矿井空气成分及有毒有害气体的检测

**章   矿井空气

一、教学内容：
1、矿井空气主要成分及其基本性质、质量浓度标准、检测仪器与方法；
2、矿井空气主要有害气体及其基本性质、质量浓度标准、检测仪器与方法、防止有害气体危害的措施；
3、矿井气候条件标准、改善方法，

二、重点难点：
1、矿井空气主要有害气体的质量浓度标准；
2、气体检测仪器与检测方法；
3、防止有害气体危害的措施；
4、矿井气候条件各参数的测定仪表及测定方法。

三、教学要求：
1、了解矿井空气各主要成分的基本性质；
2、了解矿井气候条件的质量标准及改善办法；
3、掌握矿井空气各主要成分的质量浓度标准、检测仪表及方法；
4、掌握矿井气候条件各参数的测定仪表及方法。
  

**节  矿井空气成分

地面空气又称为大气，是混合气体，大气中除了水蒸气的比例随地区和季节变化较大以外，其余化学组成成分相对稳定。一般将不含水蒸汽的空气称为干空气，它的组成成分和体积百分比分别为氧气（20.96%）、氮气(79%)和二氧化碳(0.04%).
地面空气从井筒进入井下就成了矿井空气，将发生一系列变化。主要有：氧气含量减少；有毒有害气体含量增加；粉尘浓度增大；空气的温度、湿度、压力等物理状态变化等。
在矿井通风中，习惯上把风流分作新鲜风流（新风）和污风风流（污风或乏风）。

一、矿井空气的主要成分及其基本性质
（一） 氧气（O2）
氧气是一种无色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为1.105。氧气很活跃，易使多种元素氧化，能助燃。
 氧气是维持人体正常生理机能所不可缺少的气体。一般情况下，人在休息时的需氧量为0.2~0.4L/min；在工作时为1~3L/min。
人体缺氧症状与空气中氧气浓度的关系如表1-1所示。
表1-1  人体缺氧症状与空气中氧气浓度的关系
氧气浓度（体积）/% 人体主要症状
17
15
10~12
6~9 静止状态无影响，工作时会感到喘息、呼吸困难和强烈心跳
呼吸及心跳急促，无力进行劳动
失去知觉，昏迷，有生命危险
短时间内失去知觉，呼吸停止，可能导致死亡
地面空气进入井下后，氧气浓度要有所降低，氧气浓度降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩、坑木和其他有机物的缓慢氧化；爆破工作；井下火灾和瓦斯、煤尘爆炸；煤岩和生产中产生其他有害气体等。
在正常通风的井巷和工作面中，氧气浓度与地面相比一般变化不大，不会对人体造成太大影响。但在井下盲巷、通风**的巷道中或发生火灾、爆炸事故后，应特别注意对氧气浓度的检查，以防发生窒息事故。

（二） 氮气（N2）
氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，相对密度为0.97，微溶于水，不助燃，无毒，不能供人呼吸。
氮气在正常情况下对人体无害，但当空气中的氮气浓度增加时，会相应降低氧气浓度，人会因缺氧而窒息。在井下废弃旧巷或封闭的采空区中，有可能积存氮气。如1982年9月7日，我国某矿因矿井主要通风机停风，井下采空区的氮气大量涌出，致使采煤工作面支架安装人员缺氧窒息，造成多人伤亡事故。
矿井中的氮气主要来源于：井下爆破；有机物的腐烂；天然生成的氮气从煤岩中涌出等。

（三） 二氧化碳（CO2）
二氧化碳是无色、略带酸臭味的气体，相对密度为1.52，不助燃也不能供人呼吸，略带毒性，易溶于水。
二氧化碳对人体的呼吸有刺激作用，所以在为中毒或窒息的人员输氧时，常常要在氧气中加入5%的二氧化碳，以促使患者加强呼吸。当空气中的二氧化碳浓度过高时，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也能造**员中毒或窒息。空气中二氧化碳浓度对人体的危害程度如表1-2所示。
表1-2   空气中二氧化碳浓度对人体的影响
二氧化碳浓度（体积）/%      人体主要症状
1
3
5
10
10~20
20~25 呼吸加深，急促
呼吸急促，心跳加快，**，很快疲劳
呼吸困难，**，恶心，耳鸣
**，头昏，呼吸困难，昏迷
呼吸停顿，失去知觉，时间稍长会死亡
短时间中毒死亡
二氧化碳比空气重，常常积聚在煤矿井下的巷道底板、水仓、溜煤眼、下山尽头、盲巷、采空区及通风**处。
矿井中二氧化碳的主要来源有：煤和有机物的氧化；人员呼吸；井下爆破；井下火灾；瓦斯、煤尘爆炸等。有时也能从煤岩中大量涌出，甚至与煤或岩石一起突然喷出，给**生产造成重大影响。如我国某矿，曾在1975年6月发生过一起二氧化碳和岩石突出事故，突出二氧化碳11000m3。
二氧化碳窒息同缺氧窒息一样，都是造成矿井人员伤亡的重要原因之一。

二、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准
矿井空气的主要成分中，由于氧气和二氧化碳对人员身体健康和**生产影响很大，所以《煤矿**规程》（以下简称《规程》）对其浓度标准做了明确规定。主要如下：
采掘工作面进风流中，按体积计算，氧气浓度不低于20%；二氧化碳浓度不超过0.5%。
矿井总回风巷或一翼回风巷风流中，二氧化碳超过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超过1.5%时，采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5%时，都必须停止工作，撤出人员，进行处理。

三、矿井空气主要成分的检测方法
矿井空气主要成分的检测方法可分为两大类：一是取样分析法，二是快速测定法。

（一） 取样分析法
利用取样瓶或吸气球等容器提取井下空气式样，送往地面化验室进行分析。分析仪器多用气相色谱仪，分析精度高，定性准确，分析速度快，一次进样可以同时完成多种气体的分析；但所需时间长，操作复杂，技术要求高。一般用于井下火区成分检测或需**测定空气成分的场合。

