煤矿通风设备喘振失稳探讨及改进*

高永强

(山西省大同市同煤集团晋华宫矿通风区, 山西 大同 037016)

0 引 言

煤矿开采，井下通风主要借助于通风动力完成，通风动力作用把地面上新鲜空气按照所设置好线路持续输送至井下空间，确保煤炭开采各个位置处通风需求得以满足。另外，借助于井下通风作业还能把井下污浊气体排出到地面上，确保井下能够持续获得新鲜空气，不断将污浊气体排出。所以，在煤矿开采中要求持续且稳定通风，以保障井下空气环境满足开采要求。在通风过程中，主扇风机是主要通风动力来源，其运行稳定性与否对于井下通风状况有直接影响，而主扇风机的失稳问题存在突发性特征。

主扇风机出现喘振失稳的原因很多：主扇风机发生异常停机以及定期倒机操作时的会发生喘振失稳问题，另外，巷道出现变形、调风以及运输设备移动等等也会导致井下通风阻力发生变化，导致主扇风机工作点波动至不稳定区间，出现喘振失稳。发生喘振失稳情况下，气流会存在明显的脉动现象，主扇风机性能随之也会变得很差，引起风机震动，发出巨大噪声。若是喘振失稳问题一定时间内未解决，主扇风机的叶片装置可能发生断裂，叶轮等部件发生严重损坏，甚至会机毁房塌，这对于井下煤炭开采作业安全性造成极为不利的影响。

1 煤矿通风系统及主扇风机喘振失稳概述

某矿矿井属于双突矿井，该煤矿矿井的总进风量超过1万m3/min，其中有效风量所占比率达到87%。目前煤矿开采工作面均存在爆炸性危险，依照2016年煤矿井下瓦斯气体监测数据来看，煤矿井下瓦斯的绝对涌出数量达到18 m3/min，井下瓦斯气体相对涌出数量达到12 m3/t，目前一共设置两个瓦斯气体抽风系统，抽放瓦斯气体的数量达到200万m3/a。

依据井下作业相关标准以及规程等规定，要求应当每月定期对井下主扇风机设备进行检修工作。目前煤矿井下主扇风机运行中，主风机和备用风机之间切换操作主要是人工操作完成，主扇风机进行倒机操作时是应用停机倒机方法完成。在主扇风机设备停机情况下，从煤矿瓦斯气体监测信息得出，2016年3月～2018年3月两年时间之中，一共发生有8次瓦斯气体超标事故，风机切换操作记录信息统计，操作过程中操作人员所花费的操作时间均符合规程要求，都未超过10 min，不存在违规操作问题。

对作业面位置处的风速探头监测数据加以分析得出，停机倒机过程中，因为备用风机处在冷备用状况下，启动过程中极易发生喘振失稳问题，此时原主扇风机设备运行停止，导致通风系统出现不稳定的问题，使得井下瓦斯气体浓度超标。因此，为能够保障井下开采作业安全性，应当对停机倒机方式进一步优化，保障主扇风机在停机倒机过程中不出现喘振失稳问题，同时构建主扇风机喘振失稳预警系统，对主扇风机运行状况加以实时监测，确保主扇风机运行的稳定性。

2 主扇通风设备喘振失稳控制方案

2.1 主扇通风设备喘振失稳控制方案分析

目前，某矿所应用主扇风机设备型号为BD型风机设备，该类型风机属于防爆型风机设备，其自身结构相对简单，性能优良，风机设备的各项参数如表1所示。

表1 主扇风机设备各项参数

原前通风系统中风门结构是立式闸板结构，风门结构拖动时借助于功率为15 kW交流电机完成，经由钢丝绳实现向上提拉操作，借助于重力自由下落实现风门关闭操作，在进行风门调节中未设置速率调节装置，风门结构的开合位置设定是利用上方以及下方所设定限位传感装置进行检测。

此方案设计全面考虑了各种调节风量方法，分别设计了调整主扇风机风叶角度、主扇风机电动机变速调整以及调整风门结构自身开度等不同方案，同时将主扇风机的喘振失稳调节和不停机倒机调节工作相结合，确保井下通风稳定性，同时也要保证倒机过程中不会发生瓦斯气体浓度超限问题，确保井下开采作业安全性。以下对不同方案论证分析。

