高永強

(山西省大同市同煤集團晉華宮礦通風區(qū), 山西 大同 037016)

0 引 言

煤礦開采，井下通風主要借助于通風動力完成，通風動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，確保煤炭開采各個位置處通風需求得以滿足。另外，借助于井下通風作業(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，以保障井下空氣環(huán)境滿足開采要求。在通風過程中，主扇風機是主要通風動力來源，其運行穩(wěn)定性與否對于井下通風狀況有直接影響，而主扇風機的失穩(wěn)問題存在突發(fā)性特征。

主扇風機出現(xiàn)喘振失穩(wěn)的原因很多：主扇風機發(fā)生異常停機以及定期倒機操作時的會發(fā)生喘振失穩(wěn)問題，另外，巷道出現(xiàn)變形、調(diào)風以及運輸設(shè)備移動等等也會導(dǎo)致井下通風阻力發(fā)生變化，導(dǎo)致主扇風機工作點波動至不穩(wěn)定區(qū)間，出現(xiàn)喘振失穩(wěn)。發(fā)生喘振失穩(wěn)情況下，氣流會存在明顯的脈動現(xiàn)象，主扇風機性能隨之也會變得很差，引起風機震動，發(fā)出巨大噪聲。若是喘振失穩(wěn)問題一定時間內(nèi)未解決，主扇風機的葉片裝置可能發(fā)生斷裂，葉輪等部件發(fā)生嚴重損壞，甚至會機毀房塌，這對于井下煤炭開采作業(yè)安全性造成極為不利的影響。

1 煤礦通風系統(tǒng)及主扇風機喘振失穩(wěn)概述

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

依據(jù)井下作業(yè)相關(guān)標準以及規(guī)程等規(guī)定，要求應(yīng)當每月定期對井下主扇風機設(shè)備進行檢修工作。目前煤礦井下主扇風機運行中，主風機和備用風機之間切換操作主要是人工操作完成，主扇風機進行倒機操作時是應(yīng)用停機倒機方法完成。在主扇風機設(shè)備停機情況下，從煤礦瓦斯氣體監(jiān)測信息得出，2016年3月～2018年3月兩年時間之中，一共發(fā)生有8次瓦斯氣體超標事故，風機切換操作記錄信息統(tǒng)計，操作過程中操作人員所花費的操作時間均符合規(guī)程要求，都未超過10 min，不存在違規(guī)操作問題。

對作業(yè)面位置處的風速探頭監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析得出，停機倒機過程中，因為備用風機處在冷備用狀況下，啟動過程中極易發(fā)生喘振失穩(wěn)問題，此時原主扇風機設(shè)備運行停止，導(dǎo)致通風系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，使得井下瓦斯氣體濃度超標。因此，為能夠保障井下開采作業(yè)安全性，應(yīng)當對停機倒機方式進一步優(yōu)化，保障主扇風機在停機倒機過程中不出現(xiàn)喘振失穩(wěn)問題，同時構(gòu)建主扇風機喘振失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)，對主扇風機運行狀況加以實時監(jiān)測，確保主扇風機運行的穩(wěn)定性。

2 主扇通風設(shè)備喘振失穩(wěn)控制方案

2.1 主扇通風設(shè)備喘振失穩(wěn)控制方案分析

目前，某礦所應(yīng)用主扇風機設(shè)備型號為BD型風機設(shè)備，該類型風機屬于防爆型風機設(shè)備，其自身結(jié)構(gòu)相對簡單，性能優(yōu)良，風機設(shè)備的各項參數(shù)如表1所示。

表1 主扇風機設(shè)備各項參數(shù)

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

此方案設(shè)計全面考慮了各種調(diào)節(jié)風量方法，分別設(shè)計了調(diào)整主扇風機風葉角度、主扇風機電動機變速調(diào)整以及調(diào)整風門結(jié)構(gòu)自身開度等不同方案，同時將主扇風機的喘振失穩(wěn)調(diào)節(jié)和不停機倒機調(diào)節(jié)工作相結(jié)合，確保井下通風穩(wěn)定性，同時也要保證倒機過程中不會發(fā)生瓦斯氣體濃度超限問題，確保井下開采作業(yè)安全性。以下對不同方案論證分析。

(1) 主扇通風設(shè)備風葉在線調(diào)控方案。此方案是確保風葉結(jié)構(gòu)角度由零度開啟，確保電機裝置處于啟動狀態(tài)，風機掛網(wǎng)后逐漸對風葉結(jié)構(gòu)角度值調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)負壓以及風量連續(xù)、緩慢增加。此方式優(yōu)勢在于能確保主扇風機啟動過程中實現(xiàn)輕載啟動，但在倒機過程中依舊需停機，不能保障井下通風連續(xù)性。目前該礦主扇風機風葉結(jié)構(gòu)未達到在線調(diào)節(jié)要求，實現(xiàn)這一方案，若是對主扇風機進行更換，這與最初改造目的相悖。

