紧急避险健康环境监测与智能预警技术

[摘 要]为保证井下紧急避险设施救生舱及硐室生存空间内的健康环境,提出一种多参数（CO2、O2、C0、CH4、温度、湿度、差压）健康监测系统设计方案,结合传感器技术,实现对生存环境实时监测,并针对试验数据进行数据分析,研究出一种分级报警、智能预警的警报机制.试验表明：这种智能预警机制具有一定准确性、适用性,可根据环境参数的变化趋势,智能判断出破坏健康环境的危险因子.

[关 键 词]紧急避险；多参数；健康监测；智能预警

中图分类号：X830文献标识码：B文章编号：1009-914X（2014）34-0258-03

避难硐室和可移动式救生舱作为井下紧急避险设施,可以为遇险人员提供一个安全避险空间,该空间对外能抵御爆炸冲击和高温烟气,隔绝有毒有害气体,空间内生命保障系统能提供生存所需的氧气、水等,并能有效控制舱内温湿度,祛除有毒有害气体.矿难发生时,避险人员进入救生舱后,该生存空间处于封闭状态,形成一种特殊的生存环境,为保证人的生命安全需维持这一生存环境处于健康状态,该环境内CO2、O2、C0、CH4、温度、湿度、差压参数值的变化均是影响健康状态的重要因素.所以,保证生命保障系统正常运行,对避险空间内的环境内各参数的实时监测势在必行.

本文以某救生舱为研究对象,引入一种健康环境监测概念,将环境内CO2、O2、C0、CH4、温度、湿度、差压各参数值均在安全范围内,且没有超限的变化趋势的状态定义为健康环境状态,健康环境监测即为实时监测各项数据,及时采取应对措施以维持生存空间处于健康环境状态.现建立模拟真实环境建立救生舱实验室,通过研制出一种多参数环境监测器对舱内进行健康环境监测,对各项参数的变化趋势进行分析,建立不同环境下的数学模型,研究出一套预警机制能智能判断出破坏健康环境的危险因子,根据危险因子的危险等级分级报警,并采取及时应对措施消除危险因子.

1.健康环境监测危险源分析

在救生舱密闭生存环境中,人体呼吸产生的CO2会使舱内CO2浓度升高.救生舱采用的无电力供应制冷空调机,制冷剂为液态CO2,空调机正常工作也会导致CO2的积累,如果CO2得不到有效处理而不断积累,CO2的浓度过大就会扰乱人体正常的新陈代谢.浓度达到3%以上时,就会导致生命危险.若CO2制冷剂供应管路或者制冷空调机内部管路出现泄漏,后果不堪设想.下表1为不同CO2浓度下人体反应.

生命保障系统的CO2制冷空调机工作原理为储存在钢瓶中的液态CO2经过喷射嘴使液体汽化,再经过平行管蒸发器制冷进而驱动气动马达旋转,同时带动风扇旋转,使空调机内和外部形成差压,外部气体在差压的作用下经过CO2的吸附剂被吸入平行管蒸发器制冷,最终在达到制冷效果的同时也阻止了舱内CO2浓度不断上升.本设计中采用的CO2吸附剂为粉色颗粒物状的碱石灰（主要成分为NaOH和Ca（OH）2）,碱石灰与CO2反应后就失去吸附能力,吸附剂变为白色,所以当颗粒物大部分变白后需要及时更换CO2吸附剂.空调机风量也需控制在一定范围,促进舱内空气流通,保证吸附速率大于CO2产生速率.由此可见,CO2浓度过高或者有迅速上升趋势原因可能为吸附剂大部分已反应,失去吸附能力,空调机风量太小,CO2制冷剂连接管路存在泄露情况.

救生舱内O2浓度直接关系到避险人员的身体健康,是健康监测的另一重要参数.本设计救生舱内采用的是舱外供氧和舱内供氧相结合的供氧方式.舱外供氧利用压风供氧系统抽取井上的干净空气排入到舱内,供避险人员正常呼吸；舱内供氧由高压氧气瓶经过减压阀减压,根据避险人数调节氧气流量,供给避险人员呼吸所用氧气.由于舱外供氧方式利用的是干净空气,O2浓度始终处于安全范围内,不会产生危险因子.而对于舱内供氧方式,O2浓度就受多种因素影响,O2浓度一旦低于18.5%或者高于23%,就会对人正常生存造成影响.分析舱内与O2浓度相关因子可知,当氧气流量控制器流量设置不当会引起O2浓度超出安全范围；当舱内排气阀没有开启,舱内气体无法排出,也会导致氧气浓度偏高；还有一种危险因子就是供氧管路出现泄漏导致舱内氧气浓度迅速过高,氧气作为一种性质较活拨的气体,是一种助燃剂,易产生火灾或者爆炸危险,一旦有氧气泄露情况,应积极采取应对措施降低舱内氧气浓度.

