1.1 礦井空氣成分、性質(zhì)和變化規(guī)律

1.1.1 礦井空氣的成分

礦井空氣的主要來(lái)源是地面空氣，但地面空氣進(jìn)入井下以后會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)兩種變化，變化，因而礦井空氣在成分、質(zhì)量和數(shù)量都和地面空氣有著程度不同的區(qū)別。

1.1.1.1地面空氣成分的種類和數(shù)量

地面空氣是干空氣和水蒸氣組成的混合氣體，通常稱為濕空氣。在混合氣體中，水蒸氣的濃度隨地區(qū)和季節(jié)而變化，其平均的體積濃度約為1%；此外還含有塵埃和煙霧等雜質(zhì)，有時(shí)能污染局部地區(qū)的地面空氣。

新鮮空氣無(wú)色，無(wú)味和無(wú)臭，是維持生命所必需的，并能助燃。

1.1.1.2 礦井空氣的主要成分及生成

上面提到，地面空氣進(jìn)入井下后，因發(fā)生物理和化學(xué)兩種變化，使其成分種類增多，各種成分的濃度也發(fā)生改變。

1.礦井空氣的主要成分

就煤礦而官，井下空氣的成分種類共有O2、CH4、CO2、CO、H2S、SO2、N2、N02、H 2、NH3、水蒸氣和浮塵十二種。由于各礦的具體條件不同，各礦的井下空氣成分種類和濃度都有一定的差異。

在上述成分中，氧是井下人員呼吸所必需的，必須保持足夠的濃度，其余九種(水蒸氣除外)氣體和浮塵，超過(guò)一定濃度時(shí)，對(duì)人體都是有害的，必須把它們的濃度降低到?jīng)]有危害的程度.在這九種氣體中CO、H2S、SO2和N02超過(guò)一定濃度時(shí)，還能使人體中毒。故稱這九種氣體為有害有毒氣體，又名為廣義的礦井瓦斯，而狹義的礦井瓦斯則專指CH4。CH4是煤礦井下昔遍存在的氣體，在一定濃度范圍內(nèi)，具有爆炸性。所以，CH4是煤礦井下最危險(xiǎn)的氣體。煤礦井下經(jīng)常出現(xiàn)且數(shù)量較多的氣體是CH4和CO2，它們是計(jì)算礦井所需風(fēng)量的主要根據(jù)。

2.物理變化

井下的物理變化有：

氣體混入：沼氣(CH4)、二氧化碳和硫化氫(H2S)等氣體從地層中涌出到井下空氣中。多數(shù)礦井有沼氣涌出現(xiàn)象,沼氣涌出量的大小各礦不同，有些礦井沼氣涌出量高達(dá)40～50m3/min，有些礦井還伴隨沼氣涌出氮(N2)二氧化硫(SO2)和氫(H2)等氣體。

固體混入：井下各種作業(yè)所產(chǎn)生的微小的巖塵、煤塵和其他雜塵浮游在井下空氣之中。

氣象變化：主要是由于井下空氣的溫度、氣壓和濕度的變化引起井下空氣的體積和濃度變化。

以上物理變化的結(jié)果，不僅使井下空氣的成分種類增多，而且各種成分的濃度亦發(fā)生變化。

3.化學(xué)變化

井下的化學(xué)變化有：

井下一切物質(zhì)(煤、巖石、坑木、……等)的緩慢、氧化、爆破工作、火區(qū)氧化和人員的呼吸等都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳；井下的爆破工作、火區(qū)氧化和機(jī)械潤(rùn)滑油高溫分解等都能產(chǎn)生一氧化碳(CO)；井下火區(qū)氧化和含硫煤的水解都能產(chǎn)生硫化氫；井下火區(qū)氧化和含硫煤的緩慢氧化都能產(chǎn)生二氧化硫，井下爆破工作能產(chǎn)生氧化氮；井下充電硐室的電解能產(chǎn)生氫；井下火區(qū)氧化能產(chǎn)生氨。

1.1.1.3 井下空氣成分的基本性質(zhì)

1.氧(O2)

氧是無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒和無(wú)害的氣體，比重為1.105，是人呼吸所必須的物質(zhì)，故須供給井下足夠的風(fēng)量，以保證井下空氣中有足夠的氧量.因?yàn)檠跏呛芑钴S的元素，易使其它物質(zhì)氧化,并能助燃，產(chǎn)生CO2和CO，故應(yīng)阻止空氣進(jìn)入采空區(qū)和火區(qū)，以防止氧對(duì)煤炭氧化而自燃。

造成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(guò)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。缺氧窒息是造成礦井人員傷亡的原因之一。

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(與空氣的相對(duì)密度為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)人體是無(wú)害的。二氧化碳對(duì)人體的呼吸中樞神經(jīng)有刺激作用，如果空氣中完全不含有二氧化碳，則人體的正常呼吸功能就不能維持。所以在搶救遇難者進(jìn)行人工輸氧時(shí)，往往要在氧氣中加入5%的二氧化碳，以刺激遇難者的呼吸機(jī) 能。但當(dāng)空氣中二氧化碳的濃度過(guò)高時(shí)，也將使空氣中的氧濃度相對(duì)降低，輕則使人呼吸加快，呼吸量增加，嚴(yán)重時(shí)也可能造成人員中毒或窒息。

