五陽煤礦井下通風系統的優化研究

李 允

（潞安化工集團五陽煤礦，山西 襄垣 046200）

五陽煤礦位于潞安礦區東北部邊緣，屬高瓦斯礦井，礦井瓦斯相對涌出量29.63 m3/t，礦井瓦斯絕對涌出量為101.71 m3/min。礦井通風方式為分區對角混合抽出式，南回風立井和北回風斜井分別安裝兩套對旋式風機，西山底回風立井安裝兩套軸流式主通風機。由于各個區域距離遠，通風系統相對分散，因此長期以來無法做到統一控制，均靠人工進行巡檢、調控，不僅效率低而且巡檢效果差，無法根據井下實際需求對通風機運行狀態進行調整，也無法對風機的運行情況進行實時監測，導致通風能耗高、故障率高。

本文提出了一種新的煤礦井下通風控制系統，采用了集中控制、柔性調節模式，同時在系統中增加了故障自動診斷功能，不僅實現了對各區通風系統的集中控制，而且能夠根據井下的實際情況實現對風機運行狀態的靈活調整，滿足了柔性調節的需求，同時通過故障自動診斷系統實現了對風機運行故障的自動檢測預警。

1 礦井通風控制系統

根據五陽煤礦通風系統的實際情況，綜合改造成本、改造效益和改造可行性三個方面的因素，最終所確定的改造后通風系統的整體結構如圖1[1]。

圖1 五陽礦通風控制系統示意圖

由圖1 可知，改造后該控制系統主要包括了監控對象模塊、數據信息采集模塊、信號轉換模塊以及人機界面四個部分。監控對象模塊主要包括了通風機、電控柜、風門及變頻器，主要對其工作狀態進行監測，滿足智能調控需求。數據信息采集模塊主要是利用設置在監測對象或者井下的各類傳感器對影響監測對象運行狀態的核心參數進行監控，為進行通風系統調整提供數據支撐。信號轉換模塊主要是將各類傳感器監測到的常量轉換為數字量信號，便于系統對監測數據進行分析。人機界面主要包括工業以太網絡、計算機中心和監控終端，主要用于顯示各通風系統的運行狀態及故障信息，還允許操作人員通過該操作界面進行遠程調整，滿足緊急情況下的調整需求。

2 通風機控制系統

為了滿足通風機集中控制、柔性調整的控制需求，結合五陽煤礦的實際情況，開發了一種全新的閉環反饋調節控制邏輯，該控制結構如圖2[2]。

圖2 礦井通風系統閉環控制邏輯

由圖2 可知，該控制系統在運行過程中，系統對監測區域的風量、負壓、井下瓦斯、粉塵濃度等進行連續不斷的監測，當監測到目前的風量不能滿足井下通風安全性需求后，系統根據監測結果所計算出的調整偏差量，輸出反饋調節信號，該信號經過濾波調整、PID 控制調整后轉換為輸出頻率信號XG，控制變頻器的輸出，進而實現對風機運轉狀態的柔性調節。為了滿足控制穩定性的需求，在該系統中采用了對實際監測數據進行雙重邏輯對比調整的模式，從而保證對通風系統調節的穩定性。

由于五陽煤礦通風系統運行周期較長，為了確保在不同模式下井下的通風安全性能，在該控制系統內設置了故障下風機切換模式和正常情況下風機切換模式。若在正常情況下進行風機切換，則選擇等風量替代切換，對主風機和備用風機設置轉速聯動機制，根據主風機的運轉速度對備用風機的運轉速度進行調整，從而滿足不停機、不停風的切換需求。當在故障情況下，則系統快速切斷主風機的運行程序同時開啟備用風機的緊急啟動程序，實現最小風量損失情況下的風機切換。

3 風機故障診斷及預警系統

五陽煤礦項目組通過對大量的風機故障類型進行分析，采用故障樹分析的方式，建立了風機故障自動巡診系統[3]。該巡診系統基于監控系統所監測到的風機運行狀態數據，通過對異常數據逐級的分析，確定故障類別和解決方案。

診斷風機運行過程中的機械故障，則采用了SQL 數據庫方案[4]。收集不同故障下風機運行的診斷頻譜，將其轉換為特定的故障頻譜曲線存儲到數據庫內，當風機運行時系統對風機運轉頻譜進行監測，若出現頻譜異常則系統進行報警并與數據庫內的故障頻譜進行匹配，最終確定故障類別。通風機運轉故障頻譜曲線如圖3。

圖3 通風機故障頻譜曲線

4 五陽煤礦應用情況

該通風控制系統已經在五陽煤礦穩定運行約1年的時間，根據應用情況，目前已經取消了5 個井下通風巡查員，同時井下未再出現過因瓦斯、粉塵濃度超標而導致的生產事故。通過柔性調節模式，實現了通風系統耗電量降低14.6%，通風系統的運行故障率降低82.1%。目前該項目已經作為集團標桿項目在向兄弟單位推廣，獲得了極好的應用效果。五陽煤礦通風控制系統監測界面如圖4。

圖4 通風系統監測界面示意圖

5 結論

針對五陽煤礦通風系統分散度高、無法進行集中監測控制、人工巡檢工作量大、效率低、可靠性差的現狀，提出了一種新的礦井通風系統優化方案，采用了集中控制、柔性調節模式、故障自查的控制模式。根據實際應用表明，該系統提升了五陽煤礦的通風系統自動化程度，實現減員5 人，實現通風系統耗電量和運行故障率大幅度降低，極大地提升了礦井的通風安全性。