在救生舱内环境中没有CO、CH4气体的产生源,但真实矿难发生时,有可能因为火灾、瓦斯爆炸泄露进入舱里,也可能人员进舱时携带部分进入生存空间内.一旦舱内CO参数处于危险浓度,应及时利用CO吸附剂进行吸附操作.对于CH4气体浓度超限的情况,应加大空调风量,促进舱内空气流通,并通入压缩空气增大差压将有害气体排出到舱外.可见CO、CH4的浓度变化来源于外部环境,且有明确针对措施,无需做过多分析判断.

温度和湿度为人体能直观感受到的两个环境参数,会影响到避险人员在舱内生存的舒适度,舱内热量主要源自于人呼吸所产生的热量、人身上散发的热量、舱内各种药剂反应产生的热量及舱外高温向舱内热传导热量,湿度主要来源于人体汗液的蒸发,CO2制冷空调机产生冷凝水的蒸发.这两个环境参数会影响舱内的健康环境,但不会产生危险因素,且具有针对性控制措施,例如加大空调风量即可改善环境温度,利用干燥剂即可吸附空气中水蒸气来降低环境湿度.

舱内外差压参数需维持在安全范围内,主要是为了将舱内的污浊空气排出到舱外环境,差压参数值可能会与其他参数的值有着相互影响的关系,可做为判断其它危险源的一项指标,本身不具有危险性.一旦差压有超限趋势,多为泄压阀门被关闭的缘故,开启泄压阀即可排除这一破坏健康环境的因素.

2、多参数环境监测器的系统组成

该仪器设计为本质安全型,主要由电源模块、数据采集模块、主从MCU模块、数据显示模块、报警模块、通讯模块、红外遥控模块等组成.由于矿难发生时,井下的供电系统极有可能瘫痪,该仪器配接矿用隔爆型锂离子蓄电池电源,电源能保证两台多参数监测器正常工作106h以上.系统结构组成图如图2.2.1主控模块

为了最大程度降低功耗,主控芯片选择TI公司生产的MSP430系列单片机,由于检测参数较多,信号采集输入和控制输出所需IO口较多,故设计采用双MCU模式,结合性价比考虑,选取MSP430F1611单片机作为主MCU,负责数据采集和处理、显示、通讯等主要功能,从MCU采用MSP430F149单片机,主要用于智能预警的数据分析、语音报警的控制等扩展功能.

2.2数据采集模块

数据采集模块由6个独立信号采集单元组成,将采集信号经独立放大后反馈给主控MCU进行数据处理,分别为O2信号采集单元、CO信号采集单元、CO2信号采集单元、CH4信号采集单元、温湿度信号采集单元、差压信号采集单元.

2.3电源模块

多参数环境监测器包含多种芯片和元器件,设计当中所需的电压种类较多,故采用了多种电源稳压芯片.首先外接电源（11-34V）由R-789.0-0.5稳压至9V输出,为LED数码管及LED灯供电,9V输入至R-785.O-0.5稳压至5V输出,为温湿度传感器、红外接收供电,5V输入至芯片XC6201稳压至3.3V输出,为主从MCU控制芯片、AD8607运算放大器、部分传感器敏感头供电,3.3V输入至MAX6001稳压至1.25V,作为敏感头参考电压.

2.4显示模块

考虑到需要显示7个参数的数据,若采用液晶同时显示,虽显示数据信息完整,但存在显示字体较小,功耗大等缺点,最终采用1.2英寸LED数码管轮流循环显示当前参数数值；用高亮LED灯分别指示当前参数的名称与单位,7个参数有“%”、“ppm”、“℃”、“Pa”4个单位名称,共需要11个LED灯的选通点亮,单片机P1.0-1.5口通过4-16译码器CD4514进行LED灯的选通,并通过2片ULN2803A进行驱动,此方案具有功耗小、显示字体醒目等特点.

2.5通讯模块

由于监测器所测参数较多,如果采用4-20mA或者频率通讯方式,则需要多根通讯线路,导致布线复杂.本设计最终采用485通讯方式,指定固定通讯协议,保证通讯速度的同时,协议中的校验机制也提高了通讯的准确性,降低误码率.

2.6红外模块

本设计为提高人机交互性能,采用以芯片HT6221为基础设计的遥控发射电路,发射38KHZ脉冲,由HS0038B接收,HS0038B内部已经集成了光电转换、放大装置和解调电路,主控芯片MCU通过软件解码即可,达到遥控设置参数、控制显示等功能.

