CN103233763B - 一种地下工程施工期有害气体监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地下工程施工期有害气体监测系统及方法，通过有害气体监测装置和监测结果分析装置对有害气体进行监测和分析，有害气体监测装置和监测结果分析装置是通过无线信号通信，其中，有害气体监测装置包括传感器探头列阵、模数转换电路模块、单片机模块和数据发送模块，上述各子装置通过有线电路依次连接；监测结果分析装置包含岩层地质分析模块、数据接收模块、有毒有害气体判断模块、有毒有害气体污染趋势分析模块、应急抢险模块，各模块之间信息的传递是采用无线通信的方法。本发明通过一定的监测装置和方法来判断是否存在有毒有害气体，并监测有毒有害气体的浓度、分布、预测今后一段时间内浓度的变化和进行应急抢险。

Description

一种地下工程施工期有害气体监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种环境监测与预警的系统与方法，具体地说是涉及一种地下工程（例如隧道）在施工过程中的空气质量实时监测、预警、排险的系统和方法。

背景技术

近年来我国的地下工程的建设逐渐增多，很多工程所穿越的地层状况复杂，其中可能含有大量的甲烷、N0₂、CO、SO₂等有毒有害气体，这些气体将会给施工人员的安全带来巨大的威胁，对工程的进度也会造成严重的影响。目前国内已有一些对于地下工程环境监测的专利出现，例如ZL201220007010.4和ZL201210206491.6等，但它们不同程度的具有一定的问题。例如ZL201220007010.4它是一个环境监控车，无法对地下工程做到实时监控；ZL201210206491.6是一个环境监控的系统，但这一系统仅仅具有对地下工程的环境监测的作用，当地下工程的环境出现问题时并没有提到采用什么样的解决方法，这一专利仅仅讲述的是一种思想，未见主要的监测设备的设计。 在论文《台子山隧道有害气体防治》一文中，讲述的监测办法是人工监测，无法做到实时性，同时它所提到的压风装置的作用是增加施工区域的压力，使得岩层中的有害气体难以溢出。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可以实时监测、预警、污染趋势预测和处险的地下工程施工期有害气体监测系统及方法，在保证施工人员安全的基础上又保证了工期。

技术方案：一种地下工程施工期有害气体监测系统，主要由有害气体监测装置、监测结果分析装置和通风装置组成，有害气体监测装置和监测结果分析装置是通过无线信号通信，其中，有害气体监测装置包括，装置本体，吸气泵，进气管，传感器探头列阵，模数转换电路模块，单片机模块以及数据发送模块，上述装置中的各组成部分之间通过有线电路相连接；监测结果分析装置包含岩层地质分析模块、数据接收模块、有毒有害气体判断模块、有毒有害气体污染趋势分析模块以及应急抢险模块，各模块之间信息的传递是采用无线电通信的方法实现的。

岩层地质分析模块用于分析要施工区域的岩层地质状况，根据岩层地质状况控制有害气体监测装置中传感器探头列阵中探头是否工作与有害气体监测仪布置的截面位置。

所述装置本体一端设有可360度旋转的底盘，所述进气管的数量为三个，三个进气管均匀地设置在装置本体的端部底盘上，进气管的进气口穿出底盘外置在装置本体端部的外部，进气管的外置长度为10CM，直径为2.5CM，进气管进气口的内部设有过滤网，用于将吸进来的空气进行过滤，留下烟尘；三个进气管出气口均连接到吸气泵的吸气口上，吸气泵安装在底盘内，吸气泵在吸气时，三根进气管和吸气泵可以随着底盘进行顺时针旋转，转数为6r/min，旋转3周，这样的好处在于可以将有害气体监测装置附近的各个方向的气体全部吸进有害气体监测装置内部，使得取样更为普遍，监测数据更为精确。

所述外置在装置本体端部外侧的进气管上设有螺丝咬合接口，可以通过旋转进气管将其与装置本体分离，以便清除其内部过滤网上的灰尘。

所述传感器探头列阵设在装置本体内部，传感器探头列阵的感应端靠近吸气泵，另一端靠近设在装置本体侧壁上的排气孔；传感器探头列阵的输出端与模数转换电路模块的输入端连接，传感器探头列阵通过密闭隔板与模数转换电路模块隔开，使得传感器探头列阵所处的区域大致上是一个封闭的区域，气体由吸气泵吸进这一区域，由排气孔排出这一区域。

