一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统的制作方法

本发明属于隧道施工，具体涉及一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统。

背景技术：

1、我国已成为世界上隧道和地下工程建设规模最大的国家，长大隧道建设占比不断提高，且不可避免的向着高海拔长大深埋隧道方向发展，复杂的地理环境条件对隧道通风系统提出了更高的要求。

2、隧道施工通风是将新鲜空气送到工作面，将施工过程所产生的有毒有害气体和粉尘排出洞外，保障隧道施工环境安全。高海拔隧道大多位于高寒、缺氧地区，大气压强较低，在修建长隧道时，由于施工距离长，一般采用机械通风的方式，并结合斜井、竖井等施工辅助通道开展分阶段通风；同时考虑海拔高度对通风效果的影响，对相应的计算参数进行调整。但随着隧道掘进里程的增加，通风距离不断增大，污染物排除难度增加，高寒、低温、缺氧使得施工机械效率降低又进一步导致施工产生的污染物积聚效应显著，严重危害施工人员的健康安全，影响施工进度。施工通风技术已成为高原地区长大隧道建设亟需解决的关键问题之一。

3、高原地区内外部环境恶劣，考虑到通风阻力及安全保障，长大隧道往往采用更大功率的风机设备，通风系统运行仍倾向采用最大的通风量，且风机控制主要以人工操控为主的模式，无法实现隧道内温度、湿度、有害气体浓度等空气质量参数的精准调节。这样便使得通风设备处于长时间、高标准的工作状态，通风耗能持续增加；且伴随着长大隧道施工周期长，掘进长度的增加，通风阻力不断增大，洞内机械设备等布置不断增多，通风效果受现场环境条件影响呈现出较大的供需失衡情况。但目前基于人工操控的单一控制标准和控制模式，极易出现局部区段风量不足，施工作业环境恶劣甚至“局部风场死区”的状况，或者通风设备持续高功率工作又导致的通风过饱和的无效通风状况，隧道通风控制的效率和准确性都大打折扣，并引发通风系统的低效率和高能耗问题。

技术实现思路

1、为了克服传统的通风系统主要依靠工程技术人员的手动操作，调节依据主要来源于检测人员的手工检测结果，使得对隧道内通风调节具有一定的滞后性和盲目性的技术问题，本发明提供了一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，通过布置在长大斜井隧道工作面的空气环境检测设备，可以实时掌握隧道不同施工阶段条件下的温度、湿度、风速、污染物浓度等空气环境质量状态，实现对隧道通风空气环境的精准把控和动态追踪，解决了上述技术问题。

2、一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，包括通风设备、空气检测单元和调控单元，通风设备包括发电机、变频轴流风机、风管和射流风机，用于在隧道内部产生气流，发电机布置在斜井洞口，作为风机的应急备用电源，所述变频轴流风机，通过压入方式为洞内提供新鲜空气，并通过变频控制器实现功率及风量的调节控制，风管连接变频轴流风机和隧道工作面，用于固定空气流动路径，为隧道工作面输送新鲜空气，射流风机布置在长距离施工的斜井及正洞内，保障隧道排风顺畅。

3、空气检测单元包括设置在隧道内部的多种传感器，用于获取隧道内部环境参数信息，包括风量、风压、主要污染物浓度。

4、调控单元包括信号调节器和数据处理分析模块，用于根据空气环境检测结果，对通风安全状态进行评估，并协同控制通风设备单元工作状态，实现通风运行与环境条件的精确匹配。

5、上述的一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，所述空气检测单元还包括温度传感器、湿度传感器、风速/风向传感器、多合一气体传感器和粉尘传感器，分别用来采集隧道工作面的温度、湿度、风速、风向、c0有毒有害气体浓度、粉尘浓度环境参数指标。

6、上述的一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，所述空气检测单元还包括对采集到的空气环境检测数据的传输和存储，将数据通过物联网/互联网传输给通风控制模块或者本地站点，使历史检测数据能被远程或者本地计算机访问、查询、保存、批量处理。

7、上述的一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，所述调控单元还包括数据分析模块，对采集到的隧道空气环境参数进行分析，根据数值大小与安全阈值的对比，评估通风安全状态，并根据分析结果建立相应的数学模型，对后续隧道内通风需求及通风设备工作状态进行预测。

