矿井空气和通风的重要任务

【任务描述】

矿井空气的成分、温度、湿度、浓度，工作场所环境的好坏直接影响矿井安全生产和矿工的生命安全，是矿井安全生产必须掌握的基本知识。本课题主要对矿井空气、矿井气候条件及相应规定、矿井通风及其基本任务等进行详细介绍。通过本课题的实施，使学生能熟练掌握《煤矿安全规程》对井下空气中氧气及有害气体浓度、空气温度的规定，掌握矿井通风任务的基本要求。

【知识学习】

矿井空气的主要成分氧气和氮气，主要有害气体一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、甲烷的性质和危害，矿井空气的温度、湿度和风速，《煤矿安全规程》的上述相关规定。

一、矿井空气

1.地面空气

空气是人体生理活动必需的基本物质，一般来说，地面空气主要由氧气（O₂）、氮气（N₂）、和二氧化碳（CO₂）三种气体组成，地面空气的成分见表7-1。

表7-1 地面空气的成分

除了表中所列的成分之外，地面空气中还含有数量不定的水蒸气、微生物和灰尘。

2.矿井空气

矿井空气是井巷、硐室及采掘工作面中的空气气体的总称，矿井中所有气体的浓度均按体积百分比计算。矿内空气包括进入井下的新鲜空气、井下产生的有毒有害气体和矿尘。矿井空气主要来源于地面空气，由氧气（O₂）、氮气（N₂）、二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H₂S）、氢气（H₂）和其他有毒有害气体等组成。其主要成分仍是氧气（O₂）、氮气（N₂）和二氧化碳（CO₂），但与地面空气比较，其物理化学性质发生了一系列变化。如：含氧量减少；混入各种有毒有害气体；混入煤尘和岩尘；空气的温度、湿度和压力发生变化等。

地面空气进入矿井，在其沿着井巷流动的过程中氧气含量会逐渐减少，并混入有毒有害气体和矿尘；另外，空气的温度、湿度和压力会发生一定的变化。在矿井各作业地点的进风巷中，空气成分和地面空气一般差别不大，因此被称为新风，其回风巷风流中的空气成分与性质变化较大，被称为乏风或污风。

（1）氧气（O₂） 氧气是一种无色、无味、无嗅的气体，对空气的相对密度为1.105，氧气的化学性质很活泼，几乎能与所有的其他元素化合；氧气能溶于水，能助燃和供人呼吸。氧气是维持人体正常生理活动所必需的气体，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。空气中氧的浓度对人体健康影响很大，当氧的浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现种种不舒适的症状，严重时可能危及生命。根据资料，如果一个人发生严重缺氧，而且时间超过了3～6min，缺氧对人的大脑所造成的伤害就不能完全逆转。不同程度的缺氧对人体所造成的影响见表7-2。

表7-2 不同程度的缺氧对人体所造成的影响

井下不通风或通风不良的地点、火区、发生了瓦斯煤尘爆炸或煤与瓦斯突出的地区，除存在其他有害因素外，也存在缺氧的问题。

《煤矿安全规程》（以下简称《规程》）对井下氧气浓度标准做了明确规定：采掘工作面进风流中，氧气浓度不低于20%。

（2）氮气（N₂） 氮气是无色、无味、无嗅的惰性气体，与空气的相对密度为0.97，不助燃，也不能供人呼吸。氮气无毒，正常情况下对人体无害，但当氮气浓度升高时会使氧气浓度相对降低，严重时能使人缺氧窒息。有些矿井的地下煤层中含有氮气，在这样的煤层中进行采掘工作时氮气会涌出。另外，井下爆破也会产生很多氮气。

1982年9月7日，河南平顶山某矿主要通风机因故障停风15min，井下一综采工作面12名正在安装液压支架的工人因邻近采空区有害气体（主要是氮气）的大量涌出而窒息死亡。经采气化验，事故当时该工作面的氮气体积分数为94.7%，氧气体积分数仅为4.6%。

3.井下空气中的有毒有害气体及相应规定

井下空气中的有毒有害气体种类很多，但常见的能够对煤矿安全生产、人身健康造成危害的有二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、硫化氢（H₂S）、二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）、氨气（NH₃）和氢气（H₂）等。

（1）二氧化碳（CO₂） 二氧化碳是一种无色、略带酸味的气体，与空气的相对密度为1.52，易溶于水，不助燃，也不能供人呼吸。在煤矿井下，二氧化碳是一种比较常见的有害气体，它对人体中枢神经系统有一定的危害，在低浓度条件下，早期为兴奋作用，继而可出现抑制作用，最后可导致呼吸中枢麻痹而死亡。除此之外，井下环境中二氧化碳浓度升高必然使氧气浓度下降，严重时对人员有窒息作用。二氧化碳对人体的危害程度见表7-3。

