1、2019/3/19,安全与环境工程系,166,教学模块 矿井空气及调节,1.1 矿井空气成分、性质和变化规律 1.1.1 矿井空气的成分矿井空气的主要来源是地面空气，但地面空气进入井下以后会发生物理和化学两种变化，变化，因而矿井空气在成分、质量和数量都和地面空气有着程度不同的区别。1.1.1.1 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的混合气体，通常称为湿空气。在正常情况下，干空气由氧、氮及二氧化碳等成分组成，而且这些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，前者为某种气体的体积在干空气的总体积中所占的百分数，后者为某种气体的质量在干空气的总质量中所占的百分数
2、。在混合气体中，水蒸气的浓度随地区和季节而变化，其平均的体积浓度约为1%；此外还含有尘埃和烟雾等杂质，有时能污染局部地区的地面空气。,2019/3/19,安全与环境工程系,167,教学模块 矿井空气及调节,1.1.1.2 矿井空气的主要成分及生成上面提到，地面空气进入井下后，因发生物理和化学两种变化，使其成分种类增多，各种成分的浓度也发生改变。1.矿井空气的主要成分 就煤矿而官，井下空气的成分种类共有O2、CH4、CO2、CO、 H2S、SO2、N2、N02、H 2、NH3、水蒸气和浮尘十二种。由于各矿的具体条件不同，各矿的井下空气成分种类和浓度都有一定的差异。在上述成分中，氧是井下人员呼吸所
3、必需的，必须保持足够的浓度，其余九种(水蒸气除外)气体和浮尘，超过一定浓度时，对人体都是有害的，必须把它们的浓度降低到没有危害的程度在这九种气体中CO、H2S、SO2和N02超过一定浓度时，还能使人体中毒。故称这九种气体为有害有毒气体，又名为广义的矿井瓦斯，而狭义的矿井瓦斯则专指CH4。CH4是煤矿井下昔遍存在的气体，在一定浓度范围内，具有爆炸性。所以，CH4是煤矿井下最危险的气体。煤矿井下经常出现且数量较多的气体是CH4和CO2，它们是计算矿井所需风量的主要根据。,2019/3/19,安全与环境工程系,168,教学模块 矿井空气及调节,1.1.1.3 井下空气成分的基本性质1.氧(O2) 氧
4、是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体，比重为1.105，是人呼吸所必须的物质，故须供给井下足够的风量，以保证井下空气中有足够的氧量因为氧是很活跃的元素，易使其它物质氧化,并能助燃，产生CO2和CO，故应阻止空气进入采空区和火区，以防止氧对煤炭氧化而自燃。氧对人体的影响：人们吸入空气中的氧，供体内食物氧化，产生新细胞，以维持生命，并全部或部分变成CO2而呼出。人的耗氧量大小随劳动强度及体质强弱而异。当空气中的氧浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现种种不舒适的症状，若空气中氧的体积浓度降低到15，就会使人呼吸急促,脉膊加快，灯焰熄灭，降到10%，就可能使人休克，严重时可能导致缺氧死亡。,
5、2019/3/19,安全与环境工程系,169,教学模块 矿井空气及调节,2.二氧化碳(co2) 二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比空气重(与空气的相对密度为1.52)，在风速较小的巷道中，底板附近浓度较大；在风速较大的巷道中一般能与空气均匀地混合。 在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有刺激作用，如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体的正常呼吸功能就不能维持。所以在抢救遇难者进行人工输氧时，往往要在氧气中加入5的二氧化碳，以刺激遇难者的呼吸机能。 3氮气(N2) 氮气是一种惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。
6、但 空气中若氮气浓度升高，则势必造成氧浓度相对降低，从而也可能导致人员的窒息性伤害。正因为氮气为惰性气体，因此又可将其用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。 矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。,2019/3/19,安全与环境工程系,170,教学模块 矿井空气及调节,1.1.2 矿井空气主要物理参量 气体的分子具有体积和相互吸引力，但在分析气体的一般问题时，这两个因素的影响很小。为了便于分析和计算，一般可把多种气体看成是没有这两个因素的理想气体，因此，井下空气也可视为理想气体。气体的分子作永不停息的不规则运动，这种运动产生热能，故气体分子运动是热运动，气体的物理参
