ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统 - 图文

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。

一 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，倒机过程完成。

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k1、k2、k3、k4、k5，等级控制半径分别为r1、r2、r3、r4、r5，通过调整安全非我状态空间的半径rD，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。

与矿综合自动化平台连网，实现信号上传，和接受远方（调度室）下行的控制命令。

风机切换模式应满足根据不同厂家风机、风门布置、以及高开柜的选型做针对性的非标设计，均能保证在风机切换期间，井下通风不停，瓦斯不超限，并且控制切换的关键参数通过后台机开放给用户可微调，并且给出调整后的模拟效果预测。

（二） MZX-1型不停风倒机风门系统

MZX-1型不停风倒机风门系统主要是由自密式旋叶风门构成，此外还根据现场工况需要，配合立式闸板检修风门一起使用。自密式旋叶风门主要是由4~6片叶片（根据风道断面尺寸决定）、门框、执行机构组成。执行机构可选择液压驱动和电机驱动，电机驱动方式执行精度高，系统稳定，有两种开启模式（有电，无电手动），目前为各矿首选方式；电机驱动方式结构简单，后期维护便捷，对于维护工人素质无要求。有两种开启模式（有电开启、无电手动），目前在一些矿井也开始应用。此外，风门的电控部分一般安装在风道附近，可以实现就地开关执行，是远程自动倒机系统的备用。对风门系统有如下要求：

（1）带全开全关限位开关，带机械限位挡块；电机驱动方式的需带力矩过载和电流保护装置； （2）能接受控制系统来的开、关、停操作信号；能送出开、关位置反馈信号；

（3）百叶窗测试风门制作强度和刚度须满足矿井通风要求，门板，门框保证在设计工况的长期运行下不变形和翘曲，紧固件不松动； （4）风门和门框之间均采取密封

措施，门板两端边密封面应安装弹性密封片，在全关时泄露量不超过1%；开启、关闭时间小于40s；

（5）风门及框架表面抛光处理并按船用防锈要求进行纺腐处理，风门工作压力能承受不小于矿井负压的2倍。

四 ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统应用实况

本系统在平煤股份五矿己三主扇已正常运行三年左右，性能可靠，未出现系统自身故障。自安装至今已成功实现正常不停风倒机和风机故障自动倒机三十余次。此外其监测数据精度高，监控系统实现了预定的控制功能，解决了在通风机正常的定期倒机和故障倒机时由于系统停风造成的瓦斯超限问题，提高了倒机功率，产生了重要的安全效益和社会效益；具体情况如下：

1）监控系统实现了在线实时监测功能，数据测量精度高。经现场实测，其中：风量：2.5级，压力：0.5级，电参数：0.25级，温度：0.5级。

2）因为定期倒机和调整风叶角度的倒机需要，以“一键自动倒机方式”执行了多次倒机操作，监控系统均能正常完成预定的倒机任务。主要通风机自动倒机过程只需要45秒，风量波动的最低点可以维持正常情况下的60%，风量波动时间少于20秒，从根本上解决了矿井主通风机倒机过程中停风所造成的瓦斯超限的安全隐患问题。

3）运行三年中，我们多次现场人为设置主通风机故障现象，监控系统可以识别风机故障并自动执行故障倒机功能，整个自动倒机过程小于1分钟。

ZKKG-1矿井主扇风机不停风倒机系统有效地消除了倒机期间的瓦斯超限问题，省去了停产进行倒机过程中瓦斯超限排放工作，可以帮助应用煤矿增收节支，据不完全统计（见后表），在平煤集团下属各矿安装投用至今已（截止至2011年04月）为平煤股份的五矿、一矿、二矿、四矿、九矿、十矿共增收节支11815.34万元，获得了巨大的经济效益，投资收益率极高。

由于在技术上革命性的进步和对煤矿安全生产产生的巨大推动作用，矿井主扇风机不停风倒机系统受到了广泛好评，并已于2011年获得了中国煤炭工业协会科学技术一等奖。此外，我们在全国范围内多个大型煤矿矿井都已配备了本套系统，具体签约和安装情况和各煤矿安装后使用效果证明材料如下（由于页数关系成果应用证明只附两份，其中五矿所有采面涉及的风井全部改造完毕，所以效果较为明显；四矿至截稿只有己三风井已改造完毕，但由于产量较高，所以效果明显）：

徐州中矿科光机电新技术有限公司 矿井主扇不停风倒机系统使用及签约业绩

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 使用单位名称 平煤天安一矿 平煤天安二矿 平煤天安四矿 平煤天安五矿 平煤天安八矿 平煤天安九矿 平煤天安十矿 平煤天安十三矿 汝州瑞平公司庇山矿 汝州瑞平公司张村矿 平禹煤电二矿 平禹煤电六矿 鹤岗煤业富力矿 大屯煤电姚桥矿 兰花亚美大宁煤矿 已签约 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 已安装 0 1 1 3 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 共计签约18个风井项目，已有11个项目投入使用

