针对煤矿主通风机停机切换的解决方案

王向前

摘 要：为了解决煤矿风机在切换过程中出现的短时停风问题和矿井瓦斯超限引发的安全隐患，采用了煤矿主通风机不停机的切换模式。这种切换模式的特点是，在风机切换过程中，热启动备用风机，保证矿井通风不间断，为风机切换提供强有力的保障，从而实现风机不停风切换。

关键词：煤矿风机；不停风切换；主扇风机；风门

中图分类号：TD441 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.069

煤矿主通风机主要是为井下供应充足的新鲜空气，调节矿井气候，为工作人员创造良好的工作环境，有效提高矿井的抗灾能力。矿井主扇不停风切换系统就是针对工作中存在的安全问题而研制的高效、可靠的井下通风系统。要想解决主扇停止工作就停风的问题，在矿井生产过程中，要不间断地为井下提供足够的风量，严格控制井下空气中的瓦斯含量，尽可能排除因通风不畅而引发的安全隐患。

1 主扇风机不停风切换系统的意义

《煤矿安全规程》第121条规定，主通风机上必须安装2套同等能力的主要通风机，其中一套备用，备用风机必须在10 min内启动，而且每月至少要检查一次。一般情况下，煤矿单位每个月都需要切换一次矿井主通风机。由传统的停机切换方式可知，在定期切换的过程中，主通风机短时停风和传统停机切换模式中的备用风机都采取的是冷备用方式。一旦备用风机因为意外情况而无法正常启动，煤矿通风短时间内将难以恢复，进而引发通风失稳的问题。对于高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出的矿井，如果出现这种情况，很容易发生瓦斯超限事故，威胁煤矿工作人员的安全。

鉴于此，要改变煤矿风机的切换思路，具体做法是：①热启动备用风机。因为2台通风机对应同一套通风系统，所以，在切换前，要先改造系统前置的切换风门。同时，在切换风门前引进一套水平进风门，平时也可用它检测备用风机的性能。在切换风机前，可以提前启动备用风机，以到达热启动的目的。②增加一键切换，自动诊断主通风机故障。通过系统内检测和相应的控制系统可以有序打开或闭合2台风机、2套水平百叶窗和2套切换风门，使矿井不停风切换2台主通风机。这样做，不仅缩短了切换时间，还解决了切换过程中矿井风量、风压大幅波动引起瓦斯超限的问题，有效保证了矿井的生产安全。

2 系统运行分析

2.1 备用风机热启动的特点

目前，国内90%的煤矿矿井主通风机采用的是轴流式通风机。其启动方式与离心式风机的启动完全不同，离心式风机是满负荷零流量启动，轴流式风机是小负荷零负压启动。因此，在备用风机热启动前，要先打开水平百叶窗式风门。这样做，不仅能减小风机的启动阻力，还能解决风机启动时遇到的困难。

2.2 备用风机热备用

在传统切换模式下，当备用风机正常检修工作完成后，可关闭运行中的1号主通风机，待1号主通风机挺稳后，关闭1号风路切换风门，打开2号风路切换风门，启动2号主通风机（备用主通风机），完成风机切换。当2号主通风机发生电路故障无法启动时，只能重新关闭2号风路切换风门，打开1号风路切换风门，启动1号主通风机。在煤矿生产中，这种情况就被称为安全事故，但是，面对这种情况又无法提前采取相应的预防措施。备用风机热备用可以提前检测备用风机的性能，如果它发生故障，可直接进入检修状态，避免发生切换失败等问题。由此可见，备用风机热备用不仅能够解决矿井生产过程中存在的安全隐患，还能够保证矿井风机切换的成功率。

2.3 风门切换，避免通风系统大幅波动

在切换传统风机的过程中，要先关停运行中的主通风机，切换风路切换风门，然后才能启动备用风机。一般情况下，从1号风机停稳到风门打开再启动备用风机需要5～9 min，而超过10 min就为事故。因此，在切换风机的过程中，必然存在短时间供风暂停的情况，进而导致煤矿瓦斯超限。在切换风机的过程中，如果发生故障，瓦斯超限，就会发生重大的安全事故。为了避免矿井出现大的波动，系统采用4套风门。其中，2套为水平百叶窗式风门，2套为侧开式电动风门，同时，要用控制系统控制4套风门按照既定顺序打开和关闭，使整个矿井系统风路不出现大的波动，让整个切换过程平稳过渡，为风机切换奠定基础。主通风机不停风切换系统如图1所示。

在主通风机不停风切换的过程，1号风机正常运转，1号水平门为关闭状态，1号风路切换风门为打开状态，2号风机为备用风机（待切换），2号水平门为关闭状态，2号风路切换风门为关闭状态。具体工作流程是：①当1号风机正常运转时，准备切换程序，打开2号水平百叶窗风门；②开启已经通过检修进入启动准备的2号备用风机；③当系统检测2号风机正常运转时，便可以切换，进入下一道准备程序；④打开1号水平百叶窗风门，关闭1号风路切换风门，同时，打开2号风路切换风门；⑤系统要及时检测各风门的到位情况和风门启闭状态；⑥待2号风机联网运行正常后，1号风机关闭，停止运转；⑦各监测系统检测正常，切换工作完成。

