一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统技术方案

本发明专利技术涉及一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，属于隧道有毒有害气体的监测技术领域。该系统包括监测系统、通风系统、喷雾系统、PLC控制系统和监控中心；PLC控制系统与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。本发明专利技术克服了人工实时监测的控制手段单一、控制滞后、效率低且等不足，实现了实时自动监测和处理隧道内有毒有害气体。

【技术实现步骤摘要】
一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统
本专利技术隧道有毒有害气体的监测
，涉及一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统。
技术介绍
穿山隧道是山岭地区修建公路和铁路的重要组成部分，在煤炭生产地区穿山隧道难免需要穿越煤系地层，隧道在开挖时会破坏地质结构，容易产生大量有毒有害气体，如瓦斯(CH4)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)等天然气体。特别是在地下隧道施工过程中，自然风和交通风对隧道内空气的置换能力差，而施工又容易破坏土地导致地底有害气体泄漏，导致以下两种情况：一是当有毒有害气体存在浓度超标时，施工人员具有中毒风险；二是当硫化氢、瓦斯等可燃性气体发生燃烧、爆炸时，对施工人员造成伤害的风险。然而国内外关于瓦斯和硫化氢灾害防治的研究主要集中在煤矿开采领域，而隧道领域的相关研究还比较缺乏。对穿越煤系地层隧道施工期高瓦斯高硫化氢的处治主要有以下三方面：(1)超前钻孔预抽预排，降低煤层瓦斯压力，减少煤层瓦斯涌出量；(2)加强施工通风，降低隧道内空气中的瓦斯硫化氢浓度；(3)掌子面喷洒碱液或生石灰，中和空气中硫化氢。由于我国煤层透气性很低，压力很小，有毒有害气体越难抽出，同时超前钻孔预抽预排时间长、难以达到预期效果，导致穿越煤系地层隧道对瓦斯和硫化氢灾害的防治更多依靠加强施工通风和掌子面喷洒碱液或生石灰。同时，除瓦斯和硫化氢外，隧道内有毒有害气体种类还很多，采用常规监测手段太过单一、效率低下、占用场地空间且能耗偏高等不足。因此，为确保隧道施工的安全，及时对隧道中有害废气的质量浓度进行监测、预警、喷雾和通风控制，亟需一种穿越煤系地层隧道有毒有害气体的监控和与综合处治系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，用于确保隧道施工的安全，及时对隧道中有害废气的质量浓度进行监测、预警、喷雾和通风控制，克服人工实时监测的控制手段单一、控制滞后、效率低且效果不明等不足。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，包括监测系统、通风系统、喷雾系统和PLC控制系统；所述PLC控制系统分别与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；所述监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；所述通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。优选的，所述监测系统包括各种传感器，具体包括硫化氢传感器1、CO传感器5、瓦斯传感器4和风速传感器3；所述硫化氢传感器1、CO传感器5、瓦斯传感器4和风速传感器3等均安装于掌子面后5～10m处、隧道中部、隧道进出口、衬砌前端及回风点等处，同时各传感器根据气体密度、吊点位置、骨架支撑和接线走向等设置悬挂位置，瓦斯的密度比空气密度小，传感器宜自由悬挂在拱顶以下250mm，硫化氢气体密度比空气密度大，硫化氢传感器1悬挂在路面以上1.5m处，悬挂长度为100～150mm。CO传感器5宜固定在拱肩处，悬挂长度不小于250mm，通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度进行不间断监测。优选的，所述监测系统还包括无线传输模块和电源模块。优选的，所述通风系统包括射流风机2、变频器和通风管；所述通风系统通过变频器改变交流电机供电的频率和幅值来改变射流风机的转速，射流风机纵向通风，固定在拱肩处。优选的，所述喷雾系统包括全断面净化喷雾；所述全断面净化喷雾包括(高压雾化)喷嘴6、喷雾架7和吸收液，并通过(高压雾化)喷嘴6喷射吸收液来吸收硫化氢，此处高压雾化喷嘴的工作原理就是在压力下的流动吸收液以很快的速度从喷嘴口喷射出来，将气体压力转化为动力，使周围气体流动的比率增强，压力式加湿空气雾化喷嘴经过空气和吸收液之间的相互摩擦产生雾化，从而达到全断面净化硫化氢的效果；所述全断面净化喷雾宜设置在掌子面后一定距离处以及各射流风机2出风口后一定距离的位置处。优选的，所述喷雾系统还包括变频器、加压装置10、吸收液供应泵站、供液管路8、双功能水表和水质过滤器等。优选的，所述PLC控制系统包括模糊控制器；所述PLC控制系统采取自动变频模式，通过传感器传输的高瓦斯高硫化氢浓度，在模糊控制器中进行模糊控制处理和逻辑比较，当其中任何一种有毒有害气体浓度达到预先设定的最低浓度时，控制信号就会对变频控制单元发送指令，提高被控对象的运行频率，随着有害物质浓度的增加，被控对象运行的频率会越来越高，如果被控对象的频率达到最大时仍不能满足要求则进行报警；反之，随着浓度的降低，被控对象运行的频率会越来越低，风量会越来越小，直至风速降至最小风速设定值；其中，被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。进一步，所述模糊控制器的分析计算步骤包括：S1：模糊控制器根据预设的给定值与现场传感器采样的实际浓度精确值进行计算，得出偏差值e和偏差变化率ec两个偏差信号；此处被控制量指浓度值、风速值。S2：将两个偏差信号进行模糊化，计算出实际浓度的隶属度和模糊量；S3：将两个偏差信号的模糊量用相应的模糊语言表示，从而得到模糊语言的一个子集，再由子集按照一定的模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u；S4：为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊控制量u进行非模糊化处理转换为精确数字量，然后经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制；最后进行二次采样，完成后续循环控制，使被控对象具有良好的动静态性能；其中，执行机构为变频器，被控对象为射流风机和泵送站内置的加压装置。优选的，该系统还包括监控中心，具体包括显示器、报警器、输入端、输出端和人工控制系统；所述监控中心用于接收PLC控制系统上传的信号；所述显示器用于显示PLC控制系统计算、分析和判断的各种参数值；所述输出端和人工控制系统用于根据现有的参数进行人工操作，从而通过输出端再反馈给PLC控制系统；所述报警器根据PLC控制系统判断的结果进行报警。本专利技术的有益效果在于：本专利技术能够克服人工实时监测的控制手段单一、控制滞后、效率低且效果不明等不足。本专利技术与其它现有监测方法相比，对于有毒有害气体可监测的种类增加，其原理则以各种气体的浓度值为指标，通过对监测数据进行分析判断，并通过报警和远程自动控制系统，采取最合理的方式降低施工隧道内各气体浓度的含量，以解决开挖过程中有毒有害气体泄漏，从而威胁施工人员的安全。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，其特征在于，该系统包括监测系统、通风系统、喷雾系统和PLC控制系统；/n所述PLC控制系统分别与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；所述监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；所述通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种穿煤隧道施工期有毒有害气体监控与综合处治系统，其特征在于，该系统包括监测系统、通风系统、喷雾系统和PLC控制系统；
所述PLC控制系统分别与监测系统、通风系统和喷雾系统连接；所述监测系统通过传感器对隧道内有毒有害气体浓度和风速进行不间断监测，并将监测结果实时传输给PLC控制系统，PLC控制系统根据气体浓度大小及对应传感器位置、隧道风速进行分析计算，得出分别控制信号；所述通风系统或喷雾系统根据PLC控制系统的控制信号进行对应位置的风速大小或喷雾大小的调节。


