矿井有害气体及气候条件

矿井中常见的有害气体主要有二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、氮气、二氧化氮、二氧化硫、氨气、甲烷、氢气等。这些有害气体对井下作业人员的生命安全和身体健康危害极大，必须引起高度重视。

一、有害气体

（一）二氧化碳（CO₂）

二氧化碳不助燃，也不能供人呼吸，略带酸臭味。二氧化碳比空气重（对空气的相对密度为1.52），在风速较小的巷道中，底板附近浓度较大；在风速较大的巷道中，一般能与空气均匀混合。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有刺激作用，如果空气中完全不含有二氧化碳，则人体的正常呼吸功能就不能维持。但当空气中二氧化碳的浓度过高时，也将使空气中的氧气浓度相对降低，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。

矿井空气中二氧化碳的主要来源有煤和有机物的氧化，人员呼吸，碳酸性岩石分解，炸药爆破，煤炭自燃，瓦斯、煤尘爆炸等。此外，有的煤层和岩层中也能长期连续地放出二氧化碳，有的甚至能与岩粉一起突然大量突出，给矿井带来极大的危害。

（二）一氧化碳（CO）

一氧化碳无色、无味、无臭（不易察觉），相对空气密度为0.967，微溶于水，与酸、碱不起化学反应，能与空气均匀地混合，只能被活性炭吸收。一氧化碳能燃烧，空气中一氧化碳浓度为13%~75%时有爆炸危险。

一氧化碳与人体血液中血红素的亲和力比氧大250~300倍（血红素是人体血液中携带氧气和排出二氧化碳的细胞）。一氧化碳进入人体后，首先与血液中的血红素结合，减少了血红素与氧结合的机会，使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。由于一氧化碳与血红素结合后，生成鲜红色的碳氧血红素，故一氧化碳中毒最显著的特征是中毒者黏膜和皮肤均呈樱桃红色。

（三）硫化氢（H₂S）

硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，当空气中浓度达到0.0001%时即可嗅到，但当浓度较高时，应嗅觉神经中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氢相对空气密度为1.19，易溶于水，在常温、常压下1体积的水可溶解2.6体积的硫化氢，所以它可能积存于旧巷的积水中。硫化氢能燃烧，空气中硫化氢浓度为4.3%~45.5%时有爆炸危险。

硫化氢剧毒，有强烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、气管炎和肺水肿，还能阻碍生物的氧化过程，使人体缺氧。当空气中硫化氢浓度较低时主要以腐蚀刺激作用为主；浓度较高时能引起人体迅速昏迷或死亡，腐蚀刺激作用往往不明显。

矿井空气中硫化氢的主要来源有有机物腐烂，含硫矿物水解，矿物氧化和燃烧，从采空区和旧巷积水中放出，个别矿区煤层中也有硫化氢涌出。

（四）氮气（N₂）

氮气在常况下是一种无色、无味的气体，且通常无毒。氮气占空气总量的78.12%（体积分数），相对空气密度为0.97，难溶于水，在常温、常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。一般情况下氮气无害，空气中氮气含量过高，使吸入氧气分压下降，引起缺氧窒息。吸入氮气浓度不太高时，患者最初感觉胸闷、气短、疲软无力；继而出现烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳，可进入昏睡或昏迷状态，这种现象称为“氮酩酊”。吸入高浓度氮气，患者可迅速昏迷，因呼吸和心跳停止而死亡。

（五）二氧化氮（NO₂）

二氧化氮是一种红褐色的气体，有强烈的刺激气味，相对空气密度为1.59，易溶于水，空气中二氧化氮最高允许浓度为0.00025%。二氧化氮溶于水后生成腐蚀性很强的硝酸，对眼睛、呼吸道黏膜和肺部组织有强烈的刺激及腐蚀作用，严重时可引起肺水肿。二氧化氮中毒有潜伏期，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作；但经过6~24h后发作，中毒者手指头出现黄色斑点，并出现严重咳嗽、头痛、呕吐甚至死亡。

矿井空气中二氧化氮的主要来源为井下爆破作业。

（六）二氧化硫（SO₂）

二氧化硫无色、有强烈的硫磺气味及酸味，易溶于水，有毒性，空气中二氧化硫的最高允许浓度为0.0005%，当空气中二氧化硫浓度达到0.0005%即可嗅到。其相对空气密度为2.22，在风速较小时，易积聚于巷道底部。二氧化硫易溶于水，在常温、常压下1体积的水可溶解40体积的二氧化硫。二氧化硫遇水后生成硫酸，对眼睛及呼吸系统黏膜有强烈的刺激作用，可引起喉炎、肺水肿。当空气中二氧化硫浓度达到0.002%时，眼及呼吸器官即感到有强烈的刺激；浓度达到0.05%时，短时间内即有生命危险。

