《矿井通风与安全》课程授课教案（讲稿）第一章 井下空气的成分

课程名称：《矿井通风与安全》摘要绪论第一章井下空气的成分，性质和变化规律第一节井下空气成分授课题目（章、节）第二节井下空气的物理参量第三节井下空气的基本定律第四节湿空气密度、重率、含湿量的测算本讲的要求及重点难点：【目的要求】通过绪论及第一章的学习，了解矿并通风的基本任务及并下空气的主要成分[重点】矿井通风的概念、通风的基本任务及并下有毒有害气体的最高容许浓度。[难点】井下空气的基本定律内容【本讲课程的引入】通风对一个地下开采的矿井来说是至关重要的，包括金属矿山。近几年来，矿山企业重特大事故不断发生，特别是在煤矿井下，给国家和人民财产造成很大的损失，究其原因，对于煤矿来说，重点是“一通三防"工作未真正的落到实处，这其中的“一通就是指我们这门课程《矿井通风》。因此要从根本上改变我国矿山企业事故频发的现状，需要我们大家认真地学好这门课程将来毕业后到矿山企业工作时加以应用，为我国矿山实现安全生产贡献自己的聪明才智。【本讲课程内容】绪论

课程名称：《矿井通风与安全》 摘 要 授课题目（章、节） 绪论 第一章 井下空气的成分，性质和变化规律 第一节 井下空气成分 第二节 井下空气的物理参量 第三节 井下空气的基本定律 第四节 湿空气密度、重率、含湿量的测算 本讲的要求及重点难点： 【目的要求】通过绪论及第一章的学习，了解矿井通风的基本任务及井下空气的主要成分。 【重 点】矿井通风的概念、通风的基本任务及井下有毒有害气体的最高容许浓度。 【难 点】井下空气的基本定律 内 容 【本讲课程的引入】 通风对一个地下开采的矿井来说是至关重要的，包括金属矿山。近几年 来，矿山企业重特大事故不断发生，特别是在煤矿井下，给国家和人民财产 造成很大的损失，究其原因，对于煤矿来说，重点是“一通三防”工作未真正 的落到实处，这其中的“一通”就是指我们这门课程《矿井通风》。因此要从根 本上改变我国矿山企业事故频发的现状，需要我们大家认真地学好这门课程， 将来毕业后到矿山企业工作时加以应用，为我国矿山实现安全生产贡献自己 的聪明才智。 【本讲课程内容】 绪论

1、矿井通风定义：依靠通风动力将定量的新鲜空气，沿着既定的通风路线不断的输入井下以满足回采工作面，机电碉室，火药库以及其他用风地点的需要：同时将用过的污浊空气源源不断排出地面。这种对矿井不断输入新鲜空气和排除污浊空气的作业过程叫矿井通风。2、供给矿井新鲜风量，以冲淡并排出井下的毒性，室息性和爆炸性气体和粉尘，保证井下风流的质量（成分，温度，速度）和数量符合国家安全标准，造成良好的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故，保障并下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产。第一章井下空气的成分，性质和变化规律第一节井下空气的成分一、地面空气成分的种类和数量地面空气是干空气和水蒸气组成，在正常情况下，干空气有下列成分组成，而且成分的数量基本不变。干空气成分的数量用体积浓度或质量浓度来表示。表1-1：气体名称体积浓度质量浓度N278.13%75.55%0220.90%23.10%CO20.03%0.05%Ar0.93%1.27%0.01%0.01%其它稀有气体二、井下空气成分的种类井下空气就煤矿而言共有O2，CH4，CO2，CO，HS，SO2，N2，NO2（N2O），H2，NH3，水蒸汽和浮尘十二种，井下空气也是湿空气。由于各矿的具体条件不同各气体成分的种类和浓度都不同。井下空气和井上空气产生区别的原因就在于井上空气在进入井下后，发生了物理和化学变化。诸如：有害气体的混入，以及煤炭等物质的氧化等等。1、氧：无色，无味，无臭，无毒，无害，比重1.105，是人呼吸所必须的物质，氧对人体的影响：02≥15%时，是人呼吸所必需的物质：02≤10%时，人就可能休克；人在休息时的耗氧量至少为0.25L/min：人在工作时至少为1-3L/min。2、各种有害有毒气体1）有臭味的气体有四种：NH3（剧毒），SO2（强烈硫酸臭），HaS（坏鸡蛋臭，浓度为0.0001%时便可嗅出来），CO2为酸臭。2）有味的气体有三种：SO2（酸味），H2S（微甜），CO2（微酸）。3）有色气体一种：NO2（浅红褐色）。4）溶水性：按溶水性大小依次为SO2、H2S、CO2、NO2、NH3根据这种性质采用喷雾洒水的措施，可降低这些气体在空气中的浓度。5）爆炸性：气体爆炸的体积浓度范围称为气体的爆炸界限CH4(5%-16%)H2S（4%-46%)：CO（13%-75%)：H2（4%-74%)

