矿井主通风机智能监控方案设计分析

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摘要：矿井通风机能及时向井下输送新鲜空气，在矿井内飘浮着煤炭粉尘颗粒的环境下能够确保一线作业人员的职业健康安全。煤矿通风设备是一个完整配套的系统，其中主通风机承担着开采工作面通风量的重要保障任务。通过现场调研分析，目前的主通风机对于风速及风量的调节存在滞后，缺乏智能化调节机制，不能随着环境的变化对通风量进行调整，造成能源浪费，威胁作业人员生命安全，降低了开采工作效率。通过对主通风机智能监控系统方案进行设计，为研发矿井通风机智能监控系统提供依据。

关键词：大型矿井；主通风机；风量调整；系统方案；智能监控

引言

随着现代化煤炭企业的快速发展，各种采煤设备越来越智能化，极大地提升了煤炭的开采效率和开采量。随着煤炭开采量的增多，矿井内飘浮的煤炭粉尘颗粒的浓度也越来越高。因此，对于矿井通风设备的工作性能要求也会相应提高。通风设备是一个复杂的系统，其中起关键作用的是主通风机。主通风机通过运转带动其他次要通风机联合对矿井进行输送新鲜空气［1］。矿井内有毒有害气体也较多，需要通过主通风机驱散有毒有害气体和煤炭粉尘，使一线作业人员能够在安全的工作环境下进行煤炭开采作业，并且能够避免有毒有害气体和粉尘对开采机械设备造成的损坏。根据矿井内空气流动方向的不同，通风机可分为离心式通风机、轴流式通风机、斜流式通风机以及横流式通风机四类。其中轴流式通风机是矿井常用的通风设备［2］。根据现场检查可知，目前大型矿井所采用的主通风机是定额送风，不能根据环境的变化调整送风量，容易造成能源浪费，降低主通风机的工作效率。为了保证大矿井安全生产的正常化，有必要开发主通风机智能监控系统并对其进行智能控制，这对于煤矿智能设备的研发具有重要意义［3］。

1主通风机风量调节系统分析与建模

1．1风量调节方式

某煤矿安装了两台ANN－4700／2500N型轴流式风机，将其作为主通风机设备进行井下的通风作业，具体结构示意图如图1所示。轴流式通风机主要通过叶轮的高速旋转将空气由进风口导向叶片，采用叶片逆向旋转的方式，将气流沿轴向进行运动，将流入的气流输入至扩压器实现矿井的通风作业。轴流式通风机主要由电机、叶轮、主副风门等组成［4］。为了使主通风机设备实现智能调节，可以通过节流阀的开闭角度进行风量的控制。由于节流阀在对气流进行调节的过程中会改变空气的风阻特性，从而造成驱动主通风机的电机消耗能量的增加。为避免此现象的发生，可以加装变频器，变频器可以分为交—交变频器和交—直—交变频器两类［5］。前者的输出功率较低，而后者常用于在工业中对电机进行调速，因此选用交—直—交变频器实现对节流阀电流信号的控制，交—直—交变频器主要由整流电路、滤波电路及逆变电路组成，具体结构图如图2所示。

1．2变频调节风量分析

变频调节风量主要与电机的转速、同步转差率、电机频率以及电机极对数有关。通过实验发现，要保证变频器对电流电压的控制，需要保证电机极对数和同步转差率的数值大小不变，从而改变驱动电机的转速，实现对矿井内通风量大小的调节。因此，对于大型煤炭矿井的绿色节能生产方面来说，通过变频调速法能够精确地实现对风量的调整，交—直—交变频器的应用可以减小电机启动时的冲击电流，在调节通风量的同时也对驱动电机进行保护。

2主通风机机械故障机理

在设计主通风机智能系统的时候应将主通风机的故障情况考虑在内，在设计智能系统方案的时候就能更加综合全面地考虑各方面不确定性因素，包括主通风机产生故障的机理。根据统计分析可知，主通风机的构造形式有很多种，包括转子不对中、转子不平衡以及轴承故障等。因此，应设计完整的智能系统方案对各种设备进行识别，当通风机出现机械故障的时候会产生非平稳震荡信号，并伴有高阶次谐波曲线产生。通常在信号识别中将转子不平衡的特征频率设置为1f，伴生频率为2f、3f，转子不对中的故障类型为2f，伴生频率为1f。因此，大型矿井通风机智能系统对于故障信号特征值的精确识别也将是检测主通风机智能故障判别的有效手段［6］。

