1　前　言
　　机掘工作面通风是为了稀释和排出掘进过程中煤（岩）体涌出的有害气体、矿尘及保持良好的气候条件。根据文献［1］，目前，机械化掘进工作面的通风量主要是按断面风速来给机掘工作面配风，而对于评价掘进工作面通风质量好坏还没有一个评价指标。机掘工作面工人作业时间长，劳动强度大，如果长时间呼吸质量较差的井下空气，势必对健康有严重的影响。一个成年人平均每天要呼吸一万升空气，如按每天井下工作8小时计，一天要呼吸3330升井下空气，这些井下空气直接进入表面积为(60～80)m2的肺泡里进行体内交换。可见，在矿井内，矿工在如此长的呼吸时间，如此大的接触面积，其空气质量对人体健康的影响是非常重要的问题。本文提出了保证机掘工作面有效通风的评价指标——换气效率(air exchange efficiency)、排污效率(ventilation efficiency)和空气品质（air quality），为评价机掘工作面通风有效性提供了一种新的理论依据。
　　
2　有效通风指标概念及其计算
　　从职业安全与卫生和劳动保护的角度出发，机掘工作面通风不仅要满足稀释和排出掘进过程中煤（岩）体涌出的有害气体，并要使矿尘达到安全浓度，而且要保证掘进工作面作业空间环境有良好的空气品质。掘进作业空间空气更新的快慢如何？掘进作业空间污染物质被转移出去的迅速程度如何？怎样保证掘进作业空间良好的空气品质?这都涉及通风有效性问题。有效通风，是从传统的“以环境安全为本”转向“以人的健康为本”的战略问题。有效通风是指保证掘进作业空间环境安全而卫生的通风，评价有效通风的指标主要有换气效率、排污效率和空气品质。而它们主要取决于掘进作业空间的气流分布特性、污染物散布特性及二者之间的相互关系。换气效率和排污效率首先决定于气流分布，而气流分布特性是用掘进作业空间某点空气或全部空气被更新的时间为其评价指标，该指标即是空气年龄（air age）［2］。
　　
2.1　空气年龄
2.1.1　空气质点的空气年龄（简称空气年龄）t
　　空气质点的空气年龄是指空气质点自进入掘进作业空间起至到达作业空间某点所途经的时间。因此，空气质点的空气年龄是空气质点与作业空间点的双重函数。
2.1.2　局部平均空气年龄
　　局部平均空气年龄是同时到达某空间微小区域P（简称某空间点）的所有空气质点的空气年龄的平均值。同时到达某空间点的所有空气质点的空气年龄各不相同，长短不一，不同空气年龄的空气质点所占的份数符合一个分布AP(t),分布曲线见图1。对于一个给定的气流组织，这一分布是空间点的单值函数。局部平均空气年龄就是该点各空气质点的空气年龄t以AP(t)为权的加权平均值，即

图1　任意点空气年龄的频率分布　　空气质点在掘进作业空间运动过程中，会不断吸收污染物，使空气的新鲜程度下降。因此，局部平均空气年龄短的点，空气吸收污染物的机会少些，比较新鲜，换气能力就好。假定机掘工作面采用压入式通风方式，同时假定局扇风筒出风口的风流是新鲜的，则空气刚进入掘进作业空间时，空气年龄为零。
　　局部平均空气年龄的测量可采用以示踪气体为媒介的间接测量方法，即通过测量某空间点的示踪气体浓度，经计算得到局部平均空气年龄。其关键是找出局部平均空气年龄与示踪气体浓度的关系。见图2。

