機(jī)掘工作面有效通風(fēng)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

1　前　言　

　機(jī)掘工作面通風(fēng)是為了稀釋和排出掘進(jìn)過(guò)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(jù)文獻(xiàn)［1］，目前，機(jī)械化掘進(jìn)工作面的通風(fēng)量主要是按斷面風(fēng)速來(lái)給機(jī)掘工作面配風(fēng)，而對(duì)于評(píng)價(jià)掘進(jìn)工作面通風(fēng)質(zhì)量好壞還沒有一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。機(jī)掘工作面工人作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，如果長(zhǎng)時(shí)間呼吸質(zhì)量較差的井下空氣，勢(shì)必對(duì)健康有嚴(yán)重的影響。一個(gè)成年人平均每天要呼吸一萬(wàn)升空氣，如按每天井下工作8小時(shí)計(jì)，一天要呼吸3330升井下空氣，這些井下空氣直接進(jìn)入表面積為(60～80)m2的肺泡里進(jìn)行體內(nèi)交換。可見，在礦井內(nèi)，礦工在如此長(zhǎng)的呼吸時(shí)間，如此大的接觸面積，其空氣質(zhì)量對(duì)人體健康的影響是非常重要的問(wèn)題。本文提出了保證機(jī)掘工作面有效通風(fēng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)——換氣效率(air exchange efficiency)、排污效率

(ventilation efficiency)和空氣品質(zhì)（air quality），為評(píng)價(jià)機(jī)掘工作面通風(fēng)有效性提供了一種新的理論依據(jù)?！　?2　有效通風(fēng)指標(biāo)概念及其計(jì)算　

　從職業(yè)安全與衛(wèi)生和勞動(dòng)保護(hù)的角度出發(fā)，機(jī)掘工作面通風(fēng)不僅要滿足稀釋和排出掘進(jìn)過(guò)程中煤（巖）體涌出的有害氣體，并要使礦塵達(dá)到安全濃度，而且要保證掘進(jìn)工作面作業(yè)空間環(huán)境有良好的空氣品質(zhì)。掘進(jìn)作業(yè)空間空氣更新的快慢如何？掘進(jìn)作業(yè)空間污染物質(zhì)被轉(zhuǎn)移出去的迅速程度如何？怎樣保證掘進(jìn)作業(yè)空間良好的空氣品質(zhì)?這都涉及通風(fēng)有效性問(wèn)題。有效通風(fēng)，是從傳統(tǒng)的“以環(huán)境安全為本”轉(zhuǎn)向“以人的健康為本”的戰(zhàn)略問(wèn)題。有效通風(fēng)是指保證掘進(jìn)作業(yè)空間環(huán)境安全而衛(wèi)生的通風(fēng)，評(píng)價(jià)有效通風(fēng)的指標(biāo)主要有換氣效率、排污效率和空氣品質(zhì)。而它們主要取決于掘進(jìn)作業(yè)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(guān)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(jìn)作業(yè)空間某點(diǎn)空氣或全部空氣被更新的時(shí)間為其評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)即是空氣年齡（air age）［2］。

　　 2.1　空氣年齡 2.1.1　空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡（簡(jiǎn)稱空氣年齡）t 　　空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡是指空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入掘進(jìn)作業(yè)空間起至到達(dá)作業(yè)空間某點(diǎn)所途經(jīng)的時(shí)間。因此，空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡是空氣質(zhì)點(diǎn)與作業(yè)空間點(diǎn)的雙重函數(shù)。

2.1.2　局部平均空氣年齡　

　局部平均空氣年齡是同時(shí)到達(dá)某空間微小區(qū)域P（簡(jiǎn)稱某空間點(diǎn)）的所有空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡的平均值。同時(shí)到達(dá)某空間點(diǎn)的所有空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡各不相同，長(zhǎng)短不一，不同空氣年齡的空氣質(zhì)點(diǎn)所占的份數(shù)符合一個(gè)分布AP(t),分布曲線見圖1。對(duì)于一個(gè)給定的氣流組織，這一分布是空間點(diǎn)的單值函數(shù)。局部平均空氣年齡就是該點(diǎn)各空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡t以AP(t)為權(quán)的加權(quán)平均值，即 圖1　任意點(diǎn)空氣年齡的頻率分布

