簡介
礦井內各種氣體，蒸氣和礦塵混合物的總稱。當其成分與地面空氣近似時，稱礦內新鮮空氣。地面空氣進入礦井後，由於物質氧化、分解和其他氣體與礦塵的混入，成分發生變化。O2減少，CO2增加,混入的有害氣體通常有CH4、CO2、CO、H2S、NOx、SO2、H2、Hg和As的蒸氣以及內燃機的廢氣等。開採含 U(鈾)、Th(釷)等伴生元素的金屬礦床時，還將混入放射性氣體Rn(氡)及其子體(RaA～RaD)（見礦山輻射防護）。礦內空氣的溫度和濕度主要決定於礦物與岩層的物理化學性質、開採深度、生產工藝、地理和地質因素。個別礦井氣溫可達30℃以上。煤礦和金屬礦內空氣的相對濕度一般為80～90%,湧水量大的巷道內可達100%。鹽類礦湧水量小,鹽類吸濕性強，相對濕度約15～16%。水災、爆炸事故以及大爆破後，空氣被毒化。瓦斯突出區或封閉火區，氧濃度顯著降低。
空氣中氧濃度降到15～17%時，人體因缺氧而呼吸困難,心律加快,逐漸喪失勞動能力;降到9%時能很快窒息死亡。中國礦山安全條例規定，礦內工作地點氧濃度不得低於20%。礦內常見有毒有害氣體的主要來源、危害性和允許濃度。
防止礦內空氣污染最普遍採用的有效措施是礦井通風。為了減少空氣中有毒有害氣體和礦塵，還應採取以下措施：①防止進風污染；②改進生產工藝和設備；③加強採空區密閉，防止有害氣體湧出；④防止發生火災和爆炸事故；⑤抽放瓦斯（見瓦斯抽放）；⑥用水或化學品水溶液，吸收可溶性有害氣體。
礦內空氣的主要成分
井下空氣的主要來源是地面空氣（大氣），它是由多種氣體組成的乾空氣和水蒸汽組合而成的混合氣體。通常狀況下，乾空氣各組分的數量基本不變（表1-1-1）。在混合氣體中，水蒸汽的濃度隨地區和季節而變化，其平均濃度約為1 %；此外還含有塵埃和煙霧等雜質 。
表1-1-1 乾空氣主要成分
| 氣體成分 | 按體積計 /% | 按質量計 /% |
| 氮氣（N） 氧氣（O） 二氧化碳（CO） 氬氣（Ar） 其它（水蒸汽、惰性稀有氣體和微量的灰塵與微生物等） | 78.13 20.90 0.03 0.93 0.01 | 75.55 23.10 0.05 1.27 0.01 |
為便於測量與計算，氣體的濃度一般按體積百分計，如無特殊說明，以下均指體積濃度。
地面空氣進入礦井以後，由於受到污染，其成分和性質要發生一系列的變化，如氧濃度降低，二氧化碳濃度增加；混入各種有毒、有害氣體和礦塵；空氣的狀態參數（溫度、濕度、壓力等）發生改變等。一般來說，將井巷中經過用風地點以前、受污染程度較輕的進風巷道內的空氣稱為新鮮空氣（新風）；經過用風地點以後、受污染程度較重的迴風巷道內的空氣，稱為污濁空氣（乏風）。礦內空氣主要成分除氧氣（O）、氮氣（N）、二氧化碳（CO）、水蒸汽（HO）以外，還混入大量的有害氣體，如瓦斯（CH）、一氧化碳（CO）、硫化氫（HS）、二氧化硫（SO）、二氧化氮（NO）、氨氣（NH）、氫氣（H）和礦塵等。
氧氣（O2）
氧氣是無色、無臭、無味、無毒和無害的氣體，比重為1.105。礦內氧氣來源於進入礦井的地面大氣所固有的含量。由於礦內各有機物（木材、支架等）和無機物（礦物、岩石）的氧化，礦物自燃，礦井火災，以及瓦斯、煤塵爆炸等，都要直接消耗氧氣，此外，井巷內不斷放出的各種有害氣體，也相對的降低氧氣的濃度。
當空氣中的氧濃度降低時，人體就可能產生不良的生理反應，出現種種不舒適的症狀，嚴重時可能導致缺氧死亡。人體缺氧症狀與空氣中氧濃度的關係如表1-1-2所示.。
