CN107366550A - 一种矿井避难硐室氧气高效利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种矿井避难硐室氧气高效利用的方法，通过避难硐室人员定位系统可以实时监测避难硐室的人数和活动状态，根据人均需氧量和人员活动强度利用公式可计算出氧气实时需求量。在多个高压氧气瓶的汇流排末端安装一个氧气流量自动调节器，根据氧气实时需求量利用PID算法自动调节流量，完成氧气的大流量粗调。再根据氧气传感器监测到的氧气浓度进行微调，实现了氧气的精准调控和高效利用，当自动系统故障后仍可采用手动调节。此外，自动控制系统还能够通过调节避难硐室内空气净化机风机叶片的转速，结合二氧化碳传感器完成二氧化碳合理的消除，保障二氧化碳在合理的范围，进而间接保证氧气浓度的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧气高效利用的策略和方法，尤其是对煤矿井下避难硐室的氧气高效利用的方法。
背景技术
在煤矿的生产过程中，存在着各种不确定性因素，这就导致无法完全杜绝事故的发生。就现在的矿井救援系统来说，逃生与救援显得困难重重，在井下建立永久避难硐室、临时避难硐室，将受灾人员与灾难相隔离，为其提供临时躲避的安全场所，可以最大程度的减少人员伤亡，使得受灾损失降到最低，这是从煤矿事故发生之后角度出发而采取的一项十分重要并且有效的救援措施。避难硐室氧气是避难硐室最重要的环境参数，是避难硐室生命基本保障核心要素，如何保证避难硐室内氧气含量长时间的正常稳定成为重中之重。通常情况下，井下人员随身携带的自救设备(压缩氧自救器)只有40分钟的供氧时间，在这段时间内受灾人员很难脱离危险环境，所以避难硐室需要建立供气系统。常用供氧方式有空压机及高压氧气瓶供氧等，当井下和地面压风供氧瘫痪后，必须启用高压氧气瓶供氧，由于氧气瓶内的氧气有限，如何最大化的利用氧气十分必要和关键。
对于如何持续向硐室内供应氧气，目前已建成的避难硐室主要的办法是利用人工手动去释放氧气，操作者通过氧气浓度传感器上的数值时刻观察硐室内氧气浓度的变化，当浓度低于紧急避险系统里的规定值下限时，将人工手动启动氧气瓶释放氧气，当氧浓度升高到规定值上限时，再去关闭氧气瓶，如此反复进行。但这种方式缺陷较多，实际开始释放氧气后，避难硐室内的人员很难及时关闭氧气瓶，导致避难硐室内氧气浓度持续维持在较高水平，使得较高浓度的氧气排出室外，进而造成不必要的浪费，缩短了氧气可利用的时间，对于等待救援的受灾人员十分不利。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种矿井避难硐室氧气高效利用方法，既保证了受灾人员必需的氧气消耗，又避免了氧气的浪费，为抢救工作争取到了更多的时间。
技术方案：一种矿井避难硐室氧气高效利用方法，包括如下步骤：利用避难硐室人员定位系统获取避难硐室人数和人员活动状态，根据避难硐室人数和活动强度计算出氧气需求量，先通过自动控制系统对氧气浓度进行大流量粗调，根据避难硐室氧气传感器实时测定氧气浓度值，再通过自动控制系统对氧气浓度进行小流量微调，确保氧气浓度在预设范围，并通过控制空气净化风机叶片的转速调节避难硐室内二氧化碳的吸收速率，确保二氧化碳浓度在安全范围内。
进一步的，所述避难硐室人员定位系统为基于Zigbee、或超宽带UWB定位技术的人员定位系统。
进一步的，所述根据避难硐室人数和活动强度计算出氧气需求量U＝XY+K(V1+V2+V3+...+Vn)，其中X表示避难硐室人数，Y为单个人员静止状态下的平均耗氧量，K表示运动时耗氧系数，Vi表示第i个人员的运动速度。
进一步的，为了使避难硐室氧气保持定值，氧气释放量Q应维持在Q＝U/(1-C)，其中为C表示避难硐室氧气浓度维持标准值。
进一步的，根据不同时间目标节点的坐标变化计算出人员的运动速度。
进一步的，通过高压氧气瓶释放氧气时，首先根据所述氧气需求量U控制大流量粗调阀打开，当氧气释放量达到所述氧气需求量U时，切换到小流量微调阀控制氧气释放量速度，此时根据检测到的氧气实际浓度和目标浓度的差值，利用PID方法对微调阀进行控制。
进一步的，氧气需求量计算公式在一次使用完毕后重新校正，自动控制系统保存上一次使用时的数据K和Y，若上次实际氧气释放量为Q'，则校正后的K'＝KQ'/Q，Y'＝YQ'/Q，利用校正后的K'和Y'计算新一次的氧气需求量。
