CN108225996B - 矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法及测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法及测试系统。根据现场的呼吸尘浓度传感器和风流分布规律获取工作面的呼吸尘浓度分布规律，结合矿山人员定位系统得到作业人员的时空轨迹，基于多层次累加数学模型创建个体呼吸尘接尘量预测模型；利用单台个体呼吸尘检测设备对预测模型进行多点修正，以及使用多台个体呼吸尘检测设备对预测模型进行优化，最终得到矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算模型。本发明提供了一种煤矿井下粉尘作业场所作业人员的呼吸尘接尘量的实时在线连续获取方法，为矿山作业人员尘肺病的预警和企业提供作业人员累积接尘量档案管理奠定基础。

Description

矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法及测试系统
技术领域
本发明涉及呼吸尘接尘量计算方法，特别是涉及一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法及测试系统。
背景技术
呼吸尘即呼吸性粉尘，是矿山作业过程中产生的粉尘中的一部分，一般将粒径小于7.07μm的粉尘视为呼吸性粉尘，它能被人体吸入肺部并能在肺泡区沉积，对作业人员的健康有极大的危害，工人长期吸入呼吸性粉尘，可引起肺部病变，造成尘肺病。尘肺病目前尚无法根治，但可预防。预防尘肺病的主要措施是监管作业人员呼吸尘累积接尘量的大小。
但我国矿山从业人员数量众多，职业危害监管难度大，目前主要采用自查和抽查的方式。自查监测的真实性差，抽查监测的时效性差、覆盖面窄、人为因素影响大，并且不能结合作业人员的个体差异进行个体呼吸尘累积接尘量监测，无法实现对作业人员职业危害的提前预警，无法及时采取应对措施。随着互联网和大数据技术的发展，建立矿山职业危害预警信息数据库，构建基于云计算和大数据的职业危害第三方支撑平台，实现提前预警已是大势所趋。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，创新地提出了一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法及测试系统。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明第一方面，本发明提供了一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，根据工作面现场的风流分布规律和设置在工作面的呼吸尘浓度传感器输出数据，获取工作面的呼吸尘浓度分布规律；
结合工作面的呼吸尘浓度分布规律和矿山作业的人员时空轨迹，基于多层次累加数学模型创建个体呼吸尘接尘量计算模型，利用个体呼吸尘接尘量计算模型计算矿山作业人员呼吸尘累积接尘量，所述个体呼吸尘接尘量计算模型为：
所述D为个体呼吸尘接尘量；
所述k为工作面工作人员的编号，k≥1；
所述n为作业人员在工作面的人员时空轨迹中的位置点个数，j为人员时空轨迹中位置点序号，1≤j≤n；
所述tkj为第k个作业人员在第j点位置停留的时间，基于个体时空轨迹获得；
所述Qkj为第k个作业人员在第j点位置的个体呼吸流量；
所述Ckj为第k个工作人员在第j点位置处的△t时间内的平均呼吸尘浓度值，基于呼吸尘浓度分布规律获得。
解决了煤矿井下粉尘作业场所作业人员的呼吸尘接尘量的实时在线连续获取方法，为矿山作业人员尘肺病的预警和企业提供作业人员累积接尘量档案管理奠定基础。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述工作面现场的风流分布规律获取方法为：
基于设置在工作面的风速传感器提供的风速数据和位置信息，获取工作面风流分布规律；
所述风速传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的上风侧和下风侧，风流干扰处以及作业人员作业范围内。