7、量较多，其中比容、压力、温度是三个基本参量。 1.1.2.1 空气的密度、比容及温度1.空气的密度 空气和其他物质一样具有质量。单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号表示。空气可以看作是均质流体，故： 式中空气的密度， kg/m3 ；M空气的质量，kg；空气的体积，m3。,2019/3/19,安全与环境工程系,171,教学模块 矿井空气及调节,2.空气的比容质量为M(kg)的空气占有的空间(或容积)为(m3)，则空气的比容(又名容积度)就是容积和质量M之比。或者说是单位质量空气所占有的体积。也就是空气的密度倒数。故空气的比容和密度是两个相互依存的参量, 在矿井通风中，空气流经复杂的通风
8、网络时，其温度和压力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化。在不同的矿井其变化规律是不同的。在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变化，而在什么条件下又是不可忽略的。3.空气的温度温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。热力学绝对温标的单位为K(Kelvin)，用符号表示。国际单位制还规定摄氏(Celsius)温标为实用温标，用t表示，单位为摄氏度，代号为。摄氏温标的每1与热力学温标的每1 K完全相同，温度是矿井表征气候条件的主要参数之一。,2019/3/19,安全与环境工程系,172,教学模块 矿井空气及调节,1.1.2.2 空气的压力空气的压力也称为
9、空气的静压（绝对静压），用符号表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。其大小取决于在重力场中的位置(相对高度)、空气、温度、湿度(相对湿度)和气体成分等参数。空气的压力是单位容积中空气分子热运动的总动能的23所产生的能对外做功的机械能。因此，空气压力的压力的大小可以用仪表测定。 1.1.2.3 空气的粘性当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。 另外，在矿井通风中还常用运动粘度系数，和气体密度有关，即和压力有关，这两个系数有如下的关系（表-为几种有关流体的粘度）：/
10、，m /s (124),2019/3/19,安全与环境工程系,173,教学模块 矿井空气及调节,1.1.3 矿井气候 矿井气候是指矿井空气的温度、湿度、风速和辐射这四个参数的综合作用状态。这四个参数的不同组合，便构成了不同的矿井气候条件。矿井气候条件对井下作业人员的身体健康和劳动安全有重要的影响。 1.1.3.1 人体的热平衡人要维持正常生理机能并进行各种劳动，就必须摄取空气、水和食物。这些物质进入人体经过消化、分解，产生能量(热量第三节 矿井气候)。人的整个机体都参加产热过程，其中以肌肉活动产热量最多。当人进行体力劳动时，肌肉产热量增至正常量(在安静状态下的产热量)的十余倍，可达250031
11、40kJh。人体产生的热量一部分用于身体各器官的正常生理机能活动，另一部分用来供肌肉作功，剩余的则通过辐射，对流传导、汗液蒸发等途径与周围环境进行热交换，散发到体外。人体代谢产热过程是体内生物化学过程，而散热过程则是物理过程。在正常情况下，人体依靠自身的调节机能，使产热和散热保持动平衡。,2019/3/19,安全与环境工程系,174,教学模块 矿井空气及调节,1.1.3.2 矿井气候对人体热平衡的影响矿井气候是由空气温度、湿度，风速和辐射四要素组成的，它们都影响着人体热平衡，且各要素之间的影响在很大程度上可以互换。例如，环境相对湿度增高对人体所造成的影响可以被风速的增加所抵消。1温度在矿井气候
12、的四个要素中，气温对人体热调节起着主要作用。当气温较低时辐射和对流传导散热是人体主要散热方式，当气温逐渐升高后，人体汗腺活动越来越显著，汗液蒸发散热就逐渐成为主要散热方式。 . 湿度空气相对湿度对人体热平衡和温热感有着重要作用，特别是在气温高的条件下，作用就更为明显。因高温时，人体主要依靠汗液蒸发散热才能保持热平衡，此时相对湿度大，将妨碍汗液蒸发，使汗液成滴状珠淌下这种情况下汗液携带走的热量甚少，不能起到蒸发散热的作用，因为汗液只有在蒸发的过程中吸收汽化潜热才能带走较多的热量。3风速风速显著地影响着人体对流散热。当空气温度低于体温时，流速越大，散热量愈多。,2019/3/19,安全与环境工程系