进一步的，所述高压氧气瓶包括两路输出，当自动控制系统发生故障后，关闭所述大流量粗调阀和小流量微调阀所在支路的截止阀，然后通过另一支路上的手动调节阀来调控氧气释放量。
进一步的，根据二氧化碳浓度利用PID算法对空气净化风机叶片的转速进行调整。
有益效果：本发明的一种矿井避难硐室氧气高效利用的法，当井下发生灾难，井下压风供氧系统和地面压风供氧系统瘫痪后，必须启动避难硐室内高压氧气瓶供氧。通过避难硐室人员定位系统得知避难硐室的人数和活动状态，根据人均需氧量和人员活动强度利用公式可计算出氧气需求量。通过自动控制系统对多个高压氧气瓶的汇流排末端安装的粗调阀和微调阀的配合控制，避免了反复手动调节，实现了氧气的高效利用，当自动系统故障后还可以采用手动调节。此外，自动控制系统还能够通过调节避难硐室内空气净化机风机叶片的转速，结合二氧化碳传感器完成二氧化碳合理的吸附，确保二氧化碳浓度在安全范围内，间接保证氧气浓度的稳定。此外，系统具有记忆功能，在二次使用前重新矫正人均需氧量系数等以达到更为合理的供氧、吸附二氧化碳的目的，校正偏差。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明方法所基于的自动控制系统结构示意图；
图3为本发明高压氧气瓶的汇流排末端阀门设置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种适用于避难硐室的氧气高效利用方法，避难硐室的人数及活动强度可由避难硐室人员定位系统获取，将避难硐室的人数及活动强度信息数据将传递给上位机，由上位机中设置的算法计算出避难硐室的氧气需求量。高压氧气瓶的汇流排末端安装有氧气流量调节器和截止阀，流量调节器由自动控制系统自动调节并根据避难硐室的氧气传感器检测到的氧气浓度进行微调，自动系统失效后仍可进行手动调节。空气净化机风机叶片的转速可根据避难硐室的CO2浓度自动调节。
其中，人员定位系统基于Zigbee、或超宽带UWB定位技术，由人员定位主站、参考站、目标节点组成。采用TDOA(TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL，到达时差)定位估计方法，设置4个参考站，参考站与主站间通过光纤连接并同一授时，四条光纤的长度和接口工艺必须保持一致，要保证时钟同步。人员定位系统根据此定位技术可准确确定每个目标节点的三维坐标，人员坐标信息实时传递给上位机，即可确定避难硐室内实际人数，并根据不同时间目标节点的坐标变化计算出人员的运动速度V。
氧气需求量计算方法为：用U表示氧气需求量，X表示避难硐室内人员总数，Y为人员静止状态下的平均耗氧量(L/min)，V1、V2、V3...Vn表示不同人员的运动速度(Km/h)，K表示运动时耗氧系数，则U＝XY+K(V1+V2+V3+...+Vn)。静止状态下成年男子耗氧量几乎无差异性，每分钟耗氧量约0.25L，低速运动中的成年男子额外耗氧量与体重及运动速度有关，基本与速度呈正比，耗氧系数K在0.16左右，每个煤矿的工人和环境不尽相同，本实施例仅提供该一个参考值。在高压氧气瓶供氧的过程中，室内压力会增高，同时室内的自动泄压装置会自动泄压，我们假定室内的压力保持一个定值，那么进气量应该与出气量相同。故避难硐室氧气含量要保持一个定值，那么供入的氧气的量应该等于人消耗掉的氧气量加上泄压排出去的氧气量。用Q表示氧气释放量，C表示避难硐室氧气浓度，则Q＝U+QC，即Q＝U/(1-C)＝[XY+K(V1+V2+V3+...+Vn)]/(1-C)。避难硐室氧气浓度C应在18.5％～23％之间，在上述计算公式中可取20.0％。
高压氧气瓶采用70L规格的氧气瓶，为满足紧急避险系统建设暂行规定中的要求，以100人96小时供养为基准则需36瓶。该36瓶采用高压金属软管串联汇总到主软管上，主软管末端安装流量调节器，如图2、图3所示，主软管末端分为两路，流量调节器安装在其中一条支路上，由粗调阀1、微调阀2以及截止阀4组成，另一条支路上安装有手动调节阀3。流量调节器受自动控制系统控制，自动根据上位机计算得到的氧气需求量Q将粗调阀1开启到合适位置。
氧气传感器采用GYH25煤矿用电化学式氧气传感器，其测量的氧浓度范围为0～25％。考虑到煤矿人员、避难硐室的差异及特殊情况的发生，先通过自动控制系统对氧气浓度进行大流量粗调，当氧气释放量达到氧气需求量U时，根据氧气传感器检测到的氧气浓度，利用PID调节自动将调节微调阀2进行小流量微调，确保氧气浓度在预设范围。自动控制系统失效后可以使用手动控制，关闭截止截止阀4，打开手动调节阀3，根据氧气传感器测得的氧气浓度实时人工调节。