3.试验数据分析

救生舱内生保系统要确保舱内避险人员的健康生存,必须控制舱内生存环境的参数在允许范围之内,实时监控参数的变化趋势,本文拟根据各参数数据变化趋势,建立起数学模型,根据紧急程度分级报警,并智能预判生存环境状态变化原因.

在关闭生存舱门情况下,且密闭性良好的情况下,模拟CO2泄露事故,分为CO2低漏气情况（0.1L/min-0.5L/min）和CO2高漏气情况（0.5L/min-10L/min）两种试验.通过监测软件观察生存舱内CO2的变化情况,如图所示

通过分析数据、观察曲线图,在13：30-13：38分通入CO2流量控制在0.5L/min.试验数据表明,在此低漏气条件下,几乎对整个生存环境CO2浓度值无影响,CO2浓度变化值每分钟最大不超过0.02%.随后加大CO2通入流量,控制在8L/min.试验数据表明,在此高漏气条件下,CO2浓度值变化明显,CO2参数值最大变化速率能达到每分钟0.24%.由于生存舱空间较大,舱内密闭条件下空气流通缓慢,会导致不同区域的环境参数略有差异,试验过程中在生存舱空间两头均布置一台环境监测器,同时监测并返回数据.如图所示为两台监测器测的CO2泄露试验的曲线图.

a曲线为靠近CO2输入端口监测器所测的数据曲线,上图可以明显看出远离CO2输入端口的监测器所测数据受CO2泄露影响较小,且变化速率较慢.a与b最大差值能达到0.2%,b的最大变化速率为0.1%/min.在CO2浓度变化时,因结合两台监测器数据分析变换原因.

3.2真人生存试验

为贴近矿难发生时的真实避险情况,摸索避险空间内环境参数的变化规律,救生舱进行106小时的载人试验,12名试验人员在救生舱内进行生存试验.多参数环境监测器全程监测生存舱内各环境参数,为建立智能预警机制获得了宝贵试验数据.下面分别为某一时间段的某参数的变化曲线图.

当救生舱内生存空间稳定以后,舱内CO2浓度应呈波浪状,舱内CO2主要来源于人呼出的CO2和空调排出的冷气CO2,又由空调将生存空间内的气体从空调上方吸入,使其中的CO2成分被吸附剂去除掉.当吸附速率小与CO2产生速率后,CO2浓度即会稳步上升,波谷为吸附速率和CO2产生速率的平衡点,当空调风量正常,CO2吸附速率低于CO2产生速率时,CO2浓度会以每分钟0.01%～0.02%的增量稳步上升.

生存空间内,生保系统必须保证氧气的浓度在18.5%～23.0%,以保持人正常的生存条件.由于人在非睡眠状态,说话、打牌、吃饭等活动状态消耗氧气多,应调节氧气流量控制器控制流量为5L/min；人在睡眠状态下,呼入得氧气较少,控制氧流量在4L/min.按照科学的流量控制方法,氧气的浓度变化是相当小的,始终在安全范围之内,试验数据也显示氧气浓度确实是较稳定的.但下图中在9：00-10：00间,氧气浓度出现一次波动,结合其它参数,软件生成同时段差压和氧气浓度变化曲线图.

若发生供氧管路发生泄露,O2浓度则会以一定速率迅速上升,且不会有下降趋势,从图a可看出O2浓度经过一个小波动后又趋于稳定,结合图b可知,在O2浓度上升同时舱内差压也在同步上升,很显然舱内的自动泄压阀门没有自动泄压,经舱内试验人员证实确实是由于自动泄压阀阀门卡住,最后经手动开启阀门后O2浓度和舱内正压数值同时下降最终趋于稳定.试验中发现,在外部环境没有CO、CH4气体存在的情况下,多参数监测器依然监测到CO、CH4气体数据,结合传感器技术相关知识,分析得出人体长时间在密闭空间中生活,产生的各种人体气味会所产生多参数监测器误判断数据,而实际并没有这两种气体的存在.为避免在真实的井下环境中造成人员恐慌,可采取红外原理敏感元件对这两项参数进行监测.

通过对多次试验获得数据进行分析,逐渐摸索出一套根据舱内环境参数的变化趋势,能智能预判出变化因子的方法,并依据变化因子的危险等级分级报警,形成一项科学、准确的预警机制.

CO2作为制冷剂的同时,也带来一定危险因素,一旦发生CO2泄露事故将会极大威胁避险人员的生命健康安全,通过上述数据分析,可将CO2这一气体报警分为绿、黄、红三种级别报警状态,绿色指示灯为正常状态；指示灯为较危险状态；红色指示灯为危险状态.