成 果 应 用 证 明（一）

项目名称 矿井主要通风机不停风倒机自动控制系统研究与实现 应用单位 通讯地址 平顶山天安煤业股份有限公司五矿 河南省平顶山市新华区新新街五矿 2009年4月2011年4月 经 济 效 益 （万 元） 累计时间 25个月 应用成果起止时间 新增产值（产量） 96000吨 新增利税（纯收入） 年增收节支总额 4814.4万元 应用情况及安全效益、经济效益、社会效益： 该项目在五矿四个风井全部应用后应用后，取得了较好的安全效益、经济效益和社会效益，将在全国煤炭系统推广。1. 安全效益巨大 回望平煤股份五矿，历史上发生大的两次瓦斯煤尘爆炸和一次煤与瓦斯突出伤亡事故。1961年发生瓦斯爆炸事故，177条鲜活的生命瞬间即成了无言的冤魂。1981年12月24日，五矿井下二水平戊组二采区，戊10—226回风巷装煤机、矿车挤压巷道内的电缆，导致电线短路，造成停电停风，引起巷道内瓦斯超限，在未进行排放瓦斯的情况下，盲目恢复供电，导致了当时震惊全国的“12.24”爆炸事故。134名矿工殒命地腹，31名矿工或伤或残，360万的国家财产烟消尘散。2002年在己三采区出现一次煤与瓦斯突出事故，死亡6人。 该项目投入运行后，已连续稳定运行25个多月，杜绝了因倒机期间井下停风，造成的瓦斯积聚、超限现象，消除了安全隐患，提高了通风系统的安全可靠性，具有重大的安全效益。 2、实施后的经济效益 据统计从07年4月到08年12月这20个月期间，因主扇倒机检修，出现了5次瓦斯超限事故；随着开采深度的增加，2009年初到项目实施前又出现了2次瓦斯超限事故，可见因倒机造成的瓦斯超限的频度呈现增加的趋势。可以预计如果没有不停风倒机监控系统的投运，2009年度至今因倒机瓦斯超限次数按每两月一次测算，从2009年04月至2011年04月共计25个月的时间瓦斯超限次数会达到12次左右，而发生瓦斯超限事故必须停产排放；按五矿今年生产原煤210万吨计算，去掉成本每吨煤净值500元计算。 （1）掘进排瓦斯影响进尺 因主扇倒机检修，出现了12次瓦斯超限事故，掘进工作面停产排放瓦斯，每次每头影响2个小时，全矿有28个掘进头，投入人力、物力，影响进尺折合成煤每头每次200吨， 计 200×28×12×500＝3360.0万元 （2）瓦斯超限影响回采工作面生产 全矿有4个综采工作面，每月产量20万吨，每次影响少出煤600吨，计 600×4×12×500＝1440.0万元 （3）减少人员、节余工资 本项目改进了主要扇风机控制系统及其操作方式，提高了系统的自动化水平。目前，所有的现地控制功能都可以在集控室里通过操作按钮完成；如果采用监控系统的“一键倒机功能”，只需操作员给系统发出倒机指令，监控系统即可自动完成整个倒机过程；同时监控系统可以对倒机的执行情况同步提示。因此系统的投运大大提高了自动化管理水平，以更高的基准

度节省了人力，具有重大的经济效益。 改造前，倒机操作需要三个值班员配合完成；改造后，所有现地控制都可以在集控室里通过操作按钮完成，一名值班员可轻松完成。 减少2名值班人员的劳动，年人均工资按36000元， 可以节余工资 36000×4＝14.4万元 （4）．可产生的总经济效益为： ①＋②＋③＝4814.4万元 3．社会效益： 项目实施后，极大地提高了五矿四个风井通风系统的安全可靠性，给企业创造出安全、高效的生产环境，有助于塑造良好的企业形象，具有积极的社会效益和广泛的推广价值。 （1）减少了瓦斯超限，增加产量，保证安全生产，企业形象得到明显的改善。 （2）矿井通风系统的改善，使井下作业环境的通风条件的舒适，劳动效率提高，减少因环境不良导致的人为失误，工伤事故率低，有利于社会稳定。 应用单位（盖章） 2011年4月20

