矿井空气成分及有毒有害气体的检测
第一章 矿井空气 一、教学内容：
1、矿井空气主要成分及其基本性质、质量浓度标准、检测仪器与方法；
2、矿井空气主要有害气体及其基本性质、质量浓度标准、检测仪器与方法、防止有害气体危害的措施；
3、矿井气候条件标准、改善方法，
二、重点难点：
1、矿井空气主要有害气体的质量浓度标准； 2、气体检测仪器与检测方法； 3、防止有害气体危害的措施；
4、矿井气候条件各参数的测定仪表及测定方法。
三、教学要求：
1、了解矿井空气各主要成分的基本性质； 2、了解矿井气候条件的质量标准及改善办法；
3、掌握矿井空气各主要成分的质量浓度标准、检测仪表及方法； 4、掌握矿井气候条件各参数的测定仪表及方法。
第一节 矿井空气成分
地面空气又称为大气，是混合气体，大气中除了水蒸气的比例随地区和季节变化较大以外，其余化学组成成分相对稳定。一般将不含水蒸汽的空气称为干空气，它的组成成分和体积百分比分别为氧气（20.96%）、氮气(79%)和二氧化碳(0.04%).
地面空气从井筒进入井下就成了矿井空气，将发生一系列变化。主要有：氧气含量减少；有毒有害气体含量增加；粉尘浓度增大；空气的温度、湿度、压力等物理状态变化等。 在矿井通风中，习惯上把风流分作新鲜风流（新风）和污风风流（污风或乏风）。
一、矿井空气的主要成分及其基本性质 （一） 氧气（O2）
氧气是一种无色、无味、无臭的气体，对空气的相对密度为1.105。氧气很活跃，易使多种元素氧化，能助燃。
氧气是维持人体正常生理机能所不可缺少的气体。一般情况下，人在休息时的需氧量为0.2~0.4L/min；在工作时为1~3L/min。
人体缺氧症状与空气中氧气浓度的关系如表1-1所示。 表1-1 人体缺氧症状与空气中氧气浓度的关系 氧气浓度（体积）/% 人体主要症状 17 15 10~12
6~9 静止状态无影响，工作时会感到喘息、呼吸困难和强烈心跳 呼吸及心跳急促，无力进行劳动
失去知觉，昏迷，有生命危险
短时间内失去知觉，呼吸停止，可能导致死亡 地面空气进入井下后，氧气浓度要有所降低，氧气浓度降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩、坑木和其他有机物的缓慢氧化；爆破工作；井下火灾和瓦斯、煤尘爆炸；煤岩和生产中产生其他有害气体等。
在正常通风的井巷和工作面中，氧气浓度与地面相比一般变化不大，不会对人体造成太大影响。但在井下盲巷、通风不良的巷道中或发生火灾、爆炸事故后，应特别注意对氧气浓度的检查，以防发生窒息事故。
（二） 氮气（N2）
氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，相对密度为0.97，微溶于水，不助燃，无毒，不能供人呼吸。
氮气在正常情况下对人体无害，但当空气中的氮气浓度增加时，会相应降低氧气浓度，人会因缺氧而窒息。在井下废弃旧巷或封闭的采空区中，有可能积存氮气。如1982年9月7日，我国某矿因矿井主要通风机停风，井下采空区的氮气大量涌出，致使采煤工作面支架安装人员缺氧窒息，造成多人伤亡事故。
矿井中的氮气主要来源于：井下爆破；有机物的腐烂；天然生成的氮气从煤岩中涌出等。
（三） 二氧化碳（CO2） 二氧化碳是无色、略带酸臭味的气体，相对密度为1.52，不助燃也不能供人呼吸，略带毒性，易溶于水。
二氧化碳对人体的呼吸有刺激作用，所以在为中毒或窒息的人员输氧时，常常要在氧气中加入5%的二氧化碳，以促使患者加强呼吸。当空气中的二氧化碳浓度过高时，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也能造成人员中毒或窒息。空气中二氧化碳浓度对人体的危害程度如表1-2所示。
表1-2 空气中二氧化碳浓度对人体的影响 二氧化碳浓度 （体积）/% 1 3 5 10 10~20 20~25 人体主要症状 呼吸加深，急促 呼吸急促，心跳加快，头痛，很快疲劳 呼吸困难，头痛，恶心，耳鸣 头痛，头昏，呼吸困难，昏迷 呼吸停顿，失去知觉，时间稍长会死亡 短时间中毒死亡 二氧化碳比空气重，常常积聚在煤矿井下的巷道底板、水仓、溜煤眼、下山尽头、盲巷、采空区及通风不良处。