风流分布规律为工作面的呼吸尘浓度分布规律获取提供现场实时的风速数据基础。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述呼吸尘浓度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的粉尘扩散较均匀的区域，固定作业地点以及作业范围内。
对呼吸尘浓度测量点合理布设，使工作面呼吸尘浓度分布规律能尽量准确和完整的体现实际情况，提高个体呼吸尘接尘量计算模型的计算精度。
在本发明的再一种优选实施方式中，定期对所述呼吸尘浓度传感器进行校准，校准过程包括：
标定步骤：使用个体呼吸尘采样器对个体呼吸尘检测设备进行标定；
连接步骤：作业人员将标定后的个体呼吸尘检测设备携带至所述呼吸尘浓度传感器所在位置并与呼吸尘浓度传感器建立数据通信；
校准步骤:将个体呼吸尘检测设备和呼吸尘浓度传感器的现场测试值进行比对，以个体呼吸尘检测设备的测试值为基准校准呼吸尘浓度传感器。
修正呼吸尘浓度传感器受现场高湿度等恶劣环境因素引起的测试误差，使呼吸尘浓度传感器的测试值能够真实的反应现场的呼吸尘浓度。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述工作面的呼吸尘浓度分布规律的获取过程包括：
S1：建立风流-呼吸尘两相流数学模型和工作面物理模型；
S2：基于所述风流-呼吸尘两相流数学模型和工作面物理模型，进行数值模拟获得呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果；
S3：基于设置在工作面的呼吸尘浓度传感器提供的呼吸尘浓度数据，获取工作面呼吸尘浓度分布特征；
基于工作面的风流分布规律获取风速数据；
利用工作面呼吸尘浓度分布特征和风速数据，验证和修正呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果，获得工作面的呼吸尘浓度分布规律。
基于现场风速和呼吸尘浓度实际分布特征对数值模拟结果进行验证和修正，使工作面呼吸尘浓度分布规律能够真实体现工作面的情况，为个体接尘量计算模型的建立奠定准确的数据基础。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述风流-呼吸尘两相流数学模型包括：
气相动量方程：
颗粒相动量方程：
气相能量方程：
颗粒相能量方程：
其中，ρ为流体密度，单位kg/m3；v为流体速度，单位m/s；p为流体压力，单位Pa；t为时间，单位s；S为源项，单位kg/m3；τ为剪切力，单位N/m；F为体积力，单位N/m3；cp为等压比热，单位W*s/kg*K；λ为导热系数，单位W/m*K；n为颗粒数；QK为K相颗粒因对流换热从流体中带走的热量，单位W*s/m；Qr为辐射热，单位W*s/m；JpK为第K相颗粒扩散流的分力，单位N/m3；FgpK为颗粒相作用于流体相的合力，单位N/m3；参数中的下标含义：g代表气相，p代表颗粒相，K代表第K相颗粒。
该数学模型具有高精度和准确性。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述人员时空轨迹为依据人员定位系统上报的作业人员位置以及在该位置的停留时间获得；
所述人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点。
以树形结构为基础，进行层次遍历，并根据两个接收器的实时状态信息，得到定位信息的置信区间，使得人员的定位数据更加准确，能够很好的控制人员定位系统带来的误差。
在本发明的再一种优选实施方式中，还包括对个体呼吸尘接尘量计算模型进行现场修正的步骤，所述步骤包括：
使用单台或多台个体呼吸尘检测设备依次在工作面布置有呼吸尘浓度传感器处持续测试时间t1，并利用测试值修正个体呼吸尘接尘量计算模型。
主要消除呼吸尘浓度分布规律偏差对个体呼吸尘接尘量计算模型带来的误差，使计算模型的计算值更加贴近实际接尘量值。
在本发明的再一种优选实施方式中，还包括对个体呼吸尘接尘量计算模型进行优化的步骤，所述步骤包括：
多个作业人员分别携带个体呼吸尘检测设备，在工作面进行至少一个工班的活动作业，利用多台个体呼吸尘检测设备的测量值优化个体呼吸尘接尘量计算模型。
