礦井大氣

礦井大氣指地面下礦井內部各處的空氣環境，又稱為“礦內空氣”。主要由自然和機械通風引入的地表的清潔空氣和地下礦井開採過程中產生的各種氣體混合組成。

與地面大氣相比，礦井大氣含氧量較低，有害氣體（如二氧化碳、一氧化碳、甲烷、二氧化硫、硫化氫及氧化氮等）含量較高，並有礦塵混入，濕度通常較大。

基本介紹

• 中文名：礦井大氣
• 外文名：mine atmosphere
• 別稱：礦內空氣
• 特點：含氧量低，有害氣體、礦塵含量高
• 安全性：易引發爆炸事故
• 分析取樣：直接取樣法、富集取樣法等

與地面大氣的區別

礦井大氣與地面大氣不同之處在於：

①氧氣含量較低並增加了有害氣體，如CO、CO₂、CH₄、SO₂、H₂S、及NO等。這些有害氣體因爆破、氧化，自礦體泄出而產生，且因井下地質構造不同，而在種類、濃度等方面變化較大。

②礦塵混入：粉塵含量明顯高於地面大氣，粉塵的化學成分因礦物組成不同而異，常含有不同程度的游離二氧化矽。

③濕度較高：可因礦井深度、礦層含水量及礦物氧化狀況而異。

④CH₄、煤塵易爆物遇明火時可引起火災和爆炸事故。

組成

地面空氣是由乾空氣和水蒸汽組成的混合氣體，亦稱為濕空氣。乾空氣是指完全不含有水蒸汽的空氣，由氧，氮，二氧化碳，氬，氖和其他一些微量氣體所組成的混合氣體。乾空氣的組成成分比較穩定，其主要成分如下。

新鮮空氣：井巷中用風地點以前，受污染程度較輕的進風巷道內的空氣。

污濁空氣：通過用風地點以後，受污染程度較重的迴風巷道內的空氣。

1.氧氣（O₂）

氧氣是維持人體正常生理機能所需要的氣體，人體維持正常生命過程所需的氧氣量，取決於人的體質，精神狀態和勞動強度等。

當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產生不良的生理反應，出現種種不舒適的症狀，嚴重時可能導致缺氧死亡。

人體輸氧量與勞動強度的關係

勞動強度	呼吸空氣量（L/min）	氧氣消耗量（L/min）
休息	6-15	0.2-0.4
輕勞動	20-25	0.6-1.0
中度勞動	30-40	1.2-2.6
重勞動	40-60	1.8-2.4
極重勞動	40-80	2.5-3.1

礦井空氣中氧濃度降低的主要原因有：人員呼吸；煤岩和其他有機物的緩慢氧化；煤炭自燃；瓦斯，煤塵爆炸；此外，煤岩和生產過程中產生的各種有害氣體，也使空氣中的氧濃度相對降低。

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（其比重為1.52），在風速較小的巷道中底板附近濃度較大；在風速較大的巷道中，一般能與空氣均勻地混合。

礦井空氣中二氧化碳的主要來源是：煤和有機物的氧化；人員呼吸；碳酸性岩石分解；炸藥爆破；煤炭自燃；瓦斯，煤塵爆炸等。

3.氮氣（N₂）

氮氣是一種惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，它本身無毒，不助燃，也不供呼吸。但空氣中含氮量升高，則勢必造成氧含量相對降低，從而也可能造成人員的窒息性傷害。正因為氮氣具有的惰性，因此可將其用於井下防滅火和防止瓦斯爆炸。

礦井空氣中氮氣主要來源是：井下爆破和生物的腐爛，有些煤岩層中也有氮氣湧出。

質量標準

採掘工作面進風流中的氧氣濃度不得低於20%；二氧化碳濃度不得超過0。5%；總迴風流中不得超過0.75%；當採掘工作面風流中二氧化碳濃度達到1.5%或採區，採掘工作面迴風道風流中二氧化碳濃度超過1.5%時，必須停工處理。

氣體分析

硫化礦山需要分析的主要氣體是SO₂、H₂S、O₂等，如果開採的礦體與碳質有關時，還要分析CO、CO₂氣體。氣體分析最重要的是取樣，如何取到有代表性的氣體是個關鍵。其內容包括：

