一种基于富硫化氢围岩隧道的有害气体抽排优化方法

本发明涉及现场施工及智能监测，更具体地说，本发明涉及一种基于富硫化氢围岩隧道的有害气体抽排优化方法。

背景技术：

1、随着公路、铁路行业的发展，隧道在穿越非煤地层时相继遇到硫化氢危害，硫化氢气体与深部循环水热活动伴生的现象显著，因此揭露的隧道围岩部分存在硫化氢气体和溶液的持续溢出，即使采用全包防水衬砌结构，但由于硫化氢溶液的强酸性对衬砌结构具有较强的腐蚀性，同时持续溢出溢出的硫化氢聚集导致围岩与衬砌结构之间气压增大，两者的共同作用极易造成全包防水衬砌结构的失稳破坏，降低衬砌结构的使用寿命。其次持续溢出的硫化氢具有毒性，如果没有加以收集集中处置，释放于环境极易造成环境污染。

2、目前对于硫化氢气体以及水溶液溢出的隧道，采用全包防水衬砌配合抽排系统的技术手段进行，并未考虑气体聚集气压增大和腐蚀性水溶液对衬砌结构腐蚀的影响，同时对于硫化氢气体和腐蚀水溶液的溢出速度和溶度并没有清晰的认知，导致经常性的气体聚集气压增大和高浓度溶液加速衬砌结构腐蚀，导致全包防水衬砌结构的使用寿命大大降低，另外抽排出的硫化氢气体和腐蚀性水溶液并没有收集集中处置，而是直接排入外界污染环境；为此，提出一种一种基于富硫化氢围岩隧道的有害气体抽排优化方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于富硫化氢围岩隧道的有害气体抽排优化方法，该发明在已有传统全包防水衬砌结构的设计方案基础上，配套了硫化氢溶液、气体浓度以及气压监测设备，结合智能监控手段，通过终端数据处理和实时反馈，形成溢出硫化氢气体、溶液以及地下水的智能抽排技术，该方案有效控制了衬砌结构和围岩之间硫化氢气体、溶液浓度以及气压，最大限度的降低了硫化氢水溶液对衬砌结构的腐蚀速度，同时实时监控下气体积聚气压增大情况大大减少，设计方法提高了衬砌结构的稳定性和使用寿命，同时抽排的有害气体好溶液被收集集中处置避免了环境污染。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于富硫化氢围岩隧道的有害气体抽排优化方法，所述优化方法包括硫化氢气体收集装置、硫化氢水溶液收集装置、智能抽排监控系统、衬砌间隔抽排空腔段；智能抽排监控系统包括硫化氢气体和溶液浓度传感器、气压传感器、排水泵、排气泵、排气管阀门、排气管、排水管、抽排控制装置、数据终端处理与反馈装置；

3、传感器数据采集与传输：其中dsensor为传感器采集的数据集，ch2s为硫化氢浓度，p为气压，为硫化氢水溶液浓度；

4、终端数据处理：dprocessed＝f(dsensor)，其中dprocessed为处理后的数据，f为终端数据处理函数；利用模糊算法：输入变量：硫化氢浓度ch2s、气压p、硫化氢水溶液浓度ch2s_solution；输出变量：风机转速v、排气阀开度a；控制规则：若ch2s高且p高，则v快，a大；若如果ch2s高且p低，则v快，a中；

5、若如果c低且p高，则v中，a大；若如果c低且p低，则v慢，a小；接着通过遗传算法：其中，f为适应度函数，w1,w2,w3为权重系数，eeff为气体处理效率；初始种群：s＝{s1,s2,...,sn}其中，s为初始种群，包含多个不同通风策略的组合；选择、交叉和变异操作：

6、snew＝selection(s)

7、scrossover＝crossover(snew)

8、smutate＝mutate(scrossover)