主要对个体时间轨迹偏差对个体呼吸尘接尘量计算模型带来的误差进行优化处理，使得计算模型的误差在合理范围内，能真实的反应作业人员个体呼吸尘接尘量。
为实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量测试系统，包括数据处理中心,与所述数据处理中心无线连接的呼吸尘浓度传感器、风速传感器、湿度传感器和人员定位系统，与所述数据处理中心有线连接的数据存储器，以及校准仪表；
所述数据存储器的存储内容包括矿山各工作面的所有作业人员的人员时空轨迹以及工作面的呼吸尘浓度分布规律；
所述呼吸尘浓度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的粉尘扩散较均匀的区域，固定作业地点以及作业范围内；
所述风速传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的上风侧和下风侧，风流干扰处以及作业人员作业范围内；
所述湿度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在各工作面处；
所述人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点；
所述校准仪表包括个体呼吸尘检测设备和个体呼吸尘采样器；
所述数据处理中心基于呼吸尘浓度传感器、风速传感器、人员定位系统和湿度传感器的输出数据分别获取呼吸尘浓度分布规律和人员时空轨迹，结合个体呼吸尘接尘量计算模型计算作业人员的个体呼吸尘累积接尘量。
该系统能够通过实测的风速、呼吸尘浓度、湿度信息以及人员时空轨迹，利用个体呼吸尘接尘量计算模型计算得到每位作业人员的累积接尘量，对作业人员的累计接尘量进行预测，可作为对企业职业危害管理的依据，实现对企业作业人员呼吸尘危害的有效监管。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法的流程图；
图2是本发明一具体实施方式中呼吸尘浓度分布规律的详细流程图；
图3是本发明一具体实施方式中呼吸尘浓度传感器校准过程流程图；
图4是本发明一具体实施方式中人员定位系统树形结构示意图；
图5是本发明一具体实施方式中矿山作业人员呼吸尘累积接尘量测试系统的系统框图；
图6为本发明一具体实施方式中个体呼吸尘接尘量计算模型的单台多点修正示意图；
图7为本发明一具体实施方式中个体呼吸尘接尘量计算模型的多台多点优化示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，图1为一具体实施方式中矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法的流程图，包括：
根据工作面现场的风流分布规律和设置在工作面的呼吸尘浓度传感器输出数据，获取工作面的呼吸尘浓度分布规律；
结合工作面的呼吸尘浓度分布规律和矿山作业的人员时空轨迹，基于多层次累加数学模型创建个体呼吸尘接尘量计算模型，利用个体呼吸尘接尘量计算模型计算矿山作业人员呼吸尘累积接尘量，个体呼吸尘接尘量计算模型为：
D为个体呼吸尘接尘量；k为工作面工作人员的编号，k≥1；n为作业人员在工作面的人员时空轨迹中的位置点个数，j为人员时空轨迹中位置点序号，1≤j≤n；tkj为第k个作业人员在第j点位置停留的时间；Qkj为第K个作业人员在第j点位置的个体呼吸流量；Ckj为第k个工作人员在第j点位置处△t时间内的平均呼吸尘浓度值，基于呼吸尘浓度分布规律获得。在本实施方式中，△t可为tkj的正整数倍，或者至少大于tkj的时间长度。Qkj为事先对矿山全体或关键岗位的作业人员进行呼吸流量测试，并依据测试值获得；或者通过对矿山全体作业人员进行呼吸阻力测试，依据人体呼吸模型推算出该作业人员的个体呼吸流量获得。
在本实施方式中，多层次累加数学模型是由于变量的累加中包含了两层甚至更多层的隐含参数变化，因此通过对隐含参数的变化建模，最终完成整体参数的建模，其数学模型推导过程为：
考虑变量与j＝1,2···N。可知：
j＝1
j＝2
j＝N
上述形式可以写成中和式子：
令
则中和式子变成：
ykj＝αj+βjxkj+ekj
有上式可以看出ykj的结果受xkj的αj、βj、ekj的三个层次变化影响，因此构成了多层次的累加模型。