矿井中二氧化碳的主要来源有：煤和有机物的氧化；人员呼吸；井下爆破；井下火灾；瓦斯、煤尘爆炸等。有时也能从煤岩中大量涌出，甚至与煤或岩石一起突然喷出，给安全生产造成重大影响。如我国某矿，曾在1975年6月发生过一起二氧化碳和岩石突出事故，突出二氧化碳11000m3。
二氧化碳窒息同缺氧窒息一样，都是造成矿井人员伤亡的重要原因之一。
二、矿井空气主要成分的质量（浓度）标准 矿井空气的主要成分中，由于氧气和二氧化碳对人员身体健康和安全生产影响很大，所以《煤
矿安全规程》（以下简称《规程》）对其浓度标准做了明确规定。主要如下：
采掘工作面进风流中，按体积计算，氧气浓度不低于20%；二氧化碳浓度不超过0.5%。 矿井总回风巷或一翼回风巷风流中，二氧化碳超过0.75%时，必须立即查明原因，进行处理。 采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中二氧化碳超过1.5%时，采掘工作面风流中二氧化碳浓度达到1.5%时，都必须停止工作，撤出人员，进行处理。
三、矿井空气主要成分的检测方法
矿井空气主要成分的检测方法可分为两大类：一是取样分析法，二是快速测定法。
（一） 取样分析法
利用取样瓶或吸气球等容器提取井下空气式样，送往地面化验室进行分析。分析仪器多用气相色谱仪，分析精度高，定性准确，分析速度快，一次进样可以同时完成多种气体的分析；但所需时间长，操作复杂，技术要求高。一般用于井下火区成分检测或需精确测定空气成分的场合。
（二）快速测定法
利用便携式仪器在井下就地检测，快速测定出主要气体成分，是目前普遍采用的测定方法。 1、氧气浓度的快速测定方法 （1） 利用氧气检测仪检测
检测井下氧气的便携式仪器种类较多，主要有AY—1B型、JJY—1型（可测O2、CH4两种气体）等。其中AY—1B型是普遍使用的氧气检测仪，本质安全型。
AY—1B型氧气检测仪采用的是电化学“隔膜式伽伐尼电池”原理。氧气传感元件（隔膜式伽伐尼电池）分别由铂、铅两种不同金属做阴极和阳极，碱性溶液做电解液，通过聚四氯乙烯薄膜将其封闭构成，如图1-1a所示。当氧气透过隔膜在电极上发生电化学反应时，在两个电极间将形成同氧气浓度成正比的电流值，通过测定电极间的电流值即可实现对氧气浓度的测定。图1-1b为AY—1B型氧气检测仪的外部结构图。
（a）
（b）
图1-1 AY—1B型氧气检测仪
（a）隔膜式伽伐尼电池结构示意图 （b）AY—1B型氧气检测仪的外部结构图 1—氧气浓度显示器；2—仪器铭牌；3—示值调准电位器旋钮； 4—氧气扩散孔；5—提手；6—密封盖；7—开关 （2）利用比长式氧气检测管检测
这种方法与矿井中主要有害气体的检测基本相同（详见本章第二节） 2、二氧化碳浓度的快速检测方法
矿井空气中二氧化碳的测定主要使用光学瓦斯鉴定器，检查方法详见《煤矿安全》教材。
第二节 矿井空气中的有害气体及其检测
一、矿井空气中的有害气体及其基本性质
（一）一氧化碳（CO）
一氧化碳是无色、无味、无臭的气体，相对密度0.97，微溶于水，能燃烧，当体积浓度达到13%~75%时遇火源有爆炸性。 一氧化碳有剧毒。人体血液中的血红素与一氧化碳的亲和力比它与氧气的亲和力大250~300倍。一氧化碳的中毒程度与中毒浓度、中毒时间、呼吸频率和深度及人的体质有关。与中毒浓度和中毒时间的关系如表1-3所示。 表1-3 一氧化碳的中毒程度与浓度的关系 一氧化碳浓度（体积）/% 主 要 症 状
0.016 数小时后有头痛、心跳、耳鸣等轻微中毒症状 0.048 1h可引起轻微中毒症状
0.128 0.5~1h引起意识迟钝、丧失行动能力等严重中毒症状 0.40 短时间失去知觉、抽筋、假死。30min内即可死亡
一氧化碳中毒除上述症状外，最显著的特征是中毒者粘膜和皮肤呈樱桃红色。
矿井中一氧化碳的主要来源有：爆破工作；矿井火灾；瓦斯及煤尘爆炸等。据统计，在煤矿发生的瓦斯爆炸、煤尘爆炸及火灾事故中，约70～75%的死亡人员都是因一氧化碳中毒所致。
（二）硫化氢（H2S） 硫化氢是无色、微甜、略带臭鸡蛋味的气体，相对密度为1.19，易溶于水，当浓度达4.3%~46%时具有爆炸性。
