《通風(fēng)安全學(xué)》教案第一章礦井空氣一、教學(xué)目的及要求了解礦井通風(fēng)的概念及發(fā)展歷程，掌握礦井空氣的主要成分及其基本性質(zhì)，掌握礦井主要有害氣體及熟悉其性質(zhì)，了解礦井氣候的概念及主要衡量指標(biāo)。二、重點(diǎn)難點(diǎn)本章的重點(diǎn)：礦井空氣礦井空氣的主要成分，礦井主要有害氣體及熟悉其性質(zhì)。本章的難點(diǎn)：礦井氣候的概念及主要衡量指標(biāo)。三、學(xué)時(shí)分配(2學(xué)時(shí))第一節(jié)：礦井空氣成分（0.5學(xué)時(shí)）第二節(jié)：礦井空氣中有害氣體（1學(xué)時(shí)）第三節(jié)：礦井氣候（0.5學(xué)時(shí)）四、教學(xué)內(nèi)容與過程第一章礦井空氣一、礦井通風(fēng)概念及目的礦井通風(fēng)的概念：利用機(jī)械或自然通風(fēng)動(dòng)力，使地面空氣進(jìn)入井下，并在井巷中作定向和定量地流動(dòng)，最后排出礦井的全過程稱為礦井通風(fēng)。（注：應(yīng)用動(dòng)畫或PPT演示風(fēng)流在井巷中流動(dòng)的全過程）礦井通風(fēng)的目的：在礦井生產(chǎn)過程中，必須源源不斷地將地面空氣輸送到井下各個(gè)作業(yè)地點(diǎn)，以供給人員呼吸，并稀釋和排除井下各種有毒、有害氣體和礦塵，創(chuàng)造良好的礦內(nèi)工作環(huán)境，保障井下作業(yè)人員的身體健康和勞動(dòng)安全。礦井通風(fēng)的首要任務(wù)：保證礦井空氣的質(zhì)量符合要求。二、礦井通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展（注：此部分結(jié)合實(shí)際圖片給學(xué)生講解）1、約在1640年，人們開始把進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)路線分開，以利用自然通風(fēng)壓力進(jìn)行礦井通風(fēng)。2、為了加大通風(fēng)壓力，1650年在回風(fēng)路線上設(shè)置火筐，1787年又在回風(fēng)路線上設(shè)置火爐，使回風(fēng)風(fēng)流加熱。3、1807年風(fēng)量約200m3／min的活塞式空氣泵、1849年轉(zhuǎn)速約95r／min風(fēng)量約500m4、20世紀(jì)40年代以來，礦井已使用功率約1500kW和3000kw的電力軸流式和離心式大型扇風(fēng)機(jī)。5、1672年人們只知道身穿潮濕衣帽，伏在底板上，手舉裝有燃著蠟燭的木棍點(diǎn)燃局部積存的沼氣。出于危險(xiǎn)，后來改用背上共有燃著的蠟燭的騾馬去點(diǎn)燃沼氣。6、1813年開始用安全油燈照明并檢查沼氣和二氣化碳的濃度。20世紀(jì)40年代以來，氣體的檢測(cè)技術(shù)有了較大的發(fā)展。特別是60年代以來，風(fēng)流中各參數(shù)(沼氣和一氧化碳的濃度．風(fēng)速、壓力、溫度等)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)和遙訊。7、1745年，俄國(guó)科學(xué)家M．B．лOMOHOCOB發(fā)表了空氣在礦井流動(dòng)的理論，1764年法國(guó)采礦工程師JARS發(fā)表了關(guān)于礦井自然通風(fēng)的理論，成為礦井通風(fēng)學(xué)科史上奠基的兩篇論文。20世紀(jì)以來，發(fā)表和出版了許多關(guān)于礦井通風(fēng)的論文和專著。現(xiàn)在礦井通風(fēng)已成為內(nèi)容豐富的一門學(xué)科。