機掘工作面有效通風及其評價指標研究

1　前　言　

　機掘工作面通風是為了稀釋和排出掘進過程中煤（巖）體涌出的有害氣體、礦塵及保持良好的氣候條件。根據文獻［1］，目前，機械化掘進工作面的通風量主要是按斷面風速來給機掘工作面配風，而對于評價掘進工作面通風質量好壞還沒有一個評價指標。機掘工作面工人作業時間長，勞動強度大，如果長時間呼吸質量較差的井下空氣，勢必對健康有嚴重的影響。一個成年人平均每天要呼吸一萬升空氣，如按每天井下工作8小時計，一天要呼吸3330升井下空氣，這些井下空氣直接進入表面積為(60～80)m2的肺泡里進行體內交換。可見，在礦井內，礦工在如此長的呼吸時間，如此大的接觸面積，其空氣質量對人體健康的影響是非常重要的問題。本文提出了保證機掘工作面有效通風的評價指標——換氣效率(air exchange efficiency)、排污效率

(ventilation efficiency)和空氣品質（air quality），為評價機掘工作面通風有效性提供了一種新的理論依據。　　 2　有效通風指標概念及其計算　

　從職業安全與衛生和勞動保護的角度出發，機掘工作面通風不僅要滿足稀釋和排出掘進過程中煤（巖）體涌出的有害氣體，并要使礦塵達到安全濃度，而且要保證掘進工作面作業空間環境有良好的空氣品質。掘進作業空間空氣更新的快慢如何？掘進作業空間污染物質被轉移出去的迅速程度如何？怎樣保證掘進作業空間良好的空氣品質?這都涉及通風有效性問題。有效通風，是從傳統的“以環境安全為本”轉向“以人的健康為本”的戰略問題。有效通風是指保證掘進作業空間環境安全而衛生的通風，評價有效通風的指標主要有換氣效率、排污效率和空氣品質。而它們主要取決于掘進作業空間的氣流分布特性、污染物散布特性及二者之間的相互關系。換氣效率和排污效率首先決定于氣流分布，而氣流分布特性是用掘進作業空間某點空氣或全部空氣被更新的時間為其評價指標，該指標即是空氣年齡（air age）［2］。

　　 2.1　空氣年齡 2.1.1　空氣質點的空氣年齡（簡稱空氣年齡）t 　　空氣質點的空氣年齡是指空氣質點自進入掘進作業空間起至到達作業空間某點所途經的時間。因此，空氣質點的空氣年齡是空氣質點與作業空間點的雙重函數。

2.1.2　局部平均空氣年齡　

　局部平均空氣年齡是同時到達某空間微小區域P（簡稱某空間點）的所有空氣質點的空氣年齡的平均值。同時到達某空間點的所有空氣質點的空氣年齡各不相同，長短不一，不同空氣年齡的空氣質點所占的份數符合一個分布AP(t),分布曲線見圖1。對于一個給定的氣流組織，這一分布是空間點的單值函數。局部平均空氣年齡就是該點各空氣質點的空氣年齡t以AP(t)為權的加權平均值，即 圖1　任意點空氣年齡的頻率分布

　　空氣質點在掘進作業空間運動過程中，會不斷吸收污染物，使空氣的新鮮程度下降。因此，局部平均空氣年齡短的點，空氣吸收污染物的機會少些，比較新鮮，換氣能力就好。假定機掘工作面采用壓入式通風方式，同時假定局扇風筒出風口的風流是新鮮的，則空氣剛進入掘進作業空間時，空氣年齡為零。

　　局部平均空氣年齡的測量可采用以示蹤氣體為媒介的間接測量方法，即通過測量某空間點的示蹤氣體濃度，經計算得到局部平均空氣年齡。其關鍵是找出局部平均空氣年齡與示蹤氣體濃度的關系。見圖2。 圖2　示蹤氣體濃度與空氣年齡關系

　　在局扇送風風筒內發生示蹤氣體，并使之在到達風筒出風口之前得以充分混合。從0時刻開始送入掘進作業空間內，作業空間濃度會逐漸升高，并最終達到平衡。在要考察的區域內均勻布置測點，連續或間斷進行各點濃度采樣，可計算出局部平均空氣年齡。

　　假定局扇送入的空氣質點中的示蹤氣體在質點運動中不擴散，即空氣質點中示蹤氣體濃度始終等于送風濃度CS。而0時刻作業空間內濃度為0。

　　如圖2，τ=0時，A質點恰好在局扇風筒出風口處；B質點在A質點上游任一點處，從B質點的位置運動到A質點的位置所需時間為ΔT1；C質點在掘進作業空間內任一點處，τ=0時，其空氣年齡為ΔT2。在時刻T三質點正好同時到達空間點P，此時A的空氣年齡tAP=T，B的空氣年齡tBP=T-ΔT1；C的空氣年齡tCP=T+ΔT2；如P點的空氣年齡分布函數為AP(τ)，則A質點所占質量份數為AP(T)，B的為AP(T-ΔT1)，C的為AP(T+ΔT2)。可見，在T時刻，空氣年齡≤T的空氣質點在τ=0時都在局扇風筒內，即其濃度都為CS；而空氣年齡>T的在τ=0時都在掘進作業空間內，因此，濃度為0。所以，T時刻到達P點的各空氣質點所含的示蹤氣體濃度Cpi(t)與空氣質點的空氣年齡t有關，可表達為： 　　所以，T時刻P點的示蹤氣體濃度 　　因為AP(t)=C′P(t)/CS　　（4）　　所以式（1）可變為： 2.1.3　作業空間平均空氣年齡　　作業空間平均空氣年齡就是整個作業空間各點的局部空氣年齡的平均值。即 式中，Ce(t)—t時刻，P點的示蹤氣體濃度；V—作業空間體積,m3;L—送風量（單位時間的換氣量），m3/min。　　根據文獻［3］，置換作業空間全部現存空氣的時間τγ（即換氣時間）是作業空間平均空氣年齡的2倍，即 　　空氣通過作業空間最短時間是作業空間體積V與單位時間換氣量L之比，即換氣次數的倒數，定義為名義時間常數τn： τn=V/L=1/n　　（8） 式中，n—換氣次數，min-1。　　空氣質點在作業空間運動的過程中，會不斷吸收污染物，使空氣的新鮮程度下降。因此，局部平均空氣年齡短的點，空氣吸收污染物的機會少些，比較新鮮。可以用局部平均空氣年齡來定義換氣效率。　

