王向前

摘 要：為了解決煤礦風(fēng)機(jī)在切換過程中出現(xiàn)的短時(shí)停風(fēng)問題和礦井瓦斯超限引發(fā)的安全隱患，采用了煤礦主通風(fēng)機(jī)不停機(jī)的切換模式。這種切換模式的特點(diǎn)是，在風(fēng)機(jī)切換過程中，熱啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，保證礦井通風(fēng)不間斷，為風(fēng)機(jī)切換提供強(qiáng)有力的保障，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)不停風(fēng)切換。

關(guān)鍵詞：煤礦風(fēng)機(jī)；不停風(fēng)切換；主扇風(fēng)機(jī)；風(fēng)門

中圖分類號(hào)：TD441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.069

煤礦主通風(fēng)機(jī)主要是為井下供應(yīng)充足的新鮮空氣，調(diào)節(jié)礦井氣候，為工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，有效提高礦井的抗災(zāi)能力。礦井主扇不停風(fēng)切換系統(tǒng)就是針對(duì)工作中存在的安全問題而研制的高效、可靠的井下通風(fēng)系統(tǒng)。要想解決主扇停止工作就停風(fēng)的問題，在礦井生產(chǎn)過程中，要不間斷地為井下提供足夠的風(fēng)量，嚴(yán)格控制井下空氣中的瓦斯含量，盡可能排除因通風(fēng)不暢而引發(fā)的安全隱患。

1 主扇風(fēng)機(jī)不停風(fēng)切換系統(tǒng)的意義

《煤礦安全規(guī)程》第121條規(guī)定，主通風(fēng)機(jī)上必須安裝2套同等能力的主要通風(fēng)機(jī)，其中一套備用，備用風(fēng)機(jī)必須在10 min內(nèi)啟動(dòng)，而且每月至少要檢查一次。一般情況下，煤礦單位每個(gè)月都需要切換一次礦井主通風(fēng)機(jī)。由傳統(tǒng)的停機(jī)切換方式可知，在定期切換的過程中，主通風(fēng)機(jī)短時(shí)停風(fēng)和傳統(tǒng)停機(jī)切換模式中的備用風(fēng)機(jī)都采取的是冷備用方式。一旦備用風(fēng)機(jī)因?yàn)橐馔馇闆r而無(wú)法正常啟動(dòng)，煤礦通風(fēng)短時(shí)間內(nèi)將難以恢復(fù)，進(jìn)而引發(fā)通風(fēng)失穩(wěn)的問題。對(duì)于高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出的礦井，如果出現(xiàn)這種情況，很容易發(fā)生瓦斯超限事故，威脅煤礦工作人員的安全。

鑒于此，要改變煤礦風(fēng)機(jī)的切換思路，具體做法是：①熱啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)。因?yàn)?臺(tái)通風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)同一套通風(fēng)系統(tǒng)，所以，在切換前，要先改造系統(tǒng)前置的切換風(fēng)門。同時(shí)，在切換風(fēng)門前引進(jìn)一套水平進(jìn)風(fēng)門，平時(shí)也可用它檢測(cè)備用風(fēng)機(jī)的性能。在切換風(fēng)機(jī)前，可以提前啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，以到達(dá)熱啟動(dòng)的目的。②增加一鍵切換，自動(dòng)診斷主通風(fēng)機(jī)故障。通過系統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)可以有序打開或閉合2臺(tái)風(fēng)機(jī)、2套水平百葉窗和2套切換風(fēng)門，使礦井不停風(fēng)切換2臺(tái)主通風(fēng)機(jī)。這樣做，不僅縮短了切換時(shí)間，還解決了切換過程中礦井風(fēng)量、風(fēng)壓大幅波動(dòng)引起瓦斯超限的問題，有效保證了礦井的生產(chǎn)安全。

2 系統(tǒng)運(yùn)行分析

2.1 備用風(fēng)機(jī)熱啟動(dòng)的特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)90%的煤礦礦井主通風(fēng)機(jī)采用的是軸流式通風(fēng)機(jī)。其啟動(dòng)方式與離心式風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)完全不同，離心式風(fēng)機(jī)是滿負(fù)荷零流量啟動(dòng)，軸流式風(fēng)機(jī)是小負(fù)荷零負(fù)壓?jiǎn)?dòng)。因此，在備用風(fēng)機(jī)熱啟動(dòng)前，要先打開水平百葉窗式風(fēng)門。這樣做，不僅能減小風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)阻力，還能解決風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)遇到的困難。