　　空氣質(zhì)點(diǎn)在掘進(jìn)作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)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(diǎn)，空氣吸收污染物的機(jī)會(huì)少些，比較新鮮，換氣能力就好。假定機(jī)掘工作面采用壓入式通風(fēng)方式，同時(shí)假定局扇風(fēng)筒出風(fēng)口的風(fēng)流是新鮮的，則空氣剛進(jìn)入掘進(jìn)作業(yè)空間時(shí)，空氣年齡為零。

　　局部平均空氣年齡的測(cè)量可采用以示蹤氣體為媒介的間接測(cè)量方法，即通過(guò)測(cè)量某空間點(diǎn)的示蹤氣體濃度，經(jīng)計(jì)算得到局部平均空氣年齡。其關(guān)鍵是找出局部平均空氣年齡與示蹤氣體濃度的關(guān)系。見圖2。 圖2　示蹤氣體濃度與空氣年齡關(guān)系

　　在局扇送風(fēng)風(fēng)筒內(nèi)發(fā)生示蹤氣體，并使之在到達(dá)風(fēng)筒出風(fēng)口之前得以充分混合。從0時(shí)刻開始送入掘進(jìn)作業(yè)空間內(nèi)，作業(yè)空間濃度會(huì)逐漸升高，并最終達(dá)到平衡。在要考察的區(qū)域內(nèi)均勻布置測(cè)點(diǎn)，連續(xù)或間斷進(jìn)行各點(diǎn)濃度采樣，可計(jì)算出局部平均空氣年齡。

　　假定局扇送入的空氣質(zhì)點(diǎn)中的示蹤氣體在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中不擴(kuò)散，即空氣質(zhì)點(diǎn)中示蹤氣體濃度始終等于送風(fēng)濃度CS。而0時(shí)刻作業(yè)空間內(nèi)濃度為0。

　　如圖2，τ=0時(shí)，A質(zhì)點(diǎn)恰好在局扇風(fēng)筒出風(fēng)口處；B質(zhì)點(diǎn)在A質(zhì)點(diǎn)上游任一點(diǎn)處，從B質(zhì)點(diǎn)的位置運(yùn)動(dòng)到A質(zhì)點(diǎn)的位置所需時(shí)間為ΔT1；C質(zhì)點(diǎn)在掘進(jìn)作業(yè)空間內(nèi)任一點(diǎn)處，τ=0時(shí)，其空氣年齡為ΔT2。在時(shí)刻T三質(zhì)點(diǎn)正好同時(shí)到達(dá)空間點(diǎn)P，此時(shí)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(diǎn)的空氣年齡分布函數(shù)為AP(τ)，則A質(zhì)點(diǎn)所占質(zhì)量份數(shù)為AP(T)，B的為AP(T-ΔT1)，C的為AP(T+ΔT2)?？梢?，在T時(shí)刻，空氣年齡≤T的空氣質(zhì)點(diǎn)在τ=0時(shí)都在局扇風(fēng)筒內(nèi)，即其濃度都為CS；而空氣年齡>T的在τ=0時(shí)都在掘進(jìn)作業(yè)空間內(nèi)，因此，濃度為0。所以，T時(shí)刻到達(dá)P點(diǎn)的各空氣質(zhì)點(diǎn)所含的示蹤氣體濃度Cpi(t)與空氣質(zhì)點(diǎn)的空氣年齡t有關(guān)，可表達(dá)為： 　　所以，T時(shí)刻P點(diǎn)的示蹤氣體濃度 　　因?yàn)锳P(t)=C′P(t)/CS　?。?）　　所以式（1）可變?yōu)椋?2.1.3　作業(yè)空間平均空氣年齡　　作業(yè)空間平均空氣年齡就是整個(gè)作業(yè)空間各點(diǎn)的局部空氣年齡的平均值。即 式中，Ce(t)—t時(shí)刻，P點(diǎn)的示蹤氣體濃度；V—作業(yè)空間體積,m3;L—送風(fēng)量（單位時(shí)間的換氣量），m3/min?！　「鶕?jù)文獻(xiàn)［3］，置換作業(yè)空間全部現(xiàn)存空氣的時(shí)間τγ（即換氣時(shí)間）是作業(yè)空間平均空氣年齡的2倍，即 　　空氣通過(guò)作業(yè)空間最短時(shí)間是作業(yè)空間體積V與單位時(shí)間換氣量L之比，即換氣次數(shù)的倒數(shù)，定義為名義時(shí)間常數(shù)τn： τn=V/L=1/n　?。?） 式中，n—換氣次數(shù)，min-1?！　】諝赓|(zhì)點(diǎn)在作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)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(diǎn)，空氣吸收污染物的機(jī)會(huì)少些，比較新鮮?？梢杂镁植科骄諝饽挲g來(lái)定義換氣效率。　