（二）快速测定法
利用便携式仪器在井下就地检测，快速测定出主要气体成分，是目前普遍采用的测定方法。
1、氧气浓度的快速测定方法
（1） 利用氧气检测仪检测
检测井下氧气的便携式仪器种类较多，主要有AY—1B型、JJY—1型（可测O2、CH4两种气体）等。其中AY—1B型是普遍使用的氧气检测仪，本质**型。
AY—1B型氧气检测仪采用的是电化学“隔膜式伽伐尼电池”原理。氧气传感元件（隔膜式伽伐尼电池）分别由铂、铅两种不同金属做阴极和阳极，碱性溶液做电解液，通过聚四氯乙烯薄膜将其封闭构成，如图1-1a所示。当氧气透过隔膜在电极上发生电化学反应时，在两个电极间将形成同氧气浓度成正比的电流值，通过测定电极间的电流值即可实现对氧气浓度的测定。图1-1b为AY—1B型氧气检测仪的外部结构图。
 
（a）

 
（b）
图1-1   AY—1B型氧气检测仪
（a）隔膜式伽伐尼电池结构示意图 （b）AY—1B型氧气检测仪的外部结构图
1—氧气浓度显示器；2—仪器铭牌；3—示值调准电位器旋钮；
4—氧气扩散孔；5—提手；6—密封盖；7—开关
（2）利用比长式氧气检测管检测
这种方法与矿井中主要有害气体的检测基本相同（详见本章**节）
2、二氧化碳浓度的快速检测方法
矿井空气中二氧化碳的测定主要使用光学瓦斯鉴定器，检查方法详见《煤矿**》教材。

**节 矿井空气中的有害气体及其检测

一、矿井空气中的有害气体及其基本性质

（一）一氧化碳（CO）
一氧化碳是无色、无味、无臭的气体，相对密度0.97，微溶于水，能燃烧，当体积浓度达到13%~75%时遇火源有爆炸性。
一氧化碳有剧毒。人体血液中的血红素与一氧化碳的亲和力比它与氧气的亲和力大250~300倍。一氧化碳的中毒程度与中毒浓度、中毒时间、呼吸频率和深度及人的体质有关。与中毒浓度和中毒时间的关系如表1-3所示。
表1-3   一氧化碳的中毒程度与浓度的关系
一氧化碳浓度（体积）/% 主  要  症  状
0.016 数小时后有**、心跳、耳鸣等轻微中毒症状
0.048 1h可引起轻微中毒症状
0.128 0.5~1h引起意识迟钝、丧失行动能力等严重中毒症状
0.40 短时间失去知觉、抽筋、假死。30min内即可死亡
一氧化碳中毒除上述症状外，*显著的特征是中毒者粘膜和皮肤呈樱桃红色。
矿井中一氧化碳的主要来源有：爆破工作；矿井火灾；瓦斯及煤尘爆炸等。据统计，在煤矿发生的瓦斯爆炸、煤尘爆炸及火灾事故中，约70～75%的死亡人员都是因一氧化碳中毒所致。

（二）硫化氢（H2S）
硫化氢是无色、微甜、略带臭鸡蛋味的气体，相对密度为1.19，易溶于水，当浓度达4.3%~46%时具有爆炸性。
硫化氢有剧毒。它能使人体血液缺氧中毒，对眼睛及呼吸道的粘膜具有强烈的刺激作用，能引起鼻炎、气管炎和肺水肿。当空气中浓度达到0.0001%时可嗅到臭味，但当浓度较高时（0.005~0.01%），因嗅觉神经中毒麻痹，臭味“减弱”或“消失”，反而嗅不到。硫化氢的中毒程度与浓度的关系如表1-4所示。
表1-4  硫化氢的中毒程度与浓度的关系
硫化氢浓度（体积）/% 主  要  症  状
0.0001 有强烈臭鸡蛋味
0.01 流唾液和清鼻涕、瞳孔放大、呼吸困难
0.05 0.5~1h严重中毒，失去知觉、抽筋、瞳孔变大，甚至死亡
0.1 短时间内死亡
矿井中硫化氢的主要来源有：坑木等有机物腐烂；含硫矿物的水化；从老空区和旧巷积水中放出。1971年，我国某矿一上山掘进工作面曾发生一起老空区透水事故，人员撤出后，矿调度室主任和一名技术员去现场了解透水情况，被涌出的硫化氢熏倒致死。有些矿区的煤层中也有硫化氢涌出。

（三）二氧化硫（SO2）
二氧化硫是无色、有强烈硫磺气味及酸味的气体，当空气中二氧化硫浓度达到0.0005%时即可嗅到刺激气味。它易溶于水，相对密度为2.32，是井下有害气体中密度*大的，常常积聚在井下巷道的底部。
二氧化硫有剧毒。空气中的二氧化硫遇水后生成硫酸，对眼睛有刺激作用，矿工们将其称之为“瞎眼气体”。此外，也能对呼吸道的粘膜产生强烈的刺激作用，引起喉炎和肺水肿。二氧化硫的中毒程度与浓度的关系如表1-5所示。
表1-5  二氧化硫的中毒程度与浓度的关系
二氧化硫浓度（体积）/% 主  要  症  状
0.0005 嗅到刺激性气味
0.002 **、眼睛**、流泪、喉痛
0.05 引起急性****和肺水肿，短时间内有生命危险
矿井中二氧化硫的主要来源有：含硫矿物的氧化与燃烧；在含硫矿物中爆破；从含硫煤体中涌出。

（四）二氧化氮（NO2）
二氧化氮是一种红褐色气体，有强烈的刺激性气味，相对密度1.59，易溶于水。
二氧化氮是井下毒性*强的有害气体。它遇水后生成硝酸，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。
二氧化氮的中毒有潜伏期，容易被人忽视。中毒初期仅是眼睛和喉咙有轻微的刺激症状，常不被注意，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作，但经过6h甚至更长时间后才出现中毒征兆。主要特征是手指尖及皮肤出现黄色斑点，头发发黄，吐黄色痰液，发生肺水肿，引起呕吐甚至死亡。二氧化氮的中毒程度与浓度的关系如表1-6所示。
表1-6  二氧化氮的中毒程度与浓度的关系
二氧化氮浓度（体积）/% 主  要  症  状
0.004 2~4h内不致显著中毒，6h后出现中毒症状，咳嗽
0.006 短时间内喉咙感到刺激、咳嗽，胸痛
0.01 强烈刺激呼吸器官，严重咳嗽，呕吐、腹泻，神经麻木
0.025 短时间即可致死
矿井中二氧化氮的主要来源是爆破工作。**爆破时会产生一系列氮氧化物，如一氧化氮（遇空气即转化为二氧化氮）、二氧化氮等，是炮烟的主要成分。我国某矿1972年在煤层中掘进巷道时，工作面非常干燥，工人们放炮后立即迎着炮烟进入，结果因吸入炮烟过多，造成二氧化氮中毒，2名工人于次日死亡。因此在爆破工作中，一定要加强通风，防止炮烟熏人事故。