（1）礦井大氣的取樣，在風流中取樣時，必須注意測點位置，在可以進入的巷道內，取樣地點必須位於能夠取得所需氣體的地方。對污風流的下方位置，取樣地點距離最少應有18m。但如其他地點較為有利或需要取得特定的資料時，可不受此限。在處於停滯或流動緩慢的空氣中以及空氣有可能形成層流形態時，取樣點必須固定在三個高度上，即頂板下方的特定距離處，巷道中間附近的特定高度處，底板上方的特定距離處。各取樣點需要在間隔不大的時間內重複取樣而加以比較，而且各取樣點必須保證各次試樣均在同一地點採取。另外，也可用管子固定於所需要的某一點並放在風流下風側，管子長度不少於1m。

（2）在密閉區內取樣，密閉區內的取樣地點一般必須固定在距每一密閉牆內側最少4.5m處，在所有情況下通入的管子均應達到這一長度而且應位於密閉牆的一半高度以上。如果密閉區將來準備打開，管子應伸到密閉牆以外20m的距離；在某些情況下，需要把取樣管通到距火源更近的地點比較適宜，如果密閉牆是築在傾斜巷道內時，新鮮風流可能沿著底板流下而造成漏風。在這種情況下，最好在不同高度上取樣，而且在建築密閉牆時就要按上述的辦法在三個水平上分別安裝取樣管使之穿過密閉牆。

（3）取樣方法，使用的取樣法有：直接取樣法，即採用注射器、塑膠袋、取樣瓶、球膽等直接取樣；富集取樣法，即採用溶液吸收的方法，一般用雙氧水吸收SO₂和氫氧化鋇吸收二氧化碳等，這種方法必須配備流量計和抽氣動力裝置；遠距離自動取樣法，即在地面通過管束自動取樣，自動化驗分析。

礦井大氣濕度是指礦井大氣中所含水蒸汽量[2]。

礦井大氣的濕度

礦內空氣濕度是指礦內空氣中所含水蒸汽量。

濕度的表示方式

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、相對濕度和含濕量三種。

絕對濕度 指單位容積或單位質量濕空氣中含有水蒸汽的質量，用表示。其單位與密度的單位相同，其數值等於水蒸汽在其分壓力與溫度下的密度。在溫度不變的條件下，單位體積空氣所能容納的水蒸汽分子數是有一定限度的，超過這一限度，多餘的水蒸汽就會凝結出來。這種含有最大限度水蒸汽量的濕空氣叫做飽和空氣；其所含水蒸汽量叫飽和濕度，用表示，此時的水蒸汽分壓力叫做飽和水蒸汽壓力，用Ps表示。

影響濕度的因素

（1）地面濕度隨季節變化較大，陰雨季節濕度較大，夏季相對濕度較低，但氣溫較高，冬季相對濕度較大，但氣溫較低，絕對濕度並不太高。地面濕度除受季節影響外，還與地理位置有關，我國濕度分布，沿海地區較高（平均為70～80%），向內陸逐漸降低，西北地區達最低值（平均為30～40 %）。

（2）當礦井湧水量較大或滴水較多，由於水珠易於蒸發，則井下比較潮濕，一般金屬礦山井下濕度在80~90%左右。在鹽礦，湧水較小，且鹽類吸濕性較強，相對濕度一般為15～25 %。

礦山大氣污染擴散

污染物質在礦山大氣中傳播和稀釋的過程。礦山大氣污染擴散分礦區大氣污染擴散和礦井大氣污染礦散兩種。

礦區大氣污染擴散

影響礦區大氣污染擴散的因素有氣象動力因子、氣象熱力因子和地形。

氣象動力因子主要有風和湍流。風在不同時刻有著相應的風速和風向，它對污染物質起輸送和遷移的作用。在近地表的大氣層中，風速是時快時慢的，這一特點稱為風的陣性；風向也是忽上忽下忽左忽右變動的，風的這種陣性和變動就叫做大氣湍流。湍流對污染物質起稀釋和再分配的作用。實踐表明，風速越大，地表面越粗糙，湍流就越強，污染物質擴散的速度也就越快。因此，風和湍流是決定污染物質擴散稀釋的最直接和最本質的因素，其他氣象因素都通過二者而起作用。