图2　示踪气体浓度与空气年龄关系　　在局扇送风风筒内发生示踪气体，并使之在到达风筒出风口之前得以充分混合。从0时刻开始送入掘进作业空间内，作业空间浓度会逐渐升高，并最终达到平衡。在要考察的区域内均匀布置测点，连续或间断进行各点浓度采样，可计算出局部平均空气年龄。
　　假定局扇送入的空气质点中的示踪气体在质点运动中不扩散，即空气质点中示踪气体浓度始终等于送风浓度CS。而0时刻作业空间内浓度为0。
　　如图2，τ=0时，A质点恰好在局扇风筒出风口处；B质点在A质点上游任一点处，从B质点的位置运动到A质点的位置所需时间为ΔT1；C质点在掘进作业空间内任一点处，τ=0时，其空气年龄为ΔT2。在时刻T三质点正好同时到达空间点P，此时A的空气年龄tAP=T，B的空气年龄tBP=T-ΔT1；C的空气年龄tCP=T+ΔT2；如P点的空气年龄分布函数为AP(τ)，则A质点所占质量份数为AP(T)，B的为AP(T-ΔT1)，C的为AP(T+ΔT2)。可见，在T时刻，空气年龄≤T的空气质点在τ=0时都在局扇风筒内，即其浓度都为CS；而空气年龄>T的在τ=0时都在掘进作业空间内，因此，浓度为0。所以，T时刻到达P点的各空气质点所含的示踪气体浓度Cpi(t)与空气质点的空气年龄t有关，可表达为：

　　所以，T时刻P点的示踪气体浓度

　　因为AP(t)=C′P(t)/CS　　（4）
　　所以式（1）可变为：

2.1.3　作业空间平均空气年龄
　　作业空间平均空气年龄就是整个作业空间各点的局部空气年龄的平均值。即

式中，Ce(t)—t时刻，P点的示踪气体浓度；V—作业空间体积,m3;L—送风量（单位时间的换气量），m3/min。
　　根据文献［3］，置换作业空间全部现存空气的时间τγ（即换气时间）是作业空间平均空气年龄的2倍，即

　　空气通过作业空间最短时间是作业空间体积V与单位时间换气量L之比，即换气次数的倒数，定义为名义时间常数τn：

τn=V/L=1/n　　（8）

式中，n—换气次数，min-1。
　　空气质点在作业空间运动的过程中，会不断吸收污染物，使空气的新鲜程度下降。因此，局部平均空气年龄短的点，空气吸收污染物的机会少些，比较新鲜。可以用局部平均空气年龄来定义换气效率。
　　
2.2　换气效率
　　换气效率是衡量换气效果优劣的一个指标，是气流自身的特性参数，与污染物无关。考察点的换气效果的优劣取决于该点的局部平均空气年龄。因此，换气效率可定义为理论上最短的换气时间tn与实际换气时间tγ之比，即换气效率ηα：

　　显然，换气效率随换气时间τγ的增长而降低。根据文献［3］，一般压入式射流通风ηα=50%。当换气效率在50%以上时，均有较好的换气效率。
　　
2.3　排污效率
　　排污效率是反映通风对污染物排除能力的指标。对相同的污染物发生量与送风量，能维持较低的稳态作业空间浓度，或较快地把作业空间的原始浓度降低的气流组织，其排污效率就高。排污效率除了与通风风流流场有关即与换气效率有关外，还与污染物的特点（如污染物的位置、污染物的密度等）有关。因此，排污效率可定义为移出掘进作业空间污染物的迅速程度。即

式中，CP—掘进作业空间回风流污染物浓度；—作业空间平均污染物浓度。
　　式（10）是以送风风流污染物浓度C0=0为条件，若C0≠0，则

　　排污效率也可用空气年龄和污染气流排出时间来表示。根据质量守恒原理，可以列出下面的等式：

式中，cP—污染气流排出时间；Vc—单位时间污染物发生量。
　　用换气量除式（12），并代入Vc/L=CP的关系，可得：

3　作业空间空气品质
　　假定掘进工作面局扇风筒出口的空气是完全新鲜的，随着风流在掘进作业空间的流动，不断被污染物污染，空气的新鲜程度下降。可用矿井空气品质来描述井下某空间点的空气质量。对此，可作如下定义：掘进工作面空气品质是描述掘进作业空间空气新鲜程度的一种指标。它具有动态性，随时间、空间的变化而变化，不同地点及空间环境，其空气品质不相同，影响掘进作业空间空气品质的因素主要有空气年龄及污染物浓度。掘进作业空间的空气品质等于空气年龄与污染物浓度的乘积。
　　局部空气品质Ai可用下式表示：