1、矿井通风定义：依靠通风动力将定量的新鲜空气，沿着既定的通风路 线不断的输入井下以满足回采工作面，机电硐室，火药库以及其他用风地点 的需要；同时将用过的污浊空气源源不断排出地面。这种对矿井不断输入新 鲜空气和排除污浊空气的作业过程叫矿井通风。 2、供给矿井新鲜风量，以冲淡并排出井下的毒性，窒息性和爆炸性气体 和粉尘，保证井下风流的质量（成分，温度，速度）和数量符合国家安全标 准，造成良好的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故，保障井下人员身体健 康和生命安全，保护国家资源和财产。 第一章 井下空气的成分，性质和变化规律 第一节 井下空气的成分 一、地面空气成分的种类和数量 地面空气是干空气和水蒸气组成，在正常情况下，干空气有下列成分组 成，而且成分的数量基本不变。 干空气成分的数量用体积浓度或质量浓度来表示。表 1-1： 气体名称 体积浓度 质量浓度 N2 78.13% 75.55% O2 20.90% 23.10% CO2 0.03% 0.05% Ar 0.93% 1.27% 其它稀有气体 0.01% 0.01% 二、井下空气成分的种类 井下空气就煤矿而言共有 O2，CH4，CO2，CO，H2S，SO2，N2，NO（2 N2O5）， H2，NH3，水蒸汽和浮尘十二种，井下空气也是湿空气。由于各矿的具体条 件不同各气体成分的种类和浓度都不同。 井下空气和井上空气产生区别的原因就在于井上空气在进入井下后，发 生了物理和化学变化。 诸如：有害气体的混入，以及煤炭等物质的氧化等等。 1、氧：无色，无味，无臭，无毒，无害，比重 1.105，是人呼吸所必须 的物质，氧对人体的影响： O2≥15%时，是人呼吸所必需的物质； O2≤10%时，人就可能休克； 人在休息时的耗氧量至少为 0.25L/min； 人在工作时至少为 1-3L/min。 2、各种有害有毒气体 1）有臭味的气体有四种：NH3（剧毒），SO2（强烈硫酸臭），H2S（坏鸡 蛋臭，浓度为 0.0001%时便可嗅出来），CO2 为酸臭。 2）有味的气体有三种：SO2（酸味），H2S（微甜），CO2（微酸）。 3）有色气体一种：NO2（浅红褐色）。 4）溶水性：按溶水性大小依次为 SO2、 H2S、 CO2、NO2、NH3 根据这 种性质采用喷雾洒水的措施，可降低这些气体在空气中的浓度。 5）爆炸性：气体爆炸的体积浓度范围称为气体的爆炸界限 CH4 （5%-16%）；H2S（4%-46%）；CO（13%-75%）；H2（4%-74%）