當地表風通過露天礦坑的邊緣時，由於露天礦坑的存在，風流擴大變形，形成自由湍流。在自由湍流的邊界面上，縱向風流速度為零；邊界面上方，縱向風流保持原風向；邊界面下方，縱向風流反轉180°。邊界面的法向風流，其前部分（遠離礦坑邊緣）通過該邊界面流向下方；其後部分（靠近礦坑邊緣）則流向上方；其中間部位某點（線），邊界面的法向風速為零。這樣構成穿越該邊界面的環流流動，稱為復環流。坑內污染物質就是通過復環流進行擴散交換的，並為邊界面上方的縱向風流帶出坑外。

氣象熱力因子主要有溫度層結。溫度層結是指地球表面上方，大氣溫度隨高度而變化的情況，以氣溫垂直遞減率γ表示，即每升高100m氣溫下降的攝氏度數。當γ<0時，溫度隨高度增加而增加，這時大氣層的溫度分布與正常情況相反，稱逆溫，大氣處於穩定狀態，湍流被抑制，因而污染物質極難擴散。

在露天礦坑中，氣象熱力因子引起的污染物質擴散有兩種情況：（1）正常對流擴散露天礦坑上方的空氣下向流入礦坑，稀釋後的污染空氣再沿邊坡上升排出。產生正常對流擴散的充分和必要條件是γ>0，其值超過乾絕熱溫度梯度。（2）逆溫對流擴散露天礦坑外圍的空氣，沿邊坡流入坑內，稀釋後的污染空氣垂直向上流出。產生逆溫對流擴散的充分和必要條件是，垂直溫度梯度為負值，鄰接地表的邊坡面對其附近空氣進行輻射冷卻。由於輻射逆溫妨礙地表上空污染物質的進一步擴散，往往造成礦區大氣污染，因此，無論出現何種逆溫，露天礦都不宜進行大爆破作業。

地形大氣污染物質隨風運行時，碰到了高的丘陵和山地，在迎風面發生沉降作用，引起附近地區的污染；如越過丘陵，則在背風面出現渦流，造成污染物質聚集。在山間谷地和盆地地區，大氣中污染物質不易擴散，常在谷地上和坡地上迴旋。在夜間，由於底谷平靜，冷空氣下沉，暖空氣上升，易出現逆溫，妨礙污染物質的擴散。位於沿海和沿湖的礦山，受海風和湖風的影響，白天污染物質隨海風和湖風運行，在陸地上形成“污染帶”，如碰到山丘，將產生回流，在迎風面造成污染。

礦井大氣污染擴散

影響礦井大氣污染擴散的主要因素有通風風流的速度、空氣與岩壁的溫差和污染物的密度梯度等。污染物的重力分離、吸附、吸收、氧化和還原等也都不同程度影響著礦井大氣污染擴散。

通風風流的速度風流對礦井大氣污染起著對流擴散和自由湍流擴散的作用。在井巷中，風流一般屬於湍流管流，污染物是按湍流速度分布規律為風流所運載而排除的。這種排除機理稱對流擴散；當井巷中的風流流入硐室時，在硐室中形成自由湍流，硐室中的污染物質與進入的新鮮風流混合稀釋後，再由迴風道排出。這種排除機理稱自由湍流擴散。在其他條件相同時，風速越大，污染物的擴散速度也就越快，是諸因素中的最重要者。

空氣與岩壁的溫差在獨頭巷道中，空氣與周圍岩壁接觸而發生熱交換，造成溫度分布的不平衡，引起獨頭巷道中空氣的自由對流，使得污染空氣與新鮮空氣互相混合而稀釋。這種排除機理稱自由對流擴散。自由對流擴散的強度，除取決於空氣與岩壁的溫差外，還與獨頭巷道的傾角有關。由於自由對流擴散的速度慢且不穩定，故在現代化礦井中很少單獨利用它來通風。

污染物的密度梯度在非均質氣體中，氣體分子從高密度區向低密度區運動的速率大於從低密度區向高密度區的速率，因此呈現出氣體巨觀的質量遷移運動。這種質量遷移運動稱分子擴散，其速度取決於氣體密度梯度的大小。在封閉容器中，分子擴散只能使各部分氣體的成分和密度均勻化。在無人工通風的獨頭巷道中，工作面的污染空氣向巷道出口方向擴散。當污染源為有限源時（例如放炮後的炮煙），只要擴散時間相當長，便可依靠分子擴散來排除污染空氣。但由於分子擴散速度非常低，在正常作業循環的場所無法利用。