传感器探头列阵：本装置内的传感器探头列阵可以监测诸如SO₂、NO₂、H₂S等有害气体，该传感器均为电化学传感器。

所述模数转换电路模块将传感器探头列阵传递来的电信号转换后传递给单片机模块进行计算处理。

所述数据发送模块将单片机处理过的数据压缩发送至数据接收模块；数据接收模块传递来的数据进行解包处理，并将解包处理的数据发送给有毒有害气体判断模块。

所述有毒有害气体判断模块根据接收到的数据，根据有害气体的种类、浓度相关数据进行工程施工安全性评估，并将评估结果数据中超标的数据发送至有毒有害气体污染趋势分析模块。

所述有毒有害气体污染趋势分析模块接收有毒有害气体判断模块的数据，依据地下工程内的空间情况和空气流动情况进行空气状况预测，预测超标数据会对地下工程污染的程度与范围作出评估，并将评估结果发送给应急抢险模块。

所述应急抢险模块根据有毒有害气体污染趋势分析模块的预测结果关闭相应出现污染的区间两端的密闭门，将受到污染的区域形成一个密闭的区间，同时对所述污染的区间采用混合通风方式（因为每一区间距离长度为500米，是混合通风的理想长度），有毒有害气体污染趋势分析模块启动通风装置；所述通风装置包括吸气装置和排气装置，所述吸气装置内安装有过滤网；所述排气装置内安装活性炭，用于吸附洞内的有毒有害气体，以免将有毒气体排出洞外污染外面的空气。

一种地下工程施工期有害气体监测方法，包括如下步骤：

步骤1：利用岩层地质分析模块分析要施工区域的岩层地质状况，以确定地下工程施工期有害气体监测系统中传感器探头列阵中探头的种类与有害气体监测装置的截面位置，这一种布置方法依据工程中对于重点区域重点监测的原则；其次在地下工程每前进500米后布置一组有害气体监测装置（一组有害气体监测装置包括3-5个有害气体监测装置）和一通风装置；每一断面中的有害气体监测装置分上中下三层分布，最上层布置在顶拱，中层布置在距地1.6m—1.8m处两侧，因为这一高度更接近于人体口鼻的高度，这一高度气体浓度的大小对人体的危害极大，下层布置在距地面0.3米处，这一高度有利于空气质量监测仪的工作（空气检测仪工作时三根进气管会随着底盘进行顺时针旋转，所以必须距离地面有一定高度，0.3米是经过实际操作得出的较为理想的高度），三个不同高度层的有害气体监测装置可以更为全面的反映这一断面气体浓度的分布。

步骤2：在进行完步骤1之后，有害气体监测仪就可以工作。首先，三根进气管在吸气泵吸气时随着底盘进行顺时针旋转，将有害气体监测装置附近的各个方向的气体全部吸进装置本体内部，密闭隔板将传感器探头列阵和模数转换电路模块隔开，使得传感器探头列阵所处的区域大致上是一个封闭的区域，气体由吸气泵吸进这一区域，由排气孔排出这一区域；传感器探头列阵中的探头对吸入装置本体内部的进行气体数据采集，并将其转化成相应的电信号，电信号经模数转换后传递给单片机模块进行计算处理，单片机模块根据转换后的电信号的强弱计算采集到气体的浓度，并将计算结果传递给数据发送模块。上述过程的信息传递均是通过一根线缆传递。

步骤3：数据发送模块将计算结果数据压缩后发送给数据接收模块，数据接收模块将从有害气体监测装置传递来的数据进行解包并传递给有毒有害气体判断模块，该模块根据得到的有害气体的种类、浓度等相关数据进行工程施工安全性判断，如果安全输出判断结果，如果不安全则，将超标有害气体的浓度和种类发送给有毒有害气体污染趋势分析模块，执行步骤4。

步骤4：有毒有害气体污染趋势分析模块接收现在有毒有害气体的浓度和种类，依据地下工程的空间情况和空气流动情况（由风速监测仪测定）进行空气污染程度预测，并将预测结果发送给应急抢险模块。