式中，Ci—i点的空气污染物浓度，mg/m3；—i点局部平均空气年龄，min。
　　作业空间（掘进面）空气品质A可用下式表示：

式中，—掘进空间平均污染物浓度，mg/m3，—作业空间平均空气年龄，min。
　　由此可见，空气品质与污染物浓度及空气年龄成正比，即空气年龄越大，吸收污染物的机会越多，空气品质就越差；污染物浓度越大，空气品质就越差。显然，局扇风筒出口的空气品质为0，空气最新鲜，即空气品质最好。
　　
4　结　论
　　1)　有效通风是对掘进工作面环境重要性认识的不断加深而提出的新思想、新概念。是认识矿井空气环境的一种科学的方法，是环境安全转向以人为本的健康环境观念的转变，换气排污效率及空气品质是评价其掘进作业空间通风有效性的重要指标。
　　2)　掘进作业空间空气品质与掘进工作面污染物浓度和空气年龄有关。空气年龄可用示踪气体为媒介，进行测量。要保证良好的空气品质，一方面要减少污染物的发生量，对于机械掘进工作面来说，有害气体的发生量难以控制，主要要控制掘进时的发尘量，采取一些诸如矿体注水及喷雾降尘等措施，同时要使局扇风流的吸风点处于较新鲜位置，从而保证掘进作业空间的进风流空气的新鲜。
　　3)　机掘工作面换气效率不仅与局扇送风量有关，而且与掘进作业空间内空气流动形态、气流组织等因素有关。对于在掘进工作面工作的人员来说，应充分利用新鲜空气。一般情况下，空气年龄越小，空气品质越高。为了创造良好的职业安全和劳动保护的工作环境，在掘进通风气流组织上，应合理布置送风口的位置、合适的风量和风速，尽量使工作人员处于新鲜风流中，从而保证作业人员工作区的空气品质。
　　4)　掘进作业空间的排污效率，除了与通风风流流场有关即与换气效率有关外，还与污染物的特点（如污染物的位置、污染物的密度等）有关。因此，降低污染物发生率和实施合理的掘进通风气流组织，有利于提高其排污效率。
　　5)　从矿井生产安全的角度考虑，目前的掘进通风方式主要是以稀释作业空间生产过程中产生的污染物，并使其达到安全浓度；而从职业安全和劳动保护角度考虑，作业空间的空气品质更为重要。前者是创造良好的安全环境，主要是对安全而言；后者是创造良好的职业安全和劳动保护的工作环境，主要是对人的安全与健康而言。

*国家自然科学基金资助项目，批准号：59974022
作者简介：王海桥　副教授，现任湖南省湘潭市湘潭工学院资源工程系通风空调教研室主任。1983年毕业于阜新矿业学院。主要从事通风与安全的教学与科研工作，主持或参与的省部级课题3项。在中国安全科学学报、煤炭学报等刊物上公开发表论文20余篇。
作者单位：湘潭工学院
作者地址：湖南省湘潭工学院资源工程系；邮编：411201 参考文献

　　1　赵以蕙主编. 矿井通风与空气调节. 徐州:中国矿业大学出版社,1990.
　　2　王海桥.矿井风流年龄与矿井空气品质分析.中国安全科学学报，1998,8（5）：24～27.
　　3　Mats Sandburg.What′s ventilation efficency.Building and Environment,1981,16(2):123～135.
　　4　Martin W.Liddament.A review and bibliography of ventilation effectiveness-definitions,measurement, design and calculation.
　　5　Wang Haiqiao,Shi Shiliang. Grey interrelated evaluation of indoor air quality in buildings.International Symposium on Building and Urban Environmental Engineering，‘97，Tianjin，P.R.China，1997.9.
　　6　施式亮、王海桥.掘进工作面作业环境评价模型及应用.矿冶工程，1998(3).