有關(guān)礦井通風(fēng)史的詳細(xì)內(nèi)容見：/home.php?mod=space&uid=532981&do=blog&id=414589。第一節(jié)礦井空氣成分地面空氣進(jìn)入礦井以后即稱為礦井空氣。一、地面空氣的組成地面空氣是由干空氣和水蒸汽組成的混合氣體，亦稱為濕空氣。干空氣是指完全不含有水蒸汽的空氣，由氧、氮、二氧化碳、氬、氖和其他一些微量氣體所組成的混合氣體。干空氣的組成成分比較穩(wěn)定，其主要成分如下表所示：氣體成分按體積計(jì)／％按質(zhì)量計(jì)／％備注氧氣（O2）20.9623.32惰性稀有氣體氦、氖、氬、氪、氙等計(jì)在氮?dú)庵械獨(dú)猓∟2）79.0076.71CO20.040.06濕空氣中含有少量水蒸氣，但其含量的變化會(huì)引起濕空氣的物理性質(zhì)和狀態(tài)變化。二、礦井空氣的主要成分及基本性質(zhì)地面空氣進(jìn)入井下時(shí)，由于受到污染，其成分和性質(zhì)要發(fā)生變化。固有新鮮空氣和污濁空氣之分。新鮮空氣：井巷中用風(fēng)地點(diǎn)以前、受污染程度較輕的進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)的空氣，污濁空氣：通過用風(fēng)地點(diǎn)以后、受污染程度較重的回風(fēng)巷道內(nèi)的空氣。盡管礦井空氣與地面空氣相比，在性質(zhì)上存在許多差異，但在新鮮空氣中其主要成分仍然的氧、氮和二氧化碳。1．氧氣(O2)氧氣是維持人體正常生理機(jī)能所需要的氣體,人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取決于人的體質(zhì)、精神狀態(tài)和勞動(dòng)強(qiáng)度等。人體輸氧量與勞動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系勞動(dòng)強(qiáng)度呼吸空氣量（L/min）氧氣消耗量（L/min）休息6-150.2-0.4輕勞動(dòng)20-250.6-1.0中度勞動(dòng)30-401.2-2.6重勞動(dòng)40-601.8-2.4極重勞動(dòng)40-802.5-3.1 當(dāng)空氣中的氧濃度降低時(shí)，人體就可能產(chǎn)生不良的生理反應(yīng)，出現(xiàn)種種不舒適的癥狀，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致缺氧身亡。人體缺氧癥狀與空氣中氧濃度的關(guān)系氧濃度/%主要癥狀17靜止時(shí)無影響，工作時(shí)能產(chǎn)生喘息和呼吸困難15呼吸及心跳急促，耳鳴目眩，感覺和判斷能力降低，失去勞動(dòng)能力10～12失去理智，時(shí)間稍長(zhǎng)有生命危險(xiǎn)6～9失去知覺，呼吸停止，如不及時(shí)搶救幾分鐘內(nèi)可能導(dǎo)致死亡礦井空氣中氧濃度降低的主要原因有：人員呼吸；煤巖和其他有機(jī)物的緩慢氧化；煤炭自燃；瓦斯、煤塵爆炸；此外，煤巖和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種有害氣體，也使空氣中的氧濃度相對(duì)降低。2．二氧化碳(CO2)二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略帶酸臭味。二氧化碳比空氣重（其比重為1.52），在風(fēng)速較小的巷道中底板附近濃度較大；在風(fēng)速較大的巷道中，一般能與空氣均勻地混合。在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對(duì)人體的無害的。二氧化碳對(duì)人體的呼吸中樞神經(jīng)有刺激作用，所以在搶救遇難者進(jìn)行人工輸氧時(shí)加入5%的二氧化碳。