步骤5：应急抢险模块根据有毒有害气体污染趋势分析模块的预测结果关闭相应出现污染的区间两端的密闭门，形成一个密闭的区间，同时启动通风装置，对这一出现污染的区间采用混合通风方式（因为每一区间距离长度为500米，是混合通风的理想长度），吸气装置和排气装置进行工作，吸气装置内安装2组过滤网，排气装置内安装活性炭，用于吸附洞内的有毒有害气体，以免有毒气体排出洞外污染外面的空气。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过外置的三组空气进气管和底盘的旋转，将各个方向的气体全部吸进有害气体监测装置内部，使得取样更为普遍，监测数据更为精确；有毒有害气体污染趋势分析模块可以在很大程度上预测污染的趋势，并作出预警和应急抢险措施，实现了地下工程有害气体的智能检测和处理。

附图说明

图1为本发明实施例的系统安装原理图；

图2为本发明实施例的有害气体监测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的有害气体监测装置下端的结构示意图；

图4为本发明实施例的密闭门的结构示意图；

图5为本发明实施例的排气装置的结构示意图；

图6为本发明实施例的吸气装置的结构示意图；

图7为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-6所示，地下工程施工期有害气体监测系统，包括有害气体监测装置1、监测结果分析装置、通风装置、风速检测仪2、密闭门3和报警装置4；其中，通风装置包括吸气装置5和排气装置6；将地下工程的每500米设为一个区间，本实施例中地下工程包括区间A20、区间B21、区间C22和待施工地段23（本实施例中的技术方案不涉及到待施工地段23），每一区间的两端各设一个密闭门3，密闭门3上设有应急逃生门30，以便于报警发出后未来得及逃离现场的施工人员逃脱危险，区间的顶拱上安装一风速检测仪2和一报警装置4；区间一端的顶拱上设有吸气装置5，另一端的两侧壁下部各安装一排气装置6；每一区间有害气体监测装置1；区间A20设有两组有害气体监测装置1，每一组有害气体监测装置1设置在同一断面；因区间A20内有一条裂隙贯穿本施工区域，因此在此裂缝附近布置第一组有害气体监测装置1，其中第一组有害气体监测装置1包括5个有害气体监测装置1，一个安装在区间顶拱上，两个分别安装在区间两侧壁的中部，距地1.6m—1.8m，剩余两个分别安装在距地0.3m处的区间两侧壁上；第二组有害气体监测装置1包括4个有害气体监测装置1，其中两个分别安装在区间两侧壁的中部，距地1.6m—1.8m，另两个分别安装在距地0.3m处的区间两侧壁上；区间B21和区间C22上各安装一组有害气体监测装置1，其安装方式和第一组有害气体监测装置1的安装方式一样。

有害气体监测装置1包括，装置本体10，吸气泵11，进气管12，传感器探头列阵，模数转换电路模块，单片机模块，以及数据发送模块，上述装置中的各组成部分之间通过有线电路相连接；监测结果分析装置包含岩层地质分析模块、数据接收模块、有毒有害气体判断模块、有毒有害气体污染趋势分析模块，以及应急抢险模块，各模块之间信息的传递是采用无线电通信的方法实现的。

岩层地质分析模块用于分析要施工区域的岩层地质状况，根据岩层地质状况控制有害气体监测装置1中传感器探头列阵中探头是否工作与有害气体监测仪布置的截面位置（通过岩层地质分析模块的分析，对重点区域重点监测，如图1中，第一组、第二组有害气体监测装置1的安装位置）；

装置本体10下端设有可360度旋转的底盘14，进气管12的数量为三个，三个进气管12均匀地设置在装置本体10的端部底盘14上，进气管12的进气口穿出底盘14外置在装置本体10端部的外部，进气管12的外置长度为10CM，直径为2.5CM，进气管12进气口的内部设有过滤网15，用于将吸进来的空气进行过滤；三个进气管12的出气口均连接到吸气泵11的吸气口上，吸气泵11安装在底盘14内的上端，吸气泵11在吸气时，三根进气管12和吸气泵11可以随着底盘14进行顺时针旋转，转数为6r/min，旋转3周。

外置在装置本体10端部外侧的进气管12上设有螺丝咬合接口16，可以通过旋转进气管12将其与装置本体10分离，以便清除其内部过滤网15上的灰尘。

传感器探头列阵设在装置本体10内部，传感器探头列阵的感应端靠近吸气泵11，另一端靠近设在装置本体10侧壁上的排气孔13；传感器探头列阵的输出端与模数转换电路模块的输入端连接，传感器探头列阵通过密闭隔板7与模数转换电路模块隔开，气体由吸气泵11吸进传感器探头列阵所在区域，由排气孔13排出这一区域。