　 2.2　換氣效率　　換氣效率是衡量換氣效果優(yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)，是氣流自身的特性參數(shù)，與污染物無(wú)關(guān)。考察點(diǎn)的換氣效果的優(yōu)劣取決于該點(diǎn)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(shí)間tn與實(shí)際換氣時(shí)間tγ之比，即換氣效率ηα： 　　顯然，換氣效率隨換氣時(shí)間τγ的增長(zhǎng)而降低。根據(jù)文獻(xiàn)［3］，一般壓入式射流通風(fēng)ηα=50%。當(dāng)換氣效率在50%以上時(shí)，均有較好的換氣效率。

　　 2.3　排污效率　　排污效率是反映通風(fēng)對(duì)污染物排除能力的指標(biāo)。對(duì)相同的污染物發(fā)生量與送風(fēng)量，能維持較低的穩(wěn)態(tài)作業(yè)空間濃度，或較快地把作業(yè)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(fēng)風(fēng)流流場(chǎng)有關(guān)即與換氣效率有關(guān)外，還與污染物的特點(diǎn)（如污染物的位置、污染物的密度等）有關(guān)。因此，排污效率可定義為移出掘進(jìn)作業(yè)空間污染物的迅速程度。即 式中，CP—掘進(jìn)作業(yè)空間回風(fēng)流污染物濃度；—作業(yè)空間平均污染物濃度?！　∈剑?0）是以送風(fēng)風(fēng)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(shí)間來(lái)表示。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以列出下面的等式： 式中，cP—污染氣流排出時(shí)間；Vc—單位時(shí)間污染物發(fā)生量?！　∮脫Q氣量除式（12），并代入Vc/L=CP的關(guān)系，可得：

3　作業(yè)空間空氣品質(zhì)　　假定掘進(jìn)工作面局扇風(fēng)筒出口的空氣是完全新鮮的，隨著風(fēng)流在掘進(jìn)作業(yè)空間的流動(dòng)，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(zhì)來(lái)描述井下某空間點(diǎn)的空氣質(zhì)量。對(duì)此，可作如下定義：掘進(jìn)工作面空氣品質(zhì)是描述掘進(jìn)作業(yè)空間空氣新鮮程度的一種指標(biāo)。它具有動(dòng)態(tài)性，隨時(shí)間、空間的變化而變化，不同地點(diǎn)及空間環(huán)境，其空氣品質(zhì)不相同，影響掘進(jìn)作業(yè)空間空氣品質(zhì)的因素主要有空氣年齡及污染物濃度。掘進(jìn)作業(yè)空間的空氣品質(zhì)等于空氣年齡與污染物濃度的乘積。　　局部空氣品質(zhì)Ai可用下式表示： 式中，Ci—i點(diǎn)的空氣污染物濃度，mg/m3；—i點(diǎn)局部平均空氣年齡，min?！　∽鳂I(yè)空間（掘進(jìn)面）空氣品質(zhì)A可用下式表示： 式中，—掘進(jìn)空間平均污染物濃度，mg/m3，—作業(yè)空間平均空氣年齡，min。 　　由此可見，空氣品質(zhì)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(jī)會(huì)越多，空氣品質(zhì)就越差；污染物濃度越大，空氣品質(zhì)就越差。顯然，局扇風(fēng)筒出口的空氣品質(zhì)為0，空氣最新鮮，即空氣品質(zhì)最好?！　?/P>

