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

礦井空氣的主要來源是地面空氣，但地面空氣進(jìn)入井下以后會發(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。

新鮮空氣無色，無味和無臭，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，超過一定濃度時(shí)，對人體都是有害的，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產(chǎn)生二氧化碳；井下的爆破工作、火區(qū)氧化和機(jī)械潤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)

氧是無色、無臭、無味、無毒和無害的氣體，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)過程中產(chǎn)生的各種有害氣體，也使空氣中的氧濃度相對降低。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人體是無害的。二氧化碳對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高時(shí)，也將使空氣中的氧濃度相對降低，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，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。但

空氣中若氮?dú)鉂舛壬撸瑒t勢必造成氧濃度相對降低，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)庵饕獊碓词牵壕卤坪蜕锏母癄€，有些煤巖層中也有氮?dú)庥砍觥?/p>

1.1.1.4 井下常見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)，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)察覺這些氣體的存在。

有毒有害氣體對人體的影響：

對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，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》(以下簡稱《規(guī)程》)對礦井空氣主要成分(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0.5%；總回風(fēng)流中二氧化碳濃度不得超過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1.5%時(shí)，必須停工處理。

由于礦井空氣中有害氣體對井下作業(yè)人員的生命安全危害極大，因此《規(guī)程》對常見有害氣體的安全標(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題時(shí)，這兩個因素的影響很小。為了便于分析和計(jì)算，一般可把多種氣體看成是沒有這兩個因素的理想氣體，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，這種運(yùn)動產(chǎn)生熱能，故氣體分子運(yùn)動是熱運(yùn)動，氣體的物理參量較多，其中比容、壓力、溫度是三個基本參量。

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

表示。空氣可以看作是均質(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，當(dāng)空氣的溫度和壓力改變時(shí)，其體積會發(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。測量溫度的標(biāo)尺簡稱溫標(biāo)。熱力學(xué)絕對溫標(biāo)的單位為K(Kelvin)，用符號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。《規(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26℃；機(jī)電硐室的空氣溫度不得超過30℃。

1.1.2.3 空氣的壓力

空氣的壓力也稱為空氣的靜壓（絕對靜壓），用符號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)動對器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。其大小取決于在重力場中的位置(相對高度)、空氣、溫度、濕度(相對濕度)和氣體成分等參數(shù)。

按照統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)，大量空氣分子作無規(guī)則的熱運(yùn)動時(shí)，在各個方向運(yùn)動的機(jī)會是均等的，故空氣的絕對靜壓具有在各個方向上強(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)。其他壓力單位參見附錄。

1.1.2.4 空氣的粘性

當(dāng)流體層間發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)，在流體內(nèi)部兩個流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力(內(nèi)摩擦力)以阻止相對運(yùn)動，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)動粘度系數(shù)

，和氣體密度

有關(guān)，即

和壓力有關(guān)，這兩個系數(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濕度、相對溫度和含濕量三種。

絕對濕度：單位體積濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量絕對值。其單位與密度單位相同，用符號

表示。

飽和濕度：單位體積濕空氣中所含飽和水蒸氣質(zhì)量絕對值。用符號

表示。

相對濕度：單位體積空氣中實(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。　即為干空氣，

=1即為飽和空氣。水分向空氣中蒸發(fā)的快慢和相對濕度直接有關(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

焾是一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，它是氣體的內(nèi)動能u和壓力功(流動功)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)速和輻射這四個參數(shù)的綜合作用狀態(tài)。這四個參數(shù)的不同組合，便構(gòu)成了不同的礦井氣候條件。礦井氣候條件對井下作業(yè)人員的身體健康和勞動安全有重要的影響。

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，就必須攝取空氣、水和食物。這些物質(zhì)進(jìn)入

人體經(jīng)過消化、分解，產(chǎn)生能量(熱量)。人的整個機(jī)體都參加產(chǎn)熱過程，其中以肌肉活動產(chǎn)熱量最多。當(dāng)人進(jìn)行體力勞動時(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，另一部分用來供肌肉作功，剩余的則通過輻射，對流傳導(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)熱過程是體內(nèi)生物化學(xué)過程，而散熱過程則是物理過程。所以人體熱平衡并非是簡單的物理過程，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)境相對濕度增高對人體所造成的影響

可以被風(fēng)速的增加所抵消。

1.溫度

在礦井氣候的四個要素中，氣溫對人體熱調(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，人體汗腺活動越來越顯著，汗液蒸發(fā)散熱就逐漸成為主要散熱方式。

2.濕度

空氣相對濕度對人體熱平衡和溫?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流熱，此時(shí)風(fēng)速越大，人體得到對流熱愈多。

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，礦井氣候條件對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)由于人體散熱過快，就會使人體的體溫降低，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