（五）氨气（NH3）
氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，相对密度为0.6，易溶于水。当空气中的氨气浓度达到30%时遇火有爆炸性。
氨气有剧毒。它对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头水肿，严重时失去知觉，以致死亡。
氨气主要是在矿井发生火灾或爆炸事故时产生。

（六）氢气（H2）
氢气无色、无味、无毒，相对密度为0.07，是井下*轻的有害气体。空气中氢气浓度达到4%~74%时具有爆炸危险。
井下氢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。
除了上述有害气体之外，矿井空气中*主要的有害气体是甲烷（CH4），又称沼气。它是一种具有窒息性和爆炸性的气体，对煤矿**生产的威胁*大，关于它的主要性质、危害和预防措施等将在《煤矿**》教材中详细介绍，本节不再重复。
在煤矿生产中，通常把以甲烷为主的这些有毒有害气体总称为瓦斯。

二、矿井空气中有害气体的**浓度标准
为了防止有害气体对人体和**生产造成危害，《规程》中对其**浓度（允许浓度）标准做了明确规定，其中主要有毒气体的浓度标准如表1-7所示。
表1-7   矿井空气中有害气体*高允许浓度
有害气体名称 符号 *高允许浓度（%）
一氧化碳 CO 0.0024
氧化氮（换算成二氧化氮） NO2 0.00025
二氧化硫 SO2 0.0005
硫化氢 H2S 0.00066
氨 NH3 0.004
此外，《规程》还规定：井下充电室风流中以及局部积聚处的氢气浓度不得超过0.5%。
对矿井中涌出量较大的甲烷（瓦斯）气体，《规程》对其**浓度和超限后的措施都有更为详尽的规定，具体见《煤矿**》教材。
通过上述有害气体的**浓度标准可以看出，*高允许浓度的制定都留有较大的**系数，只要在矿井生产中严格遵守《规程》规定，不违章作业，人身**是完全有保障的。
三、有害气体的检测方法
近年来，随着煤矿**装备水平的不断提高，瓦斯监控系统的普遍应用，有害气体的检测手段也日趋完善，各大、中型矿井已经形成了人工定点、定时检测与自动监测相结合的检测体系。在人工检测方法中，除了取样分析法之外，目前使用*广泛的还是快速测定法。

（一）瓦斯（CH4）的快速检测方法
煤矿中用于检测瓦斯的仪器有光学瓦斯检定器、瓦斯检测报警仪、瓦斯断电仪等。其构造原理及使用方法将在《煤矿**》教材中介绍。

（二）CO、NO2、H2S、SO2、NH3、H2的快速检测方法
煤矿井下空气中CO、NO2、H2S、SO2、NH3和H2等有害气体的浓度测定，普遍采用比长式检测管法。它是根据待测气体同检测管中的指示粉发生化学反应后指示粉的变色长度来确定待测气体浓度的。下面以比长式CO检测管为例说明检测原理及检测方法。
 
图1-2   比长式CO检测管结构示意图
1—堵塞物；2—活性炭；3—硅胶；4—消除剂；5—玻璃粉；6—指示粉
如图1-2所示，比长式CO检测管是一支￠4～6mm，长150mm的玻璃管，以活性硅胶为载体，吸附化学试剂碘酸钾和发烟硫酸充填于管中，当CO气体通过时，与指示粉起反应，在玻璃管壁上形成一个棕色环，棕色环随着气体通过向前移动，移动的长度与气样中所含CO浓度成正比。因此，可以根据玻璃管上的刻度直接读出CO的浓度值。
其他有害气体的比长式检测管结构及工作原理与CO基本相同，只是检测管内装的指示粉各不相同，颜色变化各有差异。表1-8是我国煤矿用比长式气体检测管主要性能表。

表1-8  我国煤矿用比长式气体检测管主要性能表
检测管名   称 型号 测量范围
(体积比%) *  小
分辨率 *小检
测浓度 颜色变化
CO Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ (5~50)×10-6
(10~500)×10-6
(100~5000)×10-6 5×10-6
20×10-6
200×10-6 5×10-6
10×10-6
100×10-6 
白→棕褐色
CO2 Ⅰ
Ⅱ 0.2%~3.0%
1%~15% 0.2%
1% 0.1%
0.5% 蓝色→白色
H2S 1 (3~100) ×10-6 5×10-6 3×10-6 白→棕色
SO2 1 (2.5~100)×10-6 5×10-6 2.5×10-6 紫→土黄色
NO2 1 (1~50)×10-6 2.5×10-6 1×10-6 白→黄绿色
NH3 1 (20~200)×10-6 20×10-6 20×10-6 桔黄→蓝灰色
O2  1%~21% 1% 0.5% 白→茶色
H2 1 0.5%~3.0% 0.5% 0.3% 白→淡红
与比长式检测管配套使用的还有圆筒形压入式手动采样器。主要结构如图1-3所示。
 