　 2.2　換氣效率　　換氣效率是衡量換氣效果優劣的一個指標，是氣流自身的特性參數，與污染物無關。考察點的換氣效果的優劣取決于該點的局部平均空氣年齡。因此，換氣效率可定義為理論上最短的換氣時間tn與實際換氣時間tγ之比，即換氣效率ηα： 　　顯然，換氣效率隨換氣時間τγ的增長而降低。根據文獻［3］，一般壓入式射流通風ηα=50%。當換氣效率在50%以上時，均有較好的換氣效率。

　　 2.3　排污效率　　排污效率是反映通風對污染物排除能力的指標。對相同的污染物發生量與送風量，能維持較低的穩態作業空間濃度，或較快地把作業空間的原始濃度降低的氣流組織，其排污效率就高。排污效率除了與通風風流流場有關即與換氣效率有關外，還與污染物的特點（如污染物的位置、污染物的密度等）有關。因此，排污效率可定義為移出掘進作業空間污染物的迅速程度。即 式中，CP—掘進作業空間回風流污染物濃度；—作業空間平均污染物濃度。　　式（10）是以送風風流污染物濃度C0=0為條件，若C0≠0，則 　　排污效率也可用空氣年齡和污染氣流排出時間來表示。根據質量守恒原理，可以列出下面的等式： 式中，cP—污染氣流排出時間；Vc—單位時間污染物發生量。　　用換氣量除式（12），并代入Vc/L=CP的關系，可得：

3　作業空間空氣品質　　假定掘進工作面局扇風筒出口的空氣是完全新鮮的，隨著風流在掘進作業空間的流動，不斷被污染物污染，空氣的新鮮程度下降。可用礦井空氣品質來描述井下某空間點的空氣質量。對此，可作如下定義：掘進工作面空氣品質是描述掘進作業空間空氣新鮮程度的一種指標。它具有動態性，隨時間、空間的變化而變化，不同地點及空間環境，其空氣品質不相同，影響掘進作業空間空氣品質的因素主要有空氣年齡及污染物濃度。掘進作業空間的空氣品質等于空氣年齡與污染物濃度的乘積。　　局部空氣品質Ai可用下式表示： 式中，Ci—i點的空氣污染物濃度，mg/m3；—i點局部平均空氣年齡，min。　　作業空間（掘進面）空氣品質A可用下式表示： 式中，—掘進空間平均污染物濃度，mg/m3，—作業空間平均空氣年齡，min。 　　由此可見，空氣品質與污染物濃度及空氣年齡成正比，即空氣年齡越大，吸收污染物的機會越多，空氣品質就越差；污染物濃度越大，空氣品質就越差。顯然，局扇風筒出口的空氣品質為0，空氣最新鮮，即空氣品質最好。　　

4　結　論

　　1)　有效通風是對掘進工作面環境重要性認識的不斷加深而提出的新思想、新概念。是認識礦井空氣環境的一種科學的方法，是環境安全轉向以人為本的健康環境觀念的轉變，換氣排污效率及空氣品質是評價其掘進作業空間通風有效性的重要指標。

　　2)　掘進作業空間空氣品質與掘進工作面污染物濃度和空氣年齡有關。空氣年齡可用示蹤氣體為媒介，進行測量。要保證良好的空氣品質，一方面要減少污染物的發生量，對于機械掘進工作面來說，有害氣體的發生量難以控制，主要要控制掘進時的發塵量，采取一些諸如礦體注水及噴霧降塵等措施，同時要使局扇風流的吸風點處于較新鮮位置，從而保證掘進作業空間的進風流空氣的新鮮。

　　3)　機掘工作面換氣效率不僅與局扇送風量有關，而且與掘進作業空間內空氣流動形態、氣流組織等因素有關。對于在掘進工作面工作的人員來說，應充分利用新鮮空氣。一般情況下，空氣年齡越小，空氣品質越高。為了創造良好的職業安全和勞動保護的工作環境，在掘進通風氣流組織上，應合理布置送風口的位置、合適的風量和風速，盡量使工作人員處于新鮮風流中，從而保證作業人員工作區的空氣品質。

　　4)　掘進作業空間的排污效率，除了與通風風流流場有關即與換氣效率有關外，還與污染物的特點（如污染物的位置、污染物的密度等）有關。因此，降低污染物發生率和實施合理的掘進通風氣流組織，有利于提高其排污效率。

　　5)　從礦井生產安全的角度考慮，目前的掘進通風方式主要是以稀釋作業空間生產過程中產生的污染物，并使其達到安全濃度；而從職業安全和勞動保護角度考慮，作業空間的空氣品質更為重要。前者是創造良好的安全環境，主要是對安全而言；后者是創造良好的職業安全和勞動保護的工作環境，主要是對人的安全與健康而言。