煤礦井下熱環境仿真氣候室及測試方法與流程

2023-09-12 00:24:35

本發明屬於煤礦安全設備技術領域，具體為煤礦井下熱環境仿真氣候室及測試方法。技術背景隨著煤礦礦井開採深度逐漸增加，綜合機械化程度不斷提高，地熱和井下設備向井下空氣散發的熱量顯著增加，高溫礦井越來越多。高溫熱害已成為繼水、火、瓦斯、煤塵、頂板5大自然災害後的第6大自然災害。礦工長期在礦井下熱害環境中作業，人的中樞神經系統特別容易失調，從而造成人精神恍惚、疲勞、渾身無力、昏昏沉沉，這不僅嚴重危害了礦工身體健康，還成為誘發事故的重要因素。為保障煤礦職工的身心健康，《煤礦安全規程》第一百零二條明確規定：「生產礦井採掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設備峒室的空氣溫度不得超過30℃。當空氣溫度超過規定時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，並給予高溫保健待遇」。秉承「以人為本」的理念，研究者已開發出投資少、見效快、運行經濟、高效節能的各種熱防護服，應用範圍已從航空、航海，逐步擴展到野戰、生化、消防、交通、冶金、核工業、醫療和體育等領域。但目前煤炭行業並沒有得到廣泛應用，主要原因有：1、由於煤礦行業是一個及其特殊的行業，作業環境非常惡劣，作業環境對人體有哪些危害，危害程度如何，至今仍然沒有具體、詳細的研究可供參考。因此市場上並沒有現成的熱防護服可直接應用。2、因為煤炭行業的特殊性，許多熱防護服研究者對煤炭行業熱環境並不熟悉。3、研發出來的熱防護服到底適不適合此行業，由於煤炭行業的危險性又不能直接拿到煤礦井下試用，缺少中試環節。以上3點限制了煤炭行業熱防護服的開發研究及廣泛應用。國外學者實驗結果表明，當使用水冷卻工作服時，人體出汗率可減少25%。當使用空氣冷卻服時，人體出汗率可減少35%，即使溫度高達40℃，這種工作服仍可將溫度調節到合適人體的溫度。而目前煤礦行業多採用地面集中製冷、冷卻、排熱布置方式，存在「投資大、工期長、損耗高、效率低、運行成本高、降溫效果不明顯」等問題。要想使熱防護服在煤炭行業廣泛應用，就要縮小研發與現場之間的距離。仿真氣候室是以各種模擬手段，人為地製造出與自然界和特殊環境條件下的環境氣候條件相近的密閉空間，它不受地理、季節等自然條件的限制，並能縮短研發的周期，成為科研、教學和生產的一種重要設備。

技術實現要素：
基於以上考慮，本發明提出一種用於實驗、研究煤礦井井下熱溼環境對人體健康危害、礦用個體防護降溫服及其降溫服防護性能主、客觀評價的仿真氣候室。它可以較真實的模擬煤礦井下熱溼環境，提供較準確的數據，避免現場環境測試時對環境的不可控制性，滿足實際工作的需要。煤礦井下熱環境仿真氣候室，在仿真氣候室內設有控制櫃1、第一計算機2、溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6、人體微氣侯採集系統7、報警系統8、人體生理指標測試系統9。其中，溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6、人體微氣侯採集系統7分別與控制櫃1相連接。人體生理指標測試系統9與第一計算機2相連接。由操作人員通過控制櫃1向溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6下達工作參數指令。溫溼系統4負責對仿真氣候室內的溼度和溫度進行採樣，並反饋至控制櫃1。溫溼系統4在控制櫃1的控制下，調節仿真氣候室內的溼度和溫度。新風系統5負責對仿真氣候室內的含氧量進行採樣，並反饋至控制櫃1。