图1-3  圆筒形压入式手动采样器结构示意图
1—气嘴；2—接头胶管；3—阀门把；4—变换阀；
5—垫圈；6—活塞筒；7—拉杆；8—手柄
采样器由变换阀和活塞筒等部分组成。活塞筒6用来抽取气样，变换阀4则可以改变气样流动方向或切断气流。当阀门把手3处于垂直位置时，活塞筒与接头胶管2相通；当阀门把手顺时针方向旋转水平位置时，活塞筒与气嘴1相通；阀门把手处于45°位置时，变换阀将活塞筒与外界气体隔断。在活塞拉杆7上刻有标尺，可以表示出手柄拉动到某一位置时吸入活塞筒的气样体积（ml）。
使用时先将阀门把手转到水平位置，在待测地点拉动活塞拉杆往复抽送气2～3次，使待测气体充满活塞筒，再将把手扳至45°位置；将检测管两端用小砂轮片打开，按检测管上的箭头指向插入胶管接头；将把手扳至垂直位置，按检测管上规定的送气时间（一般100s）把气样以均匀的速度送入检测管，然后，拔出检测管读数。
如果被测环境空气中有害气体的浓度很低，用低浓度检测管也不易测出，可以采用增加送气次数的方法进行测定。测得的浓度值除以送气次数，即为被测对象的实际浓度。
若被测环境气体浓度大于检测管的上限（即气样未送完检测管已全部变色），在优先考虑测定人员的防毒措施后，可先将待测气体稀释后再进行测定，但测定结果要根据稀释的倍数进行换算。

四、防止有害气体危害的措施
1、加强通风。用通风的方法将各种有害气体浓度冲淡到《规程》规定的**标准以下，这是目前防止有害气体危害的主要措施之一。
2、加强对有害气体的检查。按照规定的检查制度，采用合理的检查方法和手段，及时发现存在的隐患和问题，采取有效措施进行处理。
3、瓦斯抽放。对煤层或围岩中存在的大量高浓度瓦斯，可以采用抽放的方法加以解决，既可以减少井下瓦斯涌出，减轻通风压力，抽到地面的瓦斯还能加以利用。
4、放炮喷雾或使用水炮泥。喷雾器和水炮泥爆破后产生的水雾能溶解炮烟中的二氧化氮、二氧化碳等有害气体，降低其浓度，方法简单有效。
5、加强对通风**处和井下盲巷的管理。工作面采空区应及时封闭；临时通风的巷道要设置栅栏，揭示警标，需要进入时必须首先进行有害气体检查，确认无害时方可进入。
6、井下人员必须随身佩带自救器。一旦矿井发生火灾、瓦斯煤尘爆炸事故，人员可迅速使用自救器撤离危险区。
7、对缺氧窒息或中毒人员及时进行急救。一般是先将伤员移到新鲜风流中，根据具体情况采取人工呼吸（NO2、H2S中毒除外）或其它急救措施。

第三节 矿井气候条件及改善

矿井气候是指矿井空气的温度、湿度和风速等参数的综合作用状态。这三个参数的不同组合，便构成了不同的矿井气候条件。矿井气候条件同人体的热平衡状态有密切联系，直接影响着井下作业人员的身体健康和劳动生产率的提高。

一、矿井气候对人体热平衡的影响
人体无论在静止状态下还是在运动状态下，都要进行新陈代谢。
人体散热的方式主要通过皮肤表面与外界的对流、辐射和汗液蒸发三种基本形式进行。对流散热主要取决于周围空气的温度和风速；辐射散热主要取决于周围物体的表面温度；蒸发散热则取决于周围空气的相对湿度和风速。
各种气候参数中，空气温度对人体散热起着主要作用。空气湿度影响人体蒸发散热的效果。风速影响着人体的对流散热和蒸发的效果。
总之，矿井气候条件对人体热平衡的影响是一种综合作用，各参数之间相互联系、相互影响。

二、矿井空气的温度、湿度和风速

（一）矿井空气的温度
空气的温度是影响矿井气候的重要因素。*适宜的矿井空气温度为15~20℃。
矿井空气的温度受地面气温、井下围岩温度、机电设备散热、煤炭等有机物的氧化、人体散热、水分蒸发、空气的压缩或膨胀、通风强度等多种因素的影响。随着井下通风路线的延长，空气温度逐渐升高。
在进风路线上，矿井空气的温度主要受地面气温和围岩温度的影响，有冬暖夏凉之感。
工作面温度基本上不受地面季节气温的影响，且常年变化不大。
在回风路线上，因通风强度较大，加上水分蒸发和风流上升膨胀吸热等因素影响，温度有所下降，常年基本稳定。

（二）矿井空气的湿度
空气的湿度是指空气中所含的水蒸气量或潮湿程度。有两种表示方法：
（1）**湿度：指单位体积湿空气中所含水蒸气的质量（g/m3），用f表示。
 空气在某一温度下所能容纳的*大水蒸气量称为饱和水蒸气量，用F饱表示。温度越高，空气的饱和水蒸气量越大。在标准大气压下，不同温度时的饱和水蒸气量如表1-9所示。
表1-9   在标准大气压下不同温度时的饱和水蒸气量、饱和水蒸气压力
温度
℃ 饱和水蒸气量
g/m3 饱和水蒸气压力
Pa 温度
℃ 饱和水蒸气量
g/m3 饱和水蒸气压力
Pa
-20 1.1 128 14 12.0 1597
-15 1.6 193 15 12.8 1704
-10 2.3 288 16 13.6 1817
-5 3.4 422 17 14.4 1932
0 4.9 610 18 15.3 2065
1 5.2 655 19 16.2 2198
2 5.6 705 20 17.2 2331
3 6.0 757 21 18.2 2491
4 6.4 811 22 19.3 2638
5 6.8 870 23 20.4 2811
6 7.3 933 24 21.6 2984
7 7.7 998 25 22.9 3171
8 8.3 1068 26 24.2 3357
9 8.8 1143 27 25.6 3557
10 9.4 1227 28 27.0 3784
11 9.9 1311 29 28.5 4010
12 10.0 1402 30 30.1 4236
13 11.3 1496 31 31.8 4490
（2）相对湿度：指空气中水蒸气的实际含量（f）与同温度下饱和水蒸气量（ ）比值的百分数，用公式表示如下：
                        （1-1）
式中     ——相对湿度，% ；
        ——空气中水蒸气的实际含量（即**湿度），g/m3；
        ——在同一温度下空气的饱和水蒸气量，g/m3
      通常所说的湿度指的都是相对湿度，它反映的是空气中所含水蒸气量接近饱和的程度。一般认为相对湿度在50~60%对人体*为适宜。
    一般情况下，在矿井进风路线上，有冬干夏湿之感。在采掘工作面和回风系统，因空气温度较高且常年变化不大，空气湿度也基本稳定，一般都在90%以上，甚至接近100%。
     矿井空气的湿度还与地面空气的湿度、井下涌水大小及井下生产用水状况等因素有关。