个体呼吸尘接尘量计算模型推导过程为：
作业人员在矿井工作面的累积接尘量的线性关系式下式(1)所示：
d＝Q×C×t (1)
(1)式中：d-呼吸尘接尘量，mg；
Q-个体呼吸流量，L/min；
C-分离的呼吸尘浓度值，mg/m3；
t-人员在该测点的时间，s。
公式(1)可以用于个体采样器对呼吸尘的定点采样，流量Q是恒定的，时间t是一个工班。但是当计算作业人员的个体接尘量时，不能使用该公式计算，需要考虑现场的湿度、风速等的影响。
那么，根据公式(1)对Q、C、t进行分析，结合多层次数学模型，将湿度、风速、现场浓度、人员时空轨迹等因素视为隐含的多层次变化量，分别得到第k个人员个体在工作面j点位置的Q、C、t的多层次数学模型。
Qkj＝αj+βjxkj+ekj (2)
Ckj＝αj+βjxkj+ekj (3)
tkj＝αj+βjxkj+ekj (4)
综合公式(1)，可以推演得出工作面第k个作业人员的个体呼吸尘接尘量数学计算模型，如公式(5)所示。
在本发明的一种优选实施方式中，工作面现场的风流分布规律获取方法为：
基于设置在工作面的风速传感器提供的风速数据和位置信息，获取工作面风流分布规律；
风速传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的上风侧和下风侧，风流干扰处以及作业人员作业范围内。
风流分布规律为工作面的呼吸尘浓度分布规律获取提供现场实时的风速数据基础。
在本实施方式中，由于风流由进风侧吹向回风侧，风流测点应布置在上风侧和下风侧区域内，以便准确掌握风流流动状态的变化；由于风流在流动过程中会受到液压支架等的影响，因此在工作面的断面内的上部、下部对风流形成干扰处均布置风流测点；为了保证所测定的工作面现场的风流流量及流速数据可靠科学，应在工人作业范围内选择若干点进行测定，最后求得算术或几何平均值从而得到作业场所的平均风速。风速传感器可选用风速检测仪，其由中煤科工集团重庆研究院有限公司研发的矿用双向风速检测仪，检测仪的风速测量范围：(0.4～15)m/s，分辨率0.1m/s；检测仪风量测量范围：根据巷道横截面积实时显示测量点风量值，最大量程为750m3/s；且该风速检测仪能够将时间信息上传，这样就能够时刻掌握工作面风流的变化特征。可提前对风速检测仪进行位置编号，风速检测仪上传的数据中包含了其位置编号，根据风速检测仪的位置编号就可获取地理其所在的位置信息。
在本发明的一种优选实施方式中，呼吸尘浓度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的粉尘扩散较均匀的区域，固定作业地点以及作业范围内。
在本实施方式中，选择工作面呼吸尘浓度测点需把握以下三个原则：
(1)测点应在下风侧或回风侧等粉尘扩散较均匀的区域；
(2)现场工人操作的作业地点较固定，测点应在工人经常操作或停留的地方；
(3)在工人作业范围内选择若干均匀或不均匀分布的点进行测定。
在本实施方式中，对呼吸尘浓度测量点合理布设，使工作面呼吸尘浓度分布特征能尽量准确和完整的体现实际情况。呼吸尘浓度传感器可选用中煤科工集团重庆研究院有限公司研发的呼吸尘浓度传感器，该呼吸尘浓度传感器可以将呼吸尘浓度和测试时间上传。
在本发明的一种优选实施方式中，定期对呼吸尘浓度传感器进行校准，校准过程包括：
标定步骤：使用个体呼吸尘采样器对个体呼吸尘检测设备进行标定；
连接步骤：作业人员将标定后的个体呼吸尘检测设备携带至所述呼吸尘浓度传感器所在位置并与呼吸尘浓度传感器建立数据通信；
校准步骤:将个体呼吸尘检测设备和呼吸尘浓度传感器的现场测试值进行比对，以个体呼吸尘检测设备的测试值为基准校准呼吸尘浓度传感器。
在本实施方式中，图3是呼吸尘浓度传感器误差修正过程流程图，呼吸尘浓度传感器安装在环境复杂的工作面，受现场高湿度等因素的影响，导致呼吸尘测试浓度值误差较容易偏离正常范围，影响个体呼吸尘接尘量计算模型的准确性。在本实施方式中，个体呼吸尘采样器采用中煤科工集团重庆研究院有限公司研发的CCX2.0型个体呼吸性采样器，流量精度为1％。个体呼吸尘检测设备应稳定性高和误差小，个体呼吸尘检测设备可选用美国热电公司的PDM3700型个体粉尘检测仪，测量范围(0～200)mg/m3误差：±15％，流量误差：±2％。作业人员将个体呼吸尘检测设备佩戴到安装呼吸浓度尘传感器的位置，两者可通过无线方式进行信息交互。