9、送代计算：soptimal＝iterate(smutate,f)；通过多次迭代计算，最终选出最优通风策略soptimal；

10、在一个优选的实施方式中：数据反馈与设备控制：利用卡尔曼滤波算法：输入变量：传感器数据dsensor＝{ch2s,p,ch2s_solution}；状态预测：其中，为预测的状态，a为状态转移矩阵，为上一次估计的状态，b为控制矩阵，uk为控制输入；预测误差协方差：pk|k-1＝apk-1|k-1at+q，其中，pk|k-1为预测误差协方差矩阵，q为过程噪声协方差矩阵；卡尔曼增益：kk＝pk|k-1ht(hpk|k-1ht+r)-1，其中，kk为卡尔曼增益，h为测量矩阵，r为测量噪声协方差矩阵；状态更新：其中，zk为测量值；误差协方差更新：pk|k＝(i-kkh)pk|k-1，其中，i为单位矩阵；

11、在一个优选的实施方式中：强化学习算法：状态空间：系统当前状态st＝{ch2s,p,ch2s_solution}；动作空间：系统可采取的动作at＝{vvalve,ppump}；奖励函数：其中，α1,α2,α3为权重系数，ch2starget,ptarget,为目标值；q值更新：

12、q其中，α为学习率，γ为折扣因子，st+1为下一状态；反馈数据传递给抽排控制装置；

13、在一个优选的实施方式中：控制信号生成：备控制逻辑：启动抽排系统：打开排气管阀门，启动排气泵和排水泵；停止抽排系统：关闭排气管阀门，停止排气泵和排水泵。

14、在一个优选的实施方式中：压力传感器数据采集：psensor＝p(t)，其中，psensor为压力传感器在时间t的监测数值；阈值判断：psensor>pthreshold，其中，pthreshold为预设的压力阈值；容器状态判断：若psensor超过pthreshold,则容器状态为满(full)；终端数据处理与反馈：dprocessed＝f(psensor)if container_status＝full,thenfeedback＝alert_staff，其中，dprocessed为处理后的数据，f为终端数据处理函数；如果容器状态为满，反馈信号(feedback)为”alert staff”；疏化氢气体集中收集处理：如果反馈信号为”alert staff”,则进行硫化氢气体的集中收集处理(perform collection＝true)；硫化氢气体收集装置配有压力传感器，当压力传感器监测数值超过阈值，则表明收集容器已满，需要人为更换，终端数据处理后反馈给工作人员，进行硫化氢气体集中收集处理。

15、在一个优选的实施方式中：所述压强传感器数据采集为：psolution＝psolution(t)，其中，psolution为压强传感器在时间t的监测数值；阈值判断：psolution>pthreshold，其中，pthreshold为预设的压强阈值；if psolution>pthreshold,then solution_container_status＝full，如果psolution超过pthreshold,则容器状态为满(full)；终端数据处理与反馈：其中，dsolution_processed为处理后的数据，f为终端数据处理函数；如果容器状态为满，反馈信号(solution feedback)为”alertstaff solution”；如果反馈信号为“alert_staff_solution”，则进行硫化氢溶液的集中收集处理(perform_solution_collection＝true)；硫化氢溶液收集装置配有压强传感器，当压强传感器监测数值超过阈值，则表明溶液已满，需要人为更换，终端数据处理后反馈给工作人员，进行硫化氢溶液集中收集处理。

16、本发明的技术效果和优点：该发明在已有传统全包防水衬砌结构的设计方案基础上，配套了硫化氢溶液、气体浓度以及气压监测设备，结合智能监控手段，通过终端数据处理和实时反馈，形成溢出硫化氢气体、溶液以及地下水的智能抽排技术，该方案有效控制了衬砌结构和围岩之间硫化氢气体、溶液浓度以及气压，最大限度的降低了硫化氢水溶液对衬砌结构的腐蚀速度，同时实时监控下气体积聚气压增大情况大大减少，设计方法提高了衬砌结构的稳定性和使用寿命，同时抽排的有害气体好溶液被收集集中处置避免了环境污染。