    （三）井巷中的风速

    风速是指风流的流动速度。风速过低过高，对**生产和人体健康也不利，因此，井下工作地点和通风井巷中都要有一个合理的风速范围。表1-10给出了井下不同温度下适宜的风速范围。表1-11则是《规程》规定的不同井巷中的允许风速标准。
表1-10  风速与温度之间的合适关系
空气温度/℃ ＜15 15~20 20~22 22~24 24~26
适宜风速/m/s ＜0.5 ＜1.0 ＞1.0 ＞1.5 ＞2.0
表1-11 井巷中的允许风流速度
井巷名称 允许风速/（m/s）
 *低 *高
无提升设备的风井和风硐  15
专为升降物料的井筒  12
风桥  10
升降人员和物料的井筒  8
主要进、回风巷  8
架线电机车巷道 1.0 8
运输机巷，采区进、回风巷 0.25 6
采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷 0.25 4
掘进中的岩巷 0.15 4
其它通风人行巷道 0.15 
此外，《规程》还规定，设有梯子间的井筒或修理中的井筒，风速不得超过8m/s；梯子间四周经封闭后，井筒中的*高允许风速可按上表执行。
无瓦斯涌出的架线电机车巷道中的*低风速可低于上表的规定值，但不得低于0.5m/s。
综合机械化采煤工作面，在采取煤层注水和采煤机喷雾降尘等措施后，其*大风速可高于上表的规定值，但不得超过5m/s。

三、衡量矿井气候条件的指标和**标准

   （一）衡量矿井气候条件的指标
干球温度是我国现行的*简单的评价矿井气候条件指标之一，但它只反映了温度对矿井气候条件的影响，不太**，其它评价指标也都有一定的局限性。
   等效温度是1923年由美国采暖通风工程师协会提出的。这个指标是通过实验，凭受试者对环境的感觉而得出的。实验时，先把三个受试者置于某一温度、湿度、风速的已知环境中，并记下自己的感受；然后，再将他们换到另一个相对湿度为100%、风速为0、温度可调的环境中，通过调节此时的温度，找到与原来的环境相同的感觉，此时的温度值就称为原环境的有效温度。这个指标可以反映出温度、湿度和风速对人体热平衡的综合作用，显然，等效温度越高，人体舒适感就越差。但这种方法在矿井的高温高湿条件下，湿度与风速对气候条件的影响反映不足，也没有考虑辐射换热的效果，所以同样存在着局限性。
   井下某一地点等效温度的测算方法是：用干湿球温度计（如风扇湿度计）测出空气的干球温度和湿球温度，再用风表测出该地点风流的风速，然后从图1-4所示的等效温度计算图上查得相应的等效温度值。
 
图1-4   等效温度计算图
例1-1  测得井下某一工作面风流的干球温度为17℃，湿球温度为16℃，风速为0.8m/s，求其等效温度。
   解：在图1-4的左、右标尺上分别找到17℃和16℃两点m、n,并连成虚线，此虚线与风速为0.8m/s的风速曲线相交，根据交点位置可在等效温度标尺上查出等效温度为10℃。

    （二）矿井气候条件的**标准
    我国现行的评价矿井气候条件的指标是干球温度。《规程》规定：
    进风井口以下的空气温度必须在2℃以上。
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℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。
采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。

四、矿井空气温度和湿度的测定

（一）矿井空气温度的测定
测温仪器可使用*小分度0.5℃并经校正的温度计。测温时间一般在8：00—16：00h的时间内进行。测定温度的地点应符合以下要求：
1、掘进工作面空气的温度测点，应设在工作面距迎头2m处的回风流中。
2、长壁式采煤工作面空气温度的测点，应在工作面内运输道空间中央距回风道口15m处的风流中。采煤工作面串联通风时，应分别测定。
3、机电硐室空气温度的测点，应选在硐室回风道口的回风流中。
此外，测定气温时应将温度计放置在一定地点10min后读数，读数时先读小数再读整数。温度测点不应靠近人体、发热或制冷设备，至少距离0.5m。

（二）空气湿度的测定
测量矿井空气湿度的仪器主要有风扇湿度计和手摇湿度计，它们的测定原理相同。常用的是风扇湿度计（又称通风干湿表），如图1-5所示，它主要由两支相同的温度计1、2和一个通风器6组成，其中一只温度计的水银液球上包有湿纱布，称为湿温度计，另一只温度计称为干温度计，两只温度计的外面均罩着内外表面光亮的双层金属保护管4、5，以防热辐射的影响；通风器6内装有风扇和发条，上紧发条，风扇转动，使风管7内产生稳定的气流，干、湿温度计的水银球处在同一风速下。

 
图1-5    风扇湿度计
1—干球温度计；2—湿球温度计；3—湿棉纱布；4、5—双层金属保护管； 6—通风器；7—风管
测定相对湿度时，先用仪器附带的吸水管将湿温度计的棉纱布浸湿，然后上紧发条，小风扇转动吸风，空气从两个金属保护管4、5的入口进入，经中间风管7由上部排出。湿球温度计的温度值低于干球温度计的温度值，空气的相对湿度越小，蒸发吸热作用越显著，干湿温度差就越大。根据湿温度计的读数（′，℃）和干、湿度计的读数差值（△ ，℃），由表1-12即可查出空气的相对湿度（ ）。
表1-12   由风扇湿度计读数值查相对湿度
湿球示度/℃ 干湿温度计示度度差/℃
 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
 相对湿度/%                                                

