矿井主通风机不停风倒机控制的研究

吴现东

（山西焦煤西山煤电股份有限公司西曲矿， 山西 太原 030200）

0 引言

矿井的主通风机将井下煤层溢出的瓦斯气体抽出地面，保证了井下人员安全，因此其正常运行是煤矿安全开采的前提。随着矿井开采深度和工作面长度不断增加，特别是在某些高瓦斯矿井，通风系统的短时故障也可能导致瓦斯浓度报警，影响正常生产。在主通风机倒机过程中，会在井下产生短时间的停风，因此需要研究一种不停风倒机控制系统，以提高通风机的安全性和可靠性。

1 不停风倒机系统的分类

目前大多数矿井的风机采用手动倒换方式，手动操作风机的风门和驱动电机，完成主备之间的轮换。手动操作模式下，主备风机不能无缝衔接，在作业时间的差异影响下，井下容易出现短时停风和瓦斯超限的现象。

不停风倒机系统的实现方式有很多，根据工作原理可分为风机变频调速式、调节风门改变风阻式、增加对空短路风门式。其中风机变频调速式通过对风机加装变频调速装置，在倒机过程中，运行风机逐渐减速，备用风机逐渐加速，通过两台风机的转速控制保持井下风量和负压的不变，完成不停风倒机的过程。这种方式需要对两台风机进行变频改造，初期投入较大，且倒机过程中可能发生风阻短路，造成井下短时无风。调节风门改变风阻式是通过调节风门的开度改变风阻，先使两台通风机并联，然后再完成倒机。这种方式虽然不需要变频器，但是倒机过程中存在两台风机并联的时间段，此时可能发生喘振现象，造成机械事故。增加对空短路风门式是在风机入口处增加对空风门，与挂网风门形成联动控制，对空风门在风机入口形成了风阻短路。这种方式将备用风机从冷备用倒机变为热备用倒机，降低了启动风阻，但是也存在短时无风现象。不停风倒机系统的设计牵扯到风机性能、电网容量、投资成本等多方面因素，需要根据矿井通风系统的实际情况进行选择[1]。

2 对空风门结构和作用

对空风门的基本结构有闸阀风门、百叶窗风门、旋叶风门和蝶阀风门。闸阀风门是传统风门结构，在动作过程中需要较大功率电机进行拖动。百叶窗风门的叶片、框架和传动机构较脆弱，执行机构转动叶片的微小角度偏差容易造成很大程度的漏风。蝶阀风门在动作时，蝶阀以中间立柱为中心转动，阀门两侧受到风流的压力均衡，因此阀门动作的阻力只有自身转动部件的摩擦力，拖动电机的功率不需要很大[2]。

对空蝶阀的作用：一是保证备用风机启动过程中运行风机的工况不变，因为轴流风机必须要带负载启动，对空蝶阀给备用风机提供了开启的风道；二是调节风量和压力保持恒定，当备用风机并入通风时，对空蝶阀开启可使总风流分流，避免井下风量和压力过大；三是缓解风机的流量、压力波动，避免风机喘振。在切换过程中，风机工况点发生改变，对空蝶阀可以调节压力和流量。

如图1 所示为对空短路风门在风机不同运行状态的侧视图，在风机挂网运行时，对空风门关闭，立式风门打开，主通风机正常运行，将井下污浊空气经立式风门抽出到地面；在风机热备用时，对空风门打开，立式风门关闭，主通风机将对空风门的空气抽至地面，保持井下风压、风量不变的前提下，主通风机启动至正常运行状态。这样的对空风门设计使备用风机在倒机之前进入热备用位置，提高了倒机成功率[3]。

图1 对空风门的布置

3 倒机过程

倒机前通风系统运行方式：1 号电动机带动1 号通风机处于挂网运行状态，1 号立式风门打开，1 号对空短路风门关闭；2 号电动机和2 号通风机处于冷备用状态，2 号立式风门关闭，2 号对空短路风门关闭。

1）打开2 号对空短路风门，2 号电动机启动，拖动2 号主通风机空转运行，风流从高对空短路风门流入，由出风口流出，2 号主通风机进入热备用状态。

2）通过风机在线监测系统采集2 号主通风机的运行参数，判断其正常运行后，打开1 号对空短路风门，关闭1 号立式风门，1 号主通风机进入热备用状态。

3）打开2 号主通风机立式风门，关闭2 号对空短路风门，2 号主通风机进入挂网运行状态。

4）通过风机在线监测系统采集2 号主通风机的运行参数，判断其正常运行后，停下1 号主通风机，倒机完毕。

4 不停风倒机监控系统

在不停风倒机控制过程中，只有确保备用风机处于热备用状态且运行正常以后才能关闭运行风机，否则会导致井下停风，引起瓦斯浓度超限报警，因此在倒机过程中要时刻关注通风机的运行状态，为系统配置监控系统。如图2 所示为不停风倒机监控系统的原理，主机为PLC，通过外围集成模块与通风系统的主通风机电动机、风门电动机、各类型传感器进行数据采集和通信交互。通过模拟量输入模块采集井下通风网络各采样点的流量、温度和负压等信息。通过数字量输入模块采集通风机状态，判断是否运行还是冷备用；通过数字量输出模块向通风机发出启动和停止指令，通过串口通信模块采集电动机绕组温度、电动机转速、电枢电流等信息。PLC 的信息通过监控主机显示，工作人员也可以通过监控主机下发命令，控制通风机的启停。

图2 不停风倒机监控系统原理

监控系统能够完成矿井主通风机、风门和其他附属设备的性能参数和运行状态在线监测功能，实现主通风机启停控制及故障状态的保护制动，在风机故障状态下能自动发起不停风倒机，在人工操作下能实现手动不停风倒机。PLC 和监控主机需使用不间断电源供电，电源中断后可为装置提供1 h 的供电，防止因电源异常导致的故障。

监控系统具有就地控制、集中控制和远方控制三种模式。正常情况下在监控主机上实现远方风机启停和不停风倒机，保证井下风量和负压的平稳；在紧急情况下，可以在PLC 就地操作，控制高压柜、液压站、风门等装置，实现风机手动控制。

监控系统的PLC 可采用冗余设计，当主用PLC发生故障时，冗余PLC 可投入运行，使风机及润滑站继续运行。手动切换装置采用硬接线控制，防止PLC故障不能切换。两台监控主机可以查看风机的故障记录和各项参数，将数据上传至矿井综合自动化平台，接收调度室下发的控制指令。

5 结语

基于对空风门的矿井主通风机不停风倒机系统能够在PLC 控制下，通过对空风门和立式风门的配合，使备用风机在启动完成条件下并入通风系统，提高通风机的启动成功率，避免井下短时停风，对提高矿井的通风安全具有重要意义。