在本发明的一种优选实施方式中，图2所示为本发明一具体实施方式中获取呼吸尘浓度分布规律的详细流程图，工作面的呼吸尘浓度分布规律的获取过程包括：
S1：建立风流-呼吸尘两相流数学模型和工作面物理模型；
将风流视为连续相-气相，呼吸尘视为分散相-固相，相间互相渗透和作用。对气相可使用Eulerina方法计算，对固相可使用Lagrangian方法进行粒子示踪，建立风流-呼吸尘两相湍流流动模型：
气相动量方程：
颗粒相动量方程：
气相能量方程：
颗粒相能量方程：
其中，ρ为流体密度，单位kg/m3；v为流体速度，单位m/s；p为流体压力，单位Pa；t为时间，单位s；S为源项，单位kg/m3；τ为剪切力，单位N/m3；F为体积力，单位N/m3；cp为等压比热，单位W*s/kg*K；λ为导热系数，单位W/m*K；n-为颗粒数；QK为K相颗粒因对流换热从流体中带走的热量，单位W*s/m3；Qr为辐射热，单位W*s/m；JpK为第K相颗粒扩散流的分力，N单位/m3；FgpK为颗粒相作用于流体相的合力，单位N/m3；参数中的下标含义：g代表气相，p代表颗粒相，K代表第K相颗粒。
在本实施方式中，为提高了物理模型的美观性和便于数值模拟处理，需要对工作面中的机器设备和零件进行简化，如采煤机等机械设备简化为大长方体，机臂和滚筒简化为元台体，电缆简化为细长方体，液压支架简化为有一定倾角的长方体。
S2：基于所述风流-呼吸尘两相流数学模型和工作面物理模型，进行数值模拟获得呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果；
在本实施方式中，在数值模拟前需要对设定合理的数值模拟参数限定条件，如模型的进口条件可采用速度入口，输入各相流速和方向；如模型中的壁面处取不渗透及非滑移条件，各相速度为零；如模型中的对称轴处设定各向均相等；如模型中的出口边界条件为自由面，各相参数均充分发展。
在本实施方式中，数值求解方法可采用二维轴对称稳态求解，压力-速度耦合用SIMPLES方法进行处理，离散格式采用有限体积方法。
S3：基于设置在工作面的呼吸尘浓度传感器提供的呼吸尘浓度数据，获取工作面呼吸尘浓度分布特征；
基于工作面的风流分布规律获取风速数据；
利用工作面呼吸尘浓度分布特征和风速数据，验证和修正呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果，获得工作面的呼吸尘浓度分布规律。
在本实施方式中，工作面呼吸尘浓度分布特征的具体形式可为数组形式，数组第一元素为位置信息，即呼吸尘浓度传感器的位置信息，可通过呼吸尘浓度传感器自带定位装置反馈获得，数组第二元素为呼吸尘浓度数据。根据工作面呼吸尘浓度分布特征和风流分布规律提供的风速数据，采用与呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果相关系数最大原则进行处理，获得修正系数，对呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果进行修正。
在本发明的一种优选实施方式中，人员时空轨迹为依据人员定位系统上报的作业人员位置以及在该位置的停留时间获得；
人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点。
图4所示为本发明一具体实施方式中人员定位系统树形结构示意图，人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点。
在本实施方式中，定位接收器包括定位接收器L1、定位接收器L2、定位接收器L3、定位接收器L4和定位接收器L5，和接收由定位接收器发送的信息的设备点A；设备点A与各定位接收器的拓扑关系为树形结构，通过拓扑关系计算出人员运动的轨迹，并结合定位系统测试的数据值，能够很好的控制人员定位系统带来的误差；各定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段、弧段与弧段以及弧段与点，以树形结构为基础，进行层次遍历，并根据两个接收器的实时状态信息，得到定位信息的置信区间，使得人员的定位数据更加准确。