0 100 91 83 75 67 61 54 48 42 37 31 27 22 18 14
1 100 91 83 76 69 62 56 50 44 39 34 30 25 21 17
2 100 92 84 77 70 64 58 52 47 42 37 33 28 24 21
3 100 92 85 78 72 65 60 54 49 44 39 35 31 27 23
4 100 93 86 79 73 67 61 56 51 46 42 37 33 30 26
5 100 93 86 80 74 68 63 57 53 48 44 40 36 32 29
6 100 93 87 81 75 69 64 59 54 50 46 42 38 34 31
7 100 93 87 81 76 70 65 60 56 52 48 44 40 37 33
8 100 94 88 82 76 71 66 62 57 53 49 46 42 39 35
9 100 94 88 82 77 72 68 63 59 55 51 47 44 40 37
10 100 94 88 83 78 73 69 64 60 56 52 49 45 42 39
11 100 94 89 84 79 74 69 65 61 57 54 50 47 44 41
12 100 94 89 84 79 75 70 66 62 59 55 52 48 45 42
13 100 95 90 85 80 76 71 67 63 60 56 53 50 47 44
14 100 95 90 85 81 76 72 68 64 61 57 54 51 48 45
15 100 95 90 85 81 77 73 69 65 62 59 55 52 50 47
16 100 95 90 86 82 78 74 70 66 63 60 57 54 51 48
17 100 95 91 86 82 78 74 71 67 64 61 58 55 52 49
18 100 95 91 87 83 79 75 71 68 65 62 59 56 53 50
19 100 95 91 87 83 79 76 72 69 65 62 59 57 54 51
20 100 96 91 87 83 80 76 73 69 66 63 60 58 55 52
21 100 96 92 88 84 80 77 73 70 67 64 61 58 56 53
22 100 96 92 88 84 81 77 74 71 68 65 62 59 57 54
23 100 96 92 88 84 81 78 74 71 68 65 63 60 58 55
24 100 96 92 88 85 81 78 75 72 69 66 63 61 58 56
25 100 96 92 89 85 82 78 75 72 69 67 64 62 59 57
26 100 96 92 89 85 82 79 76 73 70 67 65 62 60 57
27 100 96 93 89 86 82 79 76 73 71 68 65 63 60 58
28 100 96 93 89 86 83 80 77 74 71 68 66 63 61 59
29 100 96 93 89 86 83 80 77 74 72 69 66 64 62 60
30 100 96 93 90 86 83 80 77 75 72 69 67 65 62 60
31 100 96 93 90 87 84 81 78 75 73 70 68 65 63 61
32 100 97 93 90 87 84 81 78 76 73 71 68 66 63 61
例1-2  在井下某处用风扇湿度计测得风流的干球温度为24.2℃,湿球温度为20.2℃。求此处空气的相对湿度。
解：∵ ′=20.2℃    △ =24.2－20.2=4℃
    ∴ 查表1-12得相对湿度为69%。

五、矿井气候条件的改善
改善矿井气候主要是从调节空气温度和调整风速入手。其中，常用的调节温度措施简述如下：

（一）空气预热
空气预热就是使用蒸汽、水暖或其它设备，将一部分空气预热到70℃～80℃，再使其与冷空气混合，混合后的空气温度达到2℃以上。按冷热空气混合方式的不同，预热方式有井筒混合式；井口房混合式；井筒、井口房混合式三种。
1、井筒混合式。这种布置方式是将被加热的空气通过专用通风机和热风道送入井口以下2m以下，在井筒内进行热风和冷风的混合。
2、井口房混合式。这种布置方式是将热风直接送入井口房内进行混合，使混合后的空气温度达到2℃以上后再进入井筒。
3、井口房、井筒混合式。这种布置方式是前两种方式的结合，它将大部分热风送入井筒内混合，将小部分热风送入井口房内混合，再送入井下。

（二）降温措施
1、通风降温
（1）增加风量。当热害不太严重时，用提高通风强度即增大风量的方法来降温是行之有效的降温措施。
（2）选择合理的通风系统。矿井通风系统或采区通风系统中应尽量缩短进风风流的路线长度，并使进风巷道位于热源温度较低的层位中，以减少风流被加热的机会；采煤工作面通风时，可选择下行通风方式，将机电设备、煤炭运输地点等选择在回风风流中，以降低这些局部热源对工作面的影响。
（3）改革采煤工作面通风方式。传统的采煤工作面通风方式为一进一出的U型通风，如果视情况改为E型、W型通风（详见第七章），既缩短了工作面的风路长度，又增大了风量，还能使工作面的气温降低。
2、改革采煤方法和顶板管理
（1）后退式采煤法与前进式相比，风阻小，风量大，有利于降温。
（2）倾斜长壁式采煤法的通风路线短，风阻小，风量大，工作面入口风流温度相应较低，对改善工作面的气候有利。
（3）采用充填法管理顶板，避免或减少了全部跨落法管理顶板所造成的采空区冒落岩石的散热和采空区热风的散热，可降低工作面风流的温度。
3、减少各种热源散热
如减少煤炭在井下的暴露时间；在高温岩壁与巷道支架之间充填隔热材料；井下大型机电设备硐室设置单独的通风道；对温度较高的压气管路和排热水管用绝热材料包裹；及时封堵或合理排除井下热水等。
4、制冷降温
当采用通常的降温措施不能有效地解决采掘工作面等局部地点的高温问题时，就必须采用机械制冷设备强制制冷，即矿井空调技术。目前机械制冷方法有三种：地面集中制冷机制冷；井下集中制冷机制冷；井下移动冷冻机制冷。

第四节  井巷中风速与风量的测定

   单位时间内通过井巷断面的空气体积叫做风量，它等于井巷的断面积与通过井巷的平均风速的乘积。因此，测量风量时必然测定风速。风速和风量测定是矿井通风测定技术中的重要组成部分，也是矿井通风管理中的基础性工作。
  《规程》规定：矿井必须建立测风制度，每10天进行一次**测风。对采掘工作面和其它用风地点，应根据实际需要随时测风，每次测风结果应记录并写在测风地点的记录牌上。
     矿井应根据测风结果采取措施，进行风量调节。
一、井巷断面上的风速分布
空气在井巷中流动时，风速在巷道断面上的分布是不均匀的。一般来说，位于巷道轴心部分的风速*大，靠近巷道周壁部分的风速*小，如图1-6所示，通常所谓巷道内的风速都是指平均风速v均。平均风速v均与*大风速v大的比值叫做巷道的风速分布系数（速度场系数），用K速表示，其值与井巷粗糙程度有关，巷道周壁越光滑，K速就越大，即断面上的风速分布越均匀。据调查，对于砌碹巷道，K速=0.8~0.86；木棚支护巷道，K速=0.68~0.82；无支护巷道，K速=0.74~0.81。
 