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(wú)毒、不助燃，也不供呼吸。但

空氣中若氮?dú)鉂舛壬?，則勢(shì)必造成氧濃度相對(duì)降低，從而也可能導(dǎo)致人員的窒息性傷害。正因?yàn)榈獨(dú)鉃槎栊詺怏w，因此又可將其用于井下防滅火和防止瓦斯爆炸。

礦井空氣中氮?dú)庵饕獊?lái)源是：井下爆破和生物的腐爛，有些煤巖層中也有氮?dú)庥砍觥?/p>

1.1.1.4 井下常見(jiàn)有毒有害氣體的基本性質(zhì)

有毒有害氣體的性質(zhì)可分為以下幾方面：

臭、味和色方面—有臭的氣體有四種，即NH3 (劇臭)， SO2(強(qiáng)烈硫躪臭)， H2S(臭雞蛋味，濃度為0.0001%時(shí)，便可嗅出來(lái))，CO2(微酸臭)；有色氣體只有一種，即 N02(淺紅褐色)。可根據(jù)以上性質(zhì)察覺(jué)這些氣體的存在。

有毒有害氣體對(duì)人體的影響：

對(duì)人體有毒的氣體有五種。其中N02是最毒的氣體，它能強(qiáng)烈地刺激眼睛和呼吸系統(tǒng)（鼻、喉、肺)，能和呼吸道上的水分化合而生成硝酸(HNO3)，可使肺浮腫致命.且初期不易發(fā)覺(jué)，有時(shí)數(shù)小時(shí)后才有中毒征兆。SO2能較強(qiáng)地刺激眼睛和呼吸系統(tǒng)，使眼睛紅腫，俗稱害眼氣體，此外，這種氣體能和呼吸道上的水分化合而成硫酸，使肺浮腫致命。H2S能刺激眼睛和呼吸系統(tǒng)，且能使人體血液中毒致命。CO能驅(qū)逐人體血液中的O2，使血液缺氧致命。這是因?yàn)镃O比O2對(duì)血紅素的親和力約大250～300倍。一般的煤氣中毒就是CO中毒。NH3能刺激眼睛、皮膚和呼吸系統(tǒng)。

1.1.1.5 井下空氣成分安全標(biāo)準(zhǔn)

由于礦井空氣質(zhì)量對(duì)人員健康和礦井安全有著重要的影響，所以《煤礦安全規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)對(duì)礦井空氣主要成分(氧氣、二氧化碳)的濃度標(biāo)準(zhǔn)做出了明確的規(guī)定：

采掘工作面進(jìn)風(fēng)流中的氧氣濃度不得低于20%；二氧化碳濃度不得超過(guò)0.5%；總回風(fēng)流中二氧化碳濃度不得超過(guò)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(guò)1.5%時(shí)，必須停工處理。

由于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(jiàn)有害氣體的安全標(biāo)準(zhǔn)都做了明確的規(guī)定，其值如表1-1-3所列。制定這些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，都留有較大的安全系數(shù)。如空氣中CO濃度達(dá)0.048%時(shí)一小時(shí)內(nèi)才可出現(xiàn)輕微的中毒癥狀，而《規(guī)程》規(guī)定的CO最高允許濃度為0.0024%，是其輕微中毒濃度的1/20；再如N02濃度達(dá)0.025%時(shí)，中毒者在短時(shí)間內(nèi)有死亡危險(xiǎn)，而《規(guī)程》規(guī)定的N02最高允許濃度為0.00025%，是其危險(xiǎn)中毒濃度的1/100。因此，只要我們能夠嚴(yán)格遵守《規(guī)程》規(guī)定，不違章作業(yè)，就完全可以避免有害氣體對(duì)人體的侵害。

表1-1-3井下空氣中有害氣體的最高允許濃度[1]

1.1.2 礦井空氣主要物理參量

氣體的分子具有體積和相互吸引力，但在分析氣體的一般問(wèn)題時(shí)，這兩個(gè)因素的影響很小。為了便于分析和計(jì)算，一般可把多種氣體看成是沒(méi)有這兩個(gè)因素的理想氣體，因此，井下空氣也可視為理想氣體。氣體的分子作永不停息的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱能，故氣體分子運(yùn)動(dòng)是熱運(yùn)動(dòng)，氣體的物理參量較多，其中比容、壓力、溫度是三個(gè)基本參量。

1.1.2.1 空氣的密度和比容

1.空氣的密度

空氣和其他物質(zhì)一樣具有質(zhì)量。單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，用符號(hào)

表示?？諝饪梢钥醋魇蔷|(zhì)流體，故：

（1-2-1）

式中

—空氣的密度， kg/m3 ；

M—空氣的質(zhì)量，kg；

V—空氣的體積，m3。

一般地說(shuō)，當(dāng)空氣的溫度和壓力改變時(shí)，其體積會(huì)發(fā)生變化。

2.空氣的比容

質(zhì)量為M(kg)的空氣占有的空間(或容積)為V(m3)，則空氣的比容(又名容積度)

