高永強(qiáng)

(山西省大同市同煤集團(tuán)晉華宮礦通風(fēng)區(qū), 山西 大同 037016)

0 引 言

煤礦開采，井下通風(fēng)主要借助于通風(fēng)動(dòng)力完成，通風(fēng)動(dòng)力作用把地面上新鮮空氣按照所設(shè)置好線路持續(xù)輸送至井下空間，確保煤炭開采各個(gè)位置處通風(fēng)需求得以滿足。另外，借助于井下通風(fēng)作業(yè)還能把井下污濁氣體排出到地面上，確保井下能夠持續(xù)獲得新鮮空氣，不斷將污濁氣體排出。所以，在煤礦開采中要求持續(xù)且穩(wěn)定通風(fēng)，以保障井下空氣環(huán)境滿足開采要求。在通風(fēng)過程中，主扇風(fēng)機(jī)是主要通風(fēng)動(dòng)力來源，其運(yùn)行穩(wěn)定性與否對(duì)于井下通風(fēng)狀況有直接影響，而主扇風(fēng)機(jī)的失穩(wěn)問題存在突發(fā)性特征。

主扇風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振失穩(wěn)的原因很多：主扇風(fēng)機(jī)發(fā)生異常停機(jī)以及定期倒機(jī)操作時(shí)的會(huì)發(fā)生喘振失穩(wěn)問題，另外，巷道出現(xiàn)變形、調(diào)風(fēng)以及運(yùn)輸設(shè)備移動(dòng)等等也會(huì)導(dǎo)致井下通風(fēng)阻力發(fā)生變化，導(dǎo)致主扇風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)波動(dòng)至不穩(wěn)定區(qū)間，出現(xiàn)喘振失穩(wěn)。發(fā)生喘振失穩(wěn)情況下，氣流會(huì)存在明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象，主扇風(fēng)機(jī)性能隨之也會(huì)變得很差，引起風(fēng)機(jī)震動(dòng)，發(fā)出巨大噪聲。若是喘振失穩(wěn)問題一定時(shí)間內(nèi)未解決，主扇風(fēng)機(jī)的葉片裝置可能發(fā)生斷裂，葉輪等部件發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，甚至?xí)C(jī)毀房塌，這對(duì)于井下煤炭開采作業(yè)安全性造成極為不利的影響。

1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)及主扇風(fēng)機(jī)喘振失穩(wěn)概述

某礦礦井屬于雙突礦井，該煤礦礦井的總進(jìn)風(fēng)量超過1萬m3/min，其中有效風(fēng)量所占比率達(dá)到87%。目前煤礦開采工作面均存在爆炸性危險(xiǎn)，依照2016年煤礦井下瓦斯氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，煤礦井下瓦斯的絕對(duì)涌出數(shù)量達(dá)到18 m3/min，井下瓦斯氣體相對(duì)涌出數(shù)量達(dá)到12 m3/t，目前一共設(shè)置兩個(gè)瓦斯氣體抽風(fēng)系統(tǒng)，抽放瓦斯氣體的數(shù)量達(dá)到200萬m3/a。

依據(jù)井下作業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)程等規(guī)定，要求應(yīng)當(dāng)每月定期對(duì)井下主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢修工作。目前煤礦井下主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，主風(fēng)機(jī)和備用風(fēng)機(jī)之間切換操作主要是人工操作完成，主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行倒機(jī)操作時(shí)是應(yīng)用停機(jī)倒機(jī)方法完成。在主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備停機(jī)情況下，從煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)信息得出，2016年3月～2018年3月兩年時(shí)間之中，一共發(fā)生有8次瓦斯氣體超標(biāo)事故，風(fēng)機(jī)切換操作記錄信息統(tǒng)計(jì)，操作過程中操作人員所花費(fèi)的操作時(shí)間均符合規(guī)程要求，都未超過10 min，不存在違規(guī)操作問題。

對(duì)作業(yè)面位置處的風(fēng)速探頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以分析得出，停機(jī)倒機(jī)過程中，因?yàn)閭溆蔑L(fēng)機(jī)處在冷備用狀況下，啟動(dòng)過程中極易發(fā)生喘振失穩(wěn)問題，此時(shí)原主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行停止，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，使得井下瓦斯氣體濃度超標(biāo)。因此，為能夠保障井下開采作業(yè)安全性，應(yīng)當(dāng)對(duì)停機(jī)倒機(jī)方式進(jìn)一步優(yōu)化，保障主扇風(fēng)機(jī)在停機(jī)倒機(jī)過程中不出現(xiàn)喘振失穩(wěn)問題，同時(shí)構(gòu)建主扇風(fēng)機(jī)喘振失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況加以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 主扇通風(fēng)設(shè)備喘振失穩(wěn)控制方案

