第一章 隧道空气及气候条件第一节 隧道中空气的成分一、 地面空气湿空气中含有水蒸气，其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态变化。地面空气中，水蒸气的浓度随地区和气候而变化，其体积浓度变化范围为04%。此外，实际空气中还含有微量的污染气体和尘埃。二、隧道空气的主要成分及其基本性质隧道空气主要来源于地面空气，虽然发生了一系列变化，但其主要成分仍然是氧气和氮气。1.氧气（O2）氧气是一种无色、无味的气体，相对于空气的比重为1.105，化学性质活泼，易使其它物质氧化，能助燃，是隧道火灾以及瓦斯、煤尘爆炸的必要条件。 氧气是人呼吸所必需的气体，人的生命主要是依靠吃进食物和不断吸入空气中的氧气，在体内进行新陈代谢来维持的。空气中氧气浓度为21%左右对人的呼吸最为有利。空气中氧气浓度的降低会影响人的健康，甚至危及生命。隧道中由于有害气体的涌出、物质氧化、人员呼吸等消耗氧气，会导致隧道空气中氧气浓度降低。在通风不良或停风的隧道，氧气的浓度可以降低到5%以下，冒然进入会导致窒息死亡，我国煤矿每年都发生多起因缺氧造成的窒息死亡事故。另一方面，对于隧道瓦斯积聚区域或采空区，不可盲目送入空气，否则，会使之达到瓦斯爆炸的条件或引发煤炭自燃。考虑到隧道作业，体力劳动强度较大，金属非金属矿山安全规程(GBl64232006) (以后简称规程)规定：隧道采掘工作面进风流中的空气成分 (按体积计算)，氧气不低于20，二氧化碳不高于05。工作地点按照人数计算风量时，每人每分钟不得低于4m3。2.氮气氮气是一种无色、无味、无毒的气体，相对于空气的比重为0.97；化学性质稳定，一般不与其它物质起反应，在隧道生产中常被当作惰性气体用来灭火或惰化采空区。正常情况下，空气中的氮气对人体无害，但是在隧道有限空间里，当空气中氮气浓度过高时，将相对降低氧气浓度而使人缺氧窒息。导致隧道空气中氮气浓度增大的原因主要有：氧气的消耗，则氮气的浓度会相对增加。从煤层或围岩中涌出氮气。在隧道防灭火中人为注氮，惰化采空区时泄漏的氮气。炸药爆破以及含氮有机物的腐烂等产生一定量的氮气。由于氮气无毒，实际中可以通过检测氧气的浓度来防止氮气的危害。第二节 隧道空气中常见有害气体一、常见有害气体及其允许标准金属矿山隧道常见的对安全生产威胁较大的有毒气体有:一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、硫化物（硫化氢H2S和二氧化硫SO2）等，此外还有矿尘和氡气及其子体。这些有害气体来源于隧道爆破、矿石氧化与自燃、坑木腐烂、隧道无轨设备排的尾气、隧道火灾等都会产生有毒有害气体。 1一氧化碳CO2氮氧化物3二氧化硫SO24硫化氢H2S5浮扬粉尘隧道粉尘对人的健康有危害，硫化矿尘可引起人的皮肤发炎；铅、砷、汞尘进人人体会引起中毒；当人体长期吸人含游离二氧化硅(Si02)的矿尘时，会导致矽肺病。矿尘中游离二氧化硅含量越高，对人体危害越大。一般金属非金属矿山游离二氧化硅含量在30-70，也有高达90以上的。 第三节 隧道气候一、隧道气候条件及其对人体热平衡的影响隧道气候条件是指隧道空气温度、湿度、大气压力和风速等参数所反映的综合状态，反映的是人体对隧道环境的热感受。人不论在休息或在工作时，身体不断地产生热量和散失热量，以保持热平衡，人体产生热量的多少取决于体质、年龄和劳动强度的大小。劳动强度越大，产生热量越多，成年人进行轻微劳动时每小时产生的热量约为500KJ，进行繁重劳动时每小时产生的热量约为1100KJ。人体产生热量的一部分用来维持人体自身的生理机能活动以及满足对外做功的需要，其余部分必须通过散热的方式排出体外。人体散热主要是通过人体皮肤表面与外界的对流、辐射和汗液蒸发这三种形式进行的，呼吸和排泄也散发少量的热。对流散热主要取决于周围空气的温度和流速；辐射散热主要取决于周围环境的温度；蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度，人体每蒸发1克汗液，可以散热2.42KJ。当空气的温度达到人的皮肤温度（3334）时，出汗蒸发几乎成为人体唯一的散热方式。即工作环境的温度、湿度和风速三者的综合状态决定着人体的散热条件。三者在一定的范围内，人体能够依靠自身的调节机能，使散热量和产热量之间保持相对平衡，体温保持在36.537之间，维持人的正常生理活动。在隧道生产的劳动强度情况下，比较适宜的空气温度为20左右，风速为1m/s左右。此条件适合人体的对流和辐射散热，人的感觉会比较舒适。空气温度超过25将不利于劳动状态下人体的散热。空气的湿度决定着蒸发的效果。湿度低于30%，属于干燥空气，蒸发过快，会感到干燥；湿度高于80%，属于高湿空气，蒸发困难；湿度达到100%，蒸发停止，人体感觉适宜的湿度为5060%。隧道环境中，空气的湿度难以调节，往往是通过温度和风速的合理调节给工作环境创造一个比较舒适的工作气候条件，这也是隧道通风的一个基本任务。当隧道气候条件不能满足人体的产热和散热的平衡时，则会对人体产生危害。比如，寒冷地区，气温低、风速大的环境，潮湿空气会带走人体过多的热量，人体就会发冷，甚至感冒。而高温、高湿的空气，会使人感到闷热。当温湿度过高的时候，会使人体的对流和辐射和蒸发散热大大减低，人体的热量不能及时散出，甚至超过人体的热承受能力，会给人体健康和隧道安全生产带来危害即所谓的隧道热害。 隧道高温热环境的危害主要表现在人长时间处在高温热环境中生理调节机能将发生障碍，出现体温升高，代谢紊乱，心跳加快，心律失常，血压升高等现象，甚至虚脱中暑，严重时可导致昏迷或死亡。高温高湿的作业环境中会使作业人员精神烦躁、疲惫乏力、精力不集中，增加了事故的发生率。影响着作业人员劳动生产效率。易引发其它灾害，如增大瓦斯涌出量，煤层自然着火危险性增加等。