13、,175,教学模块 矿井空气及调节,1.1.3.3 衡量矿井气候条件的指标国内外衡量矿井气候条件的指标很多，现择其主要的加以阐述。1干球温度干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的指标之一。一般来说，由于矿井空气的相对湿度变化不大，所以干球温度能在一定程度上直接反映出矿井气候条件的好坏。而且这个指标比较简单，使用方便，用干球温度计进行测量。但这个指标只反映了气温对矿井气候条件的影响，而没有反映出气候条件对人体热平衡的综合作用，因而存在较大的局限性。2湿球温度在相同的气温(干球温度)下，若湿球温度较低，则相对湿度较小；反之，若湿球温度与气温相接近，则相对湿度较大。因此用湿球温度这个指标可以反映空气
14、温度和相对湿度对人体热平衡的影响，比干球温度要合理些，用湿球温度计进行测量。3同感温度同感温度(也称等效温度或有效温度)是由美国采暖工程师协会（ASHVE）提出的。这个指标是通过实验，根据人在空气温度、湿度、风速三个指标不相同的各种环境是的舒适感觉和湿度已饱和、速度为零、温度不相同的各种环境中的舒适感觉，进行统计和比较，并以湿度已饱和、风速为零、舒适感觉相同的环境空气温度作为指标，用来评价温度、湿度和风速不相同的各种环境对人的舒适感觉。,2019/3/19,安全与环境工程系,176,教学模块 矿井空气及调节,.卡他度卡他度用卡他计测定。卡他计是一种酒精温度计，如图1-3-2所示。卡他计下端有个
15、比 普通温度计大的贮液球，上端有一个小空腔，玻璃管上只有35和38两个刻度，这两个温度的平均值恰好等于人体的正常体温(36.5)。测定时，先把贮液球置于热水中加热，当酒精柱上升至小空腔的一半时取出，擦干贮液球表面水分，然后将其悬挂于待测空气中，此时由于液球散热，酒精柱开始下降，用秒表记下从38降到35所需时间，即可用下式求得干卡他度Kd。(1-3-2) 式中 F卡他常数，每只卡他计玻璃管上都标有F值。,2019/3/19,安全与环境工程系,177,教学模块 矿井空气及调节,图1-1-1同感温度计算图及卡他计,2019/3/19,安全与环境工程系,178,教学模块 矿井空气及调节,温度、湿度和风
16、速三者的综合作用效果，需要采用湿卡他度Kw。湿卡他度是在卡他计贮液球上包裹上一层湿纱布时测得的卡他度，其实测和计算方法完全与干卡他度相同。 作为一个评价矿井气候条件的指标，卡他度比用一个单一的温度指标要好一些。但与人体相比，它的尺寸太小，其散热效果和人体有很大的差别，在使用上有一定的局限性。1.1.3.4 评价矿井气候条件的综合指标目前，世界各国关于矿井气候条件的安全标准差别很大。现将我 国及其他一些国家规定标准简介如下：1我国现行的矿井气候条件安全标准我国现行评价矿井气候条件的指标是干球温度。1982年国务院颁布的矿山安全条例第53条规定，采掘工作面的空气温度不得超过26，机电峒室的空气温度
17、不得超过30。 2国外一些国家的矿井气候条件安全标准世界主要产煤国家对矿井气候条件的评价指标并不统一。主要采用的指标有干球温度、湿球温度、同感温度等。有不少国家采用了同感温度这种指标。例如，美国规定井下同感温度须小于3437，日本规定须小于31.5，比利时和法国均规定须小于31。,2019/3/19,安全与环境工程系,179,教学模块 矿井空气及调节,1.2 创造良好作业环境的途径改善矿内气候条件，创造良好作业环境的途径主要包括以下两方面的内容：一是对冬季寒冷地区，当井筒入风温度低于2时，为了防止因井筒结冰而造成提升、运输事故，防止人员上下班受寒生病，也须对矿井进风流采取加热的措施，对井口空气
18、进行预热；二是对高温矿井用风地点进行风温调节，以达到规程第102条规定的标准，即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；当采掘工作面空气温度超过30时。机电设备硐室的空气温度超过34时，必须停止作业。新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。,2019/3/19,安全与环境工程系,180,教学模块 矿井空气及调节,1.2.1 井口空气加热方式井口一般采用空气加热器对冷空气进行加热，有2种加热方式： 1.2.1.1 井口房不密闭的加热方式当井口房不宜密闭时，被加热的空气需设置专用的通风机送入井筒或井口房。这种按