2.2 備用風(fēng)機(jī)熱備用

在傳統(tǒng)切換模式下，當(dāng)備用風(fēng)機(jī)正常檢修工作完成后，可關(guān)閉運(yùn)行中的1號(hào)主通風(fēng)機(jī)，待1號(hào)主通風(fēng)機(jī)挺穩(wěn)后，關(guān)閉1號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，打開2號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，啟動(dòng)2號(hào)主通風(fēng)機(jī)（備用主通風(fēng)機(jī)），完成風(fēng)機(jī)切換。當(dāng)2號(hào)主通風(fēng)機(jī)發(fā)生電路故障無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，只能重新關(guān)閉2號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，打開1號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，啟動(dòng)1號(hào)主通風(fēng)機(jī)。在煤礦生產(chǎn)中，這種情況就被稱為安全事故，但是，面對(duì)這種情況又無(wú)法提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施。備用風(fēng)機(jī)熱備用可以提前檢測(cè)備用風(fēng)機(jī)的性能，如果它發(fā)生故障，可直接進(jìn)入檢修狀態(tài)，避免發(fā)生切換失敗等問題。由此可見，備用風(fēng)機(jī)熱備用不僅能夠解決礦井生產(chǎn)過程中存在的安全隱患，還能夠保證礦井風(fēng)機(jī)切換的成功率。

2.3 風(fēng)門切換，避免通風(fēng)系統(tǒng)大幅波動(dòng)

在切換傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的過程中，要先關(guān)停運(yùn)行中的主通風(fēng)機(jī)，切換風(fēng)路切換風(fēng)門，然后才能啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)。一般情況下，從1號(hào)風(fēng)機(jī)停穩(wěn)到風(fēng)門打開再啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)需要5～9 min，而超過10 min就為事故。因此，在切換風(fēng)機(jī)的過程中，必然存在短時(shí)間供風(fēng)暫停的情況，進(jìn)而導(dǎo)致煤礦瓦斯超限。在切換風(fēng)機(jī)的過程中，如果發(fā)生故障，瓦斯超限，就會(huì)發(fā)生重大的安全事故。為了避免礦井出現(xiàn)大的波動(dòng)，系統(tǒng)采用4套風(fēng)門。其中，2套為水平百葉窗式風(fēng)門，2套為側(cè)開式電動(dòng)風(fēng)門，同時(shí)，要用控制系統(tǒng)控制4套風(fēng)門按照既定順序打開和關(guān)閉，使整個(gè)礦井系統(tǒng)風(fēng)路不出現(xiàn)大的波動(dòng)，讓整個(gè)切換過程平穩(wěn)過渡，為風(fēng)機(jī)切換奠定基礎(chǔ)。主通風(fēng)機(jī)不停風(fēng)切換系統(tǒng)如圖1所示。

在主通風(fēng)機(jī)不停風(fēng)切換的過程，1號(hào)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，1號(hào)水平門為關(guān)閉狀態(tài)，1號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門為打開狀態(tài)，2號(hào)風(fēng)機(jī)為備用風(fēng)機(jī)（待切換），2號(hào)水平門為關(guān)閉狀態(tài)，2號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門為關(guān)閉狀態(tài)。具體工作流程是：①當(dāng)1號(hào)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，準(zhǔn)備切換程序，打開2號(hào)水平百葉窗風(fēng)門；②開啟已經(jīng)通過檢修進(jìn)入啟動(dòng)準(zhǔn)備的2號(hào)備用風(fēng)機(jī)；③當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)2號(hào)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，便可以切換，進(jìn)入下一道準(zhǔn)備程序；④打開1號(hào)水平百葉窗風(fēng)門，關(guān)閉1號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門，同時(shí)，打開2號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門；⑤系統(tǒng)要及時(shí)檢測(cè)各風(fēng)門的到位情況和風(fēng)門啟閉狀態(tài)；⑥待2號(hào)風(fēng)機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行正常后，1號(hào)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，停止運(yùn)轉(zhuǎn)；⑦各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)正常，切換工作完成。