新風系統5在控制櫃1的控制下，向仿真氣候室輸送氧氣。模擬風系統6在控制櫃1的控制下，模擬煤礦井下通風情況。人體微氣侯採集系統7、人體生理指標測試系統9對仿真氣候室內的實驗人員進行信號採集，其中，由人體微氣侯採集系統7採集到的信號傳遞至控制櫃1，由人體生理指標測試系統9採集到的信號傳遞至第一計算機2。報警系統8對仿真氣候室內的溼度、溫度和氧氣濃度進行採樣並反饋至控制櫃1。當報警系統8檢測到仿真氣候室內的溼度、溫度或氧氣濃度超過人工設定的報警值時，控制櫃1報警。進一步說，所述的煤礦井下熱環境仿真氣候室呈矩形，由實驗準備間、測試間和設備間組成。在仿真氣候室的外部設有實驗準備間，測試間一端設有設備間。實驗準備間隔成觀察間、更衣間和緩衝間。其中觀察間與更衣間之間、更衣間與緩衝間之間、緩衝間與測試間之間均設有常閉門。在觀察間與測試間之間的牆壁上設有觀察窗。設備間被分割成裡間和外間。裡間與外間之間設有常閉門。在測試間與裡間之間的牆壁上設有第一迴風口，在第一迴風口上配有百葉窗。在測試間與外間之間的牆壁的上設有第二迴風口、出風口，在第二迴風口上配有具有透氣柵格的門。該具有透氣柵格的門常閉。在測試間內設有人體微氣侯採集系統7、報警系統8、人體生理指標測試系統9、和暖體出汗假人測試系統11。在設備間內設溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6。在測試間的頂部設有孔板。孔板上方的空間與裡間相通。測試間內的氣流經百葉窗流入裡間。經溫溼系統4、新風系統5的加溼、加熱處理後，氣流由測試間頂部孔板出風。模擬風系統6包括模擬風道、整流風道、變頻軸流風機三部分。變頻軸流風機設置在外間中，模擬風道62、整流風道61設置在測試間中。模擬風道62的一端經整流風道61、出風口與變頻軸流風機相連。，模擬風道62、整流風道61均設立在測試間內的鋼化玻璃牆隔離而成。測試間內的氣流經具有透氣柵格的門流入外間，進入外間的氣流被變頻軸流風機吸入後，形成模擬風，且依次經過出風口、整流風道61、模擬風道62進入測試間。新風系統5與仿真氣候室的室外相通，當仿真氣候室內的含氧量不足時，由新風系統5將室外的新鮮空氣抽入，補充氧氣。採用如本發明所述煤礦井下熱環境仿真氣候室的測試方法，按如下步驟操作：步驟1：通過控制櫃1設定溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6的工作參數。設定報警系統8的報警參數。將人體微氣侯採集系統7與控制櫃1連接。將人體生理指標測試系統9與第一計算機2連接。穿著降溫服的實驗人員在智能化跑步機上模擬煤礦井下工人不同勞動輕度。將暖體出汗假人測試系統11與第二計算機3連線，暖體出汗假人穿上所測試降溫服。步驟2：啟動溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6，令測試間的溼度、溫度和氧氣濃度符合控制櫃1的指令。收集人體微氣侯採集系統7、人體生理指標測試系統9、將暖體出汗假人測試系統11的檢測數據。步驟3：穿著降溫服的實驗人員在檢測室裡的智能跑步機上模擬不同勞動強度。通過控制櫃1、第一計算機2、第二計算機3收集並儲存人體微氣侯採集系統7、人體生理指標測試系統9、將暖體出汗假人測試系統11的檢測數據。步驟4：由報警系統8檢測仿真氣候室的測試間的溼度、溫度和氧氣濃度並反饋至控制櫃1，如超過設定值，由控制櫃1內的聲光報警器報警，為了實驗人員安全立即結束實驗，反之實驗繼續，直至完成全部的監測項目。有益的技術效果本發明可以較真實的模擬煤礦井下熱溼環境，提供較準確的數據，避免現場環境測試時對環境的不可控制性，滿足實際工作的需要。