就是容積V和質(zhì)量M之比。或者說(shuō)是單位質(zhì)量空氣所占有的體積，即：

（1-2-2）

也就是空氣的密度倒數(shù)。

1.1.2.2 空氣的溫度

溫度是描述物體冷熱狀態(tài)的物理量。測(cè)量溫度的標(biāo)尺簡(jiǎn)稱溫標(biāo)。熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)的單位為K(Kelvin)，用符號(hào)T表示。熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定純水三態(tài)點(diǎn)溫度(即汽、液、固三相平衡態(tài)時(shí)的溫度)為基本定點(diǎn)，定義為273.15K，每1 K為三相點(diǎn)溫度的1/273.15。

溫度是礦井表征氣候條件的主要參數(shù)之一?！兑?guī)程》第108條規(guī)定：生產(chǎn)礦井采掘工作面的空氣溫度不得超過(guò)26℃；機(jī)電硐室的空氣溫度不得超過(guò)30℃。

1.1.2.3 空氣的壓力

空氣的壓力也稱為空氣的靜壓（絕對(duì)靜壓），用符號(hào)P表示。壓強(qiáng)在礦井通風(fēng)中習(xí)慣稱為壓力。它是空分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。其大小取決于在重力場(chǎng)中的位置(相對(duì)高度)、空氣、溫度、濕度(相對(duì)濕度)和氣體成分等參數(shù)。

按照統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)，大量空氣分子作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)是均等的，故空氣的絕對(duì)靜壓具有在各個(gè)方向上強(qiáng)度相等的特點(diǎn)。

壓力的單位為Pa(帕斯卡，1Pa=lN/102)，壓力較大時(shí)可采用kPa(1kPa=103Pa)、MPa(1MPa=103 kPa=106 Pa)。其他壓力單位參見(jiàn)附錄。

1.1.2.4 空氣的粘性

當(dāng)流體層間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流體內(nèi)部?jī)蓚€(gè)流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力(內(nèi)摩擦力)以阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。

另外，在礦井通風(fēng)中還常用運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)

，和氣體密度

有關(guān)，即

和壓力有關(guān)，這兩個(gè)系數(shù)有如下的關(guān)系：

=μ/

，m2/s????????????????????????????????????? (1—2—4)

1.1.2.5 空氣的濕度

1.空氣濕度的意義

空氣的濕度表示空氣中所含水蒸氣量的多少或潮濕程度，表示空氣濕度的方法有絕對(duì)濕度、相對(duì)溫度和含濕量三種。

絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量絕對(duì)值。其單位與密度單位相同，用符號(hào)

表示。

飽和濕度：?jiǎn)挝惑w積濕空氣中所含飽和水蒸氣質(zhì)量絕對(duì)值。用符號(hào)

表示。

相對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積空氣中實(shí)際含有的水蒸氣量(

)與其同溫度下的飽和水蒸氣含量(

)之比稱為空氣的相對(duì)濕度。

值小表示空氣干爆，吸收水分的能力強(qiáng)；反之，

值大則空氣潮濕，吸收水分能力弱?！〖礊楦煽諝?，

=1即為飽和空氣。水分向空氣中蒸發(fā)的快慢和相對(duì)濕度直接有關(guān)。

含濕量：含有1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量(kg)稱為空氣的含濕量。

1.1.2.6 空氣的焓

焾是一個(gè)復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，它是氣體的內(nèi)動(dòng)能u和壓力功(流動(dòng)功)Pν之和，也稱熱焓（函）。濕空氣的焓是1kg干空氣的焓和其中水蒸氣的焓的總和，

1.1.3 礦井氣候

礦井氣候是指礦井空氣的溫度、濕度、風(fēng)速和輻射這四個(gè)參數(shù)的綜合作用狀態(tài)。這四個(gè)參數(shù)的不同組合，便構(gòu)成了不同的礦井氣候條件。礦井氣候條件對(duì)井下作業(yè)人員的身體健康和勞動(dòng)安全有重要的影響。

1.1.3.1 人體的熱平衡

人要維持正常生理機(jī)能并進(jìn)行各種勞動(dòng)，就必須攝取空氣、水和食物。這些物質(zhì)進(jìn)入

人體經(jīng)過(guò)消化、分解，產(chǎn)生能量(熱量)。人的整個(gè)機(jī)體都參加產(chǎn)熱過(guò)程，其中以肌肉活動(dòng)產(chǎn)熱量最多。當(dāng)人進(jìn)行體力勞動(dòng)時(shí)，肌肉產(chǎn)熱量增至正常量(在安靜狀態(tài)下的產(chǎn)熱量)的十余倍，可達(dá)2500—3140kJ/h。人體產(chǎn)生的熱量一部分用于身體各器官的正常生理機(jī)能活動(dòng)，另一部分用來(lái)供肌肉作功，剩余的則通過(guò)輻射，對(duì)流傳導(dǎo)、汗液蒸發(fā)等途徑與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，散發(fā)到體外。人體代謝產(chǎn)熱過(guò)程是體內(nèi)生物化學(xué)過(guò)程，而散熱過(guò)程則是物理過(guò)程。所以人體熱平衡并非是簡(jiǎn)單的物理過(guò)程，而是在神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)下的非常復(fù)雜的。

