礦井主通風機不停風倒機控制的研究

吳現東

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 太原 030200）

0 引言

礦井的主通風機將井下煤層溢出的瓦斯氣體抽出地面，保證了井下人員安全，因此其正常運行是煤礦安全開采的前提。隨著礦井開采深度和工作面長度不斷增加，特別是在某些高瓦斯礦井，通風系統的短時故障也可能導致瓦斯濃度報警，影響正常生產。在主通風機倒機過程中，會在井下產生短時間的停風，因此需要研究一種不停風倒機控制系統，以提高通風機的安全性和可靠性。

1 不停風倒機系統的分類

目前大多數礦井的風機采用手動倒換方式，手動操作風機的風門和驅動電機，完成主備之間的輪換。手動操作模式下，主備風機不能無縫銜接，在作業時間的差異影響下，井下容易出現短時停風和瓦斯超限的現象。

不停風倒機系統的實現方式有很多，根據工作原理可分為風機變頻調速式、調節風門改變風阻式、增加對空短路風門式。其中風機變頻調速式通過對風機加裝變頻調速裝置，在倒機過程中，運行風機逐漸減速，備用風機逐漸加速，通過兩臺風機的轉速控制保持井下風量和負壓的不變，完成不停風倒機的過程。這種方式需要對兩臺風機進行變頻改造，初期投入較大，且倒機過程中可能發生風阻短路，造成井下短時無風。調節風門改變風阻式是通過調節風門的開度改變風阻，先使兩臺通風機并聯，然后再完成倒機。這種方式雖然不需要變頻器，但是倒機過程中存在兩臺風機并聯的時間段，此時可能發生喘振現象，造成機械事故。增加對空短路風門式是在風機入口處增加對空風門，與掛網風門形成聯動控制，對空風門在風機入口形成了風阻短路。這種方式將備用風機從冷備用倒機變為熱備用倒機，降低了啟動風阻，但是也存在短時無風現象。不停風倒機系統的設計牽扯到風機性能、電網容量、投資成本等多方面因素，需要根據礦井通風系統的實際情況進行選擇[1]。

2 對空風門結構和作用

對空風門的基本結構有閘閥風門、百葉窗風門、旋葉風門和蝶閥風門。閘閥風門是傳統風門結構，在動作過程中需要較大功率電機進行拖動。百葉窗風門的葉片、框架和傳動機構較脆弱，執行機構轉動葉片的微小角度偏差容易造成很大程度的漏風。蝶閥風門在動作時，蝶閥以中間立柱為中心轉動，閥門兩側受到風流的壓力均衡，因此閥門動作的阻力只有自身轉動部件的摩擦力，拖動電機的功率不需要很大[2]。

對空蝶閥的作用：一是保證備用風機啟動過程中運行風機的工況不變，因為軸流風機必須要帶負載啟動，對空蝶閥給備用風機提供了開啟的風道；二是調節風量和壓力保持恒定，當備用風機并入通風時，對空蝶閥開啟可使總風流分流，避免井下風量和壓力過大；三是緩解風機的流量、壓力波動，避免風機喘振。在切換過程中，風機工況點發生改變，對空蝶閥可以調節壓力和流量。

如圖1 所示為對空短路風門在風機不同運行狀態的側視圖，在風機掛網運行時，對空風門關閉，立式風門打開，主通風機正常運行，將井下污濁空氣經立式風門抽出到地面；在風機熱備用時，對空風門打開，立式風門關閉，主通風機將對空風門的空氣抽至地面，保持井下風壓、風量不變的前提下，主通風機啟動至正常運行狀態。這樣的對空風門設計使備用風機在倒機之前進入熱備用位置，提高了倒機成功率[3]。

圖1 對空風門的布置

3 倒機過程

倒機前通風系統運行方式：1 號電動機帶動1 號通風機處于掛網運行狀態，1 號立式風門打開，1 號對空短路風門關閉；2 號電動機和2 號通風機處于冷備用狀態，2 號立式風門關閉，2 號對空短路風門關閉。

1）打開2 號對空短路風門，2 號電動機啟動，拖動2 號主通風機空轉運行，風流從高對空短路風門流入，由出風口流出，2 號主通風機進入熱備用狀態。

2）通過風機在線監測系統采集2 號主通風機的運行參數，判斷其正常運行后，打開1 號對空短路風門，關閉1 號立式風門，1 號主通風機進入熱備用狀態。

3）打開2 號主通風機立式風門，關閉2 號對空短路風門，2 號主通風機進入掛網運行狀態。

4）通過風機在線監測系統采集2 號主通風機的運行參數，判斷其正常運行后，停下1 號主通風機，倒機完畢。

4 不停風倒機監控系統

在不停風倒機控制過程中，只有確保備用風機處于熱備用狀態且運行正常以后才能關閉運行風機，否則會導致井下停風，引起瓦斯濃度超限報警，因此在倒機過程中要時刻關注通風機的運行狀態，為系統配置監控系統。如圖2 所示為不停風倒機監控系統的原理，主機為PLC，通過外圍集成模塊與通風系統的主通風機電動機、風門電動機、各類型傳感器進行數據采集和通信交互。通過模擬量輸入模塊采集井下通風網絡各采樣點的流量、溫度和負壓等信息。通過數字量輸入模塊采集通風機狀態，判斷是否運行還是冷備用；通過數字量輸出模塊向通風機發出啟動和停止指令，通過串口通信模塊采集電動機繞組溫度、電動機轉速、電樞電流等信息。PLC 的信息通過監控主機顯示，工作人員也可以通過監控主機下發命令，控制通風機的啟停。

圖2 不停風倒機監控系統原理

監控系統能夠完成礦井主通風機、風門和其他附屬設備的性能參數和運行狀態在線監測功能，實現主通風機啟?？刂萍肮收蠣顟B的保護制動，在風機故障狀態下能自動發起不停風倒機，在人工操作下能實現手動不停風倒機。PLC 和監控主機需使用不間斷電源供電，電源中斷后可為裝置提供1 h 的供電，防止因電源異常導致的故障。

監控系統具有就地控制、集中控制和遠方控制三種模式。正常情況下在監控主機上實現遠方風機啟停和不停風倒機，保證井下風量和負壓的平穩；在緊急情況下，可以在PLC 就地操作，控制高壓柜、液壓站、風門等裝置，實現風機手動控制。

監控系統的PLC 可采用冗余設計，當主用PLC發生故障時，冗余PLC 可投入運行，使風機及潤滑站繼續運行。手動切換裝置采用硬接線控制，防止PLC故障不能切換。兩臺監控主機可以查看風機的故障記錄和各項參數，將數據上傳至礦井綜合自動化平臺，接收調度室下發的控制指令。

5 結語

基于對空風門的礦井主通風機不停風倒機系統能夠在PLC 控制下，通過對空風門和立式風門的配合，使備用風機在啟動完成條件下并入通風系統，提高通風機的啟動成功率，避免井下短時停風，對提高礦井的通風安全具有重要意義。