当CO2浓度低于报警限值,且CO2浓度呈稳定或者下降趋势,可判断出舱内生保系统工作正常,CO2吸附速率大于产生速率,若CO2浓度呈稳步上升趋势,但上升速度低于0.02%/min,此时生保系统CO2吸附速率低于产生速率,可通过更换吸附剂控制CO2浓度上升速度,为节省吸附剂可在CO2浓度接近报警限值时更换药剂.上述情况生存环境为健康环境状态,CO2报警指示灯指示为绿色.

当CO2浓度高于报警限值,CO2浓度呈稳步上升趋势,且上升速度不超过0.03%/min,预判为生保系统CO2吸附速率低于产生速率,需更换CO2吸附剂.CO2报警指示灯指示为.出现预警后,对比两台监测器数据,若CO2数据示数相差大于0.05%,可判断为舱内环境空气流通能力不足,可调节空调流量阀,加快空气流通.

当CO2浓度若呈明显上升趋势,上升速度高于0.03%/min,且上升速度继续增大,此时生保系统出现故障,预判为CO2高漏气情况,CO2报警指示灯为红色,为防止情况继续恶化对人体健康造成危害,舱内人员应戴上自救器进行故障排查,故障消除CO2浓度恢复正常后,才可摘下自救器.若CO2浓度一直上升且无法控制,应及时考虑人员撤离.

真人试验的数据表明,只需氧气流量调节装置控制合理,舱内环境中O2浓度是比较稳定的,变化缓慢且没有超限趋势.则主要危险因素来源于高压氧气瓶及供氧管路的泄露,可导致氧气浓度过高,引起避险人员的氧中毒,且易产生火灾或爆炸危险.

当O2浓度在18.5%～23%内时,此种情况O2报警指示灯指示为绿色.

当O2浓度高于报警上限,若此时O2上升缓慢,低于0.02%/min上升速率,且发生在舱内人员睡眠时候,可预判为O2消耗量减少导致,通过调节O2流量控制装置,以0.35L/min.人计算大概为4L/min即可.此种情况O2报警指示灯指示为.

当O2浓度低于报警下限,可预判为氧气流量不足,增大氧气供应流量即可.此种情况O2报警指示灯指示为.

当O2浓度呈上升趋势,上升速度达到每分钟0.02%,可以判断舱内生保系统发生故障,结合负压参数变化情况,若负压同步明显上升,则可预判为排气阀关闭或者自动泄压装置故障.若负压参数正常波动,则可预判为氧气泄露,舱内人员应尽快检查供氧管路,排出故障.上述情况O2报警指示灯指示为红色.

为测试研究结果,在模拟密闭救生舱中进行了12小时的真人模拟试验,利用环境监测器全程监测硐室生存空间环境,过程中氧气浓度始终在安全范围内,而CO2出现一次警报,结合两台监测器数据对比,显示差值为0.02%,智能预判为CO2吸附剂已全部失效,更换吸附剂后警报解除.

4.结语

本章主要介绍了用于紧急避险设施内的多参数环境监测器的系统组成,并利用所研制的多参数环境监测器监测紧急避险设施生存空间内的环境参数.通过做大量的试验,然后对试验数据进行分析,研究出一套可智能判断出CO2、O2浓度变化的原因,并根据原因做出不同危险等级报警的报警机制,最终在12小时的真人模拟试验中得以运用,测试证明这种智能预警是可行的,具有一定的准确性、适用性.舱内人员可依据警报结合两台监测器显示数据,采取及时、准确的应对措施,确保了舱内生保系统的正常稳定运行,保障舱内避险人员的生命健康安全.同时也为紧急避险设施内的生命保障系统的智能化、自动化研究奠定了基础.

[2]张立斌.一种矿用救生舱环境监控装置的设计[J],工矿自动化,2011（06）.

[3]栗婧.矿用救生舱环境模拟监测系统的研究及模型建立[D],北京：北京科技大学,2009.

[4]孙继平.煤矿井下紧急避险系统研究,[J].煤炭科学技术,2011（01）.

[5]MickeyD.Mitchell.AnalysisofUndergroundCoalMineRefugeShelters[D].Mantown：WestVirginiaUniversity,2008

[6]MichaelAFasouletos.ParametricDesignofaCoalMineRefugeChamber2007

[7]MineSafetyandHealthAdministration,U.S.DepartmentofLabor30CFRParts7and75RefugeAlternativeorUndergroundCoalMines；FinalRule2008

作者简介

韩裕文（1989-）,男,土家族,湖北宜昌人,助理工程师,研究方向为煤矿安全及应急救援、环境监测.E-mail：hanyuwen@ccrise.

基金项目

本论文为煤炭科学研究总院科技发展基金项目“紧急避险生保系统健康监测与气压调节技术“资助,项目编号2011JC03.