模数转换电路模块将传感器探头列阵传递来的电信号转换后传递给单片机模块进行计算处理。

数据发送模块将单片机处理过的数据压缩发送至数据接收模块；数据接收模块传递来的数据进行解包处理，并将解包处理的数据发送给有毒有害气体判断模块。

有毒有害气体判断模块根据接收到的数据，根据有害气体的种类、浓度相关数据进行工程施工安全性评估，并将评估结果数据中超标的数据发送至有毒有害气体污染趋势分析模块。

有毒有害气体污染趋势分析模块接收有毒有害气体判断模块的数据，依据地下工程内的空间情况和空气流动情况进行空气状况预测，预测超标数据会对地下工程污染的程度与范围作出评估，并将评估结果发送给应急抢险模块。

应急抢险模块根据有毒有害气体污染趋势分析模块的预测结果启动相应的报警装置4，并关闭相应出现污染的区间两端的密闭门3，将受到污染的区域形成一个密闭的区间，同时对所述污染的区间采用混合通风方式，有毒有害气体污染趋势分析模块启动通风装置；吸气装置5内依次安装两个过滤网15；排气装置6内依次安装两层活性炭60，用于吸附洞内的有毒有害气体；通风装置持续工作30分钟后，发出信号给有害气体监测装置1，有害气体监测装置1进而再次启动吸气泵11等部件工作，进行有害气体的又一次检测。

如图7所示，地下工程施工期有害气体监测方法，包括如下步骤：

步骤1：利用岩层地质分析模块分析要施工区域的岩层地质状况，以确定地下工程施工期有害气体监测系统中传感器探头列阵中探头的种类与有害气体监测装置1的截面位置，这一种布置方法依据工程中对于重点区域重点监测的原则；

步骤2：在进行完步骤1之后，有害气体监测仪就可以工作；首先，三根进气管12在吸气泵11吸气时随着底盘14进行顺时针旋转，将有害气体监测装置1附近的各个方向的气体全部吸进装置本体10内部，密闭隔板7将传感器探头列阵和模数转换电路模块隔开，使得传感器探头列阵所处的区域大致上是一个封闭的区域，气体由吸气泵11吸进这一区域，由排气孔13排出这一区域；传感器探头列阵中的探头对吸入装置本体10内部的进行气体数据采集，并将其转化成相应的电信号，电信号经模数转换后传递给单片机模块进行计算处理，单片机模块根据转换后的电信号的强弱计算采集到气体的浓度，并将计算结果传递给数据发送模块。上述过程的信息传递均是通过一根线缆传递；

步骤3：数据发送模块将计算结果数据压缩后发送给数据接收模块，数据接收模块将从有害气体监测装置1传递来的数据进行解包并传递给有毒有害气体判断模块，该模块根据得到的有害气体的种类、浓度等相关数据进行工程施工安全性判断，如果安全输出判断结果，如果不安全则，将超标有害气体的浓度和种类发送给有毒有害气体污染趋势分析模块，执行步骤4；

步骤4：有毒有害气体污染趋势分析模块接收现在有毒有害气体的浓度和种类，依据地下工程的空间情况和空气流动情况（由风速检测仪2测定，风速检测仪2将检测到的空气流动数据发送给有毒有害气体污染趋势分析模块）进行空气污染程度预测，并将预测结果发送给应急抢险模块；

步骤5：应急抢险模块根据有毒有害气体污染趋势分析模块的预测结果，启动相应出现污染的区间的报警装置4，进一步关闭相应出现污染的区间两端的密闭门3，形成一个密闭的区间，同时启动通风装置，对这一出现污染的区间采用混合通风方式；通风装置持续工作30分钟后，发出信号给有害气体监测装置1，有害气体监测装置1进而再次启动吸气泵11等部件工作，进行有害气体的又一次检测，即重复步骤1-5，直到有害气体的浓度对施工人员没有任何危害，有毒有害气体污染趋势分析模块通过外部显示器或语音播放模块告知相关人员，危险以排除，可以继续施工。

Claims (6)

1.一种地下工程施工期有害气体监测系统，其特征在于：主要由有害气体监测装置、监测结果分析装置和通风装置组成，有害气体监测装置和监测结果分析装置是通过无线信号通信，其中，有害气体监测装置包括，装置本体，吸气泵，进气管，传感器探头列阵，模数转换电路模块，单片机模块，以及数据发送模块；

