瓦斯抽放泵故障監測智能化方法研究解析

＊段石 王宇

（內蒙古博珢泰煤炭有限公司 內蒙古 010300）

我國的煤炭生產量和消費量在全球各國家中居于首位。長期以來，煤炭為人民安居和國家經濟發展發揮了重要的保障和推進作用[1]。隨著礦井開采深度不斷増加，礦井瓦斯災害越來越頻繁，大多數安全問題的產生都與煤礦開采時煤層中散發出的瓦斯氣體密切相關。瓦斯抽放泵作為煤礦重要的抽放設備，其運行狀況直接影響煤礦作業的安全水平[2]。因此，為保證瓦斯抽放作業的安全平穩運行，開展瓦斯抽放泵早期故障監測研究，實現第一時間發現并解決故障，保證瓦斯抽放作業效率和整體安全運行具有重要意義。

1.瓦斯抽放泵的作用及原理

（1）瓦斯抽放泵的作用。瓦斯抽放泵是一種常見的安全設備，用于煤礦、隧道、地下工程等需要處理瓦斯問題的場所。其主要作用是抽取和排放瓦斯，以確保工作環境的安全[3]。在礦井或隧道的開采過程中，煤層中的瓦斯會被釋放出來，形成瓦斯積聚，極易引發爆炸等危險。瓦斯抽放泵通過吸入瓦斯，將其從地下抽出，從而降低了瓦斯的濃度，減少了安全隱患[4]。抽取的瓦斯需要安全排放，以避免瓦斯積聚導致爆炸等事故，瓦斯抽放泵通過管道或其他方式，將抽取的瓦斯排放到安全區域，這樣可以有效地防止瓦斯積聚，保障工作環境的安全[5]。此外，通過傳感器等裝置，瓦斯抽放泵能夠實時監測瓦斯的濃度和溫度變化。一旦瓦斯濃度超過安全范圍或溫度異常升高，瓦斯抽放泵會發出警報并采取相應的控制措施，以保障工作人員的安全。綜上所述，瓦斯抽放泵在煤礦、隧道、地下工程等場所的作用不可忽視[6]，是一項重要的安全設備，對于礦山和地下工程的安全運行至關重要[7]。

（2）瓦斯抽放泵的原理。瓦斯抽放泵的作用原理是通過機械泵或風機將地下的瓦斯抽出。它通常由泵站、管道系統和排放裝置組成。泵站通過抽水泵或風機將深處的瓦斯抽到地面，然后，通過管道系統將瓦斯輸送到排放裝置，最終將瓦斯排放到安全區域見表1。排放裝置通常采用瓦斯抽放井、瓦斯抽放孔或瓦斯抽放管等形式[8]。2BEC72型水環式真空泵是一種常用的水環式真空泵，采用了先進的設計和制造工藝，確保其高效穩定的運行，廣泛應用于煤礦、化工等行業。該型號水環式真空泵主要由泵體、葉輪、軸承、密封裝置、水環等部件組成。其工作原理是通過葉輪的旋轉和水環的密封作用，實現對氣體的抽取。葉輪旋轉時，與水環形成一個密封的工作腔，氣體被抽入并被壓縮。隨著葉輪的繼續旋轉，氣體被推向排氣口，最終排出泵體。水環起到了密封和冷卻的作用，保證了泵的正常工作見圖1。

圖1 水環式真空泵工作原理圖

表1 2BEC72型水環式真空泵參數

2.瓦斯抽放泵故障監測研究現狀

（1）瓦斯抽放泵故障的常見類型。對瓦斯抽放泵故障類型進行研究，必須明確煤礦瓦斯抽放泵發生故障的部位及原因，通過對這些原因進行分析來確定故障類型，并通過分析這些故障的特征和煤礦瓦斯抽放泵具體工況，研究具體故障處理方法，對目前瓦斯抽放泵故障監測方法匱乏問題起到一定的引導作用。由于煤礦工況下泵運轉時間長和環境惡劣，瓦斯抽放泵常出現各種故障，因此根據實際的問題情況，總結出了瓦斯抽放泵故障的常見類型及造成的原因：①泵體堵塞。由于煤礦中存在大量的煤塵和固體顆粒物，這些物質容易進入瓦斯抽放泵的泵體中，導致泵體內部堵塞。當泵體堵塞時，泵的抽水效率會降低甚至完全停止工作。②瓦斯抽放泵的密封件老化。瓦斯抽放泵在長時間運行后，密封件往往會因為高溫、高壓和磨損而老化，導致瓦斯泄漏。這不僅會降低泵的抽水效率，還會造成安全隱患。③泵的電機故障。電機是瓦斯抽放泵的動力來源，如果電機出現故障，整個泵的工作就會受到影響。電機故障的原因可能是電機絕緣老化、線路短路等。④瓦斯抽放泵的軸承損壞。由于泵的長時間運轉，軸承容易因為摩擦和磨損而損壞。當軸承損壞時，泵的工作效率會下降，甚至無法正常工作。