成 果 应 用 证 明（二）

项目名称 应用单位 通讯地址 矿井主要通风机不停风倒机自动控制系统研究与实现 平顶山天安煤业股份有限公司四矿 河南省平顶山市新华区四矿路四矿 2009年05月至2011年4月 经 济 效 益 （万 元） 累计时间 新增产值（产量） 24个月 78120吨 应用成果起止时间 新增利税（纯收入） 年增收节支总额 应用情况及经济效益、安全效益和社会效益： 该项目在四矿己三风井应用后，取得了较好的经济效益、安全效益和社会效益，将在全国煤矿系统推广。1. 安全效益 该项目在己三风井投入使用后，已连续稳定运行24个多月，杜绝了因倒机期间井下停风，造成的瓦斯积聚、超限现象，消除了安全隐患，提高了通风系统的安全可靠性，具有重大的安全效益。 2、实施后的经济效益 随着开采深度的增加，因倒机造成的瓦斯超限的频度呈增加的趋势，据统计每年因主扇倒机检修，会出现6-8次瓦斯超限事故；己三风井担负井下3个综采工作面和6个掘进工作面供风任务，该采区生产原煤260万吨，去掉成本每吨煤净值520元计算。两年按瓦斯超限14次计算，故： 4078.24万元 （1）掘进排瓦斯影响进尺 因主扇倒机检修，出现14次瓦斯超限事故，掘进工作面停产排放瓦斯，每次每头影响2个小时，全矿有6个掘进头，投入人力、物力，影响进尺折合成煤每头每次280吨。 计 280×6×14×520＝1223.04万元 （2）瓦斯超限影响回采工作面生产 全矿有3个综采工作面，每月产量30万吨，每次影响少出煤1300吨, 计 1300×3×14×520＝2839.2万元 （3）减少人员节余工资 本项目改进了主要扇风机控制系统及其操作方式，提高了系统的自动化水平。目前，所有的现地控制功能都可以在集控室里通过操作按钮完成；如果采用监控系统的“一键倒机功能”，只需操作员给系统发出倒机指令，监控系统即可自动完成整个倒机过程；同时，监控系统可以对倒机的执行情况同步提示。因此系统的投运大大提高了自动化管理水平，以更高的基准度节省了人力，具有重大的经济效益。 改造前倒机操作需要三个值班员配合完成；改造后，所有的现地控制功能都可以在集控室里通过操作按钮完成，一名值班员就可轻松完成。减少2个值班人员，年人均工资按40000元，按两年时间计算 节余工资 40000×4＝80000元＝16.0万元 （4）可产生经济效益 ①＋②＋③＝4078.24万元 3．社会效益： 项目实施后，极大地提高四矿己三井通风系统的安全可靠性，给企业创造出安全、高效的生产环境，有助于塑造良好的企业形象，具有积极的社会效益和广泛的推广价值。 （1）减少了瓦斯超限，增加产量，保证安全生产，企业形象得到明显的改善。 （2）矿井通风系统的改善，使井下作业环境的通风条件的舒适，劳动效率提高，减少因环境不良导致的人为失误，工伤事故率低，有利于社会稳定。 应用单位（盖章） 2011年04月20日 五 ZKKG-1型矿井主扇风机不停风倒机系统总结及展望

煤矿主通风机素有矿井肺腑之称，其可靠运行是保证煤矿安全生产的重要手段。目前，关于煤矿通风方面的研究主要集中在通风网络的优化，风量分配、风路的相互影响、可靠和稳定性领域，对主通风机自动控制的研究和实现可以保证煤矿通风安全，同时提高自动化管理水平。关于倒机期间的系统停风及其可能带来的瓦斯超限问题，还没有引起国内同行的注意，主要原因是现有倒机方式可以满足煤炭安全规程的低于10分钟上限的最低要求。国外进口风机以豪顿风机为代表，对旋风机采用动叶可调技术，通过叶片零角度启动，可以降低启动阻力，提高风机启动的成功率，可以实现定期和故障情况下的通风机自动倒机。而国内在用的风机，大部分不具备动叶可调技术，基于风叶零角度启动自动倒机的技术无法照搬。本系统基于通风机热备用保证通风动力的持续供给和百叶窗调节风门风路切换实现通风稳定的方法技术先进；相对于通风机动叶调节和变频调节费用低廉，是国产通风机技术缺陷的很好补充。

随着本系统的推广应用及其影响的逐步扩大，预计将会影响煤炭安全规程关于通风机倒机方面的相关规定，对于通风机倒机期间的通风稳定问题提出进一步的要求，以排除可能存在的安全隐患。而我公司将进一步加强对自动倒机系统中故障诊断专家系统的完善，以及对系统本身的升级，进而达到全自动化定期倒机及故障自我诊断自动倒机的功能。

联系人：陈军13372213588 电话：0516-80267987

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