表1-1-2 人體缺氧症狀與空氣中氧濃度的關係
| 氧濃度（體積）/ % | 主要症狀 |
| 17 15 10～12 6～9 | 靜止時無影響，工作時能引起喘息和呼吸困難 呼吸及心跳急促，耳鳴目眩，感覺和判斷能力降低，失去勞動能力 失去理智，時間稍長有生命危險 失去知覺，呼吸停止，如沒有及時搶救幾分鐘內可能導致死亡 |
造成礦井空氣中氧氣濃度降低的主要原因有：人員呼吸；煤岩和其他有機物的緩慢氧化；煤炭自然；瓦斯、煤塵爆炸。此外，煤岩和生產過程中產生的各種有害氣體，也使空氣中的氧氣濃度相對降低。所以，在井下通風不良的地點，空氣中的氧氣濃度可能顯著降低，如果不經檢查而貿然進入，就可能引起人員的缺氧窒息。
《煤礦安全規程》（以下簡稱《規程》）規定，採掘工作面的進風流中氧氣濃度不得低於20 %。為此，必須對礦井進行不斷的通風，將適量的新鮮空氣源源不斷地送到井下。這是礦井通風最基本的任務之一。
氮氣（N2）
氮氣是無色、無味、無臭的惰性氣體，是新鮮空氣中的主要成分，對空氣的相對密度為0.97，它本身無毒、不助燃，也不供呼吸。在正常情況下，氮氣對人體無害，但空氣中若氮氣濃度升高，則勢必造成氧濃度相對降低，從而也可能導致人員的窒息性傷害。在廢棄的舊巷或隔離著的火區內，可積存大量的氮，使氧濃度相對地減少，使人因缺氧而窒息。正因為氮氣為惰性氣體，因此又可將其用於井下防滅火和防止瓦斯爆炸。
礦井空氣中氮氣主要來源是：井下爆破和生物的腐爛，有些煤岩層中也有氮氣湧出。
二氧化碳（CO2）
二氧化碳是無色略帶酸臭味的氣體，對空氣的相對密度為1.52，是一種較重的氣體，很難與空氣均勻混合，常積聚於巷道的底部、井筒和下山的掘進迎頭，在靜止的空氣中有明顯的分界。二氧化碳不助燃也不能供人呼吸，易溶於水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，對眼、鼻、喉黏膜有刺激作用。在新鮮空氣中含有微量的二氧化碳對人體是無害的，它對人的呼吸有刺激作用，如果空氣中完全不含有二氧化碳，人體的正常呼吸功能就不能維持。當肺泡中二氧化碳增多時，能刺激人的呼吸神經中樞，引起呼吸頻繁，呼吸量增加，所以在急救受有害氣體傷害的患者時，常常首先讓其吸入含有5 %二氧化碳的氧氣以加強呼吸。但當空氣中二氧化碳的濃度過高時，也將使空氣中的氧濃度相對降低，輕則使人呼吸加快，呼吸量增加，嚴重時也可能造成人員中毒或窒息。空氣中二氧化碳對人體的危害程度與濃度的關係如表1-1-3所示。
表1-1-3 二氧化碳中毒症狀與濃度的關係
| 二氧化碳濃度 / % | 主 要 症 狀 |
| 1 3 5 6 7～9 9～11 | 呼吸加深，但對工作效率無明顯影響 呼吸急促，心跳加快，頭痛，人體很快疲勞 呼吸困難，頭痛，噁心，嘔吐，耳鳴 嚴重喘息，極度虛弱無力 動作不協調，大約十分鐘可發生昏迷 數分鐘內可導致死亡 |
二氧化碳的主要來源有：有機物的氧化；人員的呼吸；煤和岩石的緩慢氧化，以及礦井水與碳酸性岩石的分解作用；爆破工作，礦內火災，煤炭自燃以及瓦斯、煤塵爆炸時，也能產生大量二氧化碳。此外，有的煤層或岩層能長期連續放出二氧化碳，甚至有的煤層在短時間內大量噴出或與大量煤粉同時噴出二氧化碳。發生這種現象時，往往會造成嚴重破壞性事故。例如吉林省營城煤礦五井，在1976年6月曾發生一次CO和岩石突出，突出岩石1005 t，CO11000 m。法國也曾發生過CO突出的事故。