19、冷、热风混合的地点不同，又分以上3种情况：冷、热风在井筒内混合。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处，筒内进行热风和冷风的混合。冷、热风在井口房内混合。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。冷、热风在井口房和井筒内同时混合。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简内混合，而将小部分送入井口房内混合。,2019/3/19,安全与环境工程系,181,教学模块 矿井空气及调节,1.2.1.2 井口房加密闭的加热方式井口房有条件密闭时，热风可依靠矿井主要通风机的负压作用进入井口房和井筒，一般不需设置专用的通
20、风机送风。采用这种方式，大多是在井口房内直接设置空气加热器，让冷、热风在井口房内进行混合。对于大型矿井，当井筒进风量较大时，为了使井口房风速不超限，可在井口房外建立冷风塔和冷风道，让一部分冷风先经过冷风道直接进入井筒，使冷、热风既在井口房混合又在井筒内混合。采用这种方式时，应注意防止冷风道与井筒联接处结冰。,2019/3/19,安全与环境工程系,182,教学模块 矿井空气及调节,1.2.2 矿井降温的一般技术措施随着采掘深度与强度不断增大，以及矿井机械化程度日益提高，生产更为集中。因此，地热和机械设备向井下空气散发的热量显著增加，使井下气温升高。此外，一些地处温泉地带的矿井，虽然开采深度不大，
21、但由于从岩石裂隙中涌出的热水及受热水环绕与浸透的高温围岩也都能使井下气温升高、湿度增大；这样就更加恶化了井下工作环境，严重地影响着井下作业人员的身体健康和劳动生产率，成为一种灾害，习称热害。故须采取降低井下空气温度的措施。矿井降温措施基本可分两大类：第一类是不使用机械制冷设备进行降温，包括选择合理的开拓系统和确定合理的采煤方法，改变通风方式和通风系统，减少各种热源放热量等等措施，第二类是采用机械制冷设备，通过空气调节系统来达到改善井下微小气候环境 的目的。第二类措施是在第一类措施达不到规程的要求时才采用。先简介第一类降温措施，其主要包括：通风降温、合理的开采系统、隔热疏导、个体防护等。,201
22、9/3/19,安全与环境工程系,183,教学模块 矿井空气及调节,1.2.2.1 通风降温加强通风是矿井降温的主要技术途径。通风降温的主要措施就是加大矿井风量和选择合理的矿井通风系统。加大风量。实践证明，在一定的条件下(如原风量较小)，增加风量是高温矿井最经济的降温手段之一。加大风量不仅可以排出热量、降低风温，而且还可以有效地改善人体的散热条件，增加人体舒适感。所以在高温矿井采用通风降温是矿井降温的基本措施之一。但增风降温并不总是有效的。当风量增加到一定程度时，增风降温的效果就会减弱。同时增风降温还受到井巷断面和通风机能力等各种因素的制约，有一定的应用范围。选择合理的矿井通风系统。从降温角度出
23、发，确定矿井通风系统时，一般应考虑下列原则：,2019/3/19,安全与环境工程系,184,教学模块 矿井空气及调节,第一，尽可能减少进风路线的长度。在井巷热环境条件和风量不变的情况下，井巷风流的温升是随其流程的加长而增大，风路越长，风流沿途吸热量越大，温升也越大。所以，对高温矿井应尽量缩短进风路线的长度，同时在进行开拓系统设计时，要注意与通风系统相结合，避免将进风巷布置在高温岩层中和不必要加长进风路线的长度，以使温升加大。第二，尽量避免煤流与风流反向运行。在选择采区通风系统时，尽量采用轨道上山进风方案，避免因煤流与风流方向相反，将煤炭在运输过程中的放热和设备放热带进工作面。根据德国的经验采用
24、轨道上山进风与运输上山进风相比，回采工作面进风流的同感温度可降低45。第三，回采工作面采用下行风。在条件许可时，回采工作面可采用下行风。因为回采工作面采用下行风时，风流是从路程较短的上部巷道进入工作面，且减少了煤炭放热的影响，故可降低工作面的进风温度。 第四，对于发热量较大的机电峒室，应有独立的回风路线，以便把机电所发热量直接导入采区的回风流中。,2019/3/19,安全与环境工程系,185,教学模块 矿井空气及调节,1.2.2.2 选择合理的开采系统根据井田地质特征和热源情况，选择合理的开采系统，综合考虑通风降温问题，对改善高温矿井气候条件是有利的。例如，采用双巷掘进有利于降低井下气温。加大