2.1 主扇通風(fēng)設(shè)備喘振失穩(wěn)控制方案分析

目前，某礦所應(yīng)用主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備型號(hào)為BD型風(fēng)機(jī)設(shè)備，該類型風(fēng)機(jī)屬于防爆型風(fēng)機(jī)設(shè)備，其自身結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，性能優(yōu)良，風(fēng)機(jī)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)

原前通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)門結(jié)構(gòu)是立式閘板結(jié)構(gòu)，風(fēng)門結(jié)構(gòu)拖動(dòng)時(shí)借助于功率為15 kW交流電機(jī)完成，經(jīng)由鋼絲繩實(shí)現(xiàn)向上提拉操作，借助于重力自由下落實(shí)現(xiàn)風(fēng)門關(guān)閉操作，在進(jìn)行風(fēng)門調(diào)節(jié)中未設(shè)置速率調(diào)節(jié)裝置，風(fēng)門結(jié)構(gòu)的開合位置設(shè)定是利用上方以及下方所設(shè)定限位傳感裝置進(jìn)行檢測(cè)。

此方案設(shè)計(jì)全面考慮了各種調(diào)節(jié)風(fēng)量方法，分別設(shè)計(jì)了調(diào)整主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)葉角度、主扇風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)變速調(diào)整以及調(diào)整風(fēng)門結(jié)構(gòu)自身開度等不同方案，同時(shí)將主扇風(fēng)機(jī)的喘振失穩(wěn)調(diào)節(jié)和不停機(jī)倒機(jī)調(diào)節(jié)工作相結(jié)合，確保井下通風(fēng)穩(wěn)定性，同時(shí)也要保證倒機(jī)過程中不會(huì)發(fā)生瓦斯氣體濃度超限問題，確保井下開采作業(yè)安全性。以下對(duì)不同方案論證分析。

(1) 主扇通風(fēng)設(shè)備風(fēng)葉在線調(diào)控方案。此方案是確保風(fēng)葉結(jié)構(gòu)角度由零度開啟，確保電機(jī)裝置處于啟動(dòng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)掛網(wǎng)后逐漸對(duì)風(fēng)葉結(jié)構(gòu)角度值調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓以及風(fēng)量連續(xù)、緩慢增加。此方式優(yōu)勢(shì)在于能確保主扇風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)輕載啟動(dòng)，但在倒機(jī)過程中依舊需停機(jī)，不能保障井下通風(fēng)連續(xù)性。目前該礦主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)葉結(jié)構(gòu)未達(dá)到在線調(diào)節(jié)要求，實(shí)現(xiàn)這一方案，若是對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，這與最初改造目的相悖。

(2) 電動(dòng)機(jī)裝置變速調(diào)控方案。利用調(diào)控電動(dòng)機(jī)自身轉(zhuǎn)速大小，對(duì)通風(fēng)量大小進(jìn)行調(diào)控。借助于變頻控制技術(shù)，確保主扇風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)逐漸降低轉(zhuǎn)速目標(biāo)，并且保證備用風(fēng)機(jī)完成啟動(dòng)操作，確保其轉(zhuǎn)速加大。此調(diào)控方案優(yōu)勢(shì)能確保倒機(jī)過程中通風(fēng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，避免發(fā)生喘振失穩(wěn)，但需要投入成本費(fèi)用較高，相關(guān)設(shè)備日常維護(hù)也存在困難。

(3) 改造風(fēng)機(jī)通道調(diào)控方案。設(shè)置相應(yīng)的對(duì)空短路風(fēng)門裝置，當(dāng)主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備停止運(yùn)行前，確保備用風(fēng)機(jī)事先完成啟動(dòng)操作，借助2臺(tái)風(fēng)機(jī)以及4個(gè)不同風(fēng)門確保通風(fēng)系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。這一方案相對(duì)成本投入少，倒機(jī)花費(fèi)時(shí)間短，可有效避免主扇風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振失穩(wěn)。

由于目前主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能空間相對(duì)小，改造過程的資回報(bào)率不高，因此，此次最終選擇方案三作為最終改造方案。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)改造