3主通风机监控系统监测参数及结构

3．1监测参数

3．1．1风量的测量为保证矿井主通风机的安全可靠运行，须对风量、电机温度、电参数以及振动信号等参数进行在线监测，首先对风量的数据进行提取和监测。采用正负压相结合的专业检测装置对风量进行测量，具体测量原理如图3所示，负压数值等于P2＋与P2－的差值。

3．1．2电参数的测量对于电参数的测量，主要包括电阻、电压和电流。电参数体现的是主通风机将模拟信号转换为数字信号后影响系统电压、电流的变化而产生电参数数值。测量电参数的常用方法为通过电压和电流互感器输入电参数数据，再经过功率变送器的信号处理后将电参数信号进行主通风机电参数的数据提取。

3．1．3温度的测量由于地层以下的湿度温度都相比于地上更为异常，对于主通风机的温度参数测量是一项需要精确性的工作，如果温度不正常就意味着主通风机运行不畅。由于主通风机的转动轴承在高速旋转后会产生很高的温度，长时间的高温会影响其他零部件的使用寿命，加快绝缘材料的老化速度，甚至会引发燃烧等安全事故。因此，根据主通风机转动模式确定应在轴承以及三相定子附近对其温度进行监测。对于温度测量所采用的传感器为PT100型，通过温度巡检仪的数据输送通道和上位机软件计算处理后与RS232后端信息输出模块进行数据交互，采用可视化状态显示数温度数值的变化情况。

3．1．4振动信号的测量对于主通风机机械故障的判定可以通过轴承转动后的振动情况进行判断。如图4所示，应在主通风机驱动端以及轴承座处进行传感器布置，在图中1、2、3、4处安装主通风机的振动信号检测装置。

3．2主通风机智能监控系统结构

为保证主通风机在运转的时候整个系统前端和后端能够进行高可靠性的数据传输，将采用集散控制系统与工业以太网结合的方式组成主通风机智能监控系统结构。将集散控制系统与工业以太网作为主线将远程控制层、集中控制层以及现场设备层进行连接，实现信息的交互过程。主通风机的智能监控系统的控制核心为集中控制层，通过传输命令可以实现对主通风机轴承转速、温度、压力、振动情况进行实时的分析监测，此外，还将根据数据信号的变化对主通风机机械故障所产生的信号曲线进行判定。现场设备层主要由主通风机、风门电机以及各类传感器构成。主通风机智能监控系统结构如图5所示。

4结语

通风系统监控设备作为矿井井下的关键设备是保障一线作业人员生命安全以及确保煤矿开采生产效率高效的重要设备。目前大型矿井的通风设备选型没有科学性进行判定，通风设备应根据现场环境的变化对风量进行实时的控制，可以提高通风效率并且避免能源的浪费。通过对主通风机工作机制的研究，设计出智能监测系统的方案，为研发主通风机智能监测系统的硬件开发提供了思路。

参考文献

［1］胥良，白晓磊．模拟退火BP神经网络在矿用通风机故障诊断中的应用［J］．黑龙江科技大学学报，2018（5）：582－586．

［2］杨兴华．对旋轴流通风机选型及流体力学分析［J］．机械工程与自动化，2017（4）：201－202．

［3］张智伟．矿用对旋轴流通风机改进设计［J］．机械管理开发，2019（1）：138－140．

［4］裴军军．煤矿矿井通风及通风设备的选型浅谈［J］．能源与节能，2016（8）：10－12．

［5］张艳丽．煤矿主扇风机监控系统人机交互平台的开发［D］．邯郸：河北工程大学，2014．

［6］郝文科．变频调速技术在煤矿通风机节能的应用研究［J］．煤炭与化工，2017（9）：141－145．

作者：李涛 单位：山西潞安集团潞宁忻峪煤业