4　結(jié)　論

　　1)　有效通風(fēng)是對(duì)掘進(jìn)工作面環(huán)境重要性認(rèn)識(shí)的不斷加深而提出的新思想、新概念。是認(rèn)識(shí)礦井空氣環(huán)境的一種科學(xué)的方法，是環(huán)境安全轉(zhuǎn)向以人為本的健康環(huán)境觀念的轉(zhuǎn)變，換氣排污效率及空氣品質(zhì)是評(píng)價(jià)其掘進(jìn)作業(yè)空間通風(fēng)有效性的重要指標(biāo)。

　　2)　掘進(jìn)作業(yè)空間空氣品質(zhì)與掘進(jìn)工作面污染物濃度和空氣年齡有關(guān)?？諝饽挲g可用示蹤氣體為媒介，進(jìn)行測(cè)量。要保證良好的空氣品質(zhì)，一方面要減少污染物的發(fā)生量，對(duì)于機(jī)械掘進(jìn)工作面來(lái)說(shuō)，有害氣體的發(fā)生量難以控制，主要要控制掘進(jìn)時(shí)的發(fā)塵量，采取一些諸如礦體注水及噴霧降塵等措施，同時(shí)要使局扇風(fēng)流的吸風(fēng)點(diǎn)處于較新鮮位置，從而保證掘進(jìn)作業(yè)空間的進(jìn)風(fēng)流空氣的新鮮。

　　3)　機(jī)掘工作面換氣效率不僅與局扇送風(fēng)量有關(guān)，而且與掘進(jìn)作業(yè)空間內(nèi)空氣流動(dòng)形態(tài)、氣流組織等因素有關(guān)。對(duì)于在掘進(jìn)工作面工作的人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)充分利用新鮮空氣。一般情況下，空氣年齡越小，空氣品質(zhì)越高。為了創(chuàng)造良好的職業(yè)安全和勞動(dòng)保護(hù)的工作環(huán)境，在掘進(jìn)通風(fēng)氣流組織上，應(yīng)合理布置送風(fēng)口的位置、合適的風(fēng)量和風(fēng)速，盡量使工作人員處于新鮮風(fēng)流中，從而保證作業(yè)人員工作區(qū)的空氣品質(zhì)。

　　4)　掘進(jìn)作業(yè)空間的排污效率，除了與通風(fēng)風(fēng)流流場(chǎng)有關(guān)即與換氣效率有關(guān)外，還與污染物的特點(diǎn)（如污染物的位置、污染物的密度等）有關(guān)。因此，降低污染物發(fā)生率和實(shí)施合理的掘進(jìn)通風(fēng)氣流組織，有利于提高其排污效率。

　　5)　從礦井生產(chǎn)安全的角度考慮，目前的掘進(jìn)通風(fēng)方式主要是以稀釋作業(yè)空間生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物，并使其達(dá)到安全濃度；而從職業(yè)安全和勞動(dòng)保護(hù)角度考慮，作業(yè)空間的空氣品質(zhì)更為重要。前者是創(chuàng)造良好的安全環(huán)境，主要是對(duì)安全而言；后者是創(chuàng)造良好的職業(yè)安全和勞動(dòng)保護(hù)的工作環(huán)境，主要是對(duì)人的安全與健康而言。