原通風(fēng)機(jī)設(shè)備側(cè)方兩個(gè)風(fēng)道中設(shè)置相應(yīng)的對(duì)空水平短路風(fēng)門以及立式掛網(wǎng)風(fēng)門。由于風(fēng)門結(jié)構(gòu)長期處在井下發(fā)生腐蝕，要進(jìn)一步確保井下通風(fēng)穩(wěn)定性，改造時(shí)保留原閘板風(fēng)門結(jié)構(gòu)，若是當(dāng)立式風(fēng)門結(jié)構(gòu)發(fā)生一定損壞時(shí)，及時(shí)將閘板風(fēng)門關(guān)閉，避免出現(xiàn)風(fēng)路短路，盡可能防止通風(fēng)設(shè)備產(chǎn)生喘振失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1顯示主扇風(fēng)機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行過程中對(duì)應(yīng)風(fēng)門具體位置示意圖，通風(fēng)設(shè)備從冷備用轉(zhuǎn)變?yōu)闊醾溆脮r(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)風(fēng)門也發(fā)生變化，如圖2所示。此時(shí)立式風(fēng)門結(jié)構(gòu)關(guān)閉，水平風(fēng)門結(jié)構(gòu)開啟，確保備用風(fēng)機(jī)能夠完成正常的啟動(dòng)操作。

圖1 主掛網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)風(fēng)門位置示意圖

圖2 熱備用運(yùn)轉(zhuǎn)情況下風(fēng)門位置示意圖

因?yàn)榈箼C(jī)過程中風(fēng)機(jī)不停風(fēng)，因此，風(fēng)門調(diào)節(jié)過程會(huì)受到相應(yīng)壓力，要想進(jìn)一步降低風(fēng)門調(diào)節(jié)過程中的阻力，將風(fēng)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為百葉窗形式，如此能確保風(fēng)門調(diào)節(jié)過程不出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，避免風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振失穩(wěn)。

3 主扇通風(fēng)設(shè)備喘振失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用軸向位移理論以及SLL線“或式”喘振失穩(wěn)預(yù)警理論，將喘振失穩(wěn)監(jiān)測(cè)功能模塊設(shè)置于PLC裝置里面，要進(jìn)一步縮短整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)掃描過程所需時(shí)間，將喘振監(jiān)測(cè)模塊設(shè)定為其中一個(gè)子程序，若是系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)主扇風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振失穩(wěn)時(shí)，此時(shí)喘振失穩(wěn)控制功能子程序才會(huì)被調(diào)用。喘振通風(fēng)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 喘振通風(fēng)失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)控制流程圖

對(duì)喘振失穩(wěn)控制中，地面漏風(fēng)控制方法以及減小轉(zhuǎn)速控制方法均能夠確保主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備及時(shí)擺脫喘振區(qū)間，不同控制方法的原理有差異，因此，在此預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中將其設(shè)計(jì)為不同功能模塊，使之成為一級(jí)喘振預(yù)警級(jí)別以及二級(jí)喘振預(yù)警級(jí)別之后的相應(yīng)調(diào)節(jié)策略。當(dāng)達(dá)到一級(jí)喘振預(yù)警級(jí)別時(shí)，借助于減小轉(zhuǎn)速控制方法加以調(diào)節(jié)，當(dāng)達(dá)到二級(jí)喘振預(yù)警級(jí)別時(shí)，借助于地面漏風(fēng)控制方法加以調(diào)節(jié)，若此時(shí)主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備依舊出現(xiàn)喘振失穩(wěn)，則要求應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)即可加以切換，對(duì)主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行全面檢修。

4 運(yùn)行效果

系統(tǒng)改造后于2018年4月正式投入運(yùn)行，進(jìn)行倒機(jī)操作時(shí)至今沒有出現(xiàn)瓦斯氣體濃度超限問題，在倒機(jī)操作過程中，借助于監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)回風(fēng)巷道實(shí)時(shí)風(fēng)量以及瓦斯氣體濃度值加以測(cè)試對(duì)比，所得數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4 改造前后風(fēng)機(jī)倒換井下10 min風(fēng)速波動(dòng)對(duì)比 圖5 改造前后風(fēng)機(jī)倒換井下10 min瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)對(duì)比

通過上述數(shù)據(jù)得出，倒機(jī)操作過程中，采用不停機(jī)操作方法，能確保通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免主扇風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振失穩(wěn)，能防止倒機(jī)過程中發(fā)生瓦斯氣體濃度超限問題，確保煤礦井下作業(yè)安全。監(jiān)控系統(tǒng)的記錄相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行后曾檢測(cè)到主扇風(fēng)機(jī)存在振動(dòng)過大問題，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了倒機(jī)操作，確保井下通風(fēng)系統(tǒng)安全性，為井下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。