矿井空气中二氧化硫的主要来源有含硫矿物的氧化与自燃，在含硫矿物在爆破，从含硫矿层中涌出。

（七）氨气（NH₃）

氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，相对空气密度为0.596，易溶于水，空气中氨气最高允许浓度0.004%，空气中浓度达30%时有爆炸危险。氨气对皮肤和呼吸道黏膜有刺激作用，可引起喉头水肿。

矿井空气中氨气的主要来源为爆破作业、用水灭火等，部分岩层中也有氨气涌出。

（八）甲烷（CN₄）

甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，相对空气密度为0.55，与空气混合能形成爆炸混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。甲烷难溶于水，17⁰C时100L水仅能溶3.5L甲烷气体。甲烷有较强的扩散性和渗透性。甲烷化学性质不活波，不助燃也不能供人呼吸。通常情况下，甲烷比较稳定，与高锰酸钾等 强氧化剂不反应，与强酸也不反应。

甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷浓度达25%~30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。

（九）氢气（H₂）

氢气无色、无味、无毒，具有爆炸性，相对空气浓度为0.07.氢气能自燃，其点燃温度比甲烷低100~200⁰C，当空气中氢气浓度为4%~74%时有爆炸危险。

矿井空气中氢气的主要来源为井下蓄电池充电，有些中等变质的煤层中也有氢气涌出。

二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准

矿井空气中有害气体对井下作业人员的生命安全危害极大，因此《煤矿安全规程》对常见有害气体的安全标准作了明确的规定，制定这些标准时，都留有较大的安全系数。

矿井有害气体最高允许浓度

如空气中CO浓度达0.048%时，1h内才可出现轻微的中毒症状，而《煤矿安全规程》规定的CO最高允许浓度为0.0024%，是其轻微中毒浓度的1/20；NO₂浓度达0.025%时，中毒者在短时间内有死亡危险，而《煤矿安全规程》规定的NO₂最高允许浓度为0.00025%，是其危险中毒浓度的1/100。因此，只要我们能严格遵守《煤矿安全规程》规定，不违章作业，就完全可以避免有害气体对人体的侵害。

三、矿井气候条件及测定

矿井气候是指矿井空气的温度、湿度和流速这3个参数综合作用的状态。这3个参数的不同组合，便构成了不同的矿井气候条件。矿井气候条件对井下作业人员的身体健康和劳动安全有着重要的影响。

（一）矿井气候条件对人体热平衡的影响

新陈代谢是人类生命活动的基本过程之一。人从食物中摄取营养，在体内进行缓慢氧化而生产热量，其中一部分用来维持人体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，才能保持人体正常的生理功能。

人体散热主要是通过人体皮肤表面与外界的对流、辐射和蒸发这3种基本形式进行的。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物体的表面温度，蒸发散热主要取决于周围空气的相对湿度和流速。在正常情况下，人体依靠自身的调节功能，使产热量和散热量之间保持着动平衡，体温维持在36.5~37⁰C之间。

矿井气候条件的3个参数是影响人体平衡的主要因素。

空气温度对人体对流散热起着主要作用。当气温低于体温时，对流和辐射是人体的主要散热方式，温差越大，对流散热量越多；当气温等于体温时，对流散热完全停止，蒸发成了人体的主要散热方式；当气温高于体温时，人体依靠对流不仅不能散热，反而要从外界吸热，这时蒸发几乎成为人体唯一的散热方式。

相对湿度影响人体蒸发散热的效果。随着气温的升高，蒸发散热的作用越来越强。当气温较高时，人体主要依靠蒸发散热来维持人体热平衡。此时若相对湿度较大，汗液就难于蒸发，不能起到蒸发散热的作用，人体就会感到闷热，因为只有在汗液蒸发过程中才能带走较多的热量。当气温较低时，若相对湿度较大，又由于空气潮湿增强了导热，会加剧空气对人体的冷感。

风速影响人体的对流散热和蒸发散热的效果。对流换热强度随风速增加而增大，同时蒸发散热、散湿的效果也随风速的增加而增强。

可见，矿井气候条件对人体热平衡的影响是一种综合的作用，各参数之间相互联系、相互影响。如人处在气温高、湿度大、风速小的高温、潮湿环境中，这三者的散热效果都很差，这时由于人体散热太慢，体内产热量得不到及时散发，就会使人出现体温升高、心率加快、身体不舒服等症状，严重时可导致中暑、甚至死亡。相反，如人处在气温低、湿度小、风速大的低温干燥环境中，这三者的散热效果都很强，这时由于人体散热过快，就会使人体的体温降低，引起感冒或其他疾病。因此，调节和改善矿井气候条件是矿井通风的基本任务之一。