6）对人体的危害性和安全标准NO2：是最毒的气体，他能强烈的刺激眼睛和呼吸气统。能和呼吸道上的水分化合而成硝酸，可使肺浮肿致命。SO2：能强烈的刺激眼晴和呼吸系统，使眼晴红肿，同样形成硫酸而使肺浮肿致命。H2S：能刺激眼晴和呼吸系统，且能使人体血液中毒致命。CO：能驱涿人体血液中的氧气，使血液缺氧而致命。NH3：能刺激眼晴、皮肤和呼吸系统。另外，CH4、CO2、H2和N2虽无毒性，但当其浓度较大时，会使CO2浓度降到12%以下，使人室息而死。并下空气的安全标准见表1-2：气体名称最高容许浓度%CH40.5CO20.75NO20.00025SO20.0005co0.0024H2S0.00066第二节井下空气的物理参量气体的分子具有体积和吸引力，但在分析气体的一般问题时，一般不作考虑，为了便于分析和计算，一般可把这种气体看作是没有这两种因素的理想气体。气体的物理参量较多，最基本的是比容、压力、温度。一、空气的比容和密度1、空气的比容：单位质量的空气所占的容积，即u=V/Mm/kg(1-1)2、空气的密度：单位容积空气的质量，p=M/Vkg/m3(1-2)(1-3)3、空气的重率：单位容积空气的重力=N/m3二、空气的压力1、空气的绝对静压一一空气分子不停息无规则的热运动对容器壁面产生的压强，它使气体分子状态的基本参量之一。2、特点1）空气的绝对静压具有在各个方向上强度相等的特点2）不论空气是静止还是流动，绝对静压都存在3）地表大气中的绝对静压习惯上叫做大气压力，标高越低，大气压力越大4）标准大气压是指气温在零度时为45度海平面上的绝对静压po=101324.96帕3、计量单位PaKPaMpa4、空气绝对静压的测量测量绝对静压的常用仪表有两种：水银器压计、空和气压计

6）对人体的危害性和安全标准 NO2：是最毒的气体，他能强烈的刺激眼睛和呼吸气统。能和呼吸道上 的水分化合而成硝酸，可使肺浮肿致命。 SO2：能强烈的刺激眼睛和呼吸系统，使眼睛红肿，同样形成硫酸而使肺 浮肿致命。 H2S：能刺激眼睛和呼吸系统，且能使人体血液中毒致命。 CO：能驱涿人体血液中的氧气，使血液缺氧而致命。 NH3：能刺激眼睛、皮肤和呼吸系统。 另外，CH4、CO2、H2 和 N2 虽无毒性，但当其浓度较大时，会使 CO2 浓 度降到 12%以下，使人窒息而死。 井下空气的安全标准见表 1-2： 气体名称 最高容许浓度 % CH4 0.5 CO2 0.75 NO2 0.00025 SO2 0.0005 CO 0.0024 H2S 0.00066 第二节 井下空气的物理参量 气体的分子具有体积和吸引力，但在分析气体的一般问题时，一般不作 考虑，为了便于分析和计算，一般可把这种气体看作是没有这两种因素的理 想气体。 气体的物理参量较多，最基本的是比容、压力、温度。 一、空气的比容和密度 1、空气的比容：单位质量的空气所占的容积，即 υ=V/M m3 /kg （1-1） 2、空气的密度：单位容积空气的质量，ρ=M/V kg/m3 （1-2） 3、空气的重率：单位容积空气的重力 γ=N/ m3 （1-3） 二、空气的压力 1、空气的绝对静压——空气分子不停息无规则的热运动对容器壁面产生 的压强，它使气体分子状态的基本参量之一。 2、特点 1）空气的绝对静压具有在各个方向上强度相等的特点 2）不论空气是静止还是流动，绝对静压都存在 3）地表大气中的绝对静压习惯上叫做大气压力，标高越低，大气压力越 大 4）标准大气压是指气温在零度时为 45 度海平面上的绝对静压 po=101324.96 帕 3、计量单位 Pa KPa Mpa 4、空气绝对静压的测量 测量绝对静压的常用仪表有两种：水银器压计、空和气压计