《規程》規定：採掘工作面的進風流中，二氧化碳不超過0.5 %。採區迴風巷和採掘工作面迴風巷迴風流中二氧化碳濃度達到1.5 %時，必須停止工作，撤出人員，查明原因，制定措施，進行處理。總迴風巷或一翼迴風巷中，二氧化碳超過0.75 %時，必須查明原因，進行處理。
礦內空氣中常見的有害氣體
礦井常見的有害氣體有一氧化碳、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫、氨氣、瓦斯等 。下面分別介紹之。
一氧化碳（CO）
一氧化碳是一種無色、無味、無臭的氣體，相對密度為0.97，微溶於水，但能溶於氨水，能與空氣均勻地混合。與酸、鹼不起反應，只能被活性炭少量吸附。
一氧化碳能燃燒，當空氣中一氧化碳濃度在13 %～75 %時有爆炸的危險。
一氧化碳是一種對血液、神經有害的毒物。一氧化碳隨空氣吸人體內後，通過肺泡進入血液，並與血液中的血紅蛋白結合。一氧化碳與血紅蛋白的結合力比氧與血紅蛋白的結合力大200~300倍。一氧化碳與血紅蛋白結合成碳氧血紅蛋白(COHb)，不僅減少了血球攜氧能力，而且抑制、減緩氧和血紅蛋白的解析與氧的釋放。一氧化碳對人的危害主要取決於空氣中一氧化碳的濃度和與人的接觸時間(見表1-1-4、圖1-1-1)．一氧化碳還可導致心肌損傷，對中樞神經系統特別是錐體外系統也有損害，經實驗證明一氧化碳還可引起慢性中毒。
表1-1-4 一氧化碳中毒症狀與濃度的關係
| 一氧化碳濃度 /% | 主 要 症 狀 |
| 0.02 | 2～3小時內可能引起輕微頭痛 |
| 0.08 | 40分鐘內出現頭痛,眩暈和噁心。2小時內發生體溫和血壓下降，脈搏微弱，出冷汗，可能出現昏迷。 |
| 0.32 | 5～10分鐘內出現頭痛，眩暈。半小時內可能出現昏迷並有死亡危險。 |
| 1.28 | 幾分鐘內出現昏迷和死亡。 |
礦內爆破作業、煤炭自燃及發生火災或煤塵、瓦斯爆炸時都能產生一氧化碳。
《規程》規定其最高容許濃度為0.0024 %。
硫化氫（H2S）
硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，當空氣中濃度達到0.0001 %即可嗅到，但當濃度較高時，因嗅覺神經中毒麻痹，反而嗅不到。硫化氫相對密度為1.19，易溶於水，在常溫、常壓下一個體積的水可溶解2.5個體積的硫化氫，所以它可能積存於舊巷的積水中。硫化氫能燃燒，空氣中硫化氫濃度為4.3 %～45.5 %時有爆炸危險。
硫化氫有劇毒，有強烈的刺激作用，不但能引起鼻炎、氣管炎和肺水腫；而且還能阻礙生物的氧化過程，使人體缺氧。當空氣中硫化氫濃度較低時主要以腐蝕刺激作用為主；濃度較高時能引起人體迅速昏迷或死亡，腐蝕刺激作用往往不明顯。硫化氫中毒症狀與濃度的關係如表1-1-5所示。
表1-1-5 硫化氫中毒症狀與濃度的關係
| 硫化氫濃度 /% | 主 要 症 狀 |
| 0.0025～0.003 | 有強烈臭味 |
| 0.005～0.01 | 1～2小時內出現眼及呼吸道刺激症狀,臭味“減弱”或“消失” |
| 0.015～0.02 | 出現噁心，嘔吐，頭暈，四肢無力，反應遲鈍。眼及呼吸道有強烈刺激症狀 |
| 0.035～0.045 | 0.5～1小時內出現嚴重中毒,可發生肺炎、支氣管炎及肺水腫，有死亡危險。 |
| 0.06～0.07 | 很快昏迷，短時間內死亡。 |