3 技术方案

3.1 通风机故障预警和分类诊断

一般情况下，主通风机故障分为电气故障、机械故障和风机性能故障3种。在该系统中，可将通风机故障分为致命性故障和非致命性故障，前者可直接导致通风失稳，所以，要及时采取相应的解决措施（比如中断供电，因为通风机喘振等将会直接威胁通风设备的安全，通风安全故障属于致命性故障）；后者允许通风机带故障运行一段时间的。针对非致命性故障，安装了监控系统后，要先平移、伸缩变换通风机的正常运行参数，使其归一化，然后将其放在故障坐标平面上。实时采集到的通风机运行状态参数可采用同样的变换方式放置在这个平面上，通过引入的故障距离函数区分安全自己、安全非己和危险非己等不同故障等级，从而实现故障预警。另外，在故障坐标平面上，可以选择代表不同故障的特征量来区分不同故障的隶属程度，以此作为不同故障处理方法的实行条件，实现智能选择控制策略。通风机的性能故障和机械故障的处理方法不同，性能故障主要是通过调节风机性能参数或调节通风网路风阻来消除，而机械故障则需要实时监测，根据异常度判断其是否已经演变成致命性故障，必要时还需切换风机。主通风机故障异常度如图2所示，主通风故障状态空间划分情况如图3所示。

由图2可知，为了检测通风机运行异常时设备的异常度，系统将故障划分为5个不同的异常等级，并对应设备不同的报警级别，为选取解决方法（维持原风机的运行状态或立刻采取相应的控制措施）提供了量化依据。如图3所示，在同一异常等级中，在坐标平面上，可用2条互相垂直的分界线（边界1和边界2）细分故障类型，并将通风机的非己状态空间分成4个扇形区域。

基于上述思路，在线监控系统安装完成后，首先要在线采集、积累设备的正常运行状态样本，训练机器识别“安全自己”，然后利用距离函数得出故障异常度。对于危险非己的故障，可以根据图3所示的状态空间划分自动识别通风机的故障类别，从而选择相应的解决措施，并保证相关工作能够在1 min内完成，有效遏制由主通风机故障引起的通风系统事故。

3.2 提高通风机的切换成功率

在地面风道顶端布置水平百叶窗风门，在风道内布置侧开式（或立式）风路切换风门。当1号风机运行时，2个自密式风门分别为图4所示的状态，即1号风路切换风门打开，1号水平百叶窗风门关闭。

当备用风机由冷备用改为热备用状态切换时，2个自密式风门将分别切换到图5所示的状态，即侧开式挂网风门关闭，水平对空短路风门打开。这样做，既可以解决原停机切换模式下备用风机无法提前启动进入热备用的问题，还可以在不影响原运行风机正常运行的情况下，实现备用风机切换前的热备用。在备用风机热启动前，可以先打开水平百叶窗式风门，在降低风机启动阻力的同时解决风机启动困难等问题。

3.3 水平百叶窗风门

在不停风切换的过程中，要求备用通风机进入热备用状态。另外，在系统中引进自密式百叶窗旋叶风门生产技术，即将一个风门整体拆分成旋叶，有效克服了原闸板风门带压力启闭困难的问题。在0°～90°之间旋转叶片，可以实现风门在不同状态下的转换。这时，将其设置在通风机对空风门的位置，用来取代原有水平闸板式风门的开、闭。这种做法不仅操作灵活，还能缩短风路切换时间，减少因为倒机而造成井下通风不稳定的情况。

3.4 侧开式（或立式）风路切换风门

该风门主要用于煤矿通风。它在巷道内可截流空气，有全开全闭的功能，可全压启动。该设备结构设计轻巧，密封性能好，采用多回转电动执行器带动齿轮、齿条传动，设有信号反馈系统和过载保护装置，运行时启闭、转动灵活，流体阻力小，开闭省力，介质流向不受限制，维护方便，可实施远距离操作。

4 系统组成及其功能

4.1 监控系统

该系统能够在线监测通风机及其附属设备的运行状态、性能参数等，实现对它们的启停控制和必要的保护，从而完成正常状态下和风机故障下的不停风切换。

风机监控具有远方、集中和就地控制功能。正常情况下，在电脑上就可以自动实现或使用远方一键控制风机的启停和切换，保持井下风量的平稳性。如果在此过程中遇到特殊状况，可以采用人工手动的方式控制设备。

在具体工作中，根据用户的需要，风机监控装置可采用PLC冗余系统集中控制，风机的各附属装置均可实现远程和就地操作。风机的监控系统可与矿综合自动化平台联网，实现信号上传，并接收远方（调度室）下行的控制命令。不停风切换监控系统的结构如图6所示。

4.2 风门系统

风门系统主要是由水平百叶窗风门和侧开风路切换风门（或立式风门）构成的。在工作过程中，要根据现场工况，配合立式闸板检修风门一起使用。这两种风门均配有执行机构。执行机构可选择电机驱动方式，它执行精度高，系统稳定，维护便捷，对维护工人的素质也无硬性要求。每种类型的风门都有2种开启模式（有电开启、无电手动），它们被广泛应用于各矿中。此外，风门的电控部分一般安装在风道附近，它可以就地开关，是远程自动切换系统备用装备的一部分。

5 总结和展望

目前，对煤矿通风工作的研究主要集中在通风网络的优化、主通风机自动控制和矿井通风控制自动化方面，风机切换工作仍然没有引起矿方的足够重视。虽然传统的停机切换模式符合《煤矿安全规程》的规定，但是，每次风机切换对矿方来说都是一项巨大的工程——需投入大量的人力、物力。应用主扇风机不停风切换系统，不仅提高了矿井通风的安全性和可靠性，还塑造了良好的企业形象，获得了更好的社会效益。

〔编辑：白洁〕