干球溫度是我國現(xiàn)行的評價(jià)礦井氣候條件的指標(biāo)之一。一般來說，由于礦井空氣的相對

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。而且這個指

標(biāo)比較簡單，使用方便，用干球溫度計(jì)進(jìn)行測量。

2.濕球溫度

在相同的氣溫(干球溫度)下，若濕球溫度較低，則相對濕度較小；反之，若濕球溫度與氣溫相接近，則相對濕度較大。因此用濕球溫度這個指標(biāo)可以反映空氣溫度和相對濕度對人體熱平衡的影響，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)是由美國采暖工程師協(xié)會（ASHVE）提出的。這個指標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)，根據(jù)人在空氣溫度、濕度、風(fēng)速三個指標(biāo)不相同的各種環(huán)境是的舒適感覺和濕度已飽和、速度為零、溫度不相同的各種環(huán)境中的舒適感覺，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較，并以濕度已飽和、風(fēng)速為零、舒適感覺相同的環(huán)境空氣溫度作為指標(biāo)，用來評價(jià)溫度、濕度和風(fēng)速不相同的各種環(huán)境對人的舒適感覺。這種指標(biāo)除不能評價(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)速三種因素對人體熱平衡的綜合作用。

4.卡他度

卡他度用卡他計(jì)測定。卡他計(jì)是一種酒精溫度計(jì)，卡他計(jì)下端有個比普通溫度計(jì)大的貯液

球，上端有一個小空腔，玻璃管上只有35℃和38℃兩個刻度，這兩個溫度的平均值恰好等于人體的正常體溫(36.5℃)。測定時(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空氣中，此時(shí)由于液球散熱，酒精柱開始下降，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)速對氣候條件的影響，但沒有反映空氣濕度的影響。為了測出

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)測得的卡他度，其實(shí)測和計(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 評價(jià)礦井氣候條件的綜合指標(biāo)

目前，世界各國關(guān)于礦井氣候條件的安全標(biāo)準(zhǔn)差別很大。現(xiàn)將我國及其他一些國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)簡介如下：

1.我國現(xiàn)行的礦井氣候條件安全標(biāo)準(zhǔn)

我國現(xiàn)行評價(jià)礦井氣候條件的指標(biāo)是干球溫度。1982年國務(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26℃，機(jī)電峒室的空氣溫度不得超過30℃。

2.國外一些國家的礦井氣候條件安全標(biāo)準(zhǔn)

世界主要產(chǎn)煤國家對礦井氣候條件的評價(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。有不少國家采用了同感溫度這種指標(biāo)。例如，美國規(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，也須對礦井進(jìn)風(fēng)流采取加熱的措施，對井口空氣進(jìn)行預(yù)熱；二是對高溫礦井用風(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26℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過30℃；當(dāng)采掘工作面空氣溫度超過30℃時(shí)。機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過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)在井口房內(nèi)混合。這種布置方式是將熱風(fēng)直接送入井口房內(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)送入井簡內(nèi)混合，而將小部分送入井口房內(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)噪聲對井口房的影響相對較小，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，而且井口房內(nèi)風(fēng)速較大，尤其是通風(fēng)機(jī)的噪聲對井口的通訊信號影響較大；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，大多是在井口房內(nèi)直接設(shè)置空氣加熱器，讓冷、熱風(fēng)在井口房內(nèi)進(jìn)行混合。

對于大型礦井，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，通過空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來達(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。先簡介第一類降溫措施，其主要包括：通風(fēng)降溫、合理的開采系統(tǒng)、隔熱疏導(dǎo)、個體防護(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而增大，風(fēng)路越長，風(fēng)流沿途吸熱量越大，溫升也越大。所以，對高溫礦井應(yīng)盡量縮短進(jìn)風(fēng)路線的長度，同時(shí)在進(jìn)行開拓系統(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進(jìn)風(fēng)路線的長度，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)輸過程中的放熱和設(shè)備放熱帶進(jìn)工作面。根據(jù)德國的經(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，選擇合理的開采系統(tǒng)，綜合考慮通風(fēng)降溫問題，對改

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)流隔離開來，或?qū)嵩粗苯右氲V井回風(fēng)流中，避免礦井熱源對風(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，我國煤礦還試驗(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。國外有些國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、防毒等安全問題。

②管道和水溝隔熱。對高溫礦井，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。尤其是對熱水型高溫礦井，更應(yīng)防止熱水對風(fēng)流的增溫增濕作用。

對熱水涌出量大的礦井可超前將熱水疏干，將水位降低到開采深度以下。對局部地點(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)。現(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 個體防護(hù)

對個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)，對礦工進(jìn)行個體防護(hù)也是一種有效的方法。礦工個體防護(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)境熱對流和熱輻射對人體的侵害，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)量上對微小氣候的各個要素都進(jìn)行一定的控制與調(diào)節(jié)，所以，對熱害嚴(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)備通過空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來改善井下熱環(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。只適于開采比較淺、巷道不太長的礦井。

（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)立移動式)

該機(jī)組體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安裝簡便，適用于移動頻繁負(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)對具體問題做具體分析，要因地制宜、有針對性地采取降溫措施，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)流沿井巷向下流動時(shí)，由于空氣柱的增加，空氣受到壓縮會釋放熱量。如果認(rèn)為空

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

這個壓縮過程看成是絕熱壓縮過程。

1.2.4.3 機(jī)電設(shè)備散熱

電動機(jī)拖動機(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或熱水涌出點(diǎn)及排水溝等，都會成為井下較

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。