閔祥晟，劉 韜，司新江

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦,山東濟(jì)寧 272100）

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)肩負(fù)著礦井通風(fēng)的重要工作，作為通風(fēng)主要?jiǎng)恿Φ奶峁┱撸魃蕊L(fēng)機(jī)素有“礦井肺腑”之稱。主扇風(fēng)機(jī)一般采用一備一用形式，在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)將備用風(fēng)機(jī)改為主用實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)通風(fēng)，而原主用風(fēng)機(jī)進(jìn)入檢修備用階段，把主備用風(fēng)機(jī)的掛網(wǎng)切換稱為倒機(jī)。煤礦通風(fēng)機(jī)按照傳統(tǒng)的“停機(jī)倒機(jī)”操作方式，倒機(jī)過程中備用風(fēng)機(jī)為冷備用方式，一旦備用風(fēng)機(jī)因?yàn)橐馔鉄o法按預(yù)期啟動(dòng)，而原主用風(fēng)機(jī)已經(jīng)停轉(zhuǎn)，煤礦通風(fēng)在短時(shí)間內(nèi)將難以恢復(fù)，易造成礦井停風(fēng)事故，嚴(yán)重威脅著煤礦的生產(chǎn)安全。主扇不停風(fēng)倒機(jī)及無人值守監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)是礦井主通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

兗礦煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦的礦井通風(fēng)系統(tǒng)總體上運(yùn)行安全，近期未發(fā)生安全事故。然而，由于倒機(jī)步驟繁瑣、倒機(jī)方式落后、倒機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)等問題普遍存在。雖然未釀成安全生產(chǎn)事故，但是仍存在一定的安全隱患。

1 研究?jī)?nèi)容

系統(tǒng)主要由智能系統(tǒng)和風(fēng)門系統(tǒng)組成。當(dāng)通風(fēng)硬件設(shè)備（主要是主扇風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備）發(fā)生故障不能正常運(yùn)行時(shí)，為了不影響礦井通風(fēng)工作的正常進(jìn)行，需要通過主扇不停風(fēng)自動(dòng)倒機(jī)系統(tǒng)直接倒換主扇風(fēng)機(jī)，倒機(jī)過程中將確保向井下不間斷地供風(fēng)，待倒機(jī)工作結(jié)束、設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后再對(duì)相應(yīng)設(shè)備或電源電路進(jìn)行故障檢查和排除工作。

項(xiàng)目摒棄現(xiàn)有的冷備用方式，在投運(yùn)風(fēng)機(jī)未停止運(yùn)轉(zhuǎn)之前將備用風(fēng)機(jī)超前啟動(dòng)，進(jìn)入熱備用狀態(tài)，提高倒機(jī)過程的容錯(cuò)能力。如果備用風(fēng)機(jī)能夠正常啟動(dòng)，待其運(yùn)行穩(wěn)定之后再進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)機(jī)的切換操作；假設(shè)備用風(fēng)機(jī)不能進(jìn)入熱備用狀態(tài)，可停下來進(jìn)行故障處理，因投運(yùn)風(fēng)機(jī)未停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)，可以有充分的時(shí)間查明原因。另外，讓備用風(fēng)機(jī)提前進(jìn)入熱備用狀態(tài)，將原來“停風(fēng)倒機(jī)”方式下風(fēng)機(jī)切換過程的系統(tǒng)微風(fēng)或停風(fēng)階段轉(zhuǎn)變?yōu)樵陲L(fēng)機(jī)切換過程中短暫時(shí)間礦井通風(fēng)風(fēng)量合理的波動(dòng)。

同時(shí)項(xiàng)目研發(fā)應(yīng)用自密式旋葉風(fēng)門，引入“短路”風(fēng)門，將倒機(jī)過程簡(jiǎn)化為基于4 個(gè)風(fēng)門聯(lián)動(dòng)的風(fēng)路切換過程（雙風(fēng)窗自動(dòng)化切換），整個(gè)風(fēng)路切換過程將經(jīng)歷原運(yùn)行風(fēng)機(jī)掛網(wǎng)、2 個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行同時(shí)掛網(wǎng)和過渡到備用風(fēng)機(jī)掛網(wǎng)3 個(gè)階段，整個(gè)倒機(jī)過程持續(xù)向井下供風(fēng)，并盡可能保持通風(fēng)穩(wěn)定。鑒于4 個(gè)風(fēng)門的風(fēng)路切換中通風(fēng)穩(wěn)定控制問題屬于典型的非線性、大滯后、強(qiáng)耦合和多變量控制問題，項(xiàng)目計(jì)劃分別研究采用基于順序控制的開環(huán)控制和基于模糊控制兩種方法，以保證倒機(jī)過程中風(fēng)量的平穩(wěn)過渡。

1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)

（1）實(shí)現(xiàn)礦井主扇風(fēng)機(jī)電機(jī)不停運(yùn)狀態(tài)下兩臺(tái)主扇風(fēng)機(jī)的切換運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)切換。

（2）在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主扇風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)，如壓力、風(fēng)量等。

（3）在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主扇電機(jī)的主要電氣參數(shù)如電壓、電流、功率及功率因數(shù)等。

（4）在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承箱軸承溫度、振動(dòng)，主電機(jī)繞組、軸承溫度等運(yùn)行參數(shù)；監(jiān)測(cè)液壓站啟停信號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)；風(fēng)機(jī)啟停、運(yùn)行信號(hào)、風(fēng)機(jī)風(fēng)門開關(guān)信號(hào)、葉片運(yùn)行角度等；在線設(shè)置礦井通風(fēng)需要風(fēng)量、壓力、溫度、振動(dòng)值等報(bào)警、停機(jī)等范圍上、下兩級(jí)區(qū)間值。到第一數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)間時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，到第二數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)間時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出警報(bào)并停機(jī)，并開啟故障自動(dòng)切換風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