2.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述监测系统包括各种传感器，具体包括硫化氢传感器(1)、CO传感器(5)、瓦斯传感器(4)和风速传感器(3)；
所述硫化氢传感器(1)、CO传感器(5)、瓦斯传感器(4)和风速传感器(3)均安装于掌子面后5～10m处、隧道中部、隧道进出口、衬砌前端及回风点处，同时各传感器根据气体密度、吊点位置、骨架支撑和接线走向设置悬挂位置。


3.根据权利要求2所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述监测系统还包括无线传输模块和电源模块。


4.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述通风系统包括射流风机(2)、变频器和通风管；所述通风系统通过变频器改变交流电机供电的频率和幅值来改变射流风机的转速，射流风机纵向通风，固定在拱肩处。


5.根据权利要求1所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述喷雾系统包括全断面净化喷雾；所述全断面净化喷雾包括喷嘴(6)、喷雾架(7)和吸收液，并通过喷嘴(6)喷射吸收液来吸收硫化氢，所述全断面净化喷雾设置在掌子面后一定距离处以及各射流风机(2)出风口后一定距离的位置处。


6.根据权利要求5所述的监控与综合处治系统，其特征在于，所述喷雾系统还包括变频器、加压装置(10)、吸收液供应泵站、供液管路(8)和水质过滤器。

【专利技术属性】
技术研发人员：马小军，程亮，张虎发，张丹峰，蔡爽，孙小雷，李科，张学强，李鹏辉，
申请(专利权)人：青海省交通建设管理有限公司，招商局重庆交通科研设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：青海;63