本發明能對礦用個體防護降溫服及其降溫服防護性能主、客觀評價的仿真氣候室。本發明的技術優點還表現在如下方面：（1）較真的模擬煤礦井下熱溼環境，為科研工作者研究煤礦井下作業環境對人體危害及煤礦行業個體防護裝備的應用提供中試環節。（2）該氣候室可對個體防護降溫服的防護效果進行主、客觀評價。（3）實驗人員在氣候室內模擬煤礦井下高強度勞動不會影響室內溫溼度變化。（4）新風量依據5個實驗人員同時在氣候室內模擬煤礦井下高強度勞動的設計，可以確保實驗人員在模擬不同勞動強度時氧氣需求量。附圖說明圖1是本發明設備之間連接示意圖。圖2是本發明的仿真氣候室的布局示意圖。具體實施方式現結合附圖詳細說明本發明的結構特點。參見圖1，煤礦井下熱環境仿真氣候室，仿真氣候室設有控制櫃1、第一計算機2、溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6、人體微氣侯採集系統7、報警系統8、人體生理指標測試系統9。其中，溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6、人體微氣侯採集系統7分別與控制櫃1相連接。人體生理指標測試系統9與第一計算機2相連接。由操作人員通過控制櫃1向溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6下達工作參數指令。溫溼系統4負責對仿真氣候室內的溼度和溫度進行採樣，並反饋至控制櫃1。溫溼系統4在控制櫃1的控制下，調節仿真氣候室內的溼度和溫度。新風系統5負責對仿真氣候室內的含氧量進行採樣，並反饋至控制櫃1。新風系統5在控制櫃1的控制下，向仿真氣候室輸送氧氣。模擬風系統6在控制櫃1的控制下，模擬煤礦井下的送風狀態。人體微氣侯採集系統7、人體生理指標測試系統9對仿真氣候室內的實驗人員進行數據採集，其中，由人體微氣侯採集系統7採集到的數據傳遞至控制櫃1，人體生理指標測試系統9採集到的數據傳遞至第一計算機2。報警系統8對仿真氣候室內的溼度、溫度和氧氣濃度進行採樣並反饋至控制櫃1。當報警系統8檢測到仿真氣候室內的溼度、溫度或氧氣濃度超過人工設定的報警值時，由控制櫃1直接報警。參見圖1，進一步說，仿真氣候室設有第二計算機3和暖體出汗假人測試系統11。暖體出汗假人負責對降溫服的熱阻、溼阻、透溼指數進行檢測，並將檢測的結果反饋至與之相連的第二計算機3。在溫溼系統4、新風補償系統4、模擬風系統6綜合作用下，暖體出汗假人11可取代真人，全身設置18個傳感器，通過第二計算機3實時採集暖體出汗假人11的18個部位的溫溼度。通過第二計算機3計算服裝熱阻、溼租、透溼指數等指標，客觀評價降溫服的舒適性。進一步說，控制櫃1的型號為IRV智能控制系統。控制櫃1具有自動控制或手動控制的雙重操作功能，可以根據室內溫度、溼度的測量值，自動對環境室進行製冷、加熱、加溼或者除溼。當控制櫃1處於自動控制狀態時：首先通過人工的方式向控制櫃1輸入環境參數。控制櫃1根據接受到的環境參數、以及溫溼系統4、新風系統5實時反饋的數據，分別實時控制溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6的工作。當控制櫃1處於手動控制狀態時：控制櫃1將人工輸入環境參數實時傳遞至溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6。參見圖1，進一步說，溫溼系統4包括數碼渦旋製冷壓縮機41、遠紅外輻射加熱板42、電極加溼器43、溫度傳感器和溼度傳感器。數碼渦旋製冷壓縮機41、遠紅外輻射加熱板42、電極加溼器43、溫度傳感器和溼度傳感器由控制櫃1控制。