主扇不停风倒机及无人值守监测监控系统研究

闵祥晟，刘 韬，司新江

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿,山东济宁 272100）

0 引言

矿井通风系统肩负着矿井通风的重要工作，作为通风主要动力的提供者，主扇风机素有“矿井肺腑”之称。主扇风机一般采用一备一用形式，在运行一段时间后会将备用风机改为主用实现挂网通风，而原主用风机进入检修备用阶段，把主备用风机的挂网切换称为倒机。煤矿通风机按照传统的“停机倒机”操作方式，倒机过程中备用风机为冷备用方式，一旦备用风机因为意外无法按预期启动，而原主用风机已经停转，煤矿通风在短时间内将难以恢复，易造成矿井停风事故，严重威胁着煤矿的生产安全。主扇不停风倒机及无人值守监测监控技术是矿井主通风系统安全运转的重要保障。

兖矿煤业股份有限公司兴隆庄煤矿的矿井通风系统总体上运行安全，近期未发生安全事故。然而，由于倒机步骤繁琐、倒机方式落后、倒机时间过长等问题普遍存在。虽然未酿成安全生产事故，但是仍存在一定的安全隐患。

1 研究内容

系统主要由智能系统和风门系统组成。当通风硬件设备（主要是主扇风机及其附属设备）发生故障不能正常运行时，为了不影响矿井通风工作的正常进行，需要通过主扇不停风自动倒机系统直接倒换主扇风机，倒机过程中将确保向井下不间断地供风，待倒机工作结束、设备运行平稳后再对相应设备或电源电路进行故障检查和排除工作。

项目摒弃现有的冷备用方式，在投运风机未停止运转之前将备用风机超前启动，进入热备用状态，提高倒机过程的容错能力。如果备用风机能够正常启动，待其运行稳定之后再进行运行风机的切换操作；假设备用风机不能进入热备用状态，可停下来进行故障处理，因投运风机未停止运转，不会影响矿井通风系统，可以有充分的时间查明原因。另外，让备用风机提前进入热备用状态，将原来“停风倒机”方式下风机切换过程的系统微风或停风阶段转变为在风机切换过程中短暂时间矿井通风风量合理的波动。

同时项目研发应用自密式旋叶风门，引入“短路”风门，将倒机过程简化为基于4 个风门联动的风路切换过程（双风窗自动化切换），整个风路切换过程将经历原运行风机挂网、2 个风机并联运行同时挂网和过渡到备用风机挂网3 个阶段，整个倒机过程持续向井下供风，并尽可能保持通风稳定。鉴于4 个风门的风路切换中通风稳定控制问题属于典型的非线性、大滞后、强耦合和多变量控制问题，项目计划分别研究采用基于顺序控制的开环控制和基于模糊控制两种方法，以保证倒机过程中风量的平稳过渡。

1.1 智能监控系统

（1）实现矿井主扇风机电机不停运状态下两台主扇风机的切换运行，实现一键自动切换。

（2）在线实时监测主扇风机主要性能参数，如压力、风量等。

（3）在线实时监测主扇电机的主要电气参数如电压、电流、功率及功率因数等。

（4）在线实时监测轴承箱轴承温度、振动，主电机绕组、轴承温度等运行参数；监测液压站启停信号、运行状态；风机启停、运行信号、风机风门开关信号、叶片运行角度等；在线设置矿井通风需要风量、压力、温度、振动值等报警、停机等范围上、下两级区间值。到第一数据设置区间时，监控系统自动发出警报，到第二数据设置区间时，监控系统应发出警报并停机，并开启故障自动切换风机系统。

（5）能在监控中心同步显示风机及风门系统模拟运行画面（图1）。

（6）设置故障专家诊断系统，监控系统将风机不同故障（电气、机械及监控系统故障）进行分类，根据故障等级影响风机正常运转故障和一般性故障给出不同处理意见，发出警报、直到进行应急控制处理，确保主扇风机的安全运行，保证井下通风正常；具备声光报警；故障处理完毕后或人工进行故障消警后，报警才能停止。

（7）设备出现故障停运时，可依据故障因素提示司机进行应急处理，具备故障时自动切换风机功能。

1.2 风门系统

风门系统包括4 个风门及其执行机构，主要包括对空短路风门（水平自密式旋叶风门）和立式挂网调节风门（立式自密式旋叶风门）。百叶窗式风门如图2 所示。风门具备以下功能：

（1）具备风门开到位、关到位限位功能，设备机械到位点，执行机构具备过力矩和电流超限保护。

图1 主扇风机监控画面

（2）能实现与监控系统的通信，执行监控系统关于风门的控制要求，能发送风门状态的反馈信号。

（3）满足矿井通风要求，风门强度保证在通风系统长时间运转状态下不发生变形或主要部件不损坏，保证在不破坏主体结构的情况下可进行日常检修。

（4）风门密闭性能好，在关闭状态时漏风量≤1%，风门启闭时间<1 min。

图2 百叶窗式风门（开启状态）

2 实现指标

实现兴隆庄煤矿东风井主扇不停风自动倒机和无人值守，切实提高通风自动化和智能化程度，同时大大提高倒机可靠性和倒机效率，提升通风安全。具体技术指标如下：

（1）具备“一键式”式倒机和无人值守功能。

（2）在每月一次的正常倒机中，包括风机发生故障时，实现矿井主扇风机的切换工作，倒机过程中井下风量波动时间<1 min，倒机过程中最低通风量不低于正常通风量的40%，最低供风量持续时间<10 s，倒机时间缩短到2 min以内。

（3）发生故障时监控系统能够实时显示和报警提示，控制方式有手动、自动和点动三种模式，切换时间<3 s。

（4）风门密闭性能好，在关闭状态时漏风量≤1%，风门启闭时间<1 min。

3 关键技术

（1）不停风自动倒机技术。主扇风机倒机期间通风动力的持续供应，“一键式”操作倒机和自动识别运行通风机故障的自动倒机功能。

（2）双主扇热备用技术。确保倒机前备用风机处于正常工作状态，确保风机性能稳定，具备倒机条件。

（3）专家故障诊断技术。从“通风系统安全”和“通风设备安全”的双重角度出发进行故障诊断研究，鉴于主扇风机故障样本严重不足的现状，采用基于人工免疫的故障预警和诊断分类方法进行研究，为后续的控制策略和控制手段提供决策支持，确保在通风机异常情况下，以最小的损失获得最大的安全效益，主扇风机通风系统模型中设置故障点进行取样对比研究，并建立故障诊断数据库。

（4）通风系统远程实时监测监控技术。在线实时监测主扇风机运行相关参数，确保主扇风机及其附属设备处于正常工作状态。

（5）风门优良的密封性能和耐腐蚀性技术。满足矿井通风对风门密封性和可靠使用寿命的要求。

4 社会效益

主扇不停风倒机及无人值守监测监控系统的研究与应用，极大地提高兴隆庄煤矿矿井通风系统的安全可靠性，成功地解决由主扇风机造成的通风失稳问题，根除由于主扇风机故障和定期停机形成的瓦斯超限事故，保证了矿井主通风机的安全运转，提高了矿井通风系统的安全稳定性，具有巨大的社会效益及行业内广泛的推广价值。