礦井空氣中二氧化碳的主要來源是：煤和有機(jī)物的氧化；人員呼吸；碳酸性巖石分解；炸藥爆破；煤炭自燃；瓦斯、煤塵爆炸等。3．氮?dú)?N2)氮?dú)馐且环N惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。但空氣中含氮量升高，則勢(shì)必造成氧含量相對(duì)降低，從而可能造成人員的窒息性傷害。正因?yàn)榈獨(dú)饩哂械亩栊裕虼丝蓪⑵溆糜诰路罍缁鸷头乐雇咚贡ā５V井空氣中氮?dú)庵饕獊碓词牵壕卤坪蜕锏母癄€，有些煤巖層中也有氮?dú)庥砍觥０咐浩巾斏侥车V“9.7”重大高氮缺氧窒息事故1982年9月7日平頂山某礦戊8-179綜采面正在安裝，當(dāng)時(shí)礦井為壓入式通風(fēng)，該采面下行通風(fēng)，且為無煤柱開采。因主要通風(fēng)機(jī)軸承發(fā)熱，停風(fēng)13min后，造成一起嚴(yán)重的高氮缺氧窒息事故，上區(qū)段采空區(qū)從小絞車窩涌出的高氮?dú)怏w，使工作面23人中的9人窒息死亡，14人經(jīng)搶救得救。三、礦井空氣主要成分的質(zhì)量（濃度）標(biāo)準(zhǔn)《煤礦安全規(guī)程》依據(jù)其主要成分（O2、CO2）作了明確的規(guī)定。采掘工作面進(jìn)風(fēng)流中：氧氣濃度不得低于20％；二氧化碳濃度不得超過0.5％；總回風(fēng)流中二氧化碳濃度不得超過0.75％；當(dāng)采掘工作面風(fēng)流中二氧化碳濃度達(dá)到1.5％或采區(qū)、采掘工作面回風(fēng)道風(fēng)流中二氧化碳濃度超過1.5％時(shí)，必須停工處理。國(guó)外規(guī)定，國(guó)際勞工局規(guī)定進(jìn)風(fēng)流中氧氣濃度＞19%。俄羅斯、德國(guó)工作地點(diǎn)氧氣濃度＞20%。美國(guó)、日本規(guī)定行人巷道中氧氣濃度＞19%。第二節(jié)礦井空氣中有害氣體空氣中常見有害氣體：CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2。一、基本性質(zhì)１、一氧化碳（CO）一氧化碳是一種無色、無味、無臭的氣體。相對(duì)密度為0.97，微溶于水，能與空氣均勻地混合。一氧化碳能燃燒，當(dāng)空氣中一氧化碳濃度在13～75％范圍內(nèi)時(shí)有爆炸的危險(xiǎn)。主要危害：血紅素是人體血液中攜帶氧氣和排出二氧化碳的細(xì)胞。一氧化碳與人體血液中血紅素的親合力比氧大250～300倍。一旦一氧化碳進(jìn)入人體后，首先就與血液中的血紅素相結(jié)合，因而減少了血紅素與氧結(jié)合的機(jī)會(huì)，使血紅素失去輸氧的功能，從而造成人體血液“窒息”。0.08%，40分鐘引起頭痛眩暈和惡心，0.32%，5~10分鐘引起頭痛、眩暈，30分鐘引起昏迷，死亡。主要來源：爆破；礦井火災(zāi)；煤炭自燃以及煤塵瓦斯爆炸事故等。２、硫化氫（H2S）硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當(dāng)空氣中濃度達(dá)到0.0001%即可嗅到。硫化氫相對(duì)密度為1.19，易溶于水，在常溫、常壓下一個(gè)體積的水可溶解2.5個(gè)體積的硫化氫，可能積存于舊巷積水中。空氣中硫化氫濃度為4.3%～45.5%時(shí)有爆炸危險(xiǎn)。主要危害：硫化氫劇毒，有強(qiáng)烈的刺激作用；能阻礙生物氧化過程，使人體缺氧。當(dāng)空氣中硫化氫濃度較低時(shí)主要以腐蝕刺激作用為主，濃度較高時(shí)能引起人體迅速昏迷或死亡。0.005~0.01%，1~2小時(shí)后出現(xiàn)眼及呼吸道刺激，0.015~0.02%《規(guī)程》規(guī)定硫化氫的允許濃度為0.00066%。