避难硐室的空气净化风机采用LBAC-5型空气净化处理机，由机箱、防爆风机、料箱三部分组成，空气净化机风机叶片的转速根据室内检测到的CO2浓度利用PID调节法自动调节到合适位置，确保二氧化碳浓度在安全范围内。净化风机工作频率用H表示，CO2浓度用C’表示，则H＝a*C’+b，a与b的具体值与相应的净化风机参数有关。
氧气需求量计算公式可在一次使用完毕后重新校正，自动控制系统会保存上一次使用时的数据K和Y。若上次实际氧气释放量为Q'，则校正后的K'＝KQ'/Q，Y'＝YQ'/Q，利用校正后的K'和Y'计算新一次的氧气需求量。
本发明利用避难硐室人员定位系统数据，由算法得出井下人员的具体坐标位置从而可得知灾难发生后避难硐室内人员的数量，此外由三维坐标与时间差可准确算出每个人的运动速度，根据人员与运动速度大致可推算出人员在避难硐室内的实时需氧量。由计算得出的氧气需求量即可通过控制系统调节高压氧气瓶的氧气释放量，同时根据氧气传感器检测到的浓度进行适当的微调，使得避难硐室内氧气浓度始终维持在合理的水平，尽可能的减少氧气浪费，保证氧气的高效利用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，包括如下步骤：利用避难硐室人员定位系统获取避难硐室人数和人员活动状态，根据避难硐室人数和活动强度计算出氧气需求量，先通过自动控制系统对氧气浓度进行大流量粗调，根据避难硐室氧气传感器实时测定氧气浓度值，再通过自动控制系统对氧气浓度进行小流量微调，确保氧气浓度在预设范围，并通过控制空气净化风机叶片的转速调节避难硐室内二氧化碳的吸收速率，确保二氧化碳浓度在安全范围内。
2.根据权利要求1所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，所述避难硐室人员定位系统为基于Zigbee、或超宽带UWB定位技术的人员定位系统。
3.根据权利要求1或2所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，所述根据避难硐室人数和活动强度计算出氧气需求量U＝XY+K(V1+V2+V3+...+Vn)，其中X表示避难硐室人数，Y为单个人员静止状态下的平均耗氧量，K表示运动时耗氧系数，Vi表示第i个人员的运动速度。
4.根据权利要求3所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，为了使避难硐室氧气保持定值，氧气释放量Q应维持在Q＝U/(1-C)，其中为C表示避难硐室氧气浓度维持标准值。
5.根据权利要求3所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，根据不同时间目标节点的坐标变化计算出人员的运动速度。
6.根据权利要求4所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，通过高压氧气瓶释放氧气时，首先根据所述氧气需求量U控制粗调阀打开，当氧气释放量达到所述氧气需求量U时，切换到微调阀控制氧气释放量速度，此时根据检测到的氧气实际浓度和目标浓度的差值，利用PID方法对微调阀进行控制。
7.根据权利要求4所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，氧气需求量计算公式在一次使用完毕后重新校正，自动控制系统保存上一次使用时的数据K和Y，若上次实际氧气释放量为Q'，则校正后的K'＝KQ'/Q，Y'＝YQ'/Q，利用校正后的K'和Y'计算新一次的氧气需求量。
8.根据权利要求6所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，所述高压氧气瓶包括两路输出，当自动控制系统发生故障后，关闭所述大流量粗调阀和小流量微调阀所在支路的截止阀，然后通过另一支路上的手动调节阀来调控氧气释放量。
9.根据权利要求6所述的矿井避难硐室氧气高效利用方法，其特征在于，根据二氧化碳浓度利用PID算法对空气净化风机叶片的转速进行调整。
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