空氣中硫化氫的主要來源：有機物腐爛；含硫礦物的水解；礦物氧化和燃燒；從老空區和廢舊巷道積水中放出；我國有些礦區煤層中也有硫化氫湧出。
《規程》規定：井下空氣中硫化氫含量不得超過0.00066 %。
二氧化氮（NO2）
二氧化氮是一種褐紅色的氣體，有強烈的刺激氣味，相對密度為1.59，易溶於水生成HNO，對眼睛、呼吸道黏膜和肺部組織有強烈的刺激及腐蝕作用，嚴重時可引起肺水腫。二氧化氮中毒有潛伏期，有的在嚴懲中毒時尚無明顯感覺，還可堅持工作。但經過6～24小時後發作，中毒者指頭出現黃色斑點，並出現嚴懲的咳嗽、頭痛、嘔吐甚至死亡。二氧化氮中毒症狀與濃度的關係如表1-1-6所示。
表1-1-6 二氧化氮中毒症狀與濃度的關係
| 二氧化氮 /% | 主 要 症 狀 |
| 0.004 | 2～4小時內可出現咳嗽症狀。 |
| 0.006 | 短時間內感到喉嚨刺激，咳嗽，胸疼。 |
| 0.01 | 短時間內出現嚴重中毒症狀，神經麻痹，嚴懲咳嗽，噁心，嘔吐。 |
| 0.025 | 短時間內可能出現死亡。 |
空氣中二氧化氮的主要來源：井下爆破工作。
《規程》規定：氮氧化合物不得超過0.00025 %。
二氧化硫（SO2）
二氧化硫為無色氣體，具有強烈的硫磺氣味及酸味，對空氣的相對密度為1.4337，易積聚在巷道底部。易溶於水。
礦內含硫礦物氧化、燃燒及在含硫礦物中爆破都會產生二氧化硫。含硫礦層也湧出二氧化硫。
二氧化硫能被眼結膜和上呼吸道黏膜的富水粘液吸收，刺激眼黏膜和鼻咽等黏膜；在潮濕的礦內，能與空氣中水分結合緩慢地形成硫酸（HSO），使其刺激作用更強。當空氣中濃度為0.3～l ppm時，健康人可由嗅覺感知，使呼吸道輕度收縮，呼氣中受阻，4～6 ppm時，則對鼻咽及呼吸道黏膜有強烈刺激作用。長時間在二氧化硫濃度為5～10 ppm(或更低)的環境中呼吸，可引起慢性支氣管炎，慢性鼻咽炎。呼吸道阻力增大、呼吸道炎症及肺泡本身受到二氧化硫破壞的結果，可導致肺氣腫和支氣管哮喘。吸入含高濃度的二氧化硫空氣，可引起急性支氣管炎，發生聲門水腫和呼吸道麻痹，濃度為400～500 ppm時可立即危及生命。
《規程》規定礦內空氣中二氧化硫最高容許濃度為0.0005 %。
氨氣（NH3）
氨氣為無色和有劇毒的氣體，對空氣的相對密度為0.9，易溶於水，對人體有毒害作用，《規程》規定，礦內最大容許濃度為0.004 %(30 mg/m)。但當其濃度達到0.0l %對就可嗅到其特殊臭味。氨氣主要在礦內發生火災或爆炸事故時產生。
瓦斯（CH4）
瓦斯的主要成分是甲烷（CH），甲烷是一種無色、無味、無臭的氣體，對空氣的相對密度為0.55，難溶於水，擴散性較空氣高1.6倍。雖然無毒，但當濃度較高時，會引起窒息。不助燃，但在空氣中具有一定濃度（5~16 %）並遇到高溫（650～750 ℃）時能引起爆炸。《規程》規定，工作面進風流中CH的濃度不能大於0.5 %，採掘工作面和採區的迴風流中CH的濃度不能大於1.0 %，礦井和一翼的總迴風流中，CH最高容許濃度為0.75 %。
氫氣（H2）
氫氣無色無味，具有爆炸性，在礦井火災或爆炸事故中和井下充電硐室均會產生，其最高容許濃度為0.5 %。
其它有害物質
礦內空氣除了上述有害氣體外，還含有其他一些有害物質，如在採掘生產過程中所產生的煤和岩石的細微顆粒(統稱為礦塵)。礦塵對礦內空氣的污染不容忽視。礦塵對礦井生產和人體都有嚴重危害。煤塵能引起爆炸；粉塵特別是呼吸性粉塵能引起礦工塵肺病。因此《規程》對作業場所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度作了如表1-1-7的規定。