图1-6  巷道中的风速分布
需要注意的是，由于受到井巷断面形状、支护形式、直线程度及障碍物的影响，*大风速不一定正好位于井巷的中轴线上，风速分布也不一定具有对称性。
二、测风仪表
测量井巷风速的仪表叫风表，又称风速计。目前，煤矿中常用的风表按结构和原理不同可分为机械式、热效式、电子叶轮式和超声波式等几种。

（一）机械式风表
机械式风表是目前煤矿使用*广泛的风表。它全部采用机械结构，多用于测量平均风速，也可以用于点风速的测定。按其感受风力部件的形状不同，又分为叶轮式和杯式两种，其中，杯式主要用于气象部门，也可用于煤矿井下；叶轮式在煤矿中应用广泛，是本节介绍的重点。
机械叶轮式风表由叶轮、传动蜗轮、蜗杆、计数器、回零压杆、离合闸板、护壳等构成，如图1-7所示。
 
图1-7  机械叶轮式风表
1—叶轮；2—蜗杆轴；3—计数器；4—离合闸板；5—回零压杆；6—护壳
风表的叶轮由8个铝合金叶片组成，叶片与转轴的垂直平面成一定的角度，当风流吹动叶轮时，通过传动机构将运动传给计数器3，指示出叶轮的转速。离合闸板4的作用是使计数器与叶轮轴联结或分开，用来开关计数器。回零压杆5的作用是能够使风表的表针回零。
风表按风速的测量范围不同分为高速风表（0.8~25m/s）、中速风表（0.5~10m/s）和微（低）速风表（0.3~5m/s）三种。三种风表的结构大致相同，只是叶片的厚度不同，起动风速有差异。
由于风表结构和使用中机件磨损、腐蚀等影响，通常风表的计数器所指示的风速并不是实际风速，表速（指示风速）v表与实际风速（真风速）v真的关系可用风表校正曲线来表示。风表出厂时都附有该风表的校正曲线，风表使用一段时间后，还必须按规定重新进行检修和校正，得出新的风表校正曲线。图1-8为风表校正曲线示意图。

 
图1-8   风表校正曲线示意图
    风表的校正曲线还可用下面的表达式来表示：
                               v真＝a＋bv表                       （1-2）
式中  v真——真风速，m/s；
      a——表明风表启动初速的常数，决定于风表转动部件的惯性和摩擦力；
      b——校正常数，决定于风表的构造尺寸；
      v表——风表的指示风速，m/s。
   目前我国生产和使用的叶轮式风表主要有：DFA—2型（中速）、DFA—3型（微速）、DFA—4型（高速）、AFC—121（中、高速）、EM9（中速）等。机械叶轮式风表的特点是体积小，重量轻，重复性好，使用及携带方便，测定结果不受气体环境影响；缺点是精度低，读数不直观，不能满足自动化遥测的需要。
   （二）热效式风表
   我国目前生产的主要是热球式风速计。它的测风原理是，一个被加热的物体置于风流中，其温度随风速大小和散热多少而变化，通过测量物体在风流中的温度便可测量风速。由于只能测瞬时风速，且测风环境中的灰尘及空气湿度等对它也有一定的影响，所以这种风表使用不太广泛，多用于微风测量。
   （三）电子叶轮式风表
   电子叶轮式风表由机械结构的叶轮和数据处理显示器组成。它的测定原理是，叶轮在风流的作用下旋转，转速与风速成正比，利用叶轮上安装的一些附件，根据光电、电感等原理把叶轮的转速转变成电量，利用电子线路实现风速的自动记录和数字显示。它的特点是读数和携带方便，易于实现遥测。如MSF—1型风速计就是利用电感变换元件的电子叶轮式风速计。
（四）超声波风速计
超声波风速计是利用超声波技术，通过测量气流的卡蔓涡街频率来测定风速的仪器，目前主要用于集中监控系统中的风速传感器。它的特点是结构简单，寿命长，性能稳定，不受风流的影响，精度高，风速测量范围大。
三、测风方法及步骤
（一）测风地点
井下测风要在测风站内进行，为了准确、**的测定风速、风量，每个矿井都必须建立完善的测风制度和分布合理的固定测风站。对测风站的要求如下：
（1）应在矿井的总进风、总回风，各水平、各翼的总进风、总回风，各采区和各用风地点的进、回风巷中设置测风站，但要避免重复设置。
（2）测风站应设在平直的巷道中，其前后各10m范围内不得有风流分叉、断面变化、障碍物和拐弯等局部阻力。
（3）若测风站位于巷道断面不规整处，其四壁应用其它材料衬壁呈固定形状断面，长度不得小于4m。
（4）采煤工作面不设固定的测风站，但必须随工作面的推进选择支护完好、前后无局部阻力物的断面上测风。
（5）测风站内应悬挂测风记录板（牌），记录板上写明测风站的断面积、平均风速、风量、空气温度、大气压力、瓦斯和二氧化碳浓度、测定日期以及测定人等项目。
（二）测风方法
   为了测得平均风速，可采用线路法或定点法。线路法是风表按一定的线路均匀移动，如图1-9所示；定点法是将巷道断面分为若干格，风表在每一个格内停留相等的时间进行测定，如图1-10所示，根据断面大小，常用的有9点法、12点法等。
 