1.1.3.2 礦井氣候?qū)θ梭w熱平衡的影響

礦井氣候是由空氣溫度、濕度，風(fēng)速和輻射四要素組成的，它們都影響著人體熱平衡，且各要素之間的影響在很大程度上可以互換。例如，環(huán)境相對(duì)濕度增高對(duì)人體所造成的影響

可以被風(fēng)速的增加所抵消。

1.溫度

在礦井氣候的四個(gè)要素中，氣溫對(duì)人體熱調(diào)節(jié)起著主要作用。當(dāng)氣溫較低時(shí)輻射和對(duì)流傳導(dǎo)散熱是人體主要散熱方式，當(dāng)氣溫逐漸升高后，人體汗腺活動(dòng)越來(lái)越顯著，汗液蒸發(fā)散熱就逐漸成為主要散熱方式。

2.濕度

空氣相對(duì)濕度對(duì)人體熱平衡和溫?zé)岣杏兄匾饔茫貏e是.在氣溫高的條件下，作用

就更為明顯。因高溫時(shí)，人體主要依靠汗液蒸發(fā)散熱才能保持熱平衡，此時(shí)相對(duì)濕度大，將妨礙汗液蒸發(fā)，使汗液成滴狀珠淌下。這種情況下汗液攜帶走的熱量甚少，不能起到蒸發(fā)散熱的作用，因?yàn)楹挂褐挥性谡舭l(fā)的過(guò)程中吸收汽化潛熱才能帶走較多的熱量。

3.風(fēng)速

風(fēng)速顯著地影響著人體對(duì)流散熱。當(dāng)空氣溫度低于體溫時(shí)，流速越大，散熱量愈多。當(dāng)空氣溫度高于體溫時(shí)，人體反而從空氣中得到對(duì)流熱，此時(shí)風(fēng)速越大，人體得到對(duì)流熱愈多。

4.輻射

影響人體輻射散熱的是人體周圍物體的表面溫度。當(dāng)周圍物體表面溫度高于人體表面

溫度時(shí)，人體就得到輻射熱。

可見(jiàn)，礦井氣候條件對(duì)人體熱平衡的影響是一種綜合的作用，各參數(shù)之間相互聯(lián)系、相互影響。如人處在氣溫高、濕度大、風(fēng)速小的高溫潮濕環(huán)境中，這三者的散熱效果都很差，這是由于人體散熱太慢，體內(nèi)產(chǎn)熱量得不到及時(shí)散發(fā)，就會(huì)使人出現(xiàn)體溫升高、心率加快、身體不舒服等癥狀，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致中暑、甚至死亡。相反，如人處在氣溫低、濕度小、風(fēng)速大的低溫干燥環(huán)境中，這三者的散熱效果都很強(qiáng)，這時(shí)由于人體散熱過(guò)快，就會(huì)使人體的體溫降低，引起感冒或其他疾病。

1.1.3.3 衡量礦井氣候條件的指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外衡量礦井氣候條件的指標(biāo)很多，現(xiàn)擇其主要的加以闡述。

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。一般來(lái)說(shuō)，由于礦井空氣的相對(duì)

濕度變化不大，所以干球溫度能在一定程度上直接反映出礦井氣候條件的好壞。而且這個(gè)指

標(biāo)比較簡(jiǎn)單，使用方便，用干球溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

2.濕球溫度

在相同的氣溫(干球溫度)下，若濕球溫度較低，則相對(duì)濕度較??；反之，若濕球溫度與氣溫相接近，則相對(duì)濕度較大。因此用濕球溫度這個(gè)指標(biāo)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，用濕球溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

3.同感溫度

同感溫度(也稱等效溫度或有效溫度)是由美國(guó)采暖工程師協(xié)會(huì)（ASHVE）提出的。這個(gè)指標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)人在空氣溫度、濕度、風(fēng)速三個(gè)指標(biāo)不相同的各種環(huán)境是的舒適感覺(jué)和濕度已飽和、速度為零、溫度不相同的各種環(huán)境中的舒適感覺(jué)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較，并以濕度已飽和、風(fēng)速為零、舒適感覺(jué)相同的環(huán)境空氣溫度作為指標(biāo)，用來(lái)評(píng)價(jià)溫度、濕度和風(fēng)速不相同的各種環(huán)境對(duì)人的舒適感覺(jué)。這種指標(biāo)除不能評(píng)價(jià)環(huán)境輻射熱的作用以外，它能反映空氣溫度、濕度和風(fēng)速三種因素對(duì)人體熱平衡的綜合作用。

4.卡他度

卡他度用卡他計(jì)測(cè)定?？ㄋ?jì)是一種酒精溫度計(jì)，卡他計(jì)下端有個(gè)比普通溫度計(jì)大的貯液

球，上端有一個(gè)小空腔，玻璃管上只有35℃和38℃兩個(gè)刻度，這兩個(gè)溫度的平均值恰好等于人體的正常體溫(36.5℃)。測(cè)定時(shí)，先把貯液球置于熱水中加熱，當(dāng)酒精柱上升至小空腔的一半時(shí)取出，擦干貯液球表面水分，然后將其懸掛于待測(cè)空氣中，此時(shí)由于液球散熱，酒精柱開(kāi)始下降，用秒表記下從38℃降到35℃所需時(shí)間τ，即可用下式求得干卡他度Kd。

(1-3-2)