（5）能在監(jiān)控中心同步顯示風(fēng)機(jī)及風(fēng)門系統(tǒng)模擬運(yùn)行畫面（圖1）。

（6）設(shè)置故障專家診斷系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)不同故障（電氣、機(jī)械及監(jiān)控系統(tǒng)故障）進(jìn)行分類，根據(jù)故障等級(jí)影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)故障和一般性故障給出不同處理意見，發(fā)出警報(bào)、直到進(jìn)行應(yīng)急控制處理，確保主扇風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，保證井下通風(fēng)正常；具備聲光報(bào)警；故障處理完畢后或人工進(jìn)行故障消警后，報(bào)警才能停止。

（7）設(shè)備出現(xiàn)故障停運(yùn)時(shí)，可依據(jù)故障因素提示司機(jī)進(jìn)行應(yīng)急處理，具備故障時(shí)自動(dòng)切換風(fēng)機(jī)功能。

1.2 風(fēng)門系統(tǒng)

風(fēng)門系統(tǒng)包括4 個(gè)風(fēng)門及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括對(duì)空短路風(fēng)門（水平自密式旋葉風(fēng)門）和立式掛網(wǎng)調(diào)節(jié)風(fēng)門（立式自密式旋葉風(fēng)門）。百葉窗式風(fēng)門如圖2 所示。風(fēng)門具備以下功能：

（1）具備風(fēng)門開到位、關(guān)到位限位功能，設(shè)備機(jī)械到位點(diǎn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備過力矩和電流超限保護(hù)。

圖1 主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)控畫面

（2）能實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的通信，執(zhí)行監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)于風(fēng)門的控制要求，能發(fā)送風(fēng)門狀態(tài)的反饋信號(hào)。

（3）滿足礦井通風(fēng)要求，風(fēng)門強(qiáng)度保證在通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下不發(fā)生變形或主要部件不損壞，保證在不破壞主體結(jié)構(gòu)的情況下可進(jìn)行日常檢修。

（4）風(fēng)門密閉性能好，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)漏風(fēng)量≤1%，風(fēng)門啟閉時(shí)間<1 min。

圖2 百葉窗式風(fēng)門（開啟狀態(tài)）

2 實(shí)現(xiàn)指標(biāo)

實(shí)現(xiàn)興隆莊煤礦東風(fēng)井主扇不停風(fēng)自動(dòng)倒機(jī)和無人值守，切實(shí)提高通風(fēng)自動(dòng)化和智能化程度，同時(shí)大大提高倒機(jī)可靠性和倒機(jī)效率，提升通風(fēng)安全。具體技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）具備“一鍵式”式倒機(jī)和無人值守功能。

（2）在每月一次的正常倒機(jī)中，包括風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)礦井主扇風(fēng)機(jī)的切換工作，倒機(jī)過程中井下風(fēng)量波動(dòng)時(shí)間<1 min，倒機(jī)過程中最低通風(fēng)量不低于正常通風(fēng)量的40%，最低供風(fēng)量持續(xù)時(shí)間<10 s，倒機(jī)時(shí)間縮短到2 min以內(nèi)。

（3）發(fā)生故障時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示和報(bào)警提示，控制方式有手動(dòng)、自動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)三種模式，切換時(shí)間<3 s。

（4）風(fēng)門密閉性能好，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)漏風(fēng)量≤1%，風(fēng)門啟閉時(shí)間<1 min。

3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）不停風(fēng)自動(dòng)倒機(jī)技術(shù)。主扇風(fēng)機(jī)倒機(jī)期間通風(fēng)動(dòng)力的持續(xù)供應(yīng)，“一鍵式”操作倒機(jī)和自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行通風(fēng)機(jī)故障的自動(dòng)倒機(jī)功能。

（2）雙主扇熱備用技術(shù)。確保倒機(jī)前備用風(fēng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)，確保風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定，具備倒機(jī)條件。

（3）專家故障診斷技術(shù)。從“通風(fēng)系統(tǒng)安全”和“通風(fēng)設(shè)備安全”的雙重角度出發(fā)進(jìn)行故障診斷研究，鑒于主扇風(fēng)機(jī)故障樣本嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，采用基于人工免疫的故障預(yù)警和診斷分類方法進(jìn)行研究，為后續(xù)的控制策略和控制手段提供決策支持，確保在通風(fēng)機(jī)異常情況下，以最小的損失獲得最大的安全效益，主扇風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)模型中設(shè)置故障點(diǎn)進(jìn)行取樣對(duì)比研究，并建立故障診斷數(shù)據(jù)庫。

（4）通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)。在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，確保主扇風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

（5）風(fēng)門優(yōu)良的密封性能和耐腐蝕性技術(shù)。滿足礦井通風(fēng)對(duì)風(fēng)門密封性和可靠使用壽命的要求。

4 社會(huì)效益

主扇不停風(fēng)倒機(jī)及無人值守監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，極大地提高興隆莊煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性，成功地解決由主扇風(fēng)機(jī)造成的通風(fēng)失穩(wěn)問題，根除由于主扇風(fēng)機(jī)故障和定期停機(jī)形成的瓦斯超限事故，保證了礦井主通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，具有巨大的社會(huì)效益及行業(yè)內(nèi)廣泛的推廣價(jià)值。