图1-9  线路法测风
 
     图1-10  定点法测风
    测风时，根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。
迎面法是测风员面向风流，将手臂伸向前方测风。由于测风断面位于人体前方，且人体阻挡了风流，使风表的读数值偏小，为了消除人体的影响，需将测得的真风速乘以1.14的校正系数，才能得到实际风速。
侧身法是测风员背向巷道壁站立，手持风表将手臂向风流垂直方向伸直，然后在巷道断面内作均匀移动。由于测风员立于测风断面内减少了通风面积，从而增大了风速，测量结果较实际风速偏大，故需对测得的真风速进行校正。校正系数K由下式计算：
                                                   （1-3）
式中  S——测风站的断面积，m2；
  0.4——测风员阻挡风流的面积，m2。
（三）用机械式风表测风步骤
（1）测风员进入测风站或待测巷道中，先估测风速范围，然后选用相应量程的风表。
（2）取出风表和秒表，先将风表指针和秒表回零，然后使风表叶轮平面迎向风流，并与风流方向垂直，待叶轮转动正常后（约20~30s），同时打开风表的计数器开关和秒表，在1min的时间内，风表要均匀地走完测量路线（或测量点），然后同时关闭秒表和计数器开关，读取风表指针读数。为保证测定准确，一般在同一地点要测三次，取平均值，并按下式计算表速：
                                                       （1-4）
式中  v表——风表测得的表速，m/s；
  n——风表刻度盘的读数，取三次平均值，m；
  t——测风时间，一般60s。
（3）根据表速查风表校正曲线，求出真风速v真。
（4）根据测风员的站立姿势，将真风速乘以校正系数K得实际平均风速v均，即：
                          v均=Kv真，m/s                      （1-5）
（5）根据测得的平均风速和测风站的断面积，按下式计算巷道通过的风量：
                        Q=v均S                              （1-6）
式中  Q——测风巷道通过的风量，m3/s；
  S——测风站的断面积，m2，按下列公式测算：
矩形和梯形巷道：S=H•B                                   （1-7）
三心拱巷道：   S=B（H－0.07B）                            (1-8)
     半圆拱巷道：   S=B（H－0.11B）                           （1-9）
H——巷道静高，m；
B——梯形巷道为半高处宽度，拱形巷道为净宽，m。
（四）测风时应注意的问题
（1）风表的测量范围要与所测风速相适应，避免风速过高、过低造成风表损坏或测量不准；
（2）风表不能距离人体和巷道壁太近，否则会引起较大误差；
（3）风表叶轮平面要与风流方向垂直，偏角不得超过10°，在倾斜巷道中测风时尤其要注意；
（4）按线路法测风时，路线分布要合理，风表的移动速度要均匀，防止忽快忽慢，造成读数偏差；
（5）秒表和风表的开关要同步，确保在1min内测完全线路（或测点）；
（6）有车辆或行人时，要等其通过后风流稳定时再测；
（7）同一断面测定三次，三次测得的计数器读数之差不应超过5%，然后取其平均值。
例1-3  在某矿井井下的测风站内测风，测风站的断面积是8.4m2，用侧身法测得的三次读数分别为325、338、340，每次测风时间均是1min。求算该测风站的风速和通过测风站的风量各是多少？（风表校正曲线如图1-8所示）
解：（1）检验三次测量结果的*大误差是否超过5%
E=（*大读数－*小读数）/*小读数×100%
=（340－325）/325×100%
=4.62%＜5%
三次测量结果的*大误差小于5%，测量数据精度符合要求。
(2)计算风表的表速
n =（n1+n2+n3）/3 =（325+328+340）/3 =334m/min
v表=n/t=334/60=5.57m/s
（3）查风表校正曲线，求真风速
根据v表= 5.57m/s，查图1-8可得真风速为5.2m/s。
（4）求平均风速
v均=Kv真
其中  K=（S－0.4）/S=（8.4－0.4）/8.4=0.95
 v均=0.95×5.2=4.94m/s
（5）计算通过测风站的风量
 Q= v均S=4.95×8.4=41.58m3/s
经计算得知，测风站内的风速为4.94 m/s，通过的风量为41.58m3/s。
四、微风测量
当风速很小（低于0.1～0.2m/s）时，可以采用烟雾、气味或者粉末作为风流的传递物进行风速测定。用下式计算巷道内的平均风速：
                                                           （1-10）
式中   v——巷道断面内的平均风速，m/s；
       L——风流流经的巷道距离，m；
       t——风流流经巷道所用的时间，s。
四、本章小结：
本章重点阐述了矿井空气的主要成分、井下常见的有害气体、空气成分和有害气体的**标准及测定方法、矿井的气候条件参数测定等主要内容，为进一步学习矿井通风理论奠定基础。
五、复习思考题
思考题
1-1 地面空气的主要成分是什么？矿井空气与地面空气有何不同？
   1-2 什么是矿井空气的新鲜风流？污风风流？
1-3 氧气有哪些性质？造成矿井空气中氧气减少的原因有哪些？
1-4 矿井空气中常见的有害气体有哪些？它们的来源和对人体的影响如何？《规程》对这些有害气体的*高允许浓度是如何规定的？
1-5 用比长式检测管法检测有害气体浓度的原理是什么？可用来检测哪些气体？
1-6 防止有害气体危害的措施有哪些？
1-7 什么叫矿井气候条件？气候条件对人体热平衡有何影响？
1-8 什么叫空气的**湿度和相对湿度？矿井空气的湿度一般有何变化规律？
1-9 为什么在矿井的进风路线中冬暖夏凉、冬干夏湿？
1-10 《规程》对矿井气候条件的**标准有何规定？
1-11 矿井的预热和降温主要有哪些方面的措施？
1-12 风表按原理和测风范围分为几类？机械叶轮式风表的优缺点各是什么？
1-13 风表测风时为什么要校正其读数？迎面法与侧身法测风的校正系数为何不同？
1-14 风表校正曲线的含义是什么？为什么风表要定期校正？
1-15 对测风站有哪些要求？
1-16 测风的步骤有哪些？应注意哪些问题？

习  题
1-1 井下某采煤工作面的回风巷道中，已知CO2的**涌出量为6.5m3/min，回风量为520m3/min，问该工作面回风流中的CO2浓度是多少？是否符合**浓度标准？（1.25%；符合标准）
1-2测得井下某一工作面风流的干球温度为22℃，湿球温度为20℃，风速为1.5m/s，求其相对湿度和等效温度分别是多少？（83%；14℃）
1-3井下某测风地点为半圆拱型断面，净高2.8m，净宽3m，用侧身法测得三次的风表读数分别为286、282、288，测定时间均为1min，该风表的校正曲线表达式为v真=0.23+1.002v表（m/s），试求该处的风速和通过的风量各为多少？（4.74m/s；35.12 m3/s）

矿井空气成分及有毒有害气体的检测