监测结果分析装置包含岩层地质分析模块、数据接收模块、有毒有害气体判断模块、有毒有害气体污染趋势分析模块以及应急抢险模块，各模块之间信息的传递是采用无线电通信的方法实现的；

所述岩层地质分析模块用于分析要施工区域的岩层地质状况，根据岩层地质状况控制有害气体监测装置中传感器探头列阵中探头是否工作与有害气体监测仪布置的截面位置；

所述装置本体一端设有可360度旋转的底盘，所述进气管的数量为三个，三个进气管均匀地设置在装置本体的端部底盘上，进气管的进气口穿出底盘外置在装置本体端部的外部，三个进气管出气口均连接到吸气泵的吸气口上，吸气泵安装在底盘内，吸气泵在吸气时，三根进气管和吸气泵随着底盘进行旋转；

所述传感器探头列阵设在装置本体内部，传感器探头列阵的感应端靠近吸气泵，另一端靠近设在装置本体侧壁上的排气孔；传感器探头列阵的输出端与模数转换电路模块的输入端连接，传感器探头列阵通过密闭隔板与模数转换电路模块隔开；

所述模数转换电路模块将传感器探头列阵传递来的电信号转换后传递给单片机模块进行计算处理；

所述数据发送模块将单片机处理过的数据压缩发送至数据接收模块；数据接收模块对传递来的数据进行解包处理，并将解包处理的数据发送给有毒有害气体判断模块；

所述有毒有害气体判断模块根据接收到的数据，根据有害气体的种类、浓度相关数据进行工程施工安全性评估，并将评估结果数据中超标的数据发送至有毒有害气体污染趋势分析模块；

所述有毒有害气体污染趋势分析模块接收有毒有害气体判断模块的数据，预测超标数据对地下工程污染的程度与范围作出评估，并将评估结果发送给应急抢险模块；

所述应急抢险模块根据有毒有害气体污染趋势分析模块的预测结果关闭相应出现污染的区间两端的密闭门，并启动通风装置。

2.如权利要求1所述的地下工程施工期有害气体监测系统，其特征在于：进气管的外置长度为10CM，直径为2.5CM，进气管进气口的内部设有过滤网；外置在装置本体端部外侧的进气管上设有螺丝咬合接口。

3.如权利要求1所述的地下工程施工期有害气体监测系统，其特征在于：传感器探头列阵中的传感器均为电化学传感器。

4.如权利要求1所述的地下工程施工期有害气体监测系统，其特征在于：所述通风装置包括吸气装置和排气装置，所述吸气装置内安装有过滤网；所述排气装置内安装活性炭。

5.一种地下工程施工期有害气体监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：利用岩层地质分析模块分析要施工区域的岩层地质状况，以确定地下工程施工期有害气体监测系统中传感器探头列阵中探头的种类与有害气体监测装置的截面位置；其次在地下工程每前进500米后布置有害气体监测装置和通风装置；

步骤2：三根进气管在吸气泵吸气时随着底盘进行顺时针旋转，气体由吸气泵吸进装置本体，传感器探头列阵中的探头对吸入装置本体内部的进行气体数据采集，并将其转化成相应的电信号，电信号经模数转换后传递给单片机模块进行计算处理，单片机模块根据转换后的电信号的强弱计算采集到气体的浓度，并将计算结果传递给数据发送模块；

步骤3：数据发送模块将计算结果数据压缩后发送给数据接收模块，数据接收模块将从有害气体监测装置传递来的数据进行解包并传递给有毒有害气体判断模块，该模块根据得到的有害气体的种类、浓度数据进行工程施工安全性判断，如果安全输出判断结果，如果不安全则，将超标有害气体的浓度和种类发送给有毒有害气体污染趋势分析模块，执行步骤4；

步骤4：有毒有害气体污染趋势分析模块接收现在有毒有害气体的浓度和种类，依据地下工程的空间情况和空气流动情况进行空气污染程度预测，并将预测结果发送给应急抢险模块；

步骤5：应急抢险模块根据有毒有害气体污染趋势分析模块的预测结果关闭相应出现污染的区间的两端的密闭门，形成一个密闭的区间，同时启动通风装置。

6.如权利要求5所述的地下工程施工期有害气体监测方法，其特征在于，步骤1地下工程每一断面中的有害气体监测装置分上中下三层分布，最上层布置在顶拱，中层布置在距地1.6m—1.8m处两侧，下层布置在距地面0.3米处。