8、上述的一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，所述数据分析模块支持数据的自学习和建模分析，通过机器学习的各类优化算法并配合数值模拟等技术，开展大量现场通风设备运行参数和空气环境检测数据的训练学习。

9、上述的一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，所述调控单元还包括风量控制模块，将检测数据分析结果及通风设备状态转换为不同的电信号，采用变频可调节技术，通过变频调控器对风机进行变频控制，改变风机风量，并指导不同位置段射流风机开启状态。

10、上述的一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，所述风量控制模块中通风安全预警识别方式为：对隧道内通风安全状态识别采用如下7个指标，分别为氧气含量、粉尘允许浓度、c0浓度、氮氧化物、温度、湿度、风速；当环境检测数据有且仅有一项超过上述指标的安全阈值时，提示为红色预警状态，此时将风机全部开启，控制通风设备单元按最大功率模式运行，将污染气体快速及时排除洞外，直至满足隧道通风安全标准条件。

11、风量控制模块中通风安全工作状态识别方式为：对隧道内通风安全状态识别采用如下7个指标，分别为氧气含量、粉尘允许浓度、c0浓度、氮氧化物(换算为n02)、温度、湿度、风速，当环境检测数据均满足其规定的安全阈值时，此时认为通风处于安全状态，可结合空气环境条件开展通风设备优化调节。

12、一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，该智能通风系统通过以下步骤实现长大斜井隧道内空气环境质量的调控：

13、s1：在循环爆破进尺结束后，开启空气环境检测单元，利用布置在隧道工作面附近的固定式检测传感器采集隧道工作面范围的环境参数，并将检测到的参数数据转化为电信号；

14、s2：对采集到的空气环境参数与安全阈值进行对比，识别通风安全状态，如处于预警状态则将通风风机切换成最大功率模式，开启全模式运行；

15、s3：当通风安全状态处于正常范围时，结合检测数据指标及数据分析成果，识别出通风工作状态及风量富余度，计算通风可调控指标值δf；

16、s4：利用风量控制模块及设置在风机中的变频调控器，调整风机运行频率及输出功率，改变通风气流产生量及风速，实现对通风设备的精准调控。

17、风量控制模块中通风设备优化调节包括以下步骤：

18、s1：隧道通风需求及风机设备计算，选择参考如下3个指标，分别为洞内施工人员所要求的新鲜空气量、洞内最小回风风速、爆破排烟粉尘浓度，分别计算满足各指标控制标准的最低需风量qmin＝max{qmin1，qmin2，qmin3}；

19、s2：根据隧道工况条件及风机设备型号，计算保证隧道工作面最低需风量qmini的风机最低运行频率f0 i；

20、s3：在处于风机全开启条件下，根据s21中3个指标的空气环境检测值与安全阈值按下式计算指标调控值δi：

21、δi＝|指标检测值-安全阈值|/指标安全阈值

22、相应的获得3个指标的δi，并取δimin＝min{δ1，δ2，δ2}，作为通风风机频率调控依据；

23、s4：根据通风风机最大运行频率fmax和风机频率调控指标δimin，按下式计算风机的运行频率调控值δf：

24、δf＝fmax×δimin且满足fmax-δf≥f0i；

25、s5：通风风机的实际输出功率即为，f输＝fmax-δf，并通过变频调控器自动调整风机运行状态，实现通风变频节能效果。

26、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，可以达到以下有益效果：

27、1、本发明一种高原地区长大斜井隧道智能通风系统，通过布置在长大斜井隧道工作面附近处的空气环境检测设备，可以实时掌握隧道不同施工阶段条件下的温度、湿度、风速、污染物浓度等空气环境质量状态，实现对隧道通风空气环境的精准把控和动态追踪，据此开展通风设备调节调控，提高通风系统与施工条件的自适应能力，保证施工人员的舒适性和环境的安全性；

28、2、本发明根据风压、风速、污染物浓度等实时空气质量指标结合通风标准阈值条件，可以精准了解现状通风设备工作富余状态，并结合风量控制模块，实现信息数据到电信号的一体化转换，动态改变风机等通风设备的工作频率及开启状态，精准调控隧道通风量从而实现改善隧道内施工作业环境并降低通风设备能耗的目的；

29、3、本发明提出了通风工作状态富余度判别标准及调控量计算方法，实现通风安全及设备工作状态条件的精准量化识别，能够进一步提升隧道通风精准调控的效率及可操作性。