主要來源：有機(jī)物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區(qū)和舊巷積水中放出。2003年12月23日22時(shí)左右，重慶市開縣高橋鎮(zhèn)的川東北氣礦16H井發(fā)生特大井噴事故，造成243人死亡。３、二氧化氮（NO2）二氧化氮是一種褐紅色的氣體，有強(qiáng)烈的刺激氣味，相對(duì)密度為1.59，易溶于水。主要危害：二氧化氮溶于水后生成腐蝕性很強(qiáng)的硝酸，對(duì)眼睛、呼吸道粘膜和肺部有強(qiáng)烈的刺激及腐蝕作用，二氧化氮中毒有潛伏期，中毒者指頭出現(xiàn)黃色斑點(diǎn)。0.01%出現(xiàn)嚴(yán)重中毒。主要來源：井下爆破工作。NO2中毒癥狀與濃度的關(guān)系NO2濃度（體積）/%主要癥狀0.0042～4小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)咳嗽癥狀0.006短時(shí)間內(nèi)感到喉嚨刺激，咳嗽，胸痛0.01短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重中毒癥狀，神經(jīng)麻痹,嚴(yán)重咳嗽，惡心，嘔吐0.025短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)死亡4.二氧化硫(SO2)二氧化硫無色、有強(qiáng)烈的硫磺氣味及酸味，空氣中濃度達(dá)到0.0005％即可嗅到。其相對(duì)密度為2.22，易溶于水。主要危害：遇水后生成硫酸，對(duì)眼睛及呼吸系統(tǒng)粘膜有強(qiáng)烈的刺激作用，可引起喉炎和肺水腫。當(dāng)濃度達(dá)到0.002％時(shí)，眼及呼吸器官即感到有強(qiáng)烈的刺激；濃度達(dá)0.05％時(shí)，短時(shí)間內(nèi)即有致命危險(xiǎn)。主要來源：含硫礦物的氧化與自燃；在含硫礦物中爆破；以及從含硫礦層中涌出。5.氨氣(NH3)無色、有濃烈臭味的氣體，相對(duì)密度為0.596，易溶于水。空氣濃度中達(dá)30％時(shí)有爆炸危險(xiǎn)。主要危害：氨氣對(duì)皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉頭水腫。6.氫氣(H2)無色、無味、無毒，相對(duì)密度為0.07。氫氣能自燃，其點(diǎn)燃溫度比沼氣低100～200℃主要危害：當(dāng)空氣中氫氣濃度為4～74％時(shí)有爆炸危險(xiǎn)。主要有害氣體中：CO、H2S、NH3、H2等有爆炸危險(xiǎn)性。二、礦井空氣中有害氣體的安全濃度標(biāo)準(zhǔn)礦井空氣中有害氣體對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全危害極大，因此，《規(guī)程》對(duì)常見有害氣體的安全標(biāo)準(zhǔn)做了明確的規(guī)定。礦井空氣中有害氣體的最高容許濃度有害氣體名稱符號(hào)最高容許濃度/%氧化氮（折算成二氧化氮）CO0.0024一氧化碳NO20.00025二氧化硫SO0.0005硫化氫H2S0.00066氨NH0.004《規(guī)程》中規(guī)定CO的最高允許濃度為其輕微中毒（0.048%）的1/20，NO2的最高允許濃度為其危險(xiǎn)中毒濃度（0.025%）的1/100。可見只要嚴(yán)格遵守《規(guī)程》規(guī)定，就可避免有害氣體對(duì)人體的危害。第三節(jié)礦井氣候礦井氣候：溫度、濕度和流速一、礦井氣候?qū)θ梭w熱平衡的影響人體新陳代謝獲得能量；部分用來維持人體自身的生理機(jī)能活動(dòng)以及滿足對(duì)外做功的需要，其余部分必須通過散熱的方式排出體外，才能保持人體正常的生理功能。