表1-1-7作業場所空氣中粉塵濃度標準
| 粉塵中游離SiO含量 （%） | 最高允許濃度 / mg/m | |
| 總粉塵 | 呼吸性粉塵 | |
| <10 | 10 | 3.5 |
| 10～<50 | 2 | 1 |
| 50～<80 | 2 | 0.5 |
| ≥80 | 2 | 0.3 |
此外，井下小型空氣壓縮機產生的廢氣及使用柴油機的礦井柴油機排出的廢氣也都污染了礦內空氣，這些廢氣的主要成分為氮的氧化物，一氧化碳，醛類和油煙等。
礦內空氣的主要物理參數
密度
單位體積空氣所具有的質量稱為空氣的密度，用符號 ρ表示。空氣可以看作是均質氣體 。
比容
空氣的比容是指單位質量空氣所占有的體積，用符號(m/kg)表示，比容和密度互為倒數，它們是一個狀態參數的兩種表達方式。
在礦井通風中，空氣流經複雜的通風網路時，其溫度和壓力將會發生一系列的變化，這些變化都將引起空氣密度的變化。在不同的礦井其變化規律是不同的。在實際套用中，應考慮什麼情況下可以忽略密度的這種變化，而在什麼條件下又是不可忽略的。
粘性
當流體層間發生相對運動時，在流體內部兩個流體層的接觸面上，便產生粘性阻力（內摩擦力）以便阻止相對運動，流體具有的這一性質，稱作流體的粘性。例如，空氣在管道內以速度 u作層流流動時，管壁附近的流速較小，向管道軸線方向流速逐漸增大，如同把管內的空氣分成若干薄層，溫度是影響流體粘性的主要因素之一，但對氣體和液體的影響不同。氣體的粘性隨溫度的升高而增大；液體的粘性隨溫度的升高而減小。
比熱
為了計算熱力過程的熱交換量，必須知道單位數量氣體的熱容量或比熱。單位物量的氣體，升高或降低絕對溫度1 K時所吸收或放出的熱量稱為比熱。
比熱的單位取決於熱量單位和物量單位。表示物量的單位不同，比熱的單位也不同。通常採用的物量單位：質量(kg)、標準容積(Nm)和千摩爾(kmo1)。因此，相應的就有質量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。
質量比熱的符號 c，表示1 kg空氣高或降低1K時所吸收或放出的熱量，單位是J/（kg∙K）。
容積比熱的符號是 c′，表示1 Nm體積空氣升高或降低1 K時所吸收或放出的熱量，單位是J/（Nm∙K）。
摩爾比熱的符號是 C或 MC，表示1 kmol空氣升高或降低1K時所吸收或放出的熱量，單位是J/（kmol∙K）。
內能
內能是指氣體內部分子熱運動的內動能和由分子間相互吸引所產生的勢能的總和。質量為 m kg的氣體內能用 U表示，單位是kJ；單位質量的內能用 u表示，稱為比內能，單位為kJ/kg，即
u=U/m kJ/kg
空氣的動能決定於氣體的絕對溫度 T，動能越大，溫度越高；而氣體分子的內能則決定於分子間的距離，即決定於空氣的比容 v，故空氣的內能 u是 T和 v的函式，即 u= f （T ，v ）。內能是氣體狀態的參量之一，但它不是獨立的參量，它可由氣體狀態的基本參量 T和 v求出。因此，氣體的內能就是氣體在一定狀態下所具有的能量，這種能量的改變只決定於始末兩個狀態的改變。
井下空氣可視為理想氣體，而理想氣體是沒有勢能的，故井下空氣的內能和比容無關，只是絕對溫度的函式。
焓
焓是一個組合的狀態參數，是指一定狀態下的濕空氣的內能與流動功之和。
熵
