收稿日期：2012－03－15作者简介：刘明谭（1965—），男，河南平顶山人，助理工程师，1991年毕业于平顶山煤矿职工大学，现从事矿井机电管理及科研工作。
煤矿通风机在线监控系统的研究与应用刘明谭，冯明远，谢米罗（平煤股份十矿，河南平顶山467021）摘要：平煤股份十矿三水平风井传统停风倒机模式下存在井下短暂停风、倒机时间较长等问题，可能引起瓦斯超限等问题，影响安全生产。
同时，目前的监测系统不能实时了解系统运行状况，不能实现远程信息化监控。
研究利用热备用倒机和网络信息化技术，以高性能的S7-300PLC 和工控机为核心，配以高精度的传感器，来实现矿井主通风机在线监控。
应用表明，该系统不仅实现了在线监测和远程控制，而且能够可靠完成不停风自动倒台，缩短了倒机时间，杜绝了因风机正常倒机可能引起的瓦斯超限事故，大大提升了矿井主通风系统的运行管理水平。
关键词：主要通风机；在线监控；不停风倒机中图分类号：TD635文献标志码：B文章编号：1003－0506（2012）06－0029－02据统计，中国煤矿事故中60%以上是由于通风系统管理不善、瓦斯浓度过高引起的［1］。
因此，主要通风机安全可靠运行意义重大。
平煤股份十矿为瓦斯突出矿井，由于三水平风井仍采用传统停风倒机方式，导致正常倒机用时较长，易引起瓦斯超限，严重影响着十矿的安全生产。
另外，目前的通风机监测系统存在不能实时显示系统工作状况、不能实现远程信息化监控、不能进行主要运行参数的在线监测等缺点，所以急需进行技术改造。
1现状分析十矿三水平风井担负着戊组中区、东区的通风任务。
风机为BDK618-8-NO．30型对旋风机，配用电机型号为YBF630-8，电压6kV ，功率4ˑ500kW 。
采用传统模式进行倒机操作，即：停止运转主通风机→关闭运转主通风机闸板风门，开启备用通风机闸板风门→启动备用通风机→倒机完成。
正常情况下倒机1次约需7min ，虽未超过《煤矿安全规程》规定时间（10min ），但井下会出现约3min 的停风，对瓦斯涌出量为110．14m 3/min 的矿井来说，存在很大的安全隐患。
另外，风机操作完全为人工操作，倒台1次需7人；目前所用的监测系统只监测电压、电流、负压、温度，且分散显示，通过故障警铃报警；司机每小时巡查1次，记录主要运行参数，但不能及时发现潜在故障。
2功能需求分析根据安全生产的需要，通风机在线监控系统必须具备以下功能：①能完成正常情况下自动不停风倒机和故障情况下的倒机操作，且运行平稳可靠；②新设备与原系统相互独立，能够实现远程操控和就地控制功能转换；③能实现主要参数在线监测和故障预警报警，并加入专家诊断系统实现故障预测，变定期检修为状态检修，更好地保证通风机安全运行；④具有网络接口，实现远程数据传输和操控，方便远程控制，并且系统要操作简单，运行维护方便，可靠性高，测量显示数据准确。
3系统设计与实现3.1系统结构设计监控系统以西门子S7-314PLC 及研华工控机为核心，结合实现不停风倒机的风机故障专家诊断系统及热备用倒机软件程序，通过组态王6.5软件设计实现了监控系统的人机交互功能，直观显示了系统运行状况和各项主要参数。
通过自动倒机程序和在线监控装置，实现远程操控，此外，还配备高可靠性高精度的传感器、信号测取装置、通信装置、输出及显示装置等，系统组成如图1所示。
3.2系统功能实现（1）监测功能。
监测功能为系统核心功能，要实现对通风风量、负压、风机轴承温度，配套电机的启停、正反转，电机参数、定子温度和风门的开闭状态等基本参数在线实时监测；为满足通风机故障诊断的需要，增加对轴承故障敏感振动信号和噪声的监测，利用信号分析法进行故障判断。
图1在线监控系统总体结构系统所选测控设备如压力变送器（精度0.5级）、流量计（精度2.5级）、温度计（精度0.5级）、电压表（精度0.25级）、电流表（精度0.25级）均为高精度、高可靠性元件，可保证测量数据的准确性，防止出现因测量单元问题影响风机的安全运行。
数据在采集后送入PLC进行处理，并和工控机交换数据，通过组态软件最终直观显示，还可生成报表和历史数据，便于查看和存储。
（2）控制功能。
监控系统的控制功能要实现风机的启动、停止，风门开、闭等集中控制，能进行正常状态下自动倒机、故障状态下备用通风机自动投入，并可实现远程操控。
通过专家诊断系统，实现在线状态检修，消除以往定期检修超前或滞后存在的弊端，提高设备的可靠运行水平。
（3）不停风自动控制倒机。
实现井下不停风的前提是通风机不停机，不能失去通风动力。
为了保证通风动力持续供应，从对通风机风量调节的角度来研究和设计倒机控制系统方案。
采用在通风机入口处加装对空风门的倒机方案是最佳选择［2］，即：在主要通风机的入口处，将原风门改造成2个联动的风门，一个为水平对空风门，另一个为立式挂网风门（图2），通过水平对空风门，可以降低原“停机倒机”模式下风机启动风阻，提高风机启动的成功率。
由4个百叶窗调节风门联合动作来完成风路切换（可在40s内完成），利用其切换快速灵活的特点，通过一定的控制策略，实现了通风机倒机期间的通风稳定，杜绝了倒机期间可能出现的瓦斯超限问题。
假设由1#风机向2#风机倒机，其过程如下：①1#风机正常运转时，打开2#水平对空短路风门后开启2#风机。