人體散熱主要是通過人體皮膚表面與外界的對(duì)流、輻射和汗液蒸發(fā)這三種基本形式進(jìn)行的。對(duì)流散熱取決于周圍空氣的溫度和流速；輻射散熱主要取決于環(huán)境溫度與周圍物體的表面；蒸發(fā)散熱取決于周圍空氣的相對(duì)濕度和流速。人體熱平衡關(guān)系式：qm-qw=qd+qz+qf+qchqm——人體在新陳代謝中產(chǎn)熱量，取決于人體活動(dòng)量；qW——人體用于做功而消耗的熱量，qm-qw人體排出的多余熱量；qd——人體對(duì)流散熱量，低于人體表面溫度，為負(fù)，否則，為正；qz——汗液蒸發(fā)或呼出水蒸氣所帶出的熱量；qf——人體與周圍物體表面的輻謝散熱量，可正，可負(fù)；qch——人體由熱量轉(zhuǎn)化而沒有排出體外的能量；人體熱平衡時(shí)，qch=0；當(dāng)外界環(huán)境影響人體熱平衡時(shí)，人體溫度升高qch>0，人體溫度降低，qch<0礦井氣候條件的三要素是影響人體熱平衡的主要因素。空氣溫度：對(duì)人體對(duì)流散熱起著主要作用。相對(duì)濕度：影響人體蒸發(fā)散熱的效果。風(fēng)速：影響人體的對(duì)流散熱和蒸發(fā)散熱的效果。對(duì)流換熱強(qiáng)度隨風(fēng)速而增大，風(fēng)速越大，對(duì)流散熱量也越大。當(dāng)周圍氣溫小于人體體溫時(shí)，失熱；當(dāng)周圍氣溫大與于人體體溫時(shí)，得熱。風(fēng)速越大，蒸發(fā)越大。同時(shí)濕交換效果也隨風(fēng)速增大而加強(qiáng),如有風(fēng)的天氣，晾的濕衣服干的快。礦井氣候條件對(duì)人體熱平衡的影響是一種綜合的作用，因此，調(diào)節(jié)和改善礦井氣候條件也是礦井通風(fēng)的基本任務(wù)之一。二、衡量礦井氣候條件的指標(biāo)1.干球溫度干球溫度是我國(guó)現(xiàn)行的評(píng)價(jià)礦井氣候條件的指標(biāo)之一。特點(diǎn)：在一定程度上直接反映出礦井氣候條件的好壞。指標(biāo)比較簡(jiǎn)單，使用方便。但這個(gè)指標(biāo)只反映了氣溫對(duì)礦井氣候條件的影響，而沒有反映出氣候條件對(duì)人體熱平衡的綜合作用。2.濕球溫度濕球溫度是可以反映空氣溫度和相對(duì)濕度對(duì)人體熱平衡的影響，比干球溫度要合理些。但這個(gè)指標(biāo)仍沒有反映風(fēng)速對(duì)人體熱平衡的影響。3.等效溫度等效溫度定義為濕空氣的焓與比熱的比值。它是一個(gè)以能量為基礎(chǔ)來評(píng)價(jià)礦井氣候條件的指標(biāo)。當(dāng)氣溫在25—36℃的范圍內(nèi)，等效溫度和濕球溫度基本上呈線性關(guān)系，兩者具有同樣的意義，因而也是不完善的。4.同感溫度同感溫度(也稱有效溫度)是1923年由美國(guó)采暖工程師協(xié)會(huì)提出的。通過實(shí)驗(yàn)得出．實(shí)驗(yàn)時(shí)，將三個(gè)受試者置于一個(gè)溫度為t、相對(duì)濕度為ψ，風(fēng)速為ν的已知環(huán)境中，并記下他們的感受，然后把他們請(qǐng)到另一個(gè)溫度(用t1表示)可調(diào)，相對(duì)濕度為l00％，風(fēng)速為0的環(huán)境里，通過調(diào)節(jié)溫度t1使他們的感受與第一個(gè)環(huán)境相同，那么則稱t1為第一個(gè)環(huán)境的同感溫度。反映出溫度、濕度和風(fēng)速這三者對(duì)人體熱平衡的綜合作用。顯然，同感溫度越高，人體舒適感就越差。這個(gè)指標(biāo)雖然能反映出溫度、濕度和風(fēng)速這三者對(duì)人體熱平衡的綜合作用。但是，同感溫度是一人的主管感受為基礎(chǔ)確定的，經(jīng)研究表明該指標(biāo)也存在著一些不足。