CDlR1UFH三、空气的温度1、空气温度的意义和计量温度是气体状态的基本参量之一气体分子的运动是热运动，气体分子热运动的动能大小表示这种热运动的强烈程度，体现出气体分子冷热程度，表示这种冷热程度的参量就是温度T——绝对温度，t聂氏温度，T=t+273.152、井下空气温度的变化规律在进风路线上，冷空气进入井下，冷空气与低温进行热交换，风流吸热，低温散热地温随温度涿渐增加，且风流下行受压缩，沿线气温逐渐升高。四、空气的湿度1、意义绝对湿度fa一单位体积或质量的空气所含的水蒸气的质量的绝对值。相对湿度一一在统统压下，空气的绝对温度和饱合湿度之比的百分数。=fa/fsx100%，%由此可知，当=0时，fa=0空气中没有水蒸气，是绝对干燥的空气，当o=100时，fa=fs，空气中所含水蒸气达到饱和程度。2、空气湿度的测算测算空气湿度时，先用仪表测算出相对湿度，再算出绝对湿度。常用仪表：手摇湿度计、风扇湿度计。二者都是有干球和湿球温度计组成，前者用于手摇，后者用自带的发条转动小风扇。气TT绿报定计干温度计干强度计程温度计中E中库U3、井下湿空气的变化规律

三、空气的温度 1、空气温度的意义和计量 温度是气体状态的基本参量之一 气体分子的运动是热运动，气体分子热运动的动能大小表示这种热运动 的强烈程度，体现出气体分子冷热程度，表示这种冷热程度的参量就是温度. T——绝对温度，t——聂氏温度，T=t+273.15 2、井下空气温度的变化规律 在进风路线上，冷空气进入井下，冷空气与低温进行热交换，风流吸热， 低温散热地温随温度涿渐增加，且风流下行受压缩，沿线气温逐渐升高。 四、空气的湿度 1、意义 绝对湿度 fa——单位体积或质量的空气所含的水蒸气的质量的绝对值。 相对湿度——在统统压下，空气的绝对温度和饱合湿度之比的百分数。 φ=fa/fs×100%， % 由此可知，当 φ=0 时，fa=0 空气中没有水蒸气，是绝对干燥的空气，当 φ=100 时，fa=fs，空气中所含水蒸气达到饱和程度。 2、空气湿度的测算 测算空气湿度时，先用仪表测算出相对湿度，再算出绝对湿度。 常用仪表：手摇湿度计、风扇湿度计。二者都是有干球和湿球温度计组 成，前者用于手摇，后者用自带的发条转动小风扇。 3、井下湿空气的变化规律