式中? F—卡他常數(shù)，每只卡他計(jì)玻璃管上都標(biāo)有F值。

干卡他度反映了氣溫和風(fēng)速對(duì)氣候條件的影響，但沒(méi)有反映空氣濕度的影響。為了測(cè)出

溫度、濕度和風(fēng)速三者的綜合作用效果，需要采用濕卡他度Kw。濕卡他度是在卡他計(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。

卡他計(jì)的設(shè)計(jì)者是想利用貯液球來(lái)模擬人體的散熱效果，并取1卡他度等于41.86W/m2，即相當(dāng)于每小時(shí)從1m2的表面積上散失掉150.7kJ的熱量，而成年男子的體表面積約等于1.7m2，所以1卡他度就約等于每小時(shí)從體內(nèi)散發(fā)掉256.2kJ的熱量。

1.1.3.4 評(píng)價(jià)礦井氣候條件的綜合指標(biāo)

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。現(xiàn)將我國(guó)及其他一些國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介如下：

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，采掘工作面的空氣溫度不得超過(guò)26℃，機(jī)電峒室的空氣溫度不得超過(guò)30℃。

2.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。有不少國(guó)家采用了同感溫度這種指標(biāo)。例如，美國(guó)規(guī)定井下同感溫度須小于34～37℃，，日本規(guī)定須小于31.5℃，比利時(shí)和法國(guó)均規(guī)定須小于31℃。

1.2 ?創(chuàng)造良好作業(yè)環(huán)境的途徑

改善礦內(nèi)氣候條件，創(chuàng)造良好作業(yè)環(huán)境的途徑主要包括以下兩方面的內(nèi)容：一是對(duì)冬季寒冷地區(qū)，當(dāng)井筒入風(fēng)溫度低于2℃時(shí)，為了防止因井筒結(jié)冰而造成提升、運(yùn)輸事故，防止人員上下班受寒生病，也須對(duì)礦井進(jìn)風(fēng)流采取加熱的措施，對(duì)井口空氣進(jìn)行預(yù)熱；二是對(duì)高溫礦井用風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)溫調(diào)節(jié)，以達(dá)到《規(guī)程》第102條規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，即生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過(guò)26℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過(guò)30℃；當(dāng)采掘工作面空氣溫度超過(guò)30℃時(shí)。機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過(guò)34℃時(shí)，必須停止作業(yè)。新建、改擴(kuò)建礦井設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行礦井風(fēng)溫預(yù)測(cè)計(jì)算，超溫地點(diǎn)必須有制冷降溫設(shè)計(jì)，配齊降溫設(shè)施。

1.2.1 井口空氣加熱方式

井口一般采用空氣加熱器對(duì)冷空氣進(jìn)行加熱，有2種加熱方式：

1.2.1.1 井口房不密閉的加熱方式

當(dāng)井口房不宜密閉時(shí)，被加熱的空氣需設(shè)置專用的通風(fēng)機(jī)送入井筒或井口房。這種按冷、熱風(fēng)混合的地點(diǎn)不同，又分以上3種情況：

①冷、熱風(fēng)在井筒內(nèi)混合。這種布置方式是將被加熱的空氣通過(guò)專用通風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)道送入井口以下2m處，筒內(nèi)進(jìn)行熱風(fēng)和冷風(fēng)的混合。

②冷、熱風(fēng)在井口房?jī)?nèi)混合。這種布置方式是將熱風(fēng)直接送入井口房?jī)?nèi)進(jìn)行}混合，使混合后的空氣溫度達(dá)到2℃以上后再進(jìn)入井筒。

③冷、熱風(fēng)在井口房和井筒內(nèi)同時(shí)混合。這種布置方式是前兩種方式的結(jié)合，它將大部分熱風(fēng)送入井簡(jiǎn)內(nèi)混合，而將小部分送入井口房?jī)?nèi)混合。

以上3種方式相比較，第一種方式冷、熱風(fēng)混合效果較好，通風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)井口房的影響相對(duì)較小，但井口房風(fēng)速大、風(fēng)溫低，井口作業(yè)人員的工作條件差，而且井筒熱風(fēng)口的井壁、上部罐座和罐頂保險(xiǎn)裝置有凍冰危險(xiǎn)，第二種方式井口房工作條件有所改善，上部和罐頂保險(xiǎn)裝置凍冰危險(xiǎn)減少，但冷、熱風(fēng)的混合效果不如前者，而且井口房?jī)?nèi)風(fēng)速較大，尤其是通風(fēng)機(jī)的噪聲對(duì)井口的通訊信號(hào)影響較大；第三種方式綜合了前兩種的優(yōu)點(diǎn)，而避免了其缺點(diǎn)，但管理較為復(fù)雜。

1.2.1.2 井口房加密閉的加熱方式

井口房有條件密閉時(shí)，熱風(fēng)可依靠礦井主要通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用進(jìn)入井口房和井筒，一般不需設(shè)置專用的通風(fēng)機(jī)送風(fēng)。采用這種方式，大多是在井口房?jī)?nèi)直接設(shè)置空氣加熱器，讓冷、熱風(fēng)在井口房?jī)?nèi)進(jìn)行混合。

