ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统

ZKKG-1型煤矿主扇风机不停风倒机系统我国大部分煤矿都属于高瓦斯矿井，瓦斯超标是影响矿井安全生产的主要安全隐患之一。

矿井通风系统承担着从井下排出有毒气体、提供新鲜空气的重要任务。

作为通风主要动力的提供者，主通风机素有“矿井肺腑” 之称，其设备的性能和工作效率与矿井瓦斯含量之间有着紧密的联系。

由主通风机造成的“通风失稳”若得不到及时处理，会引发瓦斯积聚、超限，甚至瓦斯爆炸事故，对煤矿安全生产的影响将是灾难性的。

但是，目前我国大部分矿井所使用的通风设备都是上世纪的产品，普遍比较陈旧，存在各种不足。

尤其是需要停风倒机，而且倒机时间过长。

在此期间，难以保证主通风风机倒机期间通风动力的持续供应，从而导致矿井短时间通风能力不足，井底瓦斯含量瞬时超标而产生巨大的安全隐患，从而严重威胁到矿井的安全生产和工人的生命安全。

由于矿井生产环境的特殊性，出于对矿井工人生命财产的尊重、对矿井安全生产的不懈追求，作为最早发展产学研结合的矿山装备企业，我们有义务对现有的矿井通风系统进行改进和革新，结束主扇倒机需要停风的历史，在矿井生产中不间断的为井下提供足够的风量，严格控制井下空气中的瓦斯含量，尽可能排除由于通风不畅导致的安全隐患。

ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统就是在此背景下研制的高效可靠的井下通风系统。

ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统，是我徐州中矿科光机电新技术有限公司联合中国矿业大学信电学院，与平煤集团共同开发的新型综合机电及信息一体化的实用性安全科研项目，现已在平煤集团成功使用，在获得了极高的认可后并得到了广泛推广，平煤一矿、二矿、四矿、五矿、八矿、九矿、十矿、十三矿，鹤岗煤业集团富力矿，瑞平公司庇山矿、张村矿，兰花煤业亚美大宁煤矿，平禹煤电二矿、六矿，中煤大屯煤电姚桥矿，天力公司吴寨矿，共计十九个风井已经或正在配备本系统。

此外，集中能源金地煤焦、鹤岗矿业集团、开滦矿业集团、晋煤矿业集团、淮北矿业集团、皖北矿业集团、龙口矿业集团，盘江矿业集团，保利能源山西公司都主动与我公司联系，希望配套此系统。

ZKKG-1型主扇风机不停风倒机系统的作用及影响众所周知在高瓦斯矿井，瓦斯积聚和瓦斯超限是矿井安全生产的重大隐患，而矿井风井不定期的风机倒机则承受着避免瓦斯积聚和瓦斯超限等安全标准的巨大挑战，过长的倒机时间是一般高瓦斯矿井所不能承受的。

与“主通风机的故障停机和运行异常” 造成煤矿通风系统源头失稳而引发的瓦斯超限事故的重要原因相比，主通风机倒机停风造成的瓦斯超限事故更为常见。

因为主通风机按照传统的“停机倒机” 操作方式在定期倒机过程中的“短时停风”以及由于传统的“停机倒机”模式中备用风机为冷备用方式，一旦备用风机因为意外无法按预期启动，煤矿通风在短时间内将难以恢复而形成通风失稳，对于“高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井” ，很容易引发瓦斯超限事故，威胁煤矿的生产安全。

本系统独创了通风机热备用的思路，可以保证在主通风机倒机期间通风动力的持续供应，具有矿井主通风机不停风自动倒机、“一键式”操作倒机和自动识别运行通风机故障的功能，通过检测及控制系统，逻辑控制快速开启或闭合自密型新式风门，实现通风机的快速切换，使倒机过程中对通风系统的影响由传统方式下的“系统停风”缩短为“风量波动” ，故障状态下的倒机时间缩短，将原主扇通风机倒机时间由现在的五分钟以上甚至十分钟，缩短到四十秒左右甚至更短。