表7-3 空气中二氧化碳对人体的危害程度

为了防止二氧化碳造成危害，《规程》规定，采掘工作面进风流中，二氧化碳浓度不得超过0.5%；矿井总回风巷或一翼回风巷中二氧化碳浓度超过0.75%时，必须立即查明原因，进行处理；采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中二氧化碳浓度超过1.5%时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。

井下二氧化碳的主要来源有：①煤和岩石的氧化；②坑木等有机物的腐烂；③从煤层和岩层中放出；④井下爆破、瓦斯煤尘爆炸、矿井火灾及人的呼吸产生；⑤矿井水（酸性水）遇碳酸性岩石分解。

（2）一氧化碳（CO） 一氧化碳是无色、无味、无臭的气体，与空气的相对密度为0.97，微溶于水，能燃烧，当体积分数达到13%～75%时遇火源有爆炸性。

一氧化碳有剧毒。在人的肺部，一氧化碳能与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白，它能阻止氧气与血红蛋白的正常结合。当人体血液中碳氧血红蛋白达到一定数量，会造成人体血液缺氧而使人窒息和中毒，且一氧化碳与血红蛋白的亲和力比氧气与血红蛋白的亲和力大250～300倍。另外，一氧化碳对人体组织细胞的呼吸过程也有抑制作用。一氧化碳中毒程度与体积分数的关系见表7-4。

表7-4 一氧化碳中毒程度与体积分数的关系

一氧化碳中毒除上述症状外，最显著的特征是中毒者黏膜和皮肤呈樱桃红色。

煤矿井下一氧化碳的主要来源有：矿井火灾，瓦斯、煤尘爆炸以及爆破作业。《规程》规定，井下空气中一氧化碳的体积分数不得超过0.0024%。

（3）硫化氢（H₂S）硫化氢是一种无色、微甜、有臭鸡蛋味的气体，与空气的相对密度为1.19，易溶于水，当体积分数达到4.3%～46%时具有燃烧爆炸性。

硫化氢有剧毒。硫化氢不但能对人的眼睛及上呼吸道黏膜有强烈刺激作用，引起鼻炎、气管炎和肺水肿，且进入人体后，能与人体组织及体液中氧化型细胞色素氧化酶之三价铁相结合，抑制了酶的活性，造成人体组织缺氧。硫化氢中毒程度与体积分数的关系见表7-5。

表7-5 硫化氢中毒程度与体积分数的关系

1971年8月18日，北京矿务局某矿一上山掘进工作面透老空区积水，现场人员撤出。矿调度室主任和一名技术员到现场了解情况，被涌出的硫化氢熏倒致死。该矿在1980年一掘进工作面透老空区积水时发生硫化氢喷出，导致一名工人中毒死亡。

井下硫化氢的主要来源有：坑木及有机物的腐烂；老空涌水中逸出；含硫矿物水解；个别矿区煤层中的硫化氢气体在开采时涌出。《规程》规定，井下空气中硫化氢的体积分数不得超过0.00066%。

（4）甲烷（CH₄） 瓦斯是煤矿井下从煤岩层内涌出成煤过程中的伴生气体的总称，主要成分为甲烷（CH₄）。甲烷是一种无色、无味、无毒、无嗅的气体，与空气的相对密度为0.554，微溶于水，扩散性和渗透性很强；有时由于伴生有碳氢化合物，会有芳香烃的特殊气味。空气中瓦斯含量较大时，会使人因缺氧而窒息；纯瓦斯不燃烧也不爆炸，只有与适量的空气混合后才具有燃烧性和爆炸性；当瓦斯的体积分数达到5%～16%时具有燃烧爆炸性；当瓦斯的体积分数达9.5%时，爆炸威力最大。由于瓦斯比空气轻，常积聚于巷道的顶部、独头上山巷道或冒落的顶板高处。

（5）二氧化硫（SO₂） 二氧化硫是一种无色、有强烈硫黄味的气体，与空气的相对密度为2.32，易溶于水，当空气中二氧化硫的体积分数达到0.0005%时，即可闻到刺激性气味。

二氧化硫有剧毒。空气中的二氧化硫不但能对人的眼睛产生刺激作用，且能对呼吸道和黏膜产生强烈的刺激作用，引起喉炎和肺水肿；遇水后会生成硫酸。《规程》规定：矿井空气中二氧化硫的体积分数不得超过0.0005%。井下二氧化硫主要来源于含硫矿物质氧化或自燃以及在含硫矿物中爆破从含硫煤岩体内涌出。

（6）其他有害气体 除了以上介绍的有害气体之外，煤矿有害气体还有氢气（H₂）、氧化氮（包括NO、NO₂等）和氨气（NH₃）等。

1）氢气（H₂）。氢气是一种无色、无味、无臭、无毒的气体，与空气的相对密度为0.0695，是最轻的气体。氢气具有燃烧和爆炸性，当体积分数达到4%～74.2%时有爆炸性。煤矿井下氢气主要产生于蓄电池的充电过程，因此给蓄电池充电的井下机车充电房等地点必须保持良好的通风状态。