例：測(cè)得某一采煤工作面風(fēng)流的干球溫度為25℃，濕球溫度為23℃，風(fēng)速為5.卡他度卡他度是1916年由英國(guó)L．希爾等人提出。干卡他度：反映了氣溫和風(fēng)速對(duì)氣候條件的影響，但沒有反映空氣濕度的影響。Kd=41.868F/tW/m2濕卡他度（Kw）：是在卡他計(jì)貯液球上包裹上一層濕紗布時(shí)測(cè)得的卡他度，其實(shí)測(cè)和計(jì)算方法完全與干卡他度相同。對(duì)高溫、高濕礦井用濕卡他度來衡量礦井氣候條件比干卡他度更合適。分局希爾的研究，不同勞動(dòng)強(qiáng)度時(shí)較適宜的卡他度值見下表。不同勞動(dòng)強(qiáng)度時(shí)適宜的卡他度值勞動(dòng)強(qiáng)度干卡他度Kd濕卡他度Kw坐或輕勞動(dòng)618中等勞動(dòng)825重勞動(dòng)1030作為一個(gè)評(píng)價(jià)礦井氣候條件的指標(biāo)，卡他度比用一個(gè)單一的溫度指標(biāo)要好一些，但與人體相比，他的尺寸太小，其散熱效果和人體有很大的差別，有的研究資料表明：空氣對(duì)卡他及的冷卻能力是空氣對(duì)人體冷卻能力的2～3倍。雖然有很多學(xué)者都在試圖從量上來描述卡他度同人體生理反應(yīng)間的關(guān)系，但都沒有得到滿意的結(jié)果。三、礦井氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)制定礦井氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)到國(guó)家政策、勞動(dòng)衛(wèi)生、勞動(dòng)生理心理學(xué)以及現(xiàn)有的國(guó)家技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。目前，世界各國(guó)關(guān)于礦井氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)差別很大。1、我國(guó)現(xiàn)行的礦井氣候條件安全標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)現(xiàn)行評(píng)價(jià)礦井氣候條件的指標(biāo)是干球溫度。1982年國(guó)務(wù)院頒布的《礦山安全條例》第53條規(guī)定，礦井空氣最高容許干球溫度為28℃在此基礎(chǔ)上，我國(guó)各類礦山在安全規(guī)程中，也對(duì)礦井氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)做出了相應(yīng)的規(guī)定，但都低于下表值。我國(guó)礦山氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)類別最高容許干球溫度/℃煤礦金屬礦化學(xué)礦鈾礦采掘工作面26272626機(jī)電硐室30特殊條件下3030熱水型和高硫礦井27.5《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：采面超過30℃，硐室超過342、國(guó)外一些國(guó)家的礦井氣候條件安全標(biāo)準(zhǔn)世界主要產(chǎn)煤國(guó)家對(duì)礦井氣候條件的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不統(tǒng)一。主要采用的指標(biāo)有：干球溫度、濕球溫度、同感溫度等，具體見下表。世界主要產(chǎn)煤國(guó)家礦山氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)國(guó)別