在本实施方式中，人员时空轨迹的具体形式可为存储在数据服务器中的多个数组形式，每个数组对应一个作业人员，数组中的第一个元素代表该作业人员位于的位置，第二个元素代表该位置处作业人员停留的时间。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括对个体呼吸尘接尘量计算模型进行现场修正的步骤，步骤包括：
使用单台或多台个体呼吸尘检测设备依次在工作面布置有呼吸尘浓度传感器处持续测试时间t1，并利用测试值修正个体呼吸尘接尘量计算模型。
在本实施方式中，图6所示为单台多点修正示意图，个体呼吸尘检测设备可选用美国热电公司的PDM3700型个体粉尘检测仪，测量范围(0～200)mg/m，误差：±15％，流量误差：±2％。时间t1可为一个小时，或者更长时间。在工作面设置风速传感器和/或呼吸尘浓度传感器处依次测试接尘量，并将所有测试值与个体呼吸尘接尘量计算模型在此处的计算值比对，按照实测值与计算值相关系数最大原则，获得修正系数，对个体呼吸尘接尘量计算模型的计算值进行修正。消除呼吸尘浓度分布规律误差给计算模型带来的计算偏差。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括对个体呼吸尘接尘量计算模型进行优化的步骤，步骤包括：
多个作业人员分别携带个体呼吸尘检测设备，在工作面进行至少一个工班的活动作业，利用多台个体呼吸尘检测设备的测量值优化个体呼吸尘接尘量计算模型。
在本实施方式中，图7所示为优化示意图，将多台个体呼吸尘检测设备的测量值与计算模型的计算值比对，按照实测值与计算值相关系数最大原则，获得优化系数，对个体呼吸尘接尘量计算模型的计算值进行优化。消除人员时空轨迹误差给计算模型带来的计算偏差。
在本发明的一种优选实施方式中，个体呼吸尘接尘量计算模型的建立基础还包括还个体分离效能规律，个体呼吸尘接尘量计算模型为：
所述ηkj为第k个作业人员在工作面第j点位置的个体分离效能系数，基于个体分离效能规律获得。
获取个体分离效能规律的过程包括：
物理模型建立步骤：依据气固两相流理论，建立人体呼吸尘分离物理模型；
基于人体呼吸尘分离物理模型进行数值模拟步骤：数值模拟不同环境参数，以及多分散状态下人体呼吸尘分离物理模型的分离效能，获得个体分离效能规律数值模拟结果；
现场测试步骤：不同环境参数下进行现场采样和实验室分析处理粉尘多分散状态分离前后的粒径分离特征，获得现场采样分离效能特征；
比对处理步骤：将个体分离效能规律数值模拟结果和现场采样分离效能特征进行比对分析，根据分析结果对个体分离效能规律数值模拟结果进行修正，获得个体分离效能规律。
对人体分离器创建物理模型，便于进行数值模拟；将物理模型的数值模拟结果和现场采样结果进行比对分析后，修正数值模拟结果，得到基于现场实际情况的作业人员个体分离差异的规律，弥补和修正个体分离效能的误差，使其能够完全反应作业人员的真实个体分离效能情况。
在本实施方式中，作业人员个体实际就是一个天然的符合BMRC曲线的呼吸尘分离器，其分离的效能受现场湿度、风速、呼吸尘多分散状态等环境因素，以及个体的呼吸阻力等个体因素的影响。高湿度会使多分散态的呼吸尘发生凝并、粘接等，这样呼吸尘的粒径就会发生改变，直接影响人员个体的呼吸分离效能；风速和人员个体的呼吸阻力不一致，导致个体呼吸分离的流量不一致，同样直接影响人员个体的呼吸分离效能。在物理模型建立步骤中，人体呼吸尘分离的物理模型可为粉尘分离器的形式。
高湿度会使多分散态的呼吸尘发生凝并、粘接等，这样呼吸尘的粒径就会发生改变，直接影响人员个体的呼吸分离效能；风速和人员个体的呼吸阻力不一致，导致个体呼吸分离的流量不一致，同样直接影响人员个体的呼吸分离效能；因此，作业人员个体对呼吸尘的接尘量并不像实验室单分散状态的呼吸尘直接吸取接收，而是包含以上众多的复杂因素。故在基于物理模型进行数值模拟步骤中需要在不同环境参数和不同个体呼吸阻力下进行数值模拟，尤其在高湿度和高风速的环境，以获得个体分离效能在不同环境因素下的规律，上述规律为数值模拟结果，与真实情况具有误差，因此通过现场测试步骤，实测现场同样的环境和影响因素下，在呼吸尘多分散状态下的进行采样和分析处理，获取现场粒径分离特征，可利用现场测试值与数字模拟结果相关系数最大原则，获取分离效能修正系数，用于弥补和修正个体分离效能规律数值模拟结果的误差，使获得的个体分离效能规律能够完全反应作业人员的真实个体分离效能情况。
