井下空气的主要来源是地面空气(大气),它是由多种气体组成的干空气和水蒸汽组合而成的混合气体。通常状况下,干空气各组分的数量基本不变(表1-1-1)。在混合气体中,水蒸汽的浓度随地区和季节而变化,其平均浓度约为1 %;此外还含有尘埃和烟雾等杂质 。
表1-1-1 干空气主要成分
气体成分 |
按体积计 /% |
按质量计 /% |
氮气(N2) 氧气(O2) 二氧化碳(CO2) 氩气(Ar) 其它(水蒸汽、惰性稀有气体和微量的灰尘与微生物等) |
78.13 20.90 0.03 0.93 0.01 |
75.55 23.10 0.05 1.27 0.01 |
为便于测量与计算,气体的浓度一般按体积百分计,如无特殊说明,以下均指体积浓度。
地面空气进入矿井以后,由于受到污染,其成分和性质要发生一系列的变化,如氧浓度降低,二氧化碳浓度增加;混入各种有毒、有害气体和矿尘;空气的状态参数(温度、湿度、压力等)发生改变等。一般来说,将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为新鲜空气(新风);经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气,称为污浊空气(乏风)。矿内空气主要成分除氧气(O2)、氮气(N2)、二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O)以外,还混入大量的有害气体,如瓦斯(CH4)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)、氢气(H2)和矿尘等。
氧气是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体,比重为1.105。矿内氧气来源于进入矿井的地面大气所固有的含量。由于矿内各有机物(木材、支架等)和无机物(矿物、岩石)的氧化,矿物自燃,矿井火灾,以及瓦斯、煤尘爆炸等,都要直接消耗氧气,此外,井巷内不断放出的各种有害气体,也相对的降低氧气的浓度。
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,严重时可能导致缺氧死亡。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系如表1-1-2所示.。
表1-1-2 人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系
氧浓度(体积)/ % |
主要症状 |
17 15 10~12 6~9 |
静止时无影响,工作时能引起喘息和呼吸困难 呼吸及心跳急促,耳鸣目眩,感觉和判断能力降低,失去劳动能力 失去理智,时间稍长有生命危险 失去知觉,呼吸停止,如没有及时抢救几分钟内可能导致死亡 |
造成矿井空气中氧气浓度降低的主要原因有:人员呼吸;煤岩和其他有机物的缓慢氧化;煤炭自然;瓦斯、煤尘爆炸。此外,煤岩和生产过程中产生的各种有害气体,也使空气中的氧气浓度相对降低。所以,在井下通风不良的地点,空气中的氧气浓度可能显著降低,如果不经检查而贸然进入,就可能引起人员的缺氧窒息。
《煤矿安全规程》(以下简称《规程》)规定,采掘工作面的进风流中氧气浓度不得低于20 %。为此,必须对矿井进行不断的通风,将适量的新鲜空气源源不断地送到井下。这是矿井通风最基本的任务之一。
氮气是无色、无味、无臭的惰性气体,是新鲜空气中的主要成分,对空气的相对密度为0.97,它本身无毒、不助燃,也不供呼吸。在正常情况下,氮气对人体无害,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。在废弃的旧巷或隔离着的火区内,可积存大量的氮,使氧浓度相对地减少,使人因缺氧而窒息。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。
二氧化碳是无色略带酸臭味的气体,对空气的相对密度为1.52,是一种较重的气体,很难与空气均匀混合,常积聚于巷道的底部、井筒和下山的掘进迎头,在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助燃也不能供人呼吸,易溶于水,生成碳酸,使水溶液成弱酸性,对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的,它对人的呼吸有刺激作用,如果空气中完全不含有二氧化碳,人体的正常呼吸功能就不能维持。当肺泡中二氧化碳增多时,能刺激人的呼吸神经中枢,引起呼吸频繁,呼吸量增加,所以在急救受有害气体伤害的患者时,常常首先让其吸入含有5 %二氧化碳的氧气以加强呼吸。但当空气中二氧化碳的浓度过高时,也将使空气中的氧浓度相对降低,轻则使人呼吸加快,呼吸量增加,严重时也可能造成人员中毒或窒息。空气中二氧化碳对人体的危害程度与浓度的关系如表1-1-3所示。
表1-1-3 二氧化碳中毒症状与浓度的关系
二氧化碳浓度 / % |
主 要 症 状 |
1 3 5 6 7~9 9~11 |
呼吸加深,但对工作效率无明显影响 呼吸急促,心跳加快,头痛,人体很快疲劳 呼吸困难,头痛,恶心,呕吐,耳鸣 严重喘息,极度虚弱无力 动作不协调,大约十分钟可发生昏迷 数分钟内可导致死亡 |
二氧化碳的主要来源有:有机物的氧化;人员的呼吸;煤和岩石的缓慢氧化,以及矿井水与碳酸性岩石的分解作用;爆破工作,矿内火灾,煤炭自燃以及瓦斯、煤尘爆炸时,也能产生大量二氧化碳。此外,有的煤层或岩层能长期连续放出二氧化碳,甚至有的煤层在短时间内大量喷出或与大量煤粉同时喷出二氧化碳。发生这种现象时,往往会造成严重破坏性事故。例如吉林省营城煤矿五井,在1976年6月曾发生一次CO2和岩石突出,突出岩石1005 t,CO211000 m。法国也曾发生过CO2突出的事故。
《规程》规定:采掘工作面的进风流中,二氧化碳不超过0.5 %。采区回风巷和采掘工作面回风巷回风流中二氧化碳浓度达到1.5 %时,必须停止工作,撤出人员,查明原因,制定措施,进行处理。总回风巷或一翼回风巷中,二氧化碳超过0.75 %时,必须查明原因,进行处理。