第二章 隧道空气流动的基本理论本章的重点：1、空气的物理参数-T、P、；2、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系3、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4、能量方程在隧道中的应用-边界条件、压力坡度图本章的难点：点压力之间的关系能量方程及其在隧道中的应用主要研究内容：隧道空气沿隧道流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合隧道风流流动的特点，推导了隧道空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在隧道通风中的应用。第一节 隧道空气流动规律1.1 空气的主要物理参数 一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。隧道表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄式温标：T=273.15+t 二、压力（压强） 1、定义：空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在隧道通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。 三、湿度 表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。 表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对温度和含湿量三种。 、绝对湿度 、相对湿度例如：甲地：t = 18 ， rV 0.0107 Kg/m3, 乙地：t = 30 ， rV 0.0154 Kg/m3解：查附表 当t为18 ， rs 0.0154 Kg/m3, , 当t为 30 ， rs 0.03037 Kg/m3, 甲地： rV rS0.7 70 % 乙地： rV rS0.5151 % 乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。 露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100时，此时的温度称为露点。 上例 甲地、乙地的露点分别为多少？ 、含湿量隧道空气湿度的变化规律进风线路有可能出现冬干夏湿的现象。进风隧道有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近100，随着隧道排出的污风，每昼夜可从隧道内带走数吨甚至上百吨的地下水。1.2风流的能量与压力 能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。 一、风流的能量与压力 1.静压能静压 2、重力位能1.3 隧道通风中的能量方程 当空气在隧道中流动时，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，就必需有通风动力对空气作功，使得通风阻力和通风动力相平衡。 关于能量方程使用的几点说明 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（静压能、动压能和位能）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。 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，则风流方与假设相反。 4. 正确选择求位能时的基准面。 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。 . 应用能量方程时要注意各项单位的一致性。 7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程 第二节 隧道断面上的风速分布及通风阻力本节重点和难点：摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算当空气沿隧道运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及隧道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。隧道通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。2.1 隧道断面上风速分布一、风流流态1、管道流同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。二、隧道断面上风速分布（1）紊流脉动风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则变化。（2）时均速度瞬时速度 vx 随时间的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段 T 内，流速 vx 总是围绕着某一平均值上下波动。（3）隧道风速分布由于空气的粘性和隧道壁面摩擦影响，隧道断面上风速分布是不均匀的。层流边层：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向隧道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。2.2 摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力风流在隧道中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与隧道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：(Pa) 无因次系数，即摩擦阻力系数，