此时，2#风机风流由水平对空短路风门进、出风口出，实现开机前的热备用。
②通过专家自检系统检查确认2#风机运转正常后，切换风门系统，由系统打开1#风机水平对空风门，同时，关闭1#立式挂网风门和2#水平对空风门、打开2#立式挂网风门，使1#风机过渡到空运转状态、2#风机过渡到正常带载状态。
③确认2#风机挂网运转正常后，停止1#风机，完成倒机。
图2改造后的风门布置针对通风机运行过程中容易出现突然停转现象，系统加入专家诊断功能，实现了通风机运行故障的自动识别，并保证在120s内完成向备用风机的切换，这样可以有效遏制因通风机本身故障引发的通风系统事故。
4监控系统的安装与应用（1）系统安装。
经过现场测量和对相关人员进行技术培训后，制订出先改造1#风机风门及监控系统、再改造2#风机风门及监控系统的安装方案。
①破除1#风机水平对空风门所在的位置基础，安装1套水平对空风门和就地控制操控机构；②破除立式挂网风门所在的位置基础，安装1套立式挂网风门就地控制操控机构；③安装操控柜、自动倒机监控计算机系统1套和各种测控单元，并接线、进行调试。
2#风机施工与1#风机施工内容相同。
单台施工工期15d，用30d时间完成安装工作，施工过程没有影响风机的安全运行。
（2）系统应用。
在施工完成后，进行软硬件调试，达到要求后，工控机监控界面如图3所示。
系统在安装完成后3个月进行了第一次试验倒机，用时100s，运行可靠，监测数据精确。
5应用效果该系统在平煤股份十矿三水平风井应用后，取得了良好效果，实现了以下功能：①不停风状况下2台风机的切换控制，达到一键式倒机；②在线监测风机的负压、风量、轴功率、电机电流、电压、功率、轴承温度、径向（轴向）振动、电机绕组温度等参数和风机振动、风机开停、正反风、风门（下转第34页）图3监控系统界面于防止井壁破裂。
3结论（1）井壁竖直附加力随地层底部含水层渗透系数的增大而增大，并且竖直附加力峰值与底部含水层渗透系数成正比对数关系；降低井壁周围地层的渗透系数有利于减小井壁的竖直附加力，从而增强了井壁的稳定性。
（2）随着混凝土弹性模量的增大，井壁竖直附加力峰值不断增大，并且井壁竖直附加力峰值与混凝土弹性模量成正比线性关系；所以仅靠提高混凝土的强度等级来增大井壁的承载能力不可行。
（3）复合荷载作用下井壁的应力应变是一个动态变化的过程，井壁的塑性区也是多种荷载耦合作用的结果。
实际井壁设计中，应该考虑多种荷载的动态耦合作用。
参考文献：［1］刘希亮．深厚表土不稳定地层中井壁受力研究［M ］．北京：煤炭工业出版社，2004．［2］崔广心．特殊地层条件竖井井壁破裂机理［J ］．建井技术，1998，19（2）：29-32．［3］崔广心．深厚表土中竖井井壁的外载［J ］．岩土工程学报，2003，25（3）：294-298．［4］张宏学．立井次生地压与地下水位对应关系及井壁破裂机理研究［D ］．淮南：安徽理工大学，2009．［5］李忠华，潘一山．有渗透作用的油井井壁稳定性的解析分析［J ］．工程力学，2002，19（3）：105-108．［6］苏骏．地层疏水沉降时井壁受力的非线性分析［J ］．岩石力学与工程学报，2005，24（1）：139-143．［7］高杰，王在泉，程金遥，等．水位下降诱发深厚表土井壁的附加应力研究［J ］．地下空间与工程学报，2009，5（5）：873-877．［8］刘环宇，李晓，王思敬，等．厚冲积层立井井筒非采动破裂过程的三维耦合数值模拟［J ］．工程地质学报，2004，12（S1）：529-532．［9］李小琴，李文平．深厚表土底含失水变形时土与井壁相互作用弹塑性模型［J ］．岩土工程学报，2005，27（3）：329-332．［10］刘希亮，张廷顺．井壁竖直附加力与底部含水层应变的关系研究［J ］．矿山压力与顶板管理，2003，20（4）：1-3．［11］杨俊杰．深厚表土地层条件下的立井井壁结构［M ］．北京：科学出版社，2010．（责任编辑：秦爱新檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽）（上接第30页）开闭等信号；③通过组态软件显示风机模拟运行画面，并能实时显示、存储、查询、打印监测数据和生成报表；④具备远程传输接口，能接入矿井生产调度系统；⑤专家自诊断功能，可以进行故障判断，输出报警信号和诊断结果，并能实现故障状态下自动倒机。
6结语十矿三水平风井主要通风机在线监控系统以西门子S7-314PLC 及研华工控机为核心，采用先进、可靠、精确的传感器测量现场数据，与现场操控可靠配合，实现了对煤矿主要通风机不停风倒机过程精确控制，杜绝了倒机停风可能造成的瓦斯积聚、超限现象，消除了安全隐患。
同时，实现了对通风系统的风量及负压、通风机性能参数、配套电机工作参数及启停动作、风门状态等在线实时监测。
将传统通风设备“定期维修”管理方式改变为实时“状态检修”，提高了通风机的安全和自动化管理水平，为设备的安全管理和维修提供了科学依据。
参考文献：［1］吴新忠，任子晖，马小平，等．煤矿主要通风机在线监控系统研究现状及展望［J ］．煤炭科学技术，2009（12）：54-57．［2］于励民，马小平，任中华，等．矿井主通风机不停风倒机控制的研究与实现［J ］．工矿自动化，2010（9）：133-137．（责任编辑：许久峰）。