3 技術(shù)方案

3.1 通風(fēng)機(jī)故障預(yù)警和分類診斷

一般情況下，主通風(fēng)機(jī)故障分為電氣故障、機(jī)械故障和風(fēng)機(jī)性能故障3種。在該系統(tǒng)中，可將通風(fēng)機(jī)故障分為致命性故障和非致命性故障，前者可直接導(dǎo)致通風(fēng)失穩(wěn)，所以，要及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施（比如中斷供電，因?yàn)橥L(fēng)機(jī)喘振等將會(huì)直接威脅通風(fēng)設(shè)備的安全，通風(fēng)安全故障屬于致命性故障）；后者允許通風(fēng)機(jī)帶故障運(yùn)行一段時(shí)間的。針對(duì)非致命性故障，安裝了監(jiān)控系統(tǒng)后，要先平移、伸縮變換通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行參數(shù)，使其歸一化，然后將其放在故障坐標(biāo)平面上。實(shí)時(shí)采集到的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)可采用同樣的變換方式放置在這個(gè)平面上，通過引入的故障距離函數(shù)區(qū)分安全自己、安全非己和危險(xiǎn)非己等不同故障等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。另外，在故障坐標(biāo)平面上，可以選擇代表不同故障的特征量來(lái)區(qū)分不同故障的隸屬程度，以此作為不同故障處理方法的實(shí)行條件，實(shí)現(xiàn)智能選擇控制策略。通風(fēng)機(jī)的性能故障和機(jī)械故障的處理方法不同，性能故障主要是通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)或調(diào)節(jié)通風(fēng)網(wǎng)路風(fēng)阻來(lái)消除，而機(jī)械故障則需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)異常度判斷其是否已經(jīng)演變成致命性故障，必要時(shí)還需切換風(fēng)機(jī)。主通風(fēng)機(jī)故障異常度如圖2所示，主通風(fēng)故障狀態(tài)空間劃分情況如圖3所示。

由圖2可知，為了檢測(cè)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行異常時(shí)設(shè)備的異常度，系統(tǒng)將故障劃分為5個(gè)不同的異常等級(jí)，并對(duì)應(yīng)設(shè)備不同的報(bào)警級(jí)別，為選取解決方法（維持原風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)或立刻采取相應(yīng)的控制措施）提供了量化依據(jù)。如圖3所示，在同一異常等級(jí)中，在坐標(biāo)平面上，可用2條互相垂直的分界線（邊界1和邊界2）細(xì)分故障類型，并將通風(fēng)機(jī)的非己狀態(tài)空間分成4個(gè)扇形區(qū)域。

基于上述思路，在線監(jiān)控系統(tǒng)安裝完成后，首先要在線采集、積累設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)樣本，訓(xùn)練機(jī)器識(shí)別“安全自己”，然后利用距離函數(shù)得出故障異常度。對(duì)于危險(xiǎn)非己的故障，可以根據(jù)圖3所示的狀態(tài)空間劃分自動(dòng)識(shí)別通風(fēng)機(jī)的故障類別，從而選擇相應(yīng)的解決措施，并保證相關(guān)工作能夠在1 min內(nèi)完成，有效遏制由主通風(fēng)機(jī)故障引起的通風(fēng)系統(tǒng)事故。

3.2 提高通風(fēng)機(jī)的切換成功率

在地面風(fēng)道頂端布置水平百葉窗風(fēng)門，在風(fēng)道內(nèi)布置側(cè)開式（或立式）風(fēng)路切換風(fēng)門。當(dāng)1號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，2個(gè)自密式風(fēng)門分別為圖4所示的狀態(tài)，即1號(hào)風(fēng)路切換風(fēng)門打開，1號(hào)水平百葉窗風(fēng)門關(guān)閉。

當(dāng)備用風(fēng)機(jī)由冷備用改為熱備用狀態(tài)切換時(shí)，2個(gè)自密式風(fēng)門將分別切換到圖5所示的狀態(tài)，即側(cè)開式掛網(wǎng)風(fēng)門關(guān)閉，水平對(duì)空短路風(fēng)門打開。這樣做，既可以解決原停機(jī)切換模式下備用風(fēng)機(jī)無(wú)法提前啟動(dòng)進(jìn)入熱備用的問題，還可以在不影響原運(yùn)行風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)備用風(fēng)機(jī)切換前的熱備用。在備用風(fēng)機(jī)熱啟動(dòng)前，可以先打開水平百葉窗式風(fēng)門，在降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)阻力的同時(shí)解決風(fēng)機(jī)啟動(dòng)困難等問題。