本系统的出现，使得主扇通风机倒机这个安全的薄弱环节得到了改善，对矿井的安全生产有着巨大的意义。

此外本系统在高瓦斯矿井的配备还会带来可观的社会效益和经济效益。

煤矿通风机不停风倒机项目投入运行后，杜绝了因倒机期间通风中断造成的瓦斯积聚、超限现象，消除了安全隐患，提高了整个通风系统的安全可靠性，有效地保证了煤矿的安全生产，具有积极的社会效益；主通风机倒机期间瓦斯超限问题的消除，节省了原来因为倒机造成瓦斯超限而进行瓦斯排放所浪费的时间，为煤矿创收提供时间保证，可以提高煤炭的产量，对于一个年产150万吨的中型煤矿可实现年增产2000 多万，获得了很好的经济效益。

二ZKKG-1型主扇风机不停风倒机系统倒机过程根据通风机的启动特点，其启动电流的大小和持续时间与风阻有关。

如图2-1 所示，在原通风系统增加水平对空短路风门，通过设置该风门，可以降低原“停机倒机”模式下，风机挂网启动时的阻力，通过降低风机启动风阻，可以提高风机电机启动的成功率。

为了进一步克服备用通风机在传统“停机倒机” 方式下能否正常启动的不确定性问题，项目研究并提出了煤矿通风机倒机前热备用的思路。

在原运行风机不停机的前提下启动备用风机，如果能够正常启动，则可以实现可靠的热备用；如果出现问题造成无法启动，可以暂停倒机操作先进行故障的排查和检修，因为实质的倒机过程还没有开始，不会影响原来风机的正常挂网运行。

因此通风机由冷备用向热备用过渡进一步提高了倒机的成功率。

为了消除现有“停机倒机” 模式下在通风机倒机过程中系统停风的安全隐患，本系统使用的新型煤矿主通风机“不停风倒机”模式，该倒机模式最突出的特点在于实现了倒机过程中通风动力的有效供应，因而为煤矿主通风机倒机期间系统的不停风提供了有效地保障。

在倒机过程中风路切换是实现倒机的重要过程，不停风倒机系统的风路切换是由四个自密式旋叶风门联合动作来完成，利用其切换快速、灵活的特点，通过一定的控制策略，本系统很好的实现了通风机倒机期间的通风稳定，进而杜绝了倒机期间的瓦斯超限问题。

系统结合了目前国内矿井使用的主扇通风机的特点，专门设计了不停风倒机流程，并通过自动控制系统予以实现（结合图2-1）：① 1 号风机正常运转中，倒机开始，先打开2 号水平对空短路风门，开启备用风机2 号。

（此时风机处于空运转状态，所谓空运转是指风流从对空短路风门进入，由出风口出，实现开机前热备用。

）②经系统在线监测单元检测备用风机2 号运转正常后，打开1 号水平对空短路风门，同时关闭1号立式挂网风门，使原运行风机1号过渡到空运转状态。

③打开已运转备用2 号旁的2 号立式挂网风门，关闭2 号水平对空短路风门，使之过渡到正常带井下通风网络运转状态。

（此过程与第②过程中的配合时间，以及对空风门和挂网风门的开关配合时间，要根据风机形式、风机功率、风门过风面积及风量负压等参数计算得出，精确度已达到0.1s级别，可使井下风流波动时间达到最短，风机影响最小。

）④经系统检测备用风机2号挂网运转正常后，停下原运转风机1号,通风机賊圈2号立式挂咖门图2-1设计改造后的风井布置图此外，系统针对由于风机故障导致停机而由此引发的井下停风和瓦斯超限的严重后果，成功实现了通风机运行中的风机故障自动识别倒机，可以有效的遏制通风机引发的通风系统事故的扩大，实现了煤矿主通风机的自动化无人值守。

其识别倒机过程如下：①设1号风机在运转中出现故障，系统通过在线监测单元检测对其进行检测并发现故障，先打开2号水平对空短路风门，开启备用风机2 号，同时将1号风机故障所产生的电信号发送到风机故障数据库进行数据比对，判定此故障是否可以自我恢复或为短时故障。