一般，在矿井进风路线上，冷天，含有一定量的湿空气进入井下，气温逐渐升高，容积逐渐增大，起饱和能力也逐渐增大，沿途要吸收井下巷中的水分，热天相反。因此有在进风路线上有冬于夏湿的现象。在采掘工作面和回风路线上，因气温常年几乎不变，故湿度几乎也不变。且相对湿度都接近100%。第三节井下空气的基本定律一、气体状态方程pv=RT：单位质量理想气体的状态方程R一气体常数，J/（kg·k）二、波义耳定律当ti=t2时由上式可以得出pv/R=C即pV=C即V/V2=V1/02=P2/Pi即当绝对温度保持不变时，记载等温过程中，气体的容积或比容和绝对静压成反比。三、查尔定律在等压过程中，气体的容积或比容和绝对温度成正比。四、道尔顿定律混合气体的总压P等于各种成分得分压力P:之和，由此可推知，混合气体的质量等于其中各种成分的质量之和，单个成分的温度都和混合气体的温度相等。五、格莱享姆定律井下各种气体和空气互相混合的性能叫扩散性。格莱享姆发现，某种气体向空气中扩散的速率，与这种气体和空气的比重之比的平方根成反比。某种气体向空气中扩散的速率=（空气的比重/某种气体的比重）12。某种气体的比重=某种气体的分子量/标准气体的分子量。六，热力学第一定律当热能与其它形式的能量进行转换时，能的总量保持不变。对于微元气体的状态变化过程，可表示为：dq=du+dv他适合于任何热力变化过程，当气体向外界放出热量，内能减少，外界对气体做功时，上式三项均为负。第四节湿空气密度、重率、含湿量和的测算一、湿空气的密度测算湿空气的干空气和水蒸气组成，即在某一温度下，湿空气的密度P应为同温度下干空气的密度pa和水蒸气的密度pw之和，即：p=pa+pwkg/m。因为PV/T=R：V=1/p所以p=P/（RT）Ra=287.041J/(kg:k)Rw=461.393J/ (kg-k)所以pa==Pa/（287.041-T）kg/m3(1-19)kg/m3(1-20)Pw=Pw/（461.393T)(1-21)P=Pa+Pw（湿空气的绝对静压）若已知湿空气的相对湿度β，饱和水蒸气的绝对分压为Psa则在相对湿度为的是空气的绝对分压为Pw=pPsa则Pa=P-pPsa（Psa可在表1-5中查出）所以有pa=（P-oPsa）/（287.041T）Kg/m3（1-22）pW=βPsa/（461.393T）Kg/m3（1-23）p=pa+pw=3.484（P-0.3779pPsa）/（273.15+t）Kg/m3（1-24)

一般，在矿井进风路线上，冷天，含有一定量的湿空气进入井下，气温 逐渐升高，容积逐渐增大，起饱和能力也逐渐增大，沿途要吸收井下巷中的 水分，热天相反。因此有在进风路线上有冬干夏湿的现象。 在采掘工作面和回风路线上，因气温常年几乎不变，故湿度几乎也不变。且 相对湿度都接近 100%。 第三节 井下空气的基本定律 一、气体状态方程 pv=RT：单位质量理想气体的状态方程 R—气体常数，J/（kg·k） 二、波义耳定律 当 t1=t2 时由上式可以得出 pv/R=C 即 pυ=C 即 V1/V2=υ1/υ2=P2/P1 即当绝对温度保持不变时，记载等温过程中，气体的容积或比容和绝对 静压成反比。 三、查尔定律 在等压过程中，气体的容积或比容和绝对温度成正比。 四、道尔顿定律 混合气体的总压 P 等于各种成分得分压力 Pi 之和，由此可推知，混合气 体的质量等于其中各种成分的质量之和，单个成分的温度都和混合气体的温 度相等。 五、格莱享姆定律 井下各种气体和空气互相混合的性能叫扩散性。 格莱享姆发现，某种气体向空气中扩散的速率，与这种气体和空气的比 重之比的平方根成反比。 某种气体向空气中扩散的速率=（空气的比重/某种气体的比重）1/2。 某种气体的比重=某种气体的分子量/标准气体的分子量。 六．热力学第一定律 当热能与其它形式的能量进行转换时，能的总量保持不变。 对于微元气体的状态变化过程，可表示为：dq=du+dv 他适合于任何热力变化过程，当气体向外界放出热量，内能减少，外界 对气体做功时，上式三项均为负。 第四节 湿空气密度、重率、含湿量和焓的测算 一、湿空气的密度测算 湿空气的干空气和水蒸气组成，即在某一温度下，湿空气的密度 ρ 应为 同温度下干空气的密度 ρa和水蒸气的密度 ρw 之和，即：ρ=ρa+ρw kg/m3。 因为 PV/T=R V=1/ρ 所以 ρ=P/（RT） Ra=287.041J/（kg·k） Rw=461.393J/（kg·k） 所以 ρa==Pa/（287.041·T）kg/m3 （1-19） ρw=Pw/（461.393T） kg/m3 （1-20） P=Pa+Pw（湿空气的绝对静压） （1-21） 若已知湿空气的相对湿度 φ，饱和水蒸气的绝对分压为 Psa 则在相对湿度 为 φ 的是空气的绝对分压为 Pw=φPsa 则 Pa=P-φPsa （Psa 可在表 1-5 中查出） 所以有 ρa=（P-φPsa）/（287.041T）Kg/m3 （1-22） ρw=φPsa/（461.393T）Kg/m3（1-23） ρ=ρa＋ρw=3.484（P-0.3779φPsa）/（273.15+t） Kg/m3 （1-24）