溫溼系統4所能夠提供的環境工況為：溫度：10~45℃，精度±0.5℃。溼度：40%~99%RH，精度±5%同時實驗期間受試人員做高強度運動以模仿礦工勞動強度，因此在實驗室設計考慮了其對溫溼度的影響。溫溼系統4的製冷除溼功能採用數碼渦旋製冷壓縮機41的數碼渦旋技術代替傳統的定頻壓縮製冷技術，可有效地解決能量調節的問題，實現實時變工況能量調節，降低運行能耗。溫溼系統4的制熱功能是採用遠紅外輻射加熱板的形式，出風方式為頂部孔板出風，通過與製冷系統的循環風機公用，實現給房間的加熱功能。加溼功能採用電極加溼器，將電極棒插入電極罐水面下，接通電源，藉助水中的離子移動將水加熱至沸騰，產生水蒸汽的產生量加溼量大小則取於電極罐中水位的高低，即電極棒插入水中的深度或面積，蒸汽噴杆均勻分布於空調箱或風管中，經空氣吸收而達到加溼的目的。參見圖1，進一步說，新風系統5包括新風換氣機和含氧量檢測裝置，氧氣傳感器設在氣候室內。當仿真氣候室內的氧氣濃度低於18%時，新風系統抽入新鮮空氣，補充氧氣。新風換氣量可以同時滿足5個人在氣候室內模擬高勞動強度時的供氧需要。新風系統5的新風換氣量為500m3/h~1500m3/h。優選的方案是，新風系統5提供兩個換氣量：600m3/h的換氣量和1200m3/h的換氣量，每分鐘的供給風量不少於4m3，可滿足5個人同時實驗的需求。參見圖1，進一步說，模擬風系統6包含變頻軸流風機、模擬風道、整流風道，實現0~8m/s的模擬風速，能夠模擬採煤工作面、掘進中的煤巷和半煤巷風速的風速環境（0.25m/s~4m/s）。模擬風系統6包括。整流風道61和模擬風道62採用8mm厚鋼化玻璃製成。參見圖1，進一步說，人體微氣侯採集系統7用於採集處於仿真氣候室內實驗人員的皮膚溫度及其服裝微氣候溫度。人體微氣侯採集系統7包含5套人體微氣侯採集子系統。每個人體微氣侯採集子系統均包括6個溫度傳感器，量程為0~60℃，精度為±0.1℃。每隔10秒（可以依據需要設定），採集一次數據，並存儲。人體微氣候採集系統7採集人體6個點皮膚溫度，通過控制櫃1可人工設定溫度、溼度、氧氣濃度超限報警條件。同時實驗人員在實驗過程中如有不適，可以直接按仿真氣候室內的紅色呼救按鈕報警，室外聲光報警器響，提醒室外管理人員注意。參見圖1，進一步說，人體生理指標測試系統9負責採集處於仿真氣候室內實驗人員的生理參數。所述人體生理指標測試系統9採集的生理參數包括運動強度、能耗、血壓、心率。所述人體生理指標測試系統9為具有人體參數採集功能的跑步機BX-IRP-100，在運動過程中，除測試客觀指標外，實驗人員需填寫主觀感受。｝人在運動過程中，除測試客觀指標外，實驗人員需填寫主觀感受。人體生理指標測試系統9為中科院生產的BX-IRP-100型智能跑步機。在測試中，在溫溼系統4、新風補償系統4、模擬風系統6綜合作用下，實驗人員在不同溫度、溼度、風速工況下，通過智能化跑步機模擬煤礦井下不同工種勞動強度，由第一計算機2根據人體生理指標測試系統9反饋的生理參數的變化情況，客觀統計顯示高溫、高溼環境對人體健康的影響，及降溫服對高溫、高溼的防護效果。參見圖2，進一步說，所述仿真氣候室，呈矩形，由實驗準備間、測試間和設備間。在仿真氣候室外設有實驗準備間，在仿真氣候室內設有設備間，實驗準備間被隔成觀察間、更衣間和緩衝間。觀察間與更衣間之間、更衣間與緩衝間之間、緩衝間與測試間之間均設有常閉門。在觀察間與測試間之間的牆壁上設有觀察窗。設備間被分割成裡間和外間。裡間與外間之間設有常閉門。在測試間與裡間之間的牆壁上設有第一迴風口，在第一迴風口上配有百葉窗。在測試間與外間之間的牆壁的上設有第二迴風口、出風口，在第二迴風口上配有具有透氣柵格的門。該具有透氣柵格的門常閉。