②经系统检测备用风机2号运转正常，同时系统不断对原1号风机进行检测。

当判定此故障为可恢复故障或短时故障时，继续对1号风机进行检测，不实施倒机；当判定此故障不可以自我恢复或非短时故障时，立即实施倒机，将1号风机转为备用。

③系统对1号风机实施报警，记录风机故障数据，并显示风机故障数据比对结果，方便风机的故障排查。

三ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统的技术方案⑴ 基于人工免疫的通风机故障预警和分类诊断突破将主通风机故障分为电气故障、机械故障、性能故障的传统分类方法，在本项目中将通风机故障分为致命性故障和非致命性故障两大类，前者直接导致通风失稳必须立即采取应对措施，如供电中断，通风机喘振等直接威胁通风设备安全或通风安全的故障；后者则是可以允许通风机带故障运行一段时间的。

针对非致命性故障，基于人工免疫的思想，监控系统投运后首先积累通风机正常状态参数并通过平移和伸缩变换将其归一化，然后放在故障坐标平面上，接下来实时采集的通风机运行状态参数通过同样的变换也可以放在这个平面，通过引入故障距离函数可以区分安全自己、安全非己和危险非己等不同故障等级来实现故障的预警；另外，同样在这样一个故障坐标平面上，通过选择代表不同故障的特征量可以区分不同故障的隶属程度，作为触发不同的故障处理方法的条件，实现智能选择控制策略的目的；如通风机的性能故障和机械故障处理的方法不同，性能故障需要通过调节风机性能参数或通风网路风阻调节来消除，而机械故障则需要实时监测并根据异常度判断是否已经演变成致命性故障，必要时才进行风机的倒机。

图3-a 为主通风机故障异常度分类示意图，为了检测通风机运行异常时设备的异常度，本项目将非己空间划分成5 个不同的异常等级，设异常等级分别为k l、k2、k3、k4、k5，等级控制半径分别为「1、「2、「3、「4、「5, 通过调整安全非我状态空间的半径「D,可以实现对报警阈值的控制，对应设备不同的报警级别，为维持原风机的运行状态还是立刻采取相应的控制措施提供量化依据。

在同一异常等级的检测器中，如图3-b 所示，在坐标平面上的采用两条相互垂直分界线（边界1 和边界2）来细分故障的种类，将通风机的非己状态空间进一步分成四个扇形区域，分别定义为I 区，II 区，III 区，IV 区，其中，I 和IV 区性能故障所占的比重大，当故障落入此区间宜按照性能故障进行处理，如图中A 点所示；II 和III 区机械故障样本所占的权重大，分类为机械故障，需按照机械故障处理，如图中B 点所示。

基于以上思路，在线监控系统首先在线采集积累设备的正常运行状态样本，训练机器识别“安全自己”，然后在图2-a的状态空间上利用距离函数得到故障异常度，对于危险非己的故障则根据图2-b的状态空间划分自动识别通风机故障类别，最终给出继续维持运行，倒机、重启和工况调节等应对措施，并保证在一分钟时间内完成，可以有效的遏制由主通风机故障引发的通风系统事故的扩大问题。

⑵ 基于备用通风机热备用提高通风机倒机的成功率如图3-3和3-4所示，在地面风道顶端布置“水平对空自密式旋叶风门（简称：水平对空短路风门）”和在风道内布置“立式挂网自密式旋叶风门（简称：立式挂网风门）。

当该风机挂网运行时，两个自密式旋叶风门分别处于图3-3所示的状态，即立风挂网门打开，水平对空短路风门关当备用风机需要由冷备用改变成热备用状态准备倒机时，两个自密式旋叶风门将分别切换到图3-4所示位置，即立式挂网风门关闭和水平对空短路风门打开，这样可以突破原“停机倒机”模式下备用风机无法提前启动进入热备用的弊端，在不影响原运行风机正常运行的前提下，实现备用风机的倒机前热备用。