25、矿井开发强度，提高采掘进度和产量有利于改善井下热环境。据苏联研究，煤层产量提高一倍，可使工作面末端气温降低14 ，在回采顺序方面，条件相同的后退式回采可使巷道有较长的通风冷却时间，采空区漏风少，从采空区带出的热量也少。采取全部充填法管理顶板，一方面可控制采空区漏风所携带出来的热量，另一方面充填物也可吸收一部分热量。特别是风力充填法，效果更显著。,2019/3/19,安全与环境工程系,186,教学模块 矿井空气及调节,1.2.2.3 隔热疏导所谓隔热疏导就是采取各种有效措施将矿井热源与风流隔离开来，或将热源直接引入矿井回风流中，避免矿井热源对风流的直接加热，从而达到矿井降温的目的。隔热疏导的措施
26、主要有：巷道隔热。巷道隔热主要用于矿井局部地温异常的区段。目前较为可行的方法是，在高温岩壁与巷道支架之间充填隔热材料，如高炉或锅炉炉渣等。近年来，我国煤矿还试验用聚氨酯泡沫塑料喷涂岩壁，喷涂厚度为10mm时，就能产生较好的隔热效果。国外有些国家也曾采用聚乙烯泡沫塑料、硬质氨基甲酸泡沫、膨胀珍珠岩等隔热材料喷涂岩壁，也取得较好效果。但因巷道隔热费用较高，而且隔热层的时效性较差，随着时间的推移，隔热层的作用将变小，同时还必须注意防火、防毒等安全问题。,2019/3/19,安全与环境工程系,187,教学模块 矿井空气及调节,管道和水沟隔热。对高温矿井，温度高的压气管道和排热水管应尽量设在回风流中，如
27、果必须设在进风流中时应采取隔热措施。尤其是对热水型高温矿井，更应防止热水对风流的增温增湿作用。对热水涌出量大的矿井可超前将热水疏干，将水位降低到开采深度以下。对局部地点涌出的高温热水，可在出水点附近打排水钻孔，将热水用隔热管道直接排至地面。井下发热量大的大型机电硐室应独立回风。现代矿井井下大型机电硐室的发热量很大，如果这些设备的放热直接进入进风流，将引起矿井风流较大的温升。所以对高温矿井，井下大型机电硐室(如中央变电所、泵房和绞车房等)应建立独立的回风系统。,2019/3/19,安全与环境工程系,188,教学模块 矿井空气及调节,1.2.2.4 个体防护对个别气候条件恶劣的地点，由于技术或经济
28、上的原因，如不能采取其他降温措施时，对矿工进行个体防护也是一种有效的方法。矿工个体防护的主要措施就是让矿工穿戴轻便的冷却背心或冷却帽，以防止环境热对流和热辐射对人体的侵害，同时使人体自身的产热量传给冷却服。除了上述措施之外，还有其他一些诸如煤层注水以冷却煤体、在进风巷道内放置冰块等措施都可起到一定的降温作用。,2019/3/19,安全与环境工程系,189,教学模块 矿井空气及调节,1.2.3 矿井空气调节系统上述各种降温技术措施都是有一定限度的，而且采取这些措施不能在数量和质量上对微小气候的各个要素都进行一定的控制与调节，所以，对热害严重的矿井，只依靠上述降温措施往往达不到预期目的。这时则应考
29、虑采取机械制冷设备通过空气调节系统来改善井下热环境。矿井空调绝不能被认为是舒适性空调，而应看作是生产性空调。力求为井下作业人员创造一种不危害健康，并能保持一定生产效率的工作环境。,2019/3/19,安全与环境工程系,190,教学模块 矿井空气及调节,1.2.3.1 矿井空气调节的方式矿井空调系统一般分为地面集中式，井下集中式，地面井下分散式，局部空调机组。（1）地面集中式 这是一种制冷设备和空气冷却设备均布置在地面的矿井空调系统。其特点是安装制冷设备的场地易于选择，面积不受限制，便于基建、运输、安装、维修保养及容易排放冷凝热量。这种方式必须大幅度降低矿井进风的温度，降温费用较大。只适于开采比
30、较浅、巷道不太长的矿井。（2）井下集中式这种方式是把制冷设备和空气冷却设备均布置在井下，而在地面排除冷凝热。如图这种方式的特点是制冷设备安装场地、位置及面积都受到限制，基建费用较大，机械设备在运输、安装、维修保养等方面都比较困难；压缩机的功率易于增大；不会产生由于高差使水温升高现象。,2019/3/19,安全与环境工程系,191,教学模块 矿井空气及调节,（3）地面井下分离式这种方式是把制冷设备布置在地面，而把空气冷却设备布置在井下。这种方式不必对总进风流进行冷却，冷凝器中的循环水也好处理。但这种方式需要高压设备和庞大的循环系统，冷量损失较大，同时费用较高。（4）局部空调机组(独立移动式)该机
31、组体积小，重量轻，运转平稳，安装简便，适用于移动频繁负荷小的掘进工作面。由于矿井的高温原因各不相同，热害程度也轻重不一，因此在做矿井降温设计时，应对具体问题做具体分析，要因地制宜、有针对性地采取降温措施，才能收到良好效果。,2019/3/19,安全与环境工程系,192,教学模块 矿井空气及调节,1.2.4 影响井下气温的因素要进行矿井空调设计，首先就必须了解引起矿井高温热害的主要影响因素。能引起矿井气温值升高的环境因素统称为矿井热源。地面空气进入矿井后，由于和井下各种热源进行热交换，其状态参数（温度、湿度）随着风流的前进会不断发生变化。 1.2.4.1 矿井进风温度 矿井进风温度对井下气温有着