硫化氢有剧毒。它能使人体血液缺氧中毒，对眼睛及呼吸道的粘膜具有强烈的刺激作用，能引起鼻炎、气管炎和肺水肿。当空气中浓度达到0.0001%时可嗅到臭味，但当浓度较高时（0.005~0.01%），因嗅觉神经中毒麻痹，臭味“减弱”或“消失”，反而嗅不到。硫化氢的中毒程度与浓度的关系如表1-4所示。
表1-4 硫化氢的中毒程度与浓度的关系 硫化氢浓度（体积）/% 主 要 症 状 0.0001 有强烈臭鸡蛋味
0.01 流唾液和清鼻涕、瞳孔放大、呼吸困难
0.05 0.5~1h严重中毒，失去知觉、抽筋、瞳孔变大，甚至死亡 0.1 短时间内死亡
矿井中硫化氢的主要来源有：坑木等有机物腐烂；含硫矿物的水化；从老空区和旧巷积水中放出。1971年，我国某矿一上山掘进工作面曾发生一起老空区透水事故，人员撤出后，矿调度室主任和一名技术员去现场了解透水情况，被涌出的硫化氢熏倒致死。有些矿区的煤层中也有硫化氢涌出。
（三）二氧化硫（SO2）
二氧化硫是无色、有强烈硫磺气味及酸味的气体，当空气中二氧化硫浓度达到0.0005%时即可嗅到刺激气味。它易溶于水，相对密度为2.32，是井下有害气体中密度最大的，常常积聚在井下巷道的底部。
二氧化硫有剧毒。空气中的二氧化硫遇水后生成硫酸，对眼睛有刺激作用，矿工们将其称之为“瞎眼气体”。此外，也能对呼吸道的粘膜产生强烈的刺激作用，引起喉炎和肺水肿。二氧化硫的中毒程度与浓度的关系如表1-5所示。 表1-5 二氧化硫的中毒程度与浓度的关系 二氧化硫浓度（体积）/% 主 要 症 状 0.0005 嗅到刺激性气味
0.002 头痛、眼睛红肿、流泪、喉痛
0.05 引起急性支气管炎和肺水肿，短时间内有生命危险
矿井中二氧化硫的主要来源有：含硫矿物的氧化与燃烧；在含硫矿物中爆破；从含硫煤体中涌出。
（四）二氧化氮（NO2）
二氧化氮是一种红褐色气体，有强烈的刺激性气味，相对密度1.59，易溶于水。
二氧化氮是井下毒性最强的有害气体。它遇水后生成硝酸，对眼睛、呼吸道粘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。
二氧化氮的中毒有潜伏期，容易被人忽视。中毒初期仅是眼睛和喉咙有轻微的刺激症状，常不被注意，有的在严重中毒时尚无明显感觉，还可坚持工作，但经过6h甚至更长时间后才出现中毒征兆。主要特征是手指尖及皮肤出现黄色斑点，头发发黄，吐黄色痰液，发生肺水肿，引起呕吐甚至死亡。二氧化氮的中毒程度与浓度的关系如表1-6所示。 表1-6 二氧化氮的中毒程度与浓度的关系 二氧化氮浓度（体积）/% 主 要 症 状
0.004 2~4h内不致显著中毒，6h后出现中毒症状，咳嗽 0.006 短时间内喉咙感到刺激、咳嗽，胸痛
0.01 强烈刺激呼吸器官，严重咳嗽，呕吐、腹泻，神经麻木 0.025 短时间即可致死
矿井中二氧化氮的主要来源是爆破工作。炸药爆破时会产生一系列氮氧化物，如一氧化氮（遇空气即转化为二氧化氮）、二氧化氮等，是炮烟的主要成分。我国某矿1972年在煤层中掘进巷道时，工作面非常干燥，工人们放炮后立即迎着炮烟进入，结果因吸入炮烟过多，造成二氧化氮中毒，2名工人于次日死亡。因此在爆破工作中，一定要加强通风，防止炮烟熏人事故。
（五）氨气（NH3）
氨气是一种无色、有浓烈臭味的气体，相对密度为0.6，易溶于水。当空气中的氨气浓度达到30%时遇火有爆炸性。
氨气有剧毒。它对皮肤和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起喉头水肿，严重时失去知觉，以致死亡。
氨气主要是在矿井发生火灾或爆炸事故时产生。
（六）氢气（H2）
氢气无色、无味、无毒，相对密度为0.07，是井下最轻的有害气体。空气中氢气浓度达到4%~74%时具有爆炸危险。
井下氢气的主要来源是蓄电池充电。此外，矿井发生火灾和爆炸事故中也会产生。 除了上述有害气体之外，矿井空气中最主要的有害气体是甲烷（CH4），又称沼气。它是一种具有窒息性和爆炸性的气体，对煤矿安全生产的威胁最大，关于它的主要性质、危害和预防措施等将在《煤矿安全》教材中详细介绍，本节不再重复。
在煤矿生产中，通常把以甲烷为主的这些有毒有害气体总称为瓦斯。
二、矿井空气中有害气体的安全浓度标准
为了防止有害气体对人体和安全生产造成危害，《规程》中对其安全浓度（允许浓度）标准做了明确规定，其中主要有毒气体的浓度标准如表1-7所示。