2）二氧化氮（NO₂）。二氧化氮是一种褐红色，有强烈刺激性的气体，与空气的相对密度为1.59，极易溶于水。

二氧化氮是井下毒性最强的有害气体。二氧化氮对人的眼睛、呼吸道黏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，容易被人忽视。二氧化氮遇水后会生成硝酸。二氧化氮对瓦斯爆炸有催化作用。《规程》规定：矿井空气中二氧化氮的体积分数不得超过0.00025%。井下二氧化氮主要来源于爆破工作。(www.xing528.com)

3）氨气（NH₃）。氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，与空气的相对密度为0.6，易溶于水，当空气中氨气体积分数达到30%时有爆炸性。井下氨气的主要来源是蓄电池充电。此外，矿井发生火灾和爆炸事故中也会产生氨气。

（7）矿井空气中有害气体的安全体积分数标准 为防止有害气体对人体和矿井安全生产造成危害，《规程》中对有害气体的安全体积分数标准做了明确规定，其主要有害气体最高允许体积分数见表7-6。

表7-6 矿井空气中有害气体最高允许体积分数

（8）矿井空气中有害气体的快速检测方法 煤矿井下空气中CO、NO₂、SO₂、H₂S、NH₃和H₂等有害气体的含量测定，普遍采用采样器、比长式检定管和秒表测定。

二、矿井气候条件及相应规定

矿井气候条件是指矿井空气的温度、湿度和风速的综合效应。

1.矿井空气温度

空气的温度是影响矿井气候条件的主要因素，气温过高，影响人体散热，破坏身体热平衡，使人感到不适；气温过低，人体散热过多，容易引起感冒，严重时引起井筒结冰，造成事故。例如，1995年2月5日，内蒙古某矿为立井开拓，主井提煤少量进风，无采暖设施；副井进风有暖风，温度符合要求。春节放假后进行检修，主井无提升任务，副井检修，在没有安全措施的情况下，从主井提升人员，12人进入箕斗，当箕斗提升到50m高度时，井筒上方的大冰块纷纷塌落，其中3人被冰块击中死亡。

《规程》规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃。

2.矿井空气湿度

空气湿度是指空气中所含的水蒸气量，即空气的潮湿程度，一般用相对湿度来表示。相对湿度是指每立方米空气中实际含有的水蒸气量和同一温度下的饱和水蒸气量的百分比。对人体比较适宜的相对湿度为50%～60%。

3.井巷风速

在矿井井巷中，风流在单位时间内所流动的距离，称为井巷风速，简称风速。井巷风速的大小直接影响人体的散热效果，同时影响着矿井安全生产。井巷风速应符合《规程》的相关规定，详见表7-7。

表7-7 井巷中的允许风流速度

三、矿井通风的基本任务

矿井通风是指利用机械或自然风压通风动力，将地面的新鲜空气，沿着由通风设施确定的通风路线不断地送入井下机电硐室、火药库、各采掘工作面及其他用风地点，以满足矿井生产用风的需要，同时将清洗过井下机电硐室、各采掘工作面等的污浊空气（污风）不断地排出地面。这种向矿井井下连续不断地输入新鲜空气并排出有害气体的通风过程称为矿井通风。

矿井通风的基本任务如下：

1）向井下各作业场所连续不断地供给适量新鲜空气，保证井下风流质量和数量符合国家安全卫生标准。

2）把井下的有毒有害气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并排出到地面。

3）创造适宜的井下气候条件和良好的生产环境，保障职工的身体健康和生命安全及机械设备的安全运转，提高矿井的劳动生产率。

4）增强矿井的抗灾能力。

四、矿井通风工作的内容

矿井通风工作的内容主要有以下几个方面。

1）矿井、采区通风系统的选择与管理。

2）矿井空气成分、性质、变化规律及按安全标准的控制与实施。

3）矿井风量的计算与分配。

4）矿井通风阻力产生的原因、类型、性质及其测定。

5）矿井通风动力的类型、测算与应用。

6）总结和掌握井下风流流动的基本规律。

7）矿井通风设施的构筑与维护，井下风流的控制与调节。

8）矿井、水平、采区通风系统改造或调整方案设计的编制与实施。

9）矿井通风质量安全技术措施和组织措施的制订与实施。

10）发生“一通三防”重大事故抢险救灾时，提出风流调度的具体措施和方案。

【任务考评】

本课题的考评表见表7-8。

表7-8 任务考评表

【思考与练习】

1.地面空气是由哪些成分组成的？

2.地面空气进入矿井后会发生哪些变化？

3.空气中的氧气含量下降对人体有何影响？

4.煤矿井下有哪些有害气体？其主要性质和主要来源分别是什么？

5.矿井通风的基本任务有哪些？