32、直接影响，尤其是浅井，影响就更为显著。地面空气温度在一年之中，随着季节而发生周期性变化，这种变化近似为正弦曲线。地面气温这种周期性变化，使矿井进风路线上的气温也发生相应的周期性变化。但是，井下日气温的变化随着距进风井口的距离增加而迅速衰减，在到达某一点之后，就基本上不再变化。,2019/3/19,安全与环境工程系,193,教学模块 矿井空气及调节,1.2.4.2 井下风流的压缩或膨胀风流沿井巷向下流动时，由于空气柱的增加，空气受到压缩会释放热量。如果认为空气在压缩过程中与外界没有热量交换，仅仅只是由于压力增加而受到压缩，那么就可以把 这个压缩过程看成是绝热压缩过程。 1.2.4.3 机电设备散
33、热电动机拖动机械设备在矿井中运转时，所消耗的能量均可转换为热能，使风流温度升高。 1.2.4.4氧化放热井下的煤、岩、坑木，充填材料、油垢、布料等能氧化发热，以煤的氧化放热量最为显著。,2019/3/19,安全与环境工程系,194,教学模块 矿井空气及调节,1.2.4.5 人体散热和散湿量人体向周围环境散发的热量与湿量取决于人体的热平衡。 1.2.4.6 地下热水矿井地层中如果有高于气温的地下水流动或热水涌出点及排水沟等，都会成为井下较大热源，向风流散热使气温升高。 1.2.4.7 围岩与井下空气的热交换（1）岩石温度井下风流的温度与岩石温度有着直接关系。地壳表层的温度是随地面气温的变化而变化
34、的，随着深度增加，地温随气温变化的幅度则逐渐减少，当达到一定深度时，地温不再变化。一般将地表下某一深度处地温常年基本保持恒定的那个地带称为恒温带。恒温带以上称力变温带。（2）围岩传递给井下空气的热量围岩原始温度是指井巷周围未被通风冷却的原始岩层温度。在许多深矿井中，围岩原始温度高，往往是造成矿井高温的主要原因。,2019/3/19,安全与环境工程系,195,教学模块 通风阻力及动力,2.1 矿井空气流动基本理论2.1.1 矿井风流运动的特征矿井风流是连续介质，其运动要素(压力、速度、密度等)都是连续分布的，而且矿井风流主要是沿着井巷的轴线方向运动，可视为一维运动。流场中流体质点通过空间点的所有
35、运动要素都不随时间改变，只是位置的函数，这种流称稳定流(或称定常流)。如果其中一个要素随时间变化，就称非稳定流。在矿井里，由于井巷特征、岩壁温度、扇风机风压和矿井供风量等，在某一时期内变化不大，矿井正常通风期间，风门的开启，提升设备的升降对局部风流产生瞬时扰动的影响也不大。因此，可把矿井风流近似地视为稳定流。此外，风流沿井巷流动时，由于向下流动的压缩、向上流动的膨胀以及与井下各种热源（围岩、有机物的氧化和机电设备运转时所产生的热等)间的热交换，致使矿井风流的热力状态不断变化。,2019/3/19,安全与环境工程系,196,教学模块 通风阻力及动力,2.1.2 矿井风流的能量方程当空气在井巷中流
36、动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必须有通风动力对空气做功，使得通风阻力和通风动力相平衡。空气在其流动过程中，由于自身的因素和流动环境的综合影响，空气的压力、能量和其他状态参数沿程将发生变化。本节将重点讨论矿井通风中空气流动的压力和能量变化规律，导出矿井风流运动的连续性方程和能量方程。 2.1.2.1 空气流动连续性方程质量守恒是自然界中基本的客观规律之一。在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空间。在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其空间的流体质量。风流在井巷中的流动可以看作是稳定流，因此这
37、里仅讨论稳定流的情况。,2019/3/19,安全与环境工程系,197,教学模块 通风阻力及动力,当空气在图2-2-1的井巷中从1断面流向2断面，且做定常流动时(即在流动过程中不漏风又无补给)，则两个过流断面的空气质量流量相等，即：（2-2-1） 式中 1,2断面上空气的平均密度，kg/m；1,2断面上空气的平均流速，m/s；S1,21,2断面的断面积，m2； Q(m3s)相等，即：,(2-2-3),2019/3/19,安全与环境工程系,198,教学模块 通风阻力及动力,2.1.2.2 可压缩流体能量方程能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，是能量守恒和转换定律在矿井通风中