（二）衡量矿井气候条件的指标

国内外衡量矿井气候条件的指标很多，对主要指标介绍如下。

1.干球温度

干球温度是我国现行的评价矿井气候条件的指标之一。一般来说，由于矿井空气的相对湿度变化不大，所以干球温度能在一定程度上直接反映出矿井气候条件的好坏。这个指标比较简单，使用方便，但这个指标只反映了气温对矿井气候条件的影响，而没有反映出气候条件对人体热平衡的综合作用，因而存在较大的局限性。

2.湿球温度

在相同的气温（干球温度）下，若湿球温度较低，则相对湿度较小；反之，若湿球温度与气温相接近，则相对湿度较大。因此用湿球温度这个指标可以反映空气温度和相对湿度对人体热平衡的影响，比干球温度要合理些。但这个指标仍没有反映出风速对人体热平衡的影响，因而也存在一定的不足。

3.等效温度

等效温度定义为湿空气的焓与比热的比值，它是一个以能量为基础来评价矿井气候条件的指标。根据分析可知，当气温在25~36⁰C的范围内时，等效温度和湿球温度基本上呈线性关系，所以两者具有同样的意义，因而也是不完善的。

4.同感温度

同感温度（也称有效温度）是1923年由美国采暖工程师协会提出，是通过试验，凭受试者对环境的感觉而得出的。试验时，他们先将3名受试者置于一个温度为t、相对湿度为φ、风速为υ的已知环境里，并记下他们的感受；然后把他们请到另一个温度可调，相对湿度为100%，风速为0m/s的环境里，通过调节温度使他们的感受与第一个环境相同，那么则称为第一个环境的同感温度。这个指标可以反映出温度、湿度和风速这三者对人体热平衡的综合作用。显然，同感温度越高，人体舒适感就越差。同感温度是以人的主观感受为基础确定的，而不同地区、不同民族及不同个体的主观感受是不完全相同的，甚至同一个体在不同时间也会也一定的差异。

5.卡他度

卡他度是1916年由英国L.希尔等人提出的。卡他度用卡他计测定，卡他计是一种酒精温度计，下端有一个比普通温度计大的贮液球，上端有一个小空腔，玻璃管上只有35⁰C和38⁰C两个刻度，这两个温度的平均值恰好等于人体的正常体温（36.5⁰C）。测定时，先把贮液球置于热水中加热，当酒精上升至小空腔一半时取出，擦干贮液球表面水分，然后将其悬挂于待测空气中，此时由于贮液球散热，酒精柱开始下降，用秒表记下从38⁰C降到35⁰C所需时间。

干卡他度反映了气温和风速对气候条件的影响，但没有反映空气湿度的影响。为了测出温度、湿度和风速三者的综合作用效果，需要采用湿卡他度。湿卡他度是在卡他计贮液球上包裹上一层湿纱布时测得卡他度，其实测和计算方法完全与干卡他度相同。对高温、高湿矿井用湿卡他度来衡量矿井气候条件比干卡他度更合适。

卡他计的设计者是想利用贮液球来模拟人体的散热效果，并取1卡他度等于41.868W/m²即相当于每小时从1m²的表面积上散失掉150.7KJ的热量；而成年男子的体表面积约为1.7m²，所以1卡他度就约等于每小时从体内散发掉256.2KJ的热量。

作为一个评价矿井气候条件的指标，卡他度比用一个单一的温度指标要好一些。但与人体相比，它的尺寸太小、散热效果和人体有很大的差别。有的研究资料表明，空气对卡他计的冷却能力是空气对人体冷却能力的2~3倍。

四、矿井气候条件的安全标准

制定矿井气候条件的安全标准，涉及国家政策、劳动卫生、劳动生理心理学以及现有的国家技术经济条件。目前，世界各国关于矿井气候条件的安全标准差别很大。现将我国积聚其他一些国家的规定标准简介如下。

（一）我国现行的矿井气候条件安全标准

我国现行评价矿井气候条件的指标是干球温度，全国矿井气候条件安全标准：

（二）国外一些国家的矿井气候条件安全标准

世界主要产煤国家对矿井气候条件的评价指标并不统一，主要采用的指标有干球温度、湿球温度、同感温度等，从世界主要产煤国家矿井气候条件安全标准来看，我国法定的矿井气候允许值最低。但由于客观条件的限制，这一规定往往较难实现。因此，如何根据我国的具体国情，选定科学而符合我国实际情况的标准，还有待于进一步的研究。