本发明提供了一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量测试系统，图5所示为为本发明一具体实施方式中矿山作业人员呼吸尘累积接尘量测试系统的系统框图，包括数据处理中心,与数据处理中心无线连接的呼吸尘浓度传感器、风速传感器、湿度传感器和人员定位系统，与数据处理中心有线连接的数据存储器，以及校准仪表；
数据存储器存储的内容包括所有作业人员人员时空轨迹以及工作面的呼吸尘浓度分布规律；
呼吸尘浓度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的粉尘扩散较均匀的区域，固定作业地点以及作业范围内；
风速传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的上风侧和下风侧，风流干扰处以及作业人员作业范围内；
湿度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在各工作面处；
人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点；
校准仪表包括用于校准呼吸尘浓度传感器的个体呼吸尘采样器和个体呼吸尘检测设备；
数据处理中心基于呼吸尘浓度传感器、风速传感器、人员定位系统和湿度传感器的输出数据分别获取呼吸尘浓度分布规律和个体时空轨迹，结合个体呼吸尘接尘量计算模型计算作业人员的个体呼吸尘累积接尘量。
在本实施方式中，数据处理中心包括有快速运算能力的电脑或应用服务器，无线接收各传感器信息的无线接收模块。数据存储器还可以存储矿山所有作业人员的累积呼吸尘接尘量，也可为数据服务器，为外部第三方连接提供数据。作业人员携带的人员定位系统实时发送所处位置和当前时间时间，数据处理中心接收到后生成人员时空轨迹，并将人员时空轨迹以数组形式存储按作业人员编号存储于数据存储器中，便于计算时随时提取。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，其特征在于，
根据工作面现场的风流分布规律和设置在工作面的呼吸尘浓度传感器输出数据，获取工作面的呼吸尘浓度分布规律；
所述工作面的呼吸尘浓度分布规律的获取过程包括：
S1：建立风流-呼吸尘两相流数学模型和工作面物理模型；
所述风流-呼吸尘两相流数学模型包括：
气相动量方程：
颗粒相动量方程：
气相能量方程：
颗粒相能量方程：
其中，ρ为流体密度，单位kg/m3；v为流体速度，单位m/s；p为流体压力，单位Pa；t为时间，单位s；S为源项，单位kg/m3；τ为剪切力，单位N/m；F为体积力，单位N/m3；cp为等压比热，单位W*s/kg*K；λ为导热系数，单位W/m*K；n为颗粒数；QK为K相颗粒因对流换热从流体中带走的热量，单位W*s/m；Qr为辐射热，单位W*s/m；JpK为第K相颗粒扩散流的分力，单位N/m 3；FgpK为颗粒相作用于流体相的合力，单位N/m3；参数中的下标含义：g代表气相，p代表颗粒相，K代表第K相颗粒；
S2：基于所述风流-呼吸尘两相流数学模型和工作面物理模型，进行数值模拟获得呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果；
S3：基于设置在工作面的呼吸尘浓度传感器提供的呼吸尘浓度数据，获取工作面呼吸尘浓度分布特征；
基于工作面的风流分布规律获取风速数据；
利用工作面呼吸尘浓度分布特征和风速数据，验证和修正呼吸尘浓度分布规律数值模拟结果，获得工作面的呼吸尘浓度分布规律；
结合工作面的呼吸尘浓度分布规律和矿山作业的人员时空轨迹，基于多层次累加数学模型创建个体呼吸尘接尘量计算模型，利用个体呼吸尘接尘量计算模型计算矿山作业人员呼吸尘累积接尘量，所述个体呼吸尘接尘量计算模型为：
所述D为个体呼吸尘接尘量；
所述k为工作面工作人员的编号，k≥1；
所述n为作业人员在工作面的人员时空轨迹中的位置点个数，j为人员时空轨迹中位置点序号，1≤j≤n；
所述tkj为第k个作业人员在第j点位置停留的时间，基于个体时空轨迹获得；
所述Qkj为第k个作业人员在第j点位置的个体呼吸流量；