38、的应用。在矿井通风系统中，严格地说空气的密度是变化的，即矿井风流是可压缩的。当外力对它做功增加其机械能的同时，也增加了风流的内(热)能。因此，在研究矿井风流流动时，风流的机械能加上其内(热)能才能使能量守恒及转换定律成立。,2019/3/19,安全与环境工程系,199,教学模块 通风阻力及动力,(一)单位质量(1kg)流体能量方程1能量组成(讨论1kg空气所具有的能量)在井巷通风中，风流的能量由机械能(压能、位能、动能)和内能组成，常用lkg空气或1m3空气所具有的能量表示。1)风流具有的机械能风流具有的机械能包括压能、位能和动能。2)风流具有的内能风流的内能是风流内部储存能的简称，它是风流内
39、部所具有的分子内动能与分子位能之和。2风流流动过程中能量分析风流在如图2-2-2所示的井巷中流动，设1、2断面的参数分别为风流的绝对静压P1、P2(Pa)；风流的平均流速(m/s)；风流的内能ul、u2(J/kg)；风流的密度(kg/m3)距基准面的高程Z1、Z2(m)。,2019/3/19,安全与环境工程系,200,教学模块 通风阻力及动力,（二）单位体积（1m3）流体方程上面我们详细讨论了单位质量流体的能量方程，但在我国矿井通风中习惯使用单位体积(1m3)流体的能量方程。在考虑空气的可压缩性时，那么1 m3空气流动过程中的能量损失(hR，J/m3 (Pa)，即通风阻力)可由1kg空气流动过
40、程中的能量损失(LR)乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度。,2019/3/19,安全与环境工程系,201,教学模块 通风阻力及动力,(三)关于能量方程使用的几点说明从能量方程的推导过程可知，方程是在一定的条件下导出的，并对它做了适当的简化。 因此，在应用能量方程时应根据矿井的实际条件，正确理解能量方程中各参数的物理意义， 灵活应用。(1)能量方程的意义是，表示1kg(或1m3)空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量(通风阻力)等于流经1、2断面间空气总机械能(压能、位能、动能)的变化量。(2)风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。(
41、3)风流总是从总能量(机械能)大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方向假设错误。(4)正确选择基准面。(5)在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。,2019/3/19,安全与环境工程系,202,教学模块 通风阻力及动力,2.1.3 风流任一断面上的机械能量能量与压力是矿井通风中两个重要的基本概念，它们既密切相关又
42、有区别。风流任一断面上都有压能、位能和动能，这三种机械能量又可分别用相应的静压、位压和动压（速压）来体现。 2.1.3.1 风流能量与压力(一)压能(静压能)一静压(静压力)1压能与静压概念 由分子运动理论可知：无论空气是处于静止还是流动状态，空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外做功的机械能叫压能，用EP表示(J/m3)。当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称为静压力，简称静压，用P表示(N/m2，即Pa)。 在矿井通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。静压也可称为压能。,2019
43、/3/19,安全与环境工程系,203,教学模块 通风阻力及动力,2静压特点无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；风流静压的大小(可以用仪表测量)反映了单位体积风流所具有的能够对外做功的压能的多少。如说风流的压力为200Pa，则指每1m3风流具有200J的压能。3. 静压的两种测算基准根据的测算基准不同，压力可分为绝对静压和相对静压。绝对静压：以真空为测算零点(比较基准)而测得的压力称之为绝对静压(或绝对压力)，用P表示，用仪表可以真接测出。相对静压：以当地当时同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力称之为相对静压（或相对压力），即通常所说的表