(1) 主扇通风设备风叶在线调控方案。此方案是确保风叶结构角度由零度开启，确保电机装置处于启动状态，风机挂网后逐渐对风叶结构角度值调节，以实现负压以及风量连续、缓慢增加。此方式优势在于能确保主扇风机启动过程中实现轻载启动，但在倒机过程中依旧需停机，不能保障井下通风连续性。目前该矿主扇风机风叶结构未达到在线调节要求，实现这一方案，若是对主扇风机进行更换，这与最初改造目的相悖。

(2) 电动机装置变速调控方案。利用调控电动机自身转速大小，对通风量大小进行调控。借助于变频控制技术，确保主扇风机实现逐渐降低转速目标，并且保证备用风机完成启动操作，确保其转速加大。此调控方案优势能确保倒机过程中通风系统更加稳定，避免发生喘振失稳，但需要投入成本费用较高，相关设备日常维护也存在困难。

(3) 改造风机通道调控方案。设置相应的对空短路风门装置，当主扇风机设备停止运行前，确保备用风机事先完成启动操作，借助2台风机以及4个不同风门确保通风系统能够保持稳定。这一方案相对成本投入少，倒机花费时间短，可有效避免主扇风机出现喘振失稳。

由于目前主扇风机节能空间相对小，改造过程的资回报率不高，因此，此次最终选择方案三作为最终改造方案。

2.2 通风系统改造

原通风机设备侧方两个风道中设置相应的对空水平短路风门以及立式挂网风门。由于风门结构长期处在井下发生腐蚀，要进一步确保井下通风稳定性，改造时保留原闸板风门结构，若是当立式风门结构发生一定损坏时，及时将闸板风门关闭，避免出现风路短路，尽可能防止通风设备产生喘振失稳现象。

图1显示主扇风机挂网运行过程中对应风门具体位置示意图，通风设备从冷备用转变为热备用时，相应的调节风门也发生变化，如图2所示。此时立式风门结构关闭，水平风门结构开启，确保备用风机能够完成正常的启动操作。

图1 主挂网运行状态风门位置示意图

图2 热备用运转情况下风门位置示意图

因为倒机过程中风机不停风，因此，风门调节过程会受到相应压力，要想进一步降低风门调节过程中的阻力，将风门结构设计为百叶窗形式，如此能确保风门调节过程不出现偏流现象，避免风机发生喘振失稳。

3 主扇通风设备喘振失稳预警系统设计

预警系统设计是利用轴向位移理论以及SLL线“或式”喘振失稳预警理论，将喘振失稳监测功能模块设置于PLC装置里面，要进一步缩短整个预警系统扫描过程所需时间，将喘振监测模块设定为其中一个子程序，若是系统进行监测过程中发现主扇风机出现喘振失稳时，此时喘振失稳控制功能子程序才会被调用。喘振通风失稳预警系统控制流程图如图3所示。

图3 喘振通风失稳预警系统控制流程图

对喘振失稳控制中，地面漏风控制方法以及减小转速控制方法均能够确保主扇风机设备及时摆脱喘振区间，不同控制方法的原理有差异，因此，在此预警系统设计过程中将其设计为不同功能模块，使之成为一级喘振预警级别以及二级喘振预警级别之后的相应调节策略。当达到一级喘振预警级别时，借助于减小转速控制方法加以调节，当达到二级喘振预警级别时，借助于地面漏风控制方法加以调节，若此时主扇风机设备依旧出现喘振失稳，则要求应对风机即可加以切换，对主扇风机进行全面检修。

4 运行效果

系统改造后于2018年4月正式投入运行，进行倒机操作时至今没有出现瓦斯气体浓度超限问题，在倒机操作过程中，借助于监控系统针对回风巷道实时风量以及瓦斯气体浓度值加以测试对比，所得数据如图4和图5所示。

图4 改造前后风机倒换井下10 min风速波动对比 图5 改造前后风机倒换井下10 min瓦斯浓度波动对比

通过上述数据得出，倒机操作过程中，采用不停机操作方法，能确保通风系统的稳定性，避免主扇风机发生喘振失稳，能防止倒机过程中发生瓦斯气体浓度超限问题，确保煤矿井下作业安全。监控系统的记录相关数据显示，监控系统运行后曾检测到主扇风机存在振动过大问题，同时系统自动实现了倒机操作，确保井下通风系统安全性，为井下通风系统稳定运行提供了可靠保障。