(2) 電動機裝置變速調(diào)控方案。利用調(diào)控電動機自身轉(zhuǎn)速大小，對通風量大小進行調(diào)控。借助于變頻控制技術(shù)，確保主扇風機實現(xiàn)逐漸降低轉(zhuǎn)速目標，并且保證備用風機完成啟動操作，確保其轉(zhuǎn)速加大。此調(diào)控方案優(yōu)勢能確保倒機過程中通風系統(tǒng)更加穩(wěn)定，避免發(fā)生喘振失穩(wěn)，但需要投入成本費用較高，相關(guān)設(shè)備日常維護也存在困難。

(3) 改造風機通道調(diào)控方案。設(shè)置相應(yīng)的對空短路風門裝置，當主扇風機設(shè)備停止運行前，確保備用風機事先完成啟動操作，借助2臺風機以及4個不同風門確保通風系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。這一方案相對成本投入少，倒機花費時間短，可有效避免主扇風機出現(xiàn)喘振失穩(wěn)。

由于目前主扇風機節(jié)能空間相對小，改造過程的資回報率不高，因此，此次最終選擇方案三作為最終改造方案。

2.2 通風系統(tǒng)改造

原通風機設(shè)備側(cè)方兩個風道中設(shè)置相應(yīng)的對空水平短路風門以及立式掛網(wǎng)風門。由于風門結(jié)構(gòu)長期處在井下發(fā)生腐蝕，要進一步確保井下通風穩(wěn)定性，改造時保留原閘板風門結(jié)構(gòu)，若是當立式風門結(jié)構(gòu)發(fā)生一定損壞時，及時將閘板風門關(guān)閉，避免出現(xiàn)風路短路，盡可能防止通風設(shè)備產(chǎn)生喘振失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1顯示主扇風機掛網(wǎng)運行過程中對應(yīng)風門具體位置示意圖，通風設(shè)備從冷備用轉(zhuǎn)變?yōu)闊醾溆脮r，相應(yīng)的調(diào)節(jié)風門也發(fā)生變化，如圖2所示。此時立式風門結(jié)構(gòu)關(guān)閉，水平風門結(jié)構(gòu)開啟，確保備用風機能夠完成正常的啟動操作。

圖1 主掛網(wǎng)運行狀態(tài)風門位置示意圖

圖2 熱備用運轉(zhuǎn)情況下風門位置示意圖

因為倒機過程中風機不停風，因此，風門調(diào)節(jié)過程會受到相應(yīng)壓力，要想進一步降低風門調(diào)節(jié)過程中的阻力，將風門結(jié)構(gòu)設(shè)計為百葉窗形式，如此能確保風門調(diào)節(jié)過程不出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，避免風機發(fā)生喘振失穩(wěn)。

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

預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計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)測功能模塊設(shè)置于PLC裝置里面，要進一步縮短整個預(yù)警系統(tǒng)掃描過程所需時間，將喘振監(jiān)測模塊設(shè)定為其中一個子程序，若是系統(tǒng)進行監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)主扇風機出現(xiàn)喘振失穩(wěn)時，此時喘振失穩(wěn)控制功能子程序才會被調(diào)用。喘振通風失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 喘振通風失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)控制流程圖

對喘振失穩(wěn)控制中，地面漏風控制方法以及減小轉(zhuǎn)速控制方法均能夠確保主扇風機設(shè)備及時擺脫喘振區(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)計過程中將其設(shè)計為不同功能模塊，使之成為一級喘振預(yù)警級別以及二級喘振預(yù)警級別之后的相應(yīng)調(diào)節(jié)策略。當達到一級喘振預(yù)警級別時，借助于減小轉(zhuǎn)速控制方法加以調(diào)節(jié)，當達到二級喘振預(yù)警級別時，借助于地面漏風控制方法加以調(diào)節(jié)，若此時主扇風機設(shè)備依舊出現(xiàn)喘振失穩(wěn)，則要求應(yīng)對風機即可加以切換，對主扇風機進行全面檢修。

4 運行效果

系統(tǒng)改造后于2018年4月正式投入運行，進行倒機操作時至今沒有出現(xiàn)瓦斯氣體濃度超限問題，在倒機操作過程中，借助于監(jiān)控系統(tǒng)針對回風巷道實時風量以及瓦斯氣體濃度值加以測試對比，所得數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4 改造前后風機倒換井下10 min風速波動對比 圖5 改造前后風機倒換井下10 min瓦斯?jié)舛炔▌訉Ρ?/p>

通過上述數(shù)據(jù)得出，倒機操作過程中，采用不停機操作方法，能確保通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免主扇風機發(fā)生喘振失穩(wěn)，能防止倒機過程中發(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)運行后曾檢測到主扇風機存在振動過大問題，同時系統(tǒng)自動實現(xiàn)了倒機操作，確保井下通風系統(tǒng)安全性，為井下通風系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了可靠保障。