二、湿空气重率的测算由上式（1-24）可知：=34.1664（P-0.3779pPsa）/（273.15+t）N/m3(1-25)三、湿空气含湿量的计算在含有1kg干空气的湿空气中，所含水蒸气的质量叫湿空气含湿量，用d表示，单位为g.d=1000Mw/Mag/Kg干空气(1-26)根据状态方程可以推出湿空气的含湿量。d=pPsa/（P-pPsa）g/Kg干空气（1-27）四、湿空气饸的测算湿空气的含就是使空气所含的热量，又叫含热量是指其中1Kg干空气的熔ia和d克水蒸气的熔iw之和：i=ia+0.001diwJ/Kg（1-28）d—湿空气的含湿量。当温度变化不大时，可以把干空气的定压比热当作定值，则：ia=1.01tkJ/kg1.01是干空气的定压比热kJ/kg1.84是湿空气的定压比热，2500是在0摄iw=1.84t+2500氏度时水蒸气的气化潜热i=1.01t+0.001d（1.84t+2500）kJ/kg干空气(1-29)【本讲课程的小结】本讲课程主要讲授了井下空气成分、空气的物理参量、空气的基本定律以及湿空气密度、重率、含湿量的测算等。要求学生了解矿井通风的基本任务及并下空气的主要成分，矿并通风的概念、通风的基本任务及并下有毒有害气体的最高容许浓度以及井下空气的基本定律【本讲课程的作业】1、井下空气成分的种类以及生成原因？2、井下空气成分的基本性质？3、井下空气成分的安全标准？4、井下空气的物理参数及其测定方法？5、井下空气的基本定律有哪些？

二、湿空气重率的测算 由上式（1-24）可知： γ=34.1664（P-0.3779φPsa）/（273.15+t） N/m3 （1-25） 三、湿空气含湿量的计算 在含有 1kg 干空气的湿空气中，所含水蒸气的质量叫湿空气含湿量，用 d 表示，单位为 g. d=1000Mw/Ma g/Kg 干空气 （1-26） 根据状态方程可以推出湿空气的含湿量。 d=φPsa/（P-φPsa） g/Kg 干空气（1-27） 四、湿空气焓的测算 湿空气的含就是使空气所含的热量，又叫含热量.是指其中 1Kg 干空气的 焓 ia 和 d 克水蒸气的焓 iw 之和： i=ia+0.001diw J/Kg（1-28） d——湿空气的含湿量。 当温度变化不大时，可以把干空气的定压比热当作定值，则： ia=1.01t kJ/kg 1.01 是干空气的定压比热 iw=1.84t+2500 kJ/kg 1.84 是湿空气的定压比热，2500 是在 0 摄 氏度时水蒸气的气化潜热 i=1.01t+0.001d（1.84t+2500） kJ/kg 干空气 （1-29） 【本讲课程的小结】 本讲课程主要讲授了井下空气成分、空气的物理参量、空气的基本定律 以及湿空气密度、重率、含湿量的测算等。要求学生了解矿井通风的基本任 务及井下空气的主要成分，矿井通风的概念、通风的基本任务及井下有毒有 害气体的最高容许浓度以及井下空气的基本定律 【本讲课程的作业】 1、井下空气成分的种类以及生成原因？ 2、井下空气成分的基本性质？ 3、井下空气成分的安全标准？ 4、井下空气的物理参数及其测定方法？ 5、井下空气的基本定律有哪些？