3.3 水平百葉窗風(fēng)門

在不停風(fēng)切換的過程中，要求備用通風(fēng)機(jī)進(jìn)入熱備用狀態(tài)。另外，在系統(tǒng)中引進(jìn)自密式百葉窗旋葉風(fēng)門生產(chǎn)技術(shù)，即將一個(gè)風(fēng)門整體拆分成旋葉，有效克服了原閘板風(fēng)門帶壓力啟閉困難的問題。在0°～90°之間旋轉(zhuǎn)葉片，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)門在不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換。這時(shí)，將其設(shè)置在通風(fēng)機(jī)對(duì)空風(fēng)門的位置，用來(lái)取代原有水平閘板式風(fēng)門的開、閉。這種做法不僅操作靈活，還能縮短風(fēng)路切換時(shí)間，減少因?yàn)榈箼C(jī)而造成井下通風(fēng)不穩(wěn)定的情況。

3.4 側(cè)開式（或立式）風(fēng)路切換風(fēng)門

該風(fēng)門主要用于煤礦通風(fēng)。它在巷道內(nèi)可截流空氣，有全開全閉的功能，可全壓?jiǎn)?dòng)。該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕巧，密封性能好，采用多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)齒輪、齒條傳動(dòng)，設(shè)有信號(hào)反饋系統(tǒng)和過載保護(hù)裝置，運(yùn)行時(shí)啟閉、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，流體阻力小，開閉省力，介質(zhì)流向不受限制，維護(hù)方便，可實(shí)施遠(yuǎn)距離操作。

4 系統(tǒng)組成及其功能

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠在線監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、性能參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的啟?？刂坪捅匾谋Ｗo(hù)，從而完成正常狀態(tài)下和風(fēng)機(jī)故障下的不停風(fēng)切換。

風(fēng)機(jī)監(jiān)控具有遠(yuǎn)方、集中和就地控制功能。正常情況下，在電腦上就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)或使用遠(yuǎn)方一鍵控制風(fēng)機(jī)的啟停和切換，保持井下風(fēng)量的平穩(wěn)性。如果在此過程中遇到特殊狀況，可以采用人工手動(dòng)的方式控制設(shè)備。

在具體工作中，根據(jù)用戶的需要，風(fēng)機(jī)監(jiān)控裝置可采用PLC冗余系統(tǒng)集中控制，風(fēng)機(jī)的各附屬裝置均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地操作。風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)可與礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)上傳，并接收遠(yuǎn)方（調(diào)度室）下行的控制命令。不停風(fēng)切換監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.2 風(fēng)門系統(tǒng)

風(fēng)門系統(tǒng)主要是由水平百葉窗風(fēng)門和側(cè)開風(fēng)路切換風(fēng)門（或立式風(fēng)門）構(gòu)成的。在工作過程中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，配合立式閘板檢修風(fēng)門一起使用。這兩種風(fēng)門均配有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，它執(zhí)行精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，維護(hù)便捷，對(duì)維護(hù)工人的素質(zhì)也無(wú)硬性要求。每種類型的風(fēng)門都有2種開啟模式（有電開啟、無(wú)電手動(dòng)），它們被廣泛應(yīng)用于各礦中。此外，風(fēng)門的電控部分一般安裝在風(fēng)道附近，它可以就地開關(guān)，是遠(yuǎn)程自動(dòng)切換系統(tǒng)備用裝備的一部分。

5 總結(jié)和展望

目前，對(duì)煤礦通風(fēng)工作的研究主要集中在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制和礦井通風(fēng)控制自動(dòng)化方面，風(fēng)機(jī)切換工作仍然沒有引起礦方的足夠重視。雖然傳統(tǒng)的停機(jī)切換模式符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，但是，每次風(fēng)機(jī)切換對(duì)礦方來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)巨大的工程——需投入大量的人力、物力。應(yīng)用主扇風(fēng)機(jī)不停風(fēng)切換系統(tǒng)，不僅提高了礦井通風(fēng)的安全性和可靠性，還塑造了良好的企業(yè)形象，獲得了更好的社會(huì)效益。

〔編輯：白潔〕