對(duì)于大型礦井，當(dāng)井筒進(jìn)風(fēng)量較大時(shí)，為了使井口房風(fēng)速不超限，可在井口房外建立冷風(fēng)塔和冷風(fēng)道，讓一部分冷風(fēng)先經(jīng)過(guò)冷風(fēng)道直接進(jìn)入井筒，使冷、熱風(fēng)既在井口房混合又在井筒內(nèi)混合。采用這種方式時(shí)，應(yīng)注意防止冷風(fēng)道與井筒聯(lián)接處結(jié)冰。

1.2.2 礦井降溫的一般技術(shù)措施

隨著采掘深度與強(qiáng)度不斷增大，以及礦井機(jī)械化程度日益提高，生產(chǎn)更為集中。因此，地?zé)岷蜋C(jī)械設(shè)備向井下空氣散發(fā)的熱量顯著增加，使井下氣溫升高。此外，一些地處溫泉地帶的礦井，雖然開(kāi)采深度不大，但由于從巖石裂隙中涌出的熱水及受熱水環(huán)繞與浸透的高溫圍巖也都能使井下氣溫升高、濕度增大；這樣就更加惡化了井下工作環(huán)境，嚴(yán)重地影響著井下作業(yè)人員的身體健康和勞動(dòng)生產(chǎn)率，成為一種災(zāi)害，習(xí)稱熱害。故須采取降低井下空氣溫度的措施。礦井降溫措施基本可分兩大類：第一類是不使用機(jī)械制冷設(shè)備進(jìn)行降溫，包括選擇合理的開(kāi)拓系統(tǒng)和確定合理的采煤方法，改變通風(fēng)方式和通風(fēng)系統(tǒng)，減少各種熱源放熱量

等等措施，第二類是采用機(jī)械制冷設(shè)備，通過(guò)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到改善井下微小氣候環(huán)境

的目的。第二類措施是在第一類措施達(dá)不到《規(guī)程》的要求時(shí)才采用。先簡(jiǎn)介第一類降溫措施，其主要包括：通風(fēng)降溫、合理的開(kāi)采系統(tǒng)、隔熱疏導(dǎo)、個(gè)體防護(hù)等。

1.2.2.1 通風(fēng)降溫

加強(qiáng)通風(fēng)是礦井降溫的主要技術(shù)途徑。通風(fēng)降溫的主要措施就是加大礦井風(fēng)量和選擇合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

①加大風(fēng)量。實(shí)踐證明，在一定的條件下(如原風(fēng)量較小)，增加風(fēng)量是高溫礦井最經(jīng)濟(jì)的降溫手段之一。加大風(fēng)量不僅可以排出熱量、降低風(fēng)溫，而且還可以有效地改善人體的散熱條件，增加人體舒適感。所以在高溫礦井采用通風(fēng)降溫是礦井降溫的基本措施之一。

但增風(fēng)降溫并不總是有效的。當(dāng)風(fēng)量增加到一定程度時(shí)，增風(fēng)降溫的效果就會(huì)減弱。同時(shí)增風(fēng)降溫還受到井巷斷面和通風(fēng)機(jī)能力等各種因素的制約，有一定的應(yīng)用范圍。

②選擇合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)。從降溫角度出發(fā)，確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，一般應(yīng)考慮下列原則：

第一，盡可能減少進(jìn)風(fēng)路線的長(zhǎng)度。在井巷熱環(huán)境條件和風(fēng)量不變的情況下，井巷風(fēng)流的溫升是隨其流程的加長(zhǎng)而增大，風(fēng)路越長(zhǎng)，風(fēng)流沿途吸熱量越大，溫升也越大。所以，對(duì)高溫礦井應(yīng)盡量縮短進(jìn)風(fēng)路線的長(zhǎng)度，同時(shí)在進(jìn)行開(kāi)拓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意與通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，避免將進(jìn)風(fēng)巷布置在高溫巖層中和不必要加長(zhǎng)進(jìn)風(fēng)路線的長(zhǎng)度，以使溫升加大。

第二，盡量避免煤流與風(fēng)流反向運(yùn)行。在選擇采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，盡量采用軌道上山進(jìn)風(fēng)方案，避免因煤流與風(fēng)流方向相反，將煤炭在運(yùn)輸過(guò)程中的放熱和設(shè)備放熱帶進(jìn)工作面。根據(jù)德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)采用軌道上山進(jìn)風(fēng)與運(yùn)輸上山進(jìn)風(fēng)相比，回采工作面進(jìn)風(fēng)流的同感溫度可降低4—5℃。

第三，回采工作面采用下行風(fēng)。在條件許可時(shí)，回采工作面可采用下行風(fēng)。因?yàn)榛夭晒ぷ髅娌捎孟滦酗L(fēng)時(shí)，風(fēng)流是從路程較短的上部巷道進(jìn)入工作面，且減少了煤炭放熱的影響，故可降低工作面的進(jìn)風(fēng)溫度。

第四，對(duì)于發(fā)熱量較大的機(jī)電峒室，應(yīng)有獨(dú)立的回風(fēng)路線，以便把機(jī)電所發(fā)熱量直接導(dǎo)入采區(qū)的回風(fēng)流中。

第五，回采工作面的通風(fēng)方式也對(duì)氣溫有影響。在相同的地質(zhì)條件下，由于W型通風(fēng)方式比U型和Y型能增加工作面的風(fēng)量，降溫效果都較好。