44、压力，用h表示。,2019/3/19,安全与环境工程系,204,教学模块 通风阻力及动力,相对静压可用压差计直接测量。可以判定，图2-3-1中两个U形压差计的右边水面都必高于左边水面，这两个水面的垂直高差就是测点用mmH20为计量单位的相对静压值。型压差计是一种结构简单的常用压差计，分垂直(图2-3-2)和倾斜(图2-3-3)两种。二者皆由一个内径均匀装有蒸馏水或酒精的U形玻璃管和刻度尺组成。图2-3-3所示的U形倾斜压差计带有三角架，使用时旋紧接头2的螺丝10，可使压差计处于任一垂直角度，转动螺丝6使支撑U形管的金属板3绕轴9微动，可将附在板3一侧的水准管内的气泡位置调至中央，这时U形管内两
45、个液柱的表面相齐；借助弹簧5使板3和螺丝6的顶端靠紧，U形管用卡子8固定在板3上，铜条7的厚度与U形管外径相同，板3、铜条7和刻度尺用螺钉固定在一起。这种压差计，在井下使用方便，与其它结构复杂的压差计相比，具有容易调整、操作简便、易于发现和处理故障和价格低廉，容易制作等优点。,2019/3/19,安全与环境工程系,205,教学模块 通风阻力及动力,图2-3-1 U型压差计,图2-3-2垂直型压差计,2019/3/19,安全与环境工程系,206,教学模块 通风阻力及动力,(二)位能 1重力位能的概念 能量变化方程任一断面上单位体积风流对某基准面的位能，是指该风流受地球引力作用对该基准面产生的重力
46、位能，简称位能（或位压），用EP0表示。如果把质量为M(kg)的物体从某一基准面提高Z(m)，重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小。2位能的特点位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。在讨论位能时，必须首先选定基准面。一般应将基准面选在所研究系统风流流经的最低水平。位能是一种潜在的能量，常说某处的位能是对某一基准面而言，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能像静压那样用仪表进行直接测量。只能通过测定高差及空气柱的平均密度来计算。位能和静压可以相互转化，当空气由标高高的断面流至标高低的断面时位能转化为静压；反之，当空气由标高低的断面流至标高高的断面时部分静
47、压转化为位能。在进行能量转化时遵循能量守恒定律。,2019/3/19,安全与环境工程系,207,教学模块 通风阻力及动力,(三)动能一动压1动能与动压概念当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能, 用Ev表示，J/m3;在能量变化方程中任一断面上单位体积风流的动能叫做动压，又名速压，用符号hv，表示，单位Pa。 测量巷道中任一断面上风流平均速压，常是人在该断面上用风速仪(又名风表)测出平均风速，并用前面有关公式和仪表测出空气密度，然后用(2-3-5)式计算。2. 常用的风表有叶式风表(图2-3-6)，其中一种用来测量中速(0.510m/s)，另一种测量低速(0.30.5m/s)
48、；还有杯式风表(图2-3-7)，用来测量高速(10m/s)。叶式风表转轮由8块铝质叶片组成，杯式风表转轮由4个杯状铝勺组成，能被风流吹转。打开开关时，长短指针随叶片或杯勺转动而旋转，关闭开关时，指针不动，只叶片或杯勺转动。和手表一样，长针读小数，短针读大数。有些风表，不论指针在何位值，按一下回零装置，指针便回到零位。有些风表还有自记定时(1min或100s)装置，不必另用秒表记时。,2019/3/19,安全与环境工程系,208,教学模块 通风阻力及动力,图2-3-6 叶式风表,图2-3-7 杯式风表,图2-3-8测风线路图,2019/3/19,安全与环境工程系,209,教学模块 通风阻力及动力
49、,2.1.3.2 全压能(一)风流中点压力全压能通常叫做全压。管道内单位休积的风流，在流动方向任一测点i上，所产生的静压和动压之和，叫做该测点全压。根据静压的两种计算基准，静压又分为绝对静压(P)和相对静压(h)；同理，全压也可分绝对全压(Pi)和相对全压(hi)。在图2-2-9的通风管道中，a图为压人式通风，在压人式通风时，风筒中任一点i的相对全压hti恒为正值，所以称之为正压通风；b图为抽出式通风，在抽出式通风时，除风筒的风流人口断面的相对全压为零外，风筒内任一点i的相对全压hti恒为负值，故又称为负压通风。在风筒中，断面上的风速分布是不均匀的，一般中心风速大，随距中心距离增大而减小。 因此，在断面上相对全压hti总是变化的。无论是压人式还是抽出式，其绝对全压均可用式(2-3-7)表示：Pti Pi +hvi (2-3-7),2019/3/19,安全与环境工程系,210,教学模块 通风阻力及动力,图2-3-9 压人式(a)和抽出式(b)通风管道,
