 二、不可壓縮流體的能量方程 三、可壓縮風流能量方程 四、關于能量方程使用的幾點說明 第三節(jié) 風流壓力及壓力坡度 一、壓力的基本概念 二、風流點壓力及其相互關系 三、壓力坡度,