一般情況下，對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效果要比中央式好。

1.2.2.2 選擇合理的開(kāi)采系統(tǒng)

根據(jù)井田地質(zhì)特征和熱源情況，選擇合理的開(kāi)采系統(tǒng)，綜合考慮通風(fēng)降溫問(wèn)題，對(duì)改

善高溫礦井氣候條件是有利的。例如，采用雙巷掘進(jìn)有利于降低井下氣溫。

加大礦井開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，提高采掘進(jìn)度和產(chǎn)量有利于改善井下熱環(huán)境。據(jù)蘇聯(lián)研究，煤層

產(chǎn)量提高一倍，可使工作面末端氣溫降低1—4℃ [59]。

在回采順序方面，條件相同的后退式回采可使巷道有較長(zhǎng)的通風(fēng)冷卻時(shí)間，采空區(qū)漏

風(fēng)少，從采空區(qū)帶出的熱量也少。

采取全部充填法管理頂板，一方面可控制采空區(qū)漏風(fēng)所攜帶出來(lái)的熱量，另一方面充

填物也可吸收一部分熱量。特別是風(fēng)力充填法，效果更顯著。

1.2.2.3 隔熱疏導(dǎo)

所謂隔熱疏導(dǎo)就是采取各種有效措施將礦井熱源與風(fēng)流隔離開(kāi)來(lái)，或?qū)嵩粗苯右氲V井回風(fēng)流中，避免礦井熱源對(duì)風(fēng)流的直接加熱，從而達(dá)到礦井降溫的目的。隔熱疏導(dǎo)的措施主要有：

①巷道隔熱。巷道隔熱主要用于礦井局部地溫異常的區(qū)段。目前較為可行的方法是，在高溫巖壁與巷道支架之間充填隔熱材料，如高爐或鍋爐爐渣等。近年來(lái)，我國(guó)煤礦還試驗(yàn)用聚氨酯泡沫塑料噴涂巖壁，噴涂厚度為10mm時(shí)，就能產(chǎn)生較好的隔熱效果。國(guó)外有些國(guó)家也曾采用聚乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)氨基甲酸泡沫、膨脹珍珠巖等隔熱材料噴涂巖壁，也取得較好效果。但因巷道隔熱費(fèi)用較高，而且隔熱層的時(shí)效性較差，隨著時(shí)間的推移，隔熱層的

作用將變小，同時(shí)還必須注意防火、防毒等安全問(wèn)題。

②管道和水溝隔熱。對(duì)高溫礦井，溫度高的壓氣管道和排熱水管應(yīng)盡量設(shè)在回風(fēng)流中，如果必須設(shè)在進(jìn)風(fēng)流中時(shí)應(yīng)采取隔熱措施。尤其是對(duì)熱水型高溫礦井，更應(yīng)防止熱水對(duì)風(fēng)流的增溫增濕作用。

對(duì)熱水涌出量大的礦井可超前將熱水疏干，將水位降低到開(kāi)采深度以下。對(duì)局部地點(diǎn)涌出的高溫?zé)崴稍诔鏊c(diǎn)附近打排水鉆孔，將熱水用隔熱管道直接排至地面。

⑧井下發(fā)熱量大的大型機(jī)電硐室應(yīng)獨(dú)立回風(fēng)?，F(xiàn)代礦井井下大型機(jī)電硐室的發(fā)熱量很大，如果這些設(shè)備的放熱直接進(jìn)入進(jìn)風(fēng)流，將引起礦井風(fēng)流較大的溫升。所以對(duì)高溫礦井，井下大型機(jī)電硐室(如中央變電所、泵房和絞車房等)應(yīng)建立獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)。

1.2.2.4 個(gè)體防護(hù)

對(duì)個(gè)別氣候條件惡劣的地點(diǎn)，由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上的原因，如不能采取其他降溫措施時(shí)，對(duì)礦工進(jìn)行個(gè)體防護(hù)也是一種有效的方法。礦工個(gè)體防護(hù)的主要措施就是讓礦工穿戴輕便的冷卻背心或冷卻帽，以防止環(huán)境熱對(duì)流和熱輻射對(duì)人體的侵害，同時(shí)使人體自身的產(chǎn)熱量傳給冷卻服。

除了上述措施之外，還有其他一些諸如煤層注水以冷卻煤體、在進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)放置冰塊等措施都可起到一定的降溫作用。

1.2.3 礦井空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

上述各種降溫技術(shù)措施都是有一定限度的，而且采取這些措施不能在數(shù)量和質(zhì)量上對(duì)微小氣候的各個(gè)要素都進(jìn)行一定的控制與調(diào)節(jié)，所以，對(duì)熱害嚴(yán)重的礦井，只依靠上述降溫措施往往達(dá)不到預(yù)期目的。這時(shí)則應(yīng)考慮采取機(jī)械制冷設(shè)備通過(guò)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)改善井下熱環(huán)境。礦井空調(diào)絕不能被認(rèn)為是舒適性空調(diào)，而應(yīng)看作是生產(chǎn)性空調(diào)。力求為井下作業(yè)人員創(chuàng)造一種不危害健康，并能保持一定生產(chǎn)效率的工作環(huán)境。