所述Ckj为第k个工作人员在第j点位置处的△t时间内的平均呼吸尘浓度值，基于呼吸尘浓度分布规律获得。
2.如权利要求1所述的矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，其特征在于，所述工作面现场的风流分布规律获取方法为：
基于设置在工作面的风速传感器提供的风速数据和位置信息，获取工作面风流分布规律；
所述风速传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的上风侧和下风侧，风流干扰处以及作业人员作业范围内。
3.如权利要求1所述的矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，其特征在于，所述呼吸尘浓度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的粉尘扩散较均匀的区域，固定作业地点以及作业范围内。
4.如权利要求1所述的矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，其特征在于，定期对所述呼吸尘浓度传感器进行校准，校准过程包括：
标定步骤：使用个体呼吸尘采样器对个体呼吸尘检测设备进行标定；
连接步骤：作业人员将标定后的个体呼吸尘检测设备携带至所述呼吸尘浓度传感器所在位置并与呼吸尘浓度传感器建立数据通信；
校准步骤:将个体呼吸尘检测设备和呼吸尘浓度传感器的现场测试值进行比对，以个体呼吸尘检测设备的测试值为基准校准呼吸尘浓度传感器。
5.如权利要求1所述的矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，其特征在于，所述人员时空轨迹为依据人员定位系统上报的作业人员位置以及在该位置的停留时间获得；
所述人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点。
6.如权利要求1所述的矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算方法，其特征在于，还包括对个体呼吸尘接尘量计算模型进行现场修正的步骤，所述步骤包括：
使用单台或多台个体呼吸尘检测设备依次在工作面布置有呼吸尘浓度传感器处持续测试时间t1，并利用测试值修正个体呼吸尘接尘量计算模型。
7.如权利要求1所述的矿山作业人员呼吸尘累积接尘量计算模型，其特征在于，还包括对个体呼吸尘接尘量计算模型进行优化的步骤，所述步骤包括：
多个作业人员分别携带个体呼吸尘检测设备，在工作面进行至少一个工班的活动作业，利用多台个体呼吸尘检测设备的测量值优化个体呼吸尘接尘量计算模型。
8.一种利用权利要求1-7中任一所述方法进行矿山作业人员呼吸尘累积接尘量测试的系统，其特征在于，包括数据处理中心,与所述数据处理中心无线连接的呼吸尘浓度传感器、风速传感器、湿度传感器和人员定位系统，与所述数据处理中心有线连接的数据存储器，以及校准仪表；
所述数据存储器的存储内容包括矿山各工作面的所以作业人员的人员时空轨迹以及工作面的呼吸尘浓度分布规律；
所述呼吸尘浓度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的粉尘扩散较均匀的区域，固定作业地点以及作业范围内；
所述风速传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在工作面的上风侧和下风侧，风流干扰处以及作业人员作业范围内；
所述湿度传感器数量为多个，均匀或不均匀布置在各工作面上；
所述人员定位系统包括多个由作业人员携带的定位接收器和接收定位接收器发送信息的设备点；设备点与定位接收器的拓扑关系为树形结构；定位接收器之间的拓扑关系包括点与弧段，弧段与弧段，以及弧段与点；
所述校准仪表包括个体呼吸尘采样器和个体呼吸尘检测设备；所述数据处理中心基于呼吸尘浓度传感器、风速传感器、人员定位系统和湿度传感器的输出数据分别获取呼吸尘浓度分布规律和人员时空轨迹，结合个体呼吸尘接尘量计算模型计算作业人员的个体呼吸尘累积接尘量。
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