熵是一個導出的狀態參數。對簡單可壓縮均勻系（即只有兩個獨立變數的熱力系）。
影響礦內空氣溫度的主要因素
（1） 岩石溫度 礦內空氣的溫度與岩石溫度直接相關。地表溫度是隨地面氣溫的變化而變化的，隨著深度的增加，地溫隨氣溫變化的幅度則逐漸減小，當達到一定深度時，地溫不再變化。岩層溫度的三帶：
變溫帶——隨地面氣溫的變化而變化的地帶。夏季岩層從空氣中吸熱而使地溫升高，冬季則相反；
恆溫帶——地表下地溫常年不變的地帶。恆溫帶的深度一般為20～30米，恆溫帶的溫度則接近於當地的年平均氣溫；
增溫帶——恆溫帶以下地帶。隨深度的增加成正比增加，不同深度處的岩層溫度可按式計算：
t = t+G ( Z － Z)
式中 t－恆溫帶處岩層的溫度，℃；
G－地溫梯度，即岩層溫度隨深度變化率，℃/m，常用百米地溫梯度，即℃/100 m；
Z－岩層的深度，m；
Z－恆溫帶的深度，m。
（2） 空氣的壓縮與膨脹 空氣向下流動時，由於空氣柱的增加，空氣受到壓縮而產生熱量，一般垂深每增加100 m，其溫度升高1 ℃；相反，空氣向上流動時，則又因膨脹而降溫，平均每升高100 m，溫度下降0.8～0.9 ℃。
（3）氧化生熱 礦井內的有機礦物、坑木、充填材料、油垢、布料等都能氧化發熱。例如，經氧化生成2 g二氧化碳時，可使1 3 m空氣升溫14.5 ℃。在煤層中的采準巷道，暴露煤面氧化產生的熱量較大，故回採工作面是通風系統中溫度最高的區段。
（4） 水分蒸發 水分蒸發時從空氣中吸收熱量，使空氣溫度降低。每蒸發一克水可吸收0.585千卡的熱量，能使1 m空氣降溫1.9 ℃，可見水的蒸發對降低氣溫起著重要的作用。
（5）通風強度(指單位時間進入井巷的風量) 溫度較低的空氣流經巷道或工作面時，能夠吸收熱量，供風量越大，吸收熱量越多。因此，加大通風強度是降低礦井溫度的主要措施之一。
（6）地面空氣溫度的變化 地面氣溫對井下氣溫有直接影響，尤其是較淺的礦井，礦內空氣溫度受地面氣溫的影響更為顯著。
（7）地下水的作用 礦井地層中如果有高溫熱泉，或有熱水湧出時，能使地溫升高，相反，若地下水活動強烈，則地溫降低。
（8）其它因素 如機械運轉以及人體散熱等都對井下氣溫有一定影響。特別是隨著機械化程度的不斷提高，機械運轉所產生的熱量不能忽視。
礦內空氣的濕度
礦內空氣濕度是指礦內空氣中所含水蒸汽量 。
濕度的表示方式
空氣的濕度表示空氣中所含水蒸氣量的多少或潮濕程度，表示空氣濕度的方法有絕對濕度、相對濕度和含濕量三種。
絕對濕度 指單位容積或單位質量濕空氣中含有水蒸汽的質量，用表示。其單位與密度的單位相同，其數值等於水蒸汽在其分壓力與溫度下的密度。在溫度不變的條件下，單位體積空氣所能容納的水蒸汽分子數是有一定限度的，超過這一限度，多餘的水蒸汽就會凝結出來。這種含有最大限度水蒸汽量的濕空氣叫做飽和空氣；其所含水蒸汽量叫飽和濕度，用表示，此時的水蒸汽分壓力叫做飽和水蒸汽壓力，用 P表示。
影響濕度的因素
(1)地面濕度隨季節變化較大，陰雨季節濕度較大，夏季相對濕度較低，但氣溫較高，冬季相對濕度較大，但氣溫較低，絕對濕度並不太高。地面濕度除受季節影響外，還與地理位置有關，我國濕度分布，沿海地區較高(平均為70～80%)，向內陸逐漸降低，西北地區達最低值(平均為30～40 %)。
(2)當礦井湧水量較大或滴水較多，由於水珠易於蒸發，則井下比較潮濕，一般金屬礦山井下濕度在80~90%左右。在鹽礦，湧水較小，且鹽類吸濕性較強，相對濕度一般為15～25 %。