1.2.3.1 礦井空氣調(diào)節(jié)的方式

礦井空調(diào)系統(tǒng)一般分為地面集中式，井下集中式，地面井下分散式，局部空調(diào)機(jī)組。

（1）地面集中式

這是一種制冷設(shè)備和空氣冷卻設(shè)備均布置在地面的礦井空調(diào)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是安裝制冷設(shè)備的場(chǎng)地易于選擇，面積不受限制，便于基建、運(yùn)輸、安裝、維修保養(yǎng)及容易排放冷凝熱量。這種方式必須大幅度降低礦井進(jìn)風(fēng)的溫度，降溫費(fèi)用較大。只適于開(kāi)采比較淺、巷道不太長(zhǎng)的礦井。

（2）井下集中式

這種方式是把制冷設(shè)備和空氣冷卻設(shè)備均布置在井下，而在地面排除冷凝熱。如圖

這種方式的特點(diǎn)是制冷設(shè)備安裝場(chǎng)地、位置及面積都受到限制，基建費(fèi)用較大，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)輸、安裝、維修保養(yǎng)等方面都比較困難；壓縮機(jī)的功率易于增大；不會(huì)產(chǎn)生由于高差使水溫升高現(xiàn)象。

（3）地面井下分離式

這種方式是把制冷設(shè)備布置在地面，而把空氣冷卻設(shè)備布置在井下。這種方式不必對(duì)總進(jìn)風(fēng)流進(jìn)行冷卻，冷凝器中的循環(huán)水也好處理。但這種方式需要高壓設(shè)備和龐大的循環(huán)系統(tǒng)，冷量損失較大，同時(shí)費(fèi)用較高。

（4）局部空調(diào)機(jī)組(獨(dú)立移動(dòng)式)

該機(jī)組體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安裝簡(jiǎn)便，適用于移動(dòng)頻繁負(fù)荷小的掘進(jìn)工作面。

由于礦井的高溫原因各不相同，熱害程度也輕重不一，因此在做礦井降溫設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)具體問(wèn)題做具體分析，要因地制宜、有針對(duì)性地采取降溫措施，才能收到良好效果。

1.2.4 影響井下氣溫的因素

要進(jìn)行礦井空調(diào)設(shè)計(jì)，首先就必須了解引起礦井高溫?zé)岷Φ闹饕绊懸蛩亍Ｄ芤鸬V井氣溫值升高的環(huán)境因素統(tǒng)稱為礦井熱源。地面空氣進(jìn)入礦井后，由于和井下各種熱源進(jìn)行熱交換，其狀態(tài)參數(shù)（溫度、濕度）隨著風(fēng)流的前進(jìn)會(huì)不斷發(fā)生變化。

1.2.4.1 礦井進(jìn)風(fēng)溫度

礦井進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)井下氣溫有著直接影響，尤其是淺井，影響就更為顯著。地面空氣溫度在一年之中，隨著季節(jié)而發(fā)生周期性變化，這種變化近似為正弦曲線。地面氣溫這種周期性變化，使礦井進(jìn)風(fēng)路線上的氣溫也發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。但是，井下日氣溫的變化隨著距進(jìn)風(fēng)井口的距離增加而迅速衰減，在到達(dá)某一點(diǎn)之后，就基本上不再變化。

1.2.4.2 井下風(fēng)流的壓縮或膨脹

風(fēng)流沿井巷向下流動(dòng)時(shí)，由于空氣柱的增加，空氣受到壓縮會(huì)釋放熱量。如果認(rèn)為空

氣在壓縮過(guò)程中與外界沒(méi)有熱量交換，僅僅只是由于壓力增加而受到壓縮，那么就可以把

這個(gè)壓縮過(guò)程看成是絕熱壓縮過(guò)程。

1.2.4.3 機(jī)電設(shè)備散熱

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備在礦井中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所消耗的能量均可轉(zhuǎn)換為熱能，使風(fēng)流溫度升

高。

1.2.4.4氧化放熱

井下的煤、巖、坑木，充填材料、油垢、布料等能氧化發(fā)熱，以煤的氧化放熱量最為顯著。

1.2.4.5 人體散熱和散濕量

人體向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量與濕量取決于人體的熱平衡。

1.2.4.6 地下熱水

礦井地層中如果有高于氣溫的地下水流動(dòng)或熱水涌出點(diǎn)及排水溝等，都會(huì)成為井下較

大熱源，向風(fēng)流散熱使氣溫升高。

1.2.4.7 圍巖與井下空氣的熱交換

（1）巖石溫度

井下風(fēng)流的溫度與巖石溫度有著直接關(guān)系。地殼表層的溫度是隨地面氣溫的變化而變化的，隨著深度增加，地溫隨氣溫變化的幅度則逐漸減少，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，地溫不再變

化。一般將地表下某一深度處地溫常年基本保持恒定的那個(gè)地帶稱為恒溫帶。恒溫帶以上

稱力變溫帶。

（2）圍巖傳遞給井下空氣的熱量

圍巖原始溫度是指井巷周圍未被通風(fēng)冷卻的原始巖層溫度。在許多深礦井中，圍巖原始溫度高，往往是造成礦井高溫的主要原因。