在測試間內設有人體微氣侯採集系統7、報警系統8、人體生理指標測試系統9、和暖體出汗假人測試系統11。在設備間的裡間內設有溫溼系統4、新風系統5。在測試間的頂部設有孔板。孔板上方的空間與裡間相通。測試間內的氣流經百葉窗流入裡間。經溫溼系統4、新風系統5的加溼、加熱處理後，氣流由測試間頂部孔板出風。模擬風系統6包括模擬風道62、整流風道61、和變頻軸流風機三部分。變頻軸流風機設置在外間中，模擬風道62、整流風道61設置在測試間中。模擬風道62的一端經整流風道61、出風口與變頻軸流風機相連。模擬風道62、整流風道61均由設立在測試間內的鋼化玻璃牆隔離而成。測試間內的氣流經具有透氣柵格的門流入外間，進入外間的氣流被變頻軸流風機吸入後，形成模擬風，且依次經過出風口、整流風道61、模擬風道62進入測試間。溫溼系統4內設的數碼渦旋製冷壓縮機41、遠紅外輻射加熱板42、電極加溼器43在控制櫃1的指令下，對進入循環通道的空氣分別進行製冷、加熱、加溼及除溼。新風系統5與仿真氣候室的室外相通，當仿真氣候室內的含氧量不足時，由新風系統5補充新風，增加氧氣含量。模擬風系統6內的變頻軸流風機在控制櫃1的指令下，模擬煤礦井下風速。採用本發明所述的煤礦井下熱環境仿真氣候室的測試方法，按如下步驟操作：步驟1：通過控制櫃1設定溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6的工作參數。設定報警系統8的報警參數。溫度設置範圍在10~45℃，為了準確控制室內溫度，還設置實驗室內溫度異常報警範圍差值。實驗室室內溫度超出此範圍後，監控系統會提示告警。溼度設置範圍在40%~99%。新風加載量分為高速換氣量：1200m3/h、低速換氣量：600m3/h兩檔。為保證室內O2含量，保證人身安全，可以根據室內人員活動量設置O2安全濃度，當室內O2含量低於此目標值時，自動開啟新風，還可以設置O2濃度告警條件值，當室內O2濃度低於設定條件時，仿真測試室外的聲光報警器就會響，保證實驗人員的安全。設置本發明的參數後，各模塊均可在20分鐘內達到設定值。人體微氣侯採集系統7由控制櫃1控制。將人體生理指標測試系統9與第一計算機2連接。穿著降溫服的實驗人員在智能跑步機上模擬不同勞動強度。將暖體出汗假人測試系統11與第二計算機3連線，暖體出汗假人穿上所測試降溫服。步驟2：啟動溫溼系統4、新風系統5、模擬風系統6，令測試間的溼度、溫度和氧氣濃度符合控制櫃1的指令。收集人體微氣侯採集系統7、人體生理指標測試系統9、將暖體出汗假人測試系統11的檢測數據。步驟3：穿著降溫服的實驗人員在氣候室內通過智能跑步機模擬不同勞動強度。通過控制櫃1、第一計算機2、第二計算機3採集並儲存人體微氣侯採集系統7、人體生理指標測試系統9、暖體出汗假人測試系統11的檢測數據。步驟4：由報警系統8檢測仿真氣候室的測試間的溼度、溫度和氧氣濃度，如超過設定值，控制櫃1內的聲光報警器報警，為了實驗人員安全立即結束實驗，反之實驗繼續，直至完成全部的監測項目。進一步說，實驗人員在進入仿真實驗室前，依次測試血壓、心電圖、心率、肺活量、體重、採血，然後戴上心率表，在額頭、頸部、前胸左右、後背左右共6個地方貼上人體微氣候採集系統的傳感器，穿上煤礦工人日常工作服或礦用降溫服。隨後，在休息室稍事休息10分鐘後進入測試室。在實驗室過程中，實驗人員通過室內智能跑步機模擬不同勞動強度，如身體出現不適及時按響紅色報警按鈕，室內人員每半個小時填寫一次主觀感受調查表。每次實驗時間為2個小時，實驗結束後，上述所有指標均再次測試，根據實驗前後人體生理、生化指標的的變化情況，分析礦井熱環境對人體健康的危害程度，及穿著礦用降溫服後在緩解人體受到危害起到的作用。