（2）瓦斯抽放泵故障監測方法。瓦斯抽放泵是煤礦等工礦企業中重要的設備，用于抽取井下瓦斯，防止瓦斯積聚造成爆炸事故[8]。為了確保瓦斯抽放泵的正常運行，及時發現和解決故障至關重要。下面將介紹幾種常見的瓦斯抽放泵故障監測方法及各自的優缺點：①振動監測。通過在泵體上安裝振動傳感器，實時采集泵體振動信號，判斷泵的運行狀態。如果泵振動異常，說明可能存在故障。這種方法的優點是實時性強，能夠快速發現故障。缺點是對振動傳感器的精度要求較高，且無法準確判斷具體故障類型。②溫度監測。通過在泵體和電機上安裝溫度傳感器，實時監測泵體和電機的溫度變化。當溫度超過設定的閾值時，可以判斷存在故障。這種方法的優點是易于實施和操作，成本較低。缺點是只能檢測到一些常見的故障，對于其他故障類型可能不夠敏感。③壓力監測。通過在泵體進口和出口處安裝壓力傳感器，實時監測泵體的進口和出口壓力變化。當壓力變化異常時，可以判斷存在故障。這種方法的優點是能夠準確監測泵體的工作狀態，能夠發現多種類型的故障。缺點是對壓力傳感器的精度要求較高，且需要對泵體的進口和出口進行改造。④聲波監測。通過在泵體上安裝聲波傳感器，實時采集泵體的聲波信號，通過信號分析和處理，判斷泵的工作狀態和存在的故障。這種方法的優點是能夠準確判斷故障類型，對于復雜的故障有較高的敏感性。缺點是設備成本較高，對聲波信號的分析和處理要求較高。

（3）瓦斯抽放泵故障監測智能化方法的原理。瓦斯抽放泵故障監測智能化方法是利用現代智能化技術，對瓦斯抽放泵進行實時監測和故障診斷，以提高設備的可靠性和安全性。它的原理主要包括數據采集、數據分析和故障診斷。數據采集是指通過傳感器等裝置對瓦斯抽放泵的運行參數進行實時采集。傳感器可以測量泵的電流、電壓、振動、溫度等關鍵參數，并將采集的數據傳輸到監測系統中。其次，數據分析是指對采集到的數據進行處理和分析，以提取有關泵性能和故障的信息。數據清洗是指對采集到的數據進行預處理，去除異常值和噪聲干擾，保證數據的準確性和可靠性。特征提取是指從原始數據中提取出能夠反映泵性能和故障特征的有效參數。模式識別是指通過對特征參數進行分析和比較，識別出泵的運行狀態和故障類型。最后，故障診斷是指根據數據分析的結果，對泵的故障類型和原因進行診斷和判斷。故障診斷可以采用基于規則的方法、基于模型的方法或者機器學習的方法。基于規則的方法是根據已有的經驗知識和規則，將數據分析的結果與故障類型進行匹配，以判斷泵的故障類型。

3.智能化監測系統架構設計

智能化瓦斯抽放泵監測系統是一種利用物聯網、大數據和人工智能等技術，對瓦斯抽放泵的運行狀態進行實時監測、診斷和預測的系統。該系統能夠通過傳感器設備采集瓦斯抽放泵的各項運行參數，并將數據傳輸到云平臺進行處理和分析見圖2。

圖2 智能化監測系統

（1）硬件配置。智能化瓦斯抽放泵監測系統的硬件配置主要包括傳感器設備、數據傳輸設備和云平臺。傳感器設備用于采集瓦斯抽放泵的振動、溫度、壓力、電流等參數，常用的傳感器包括加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和電流傳感器等。數據傳輸設備用于將傳感器采集到的數據傳輸到云平臺進行處理和分析，常用的數據傳輸設備包括Wi-Fi模塊、GSM模塊和LoRa模塊等。云平臺是智能化瓦斯抽放泵監測系統的核心，負責接收、存儲和處理傳感器采集到的數據，并提供數據分析和預測的功能。

（2）軟件模塊。智能化瓦斯抽放泵監測系統的軟件模塊包括數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據處理模塊和用戶界面模塊等。數據采集模塊負責與傳感器設備進行通信，采集傳感器的數據，并將數據傳輸到數據傳輸模塊。數據傳輸模塊負責將采集到的數據通過Wi-Fi、GSM或LoRa等方式傳輸到云平臺。數據處理模塊負責對傳輸到云平臺的數據進行清洗、轉換和特征提取等處理，以獲取有用的信息。用戶界面模塊負責將處理后的數據以可視化的方式展示給用戶，并提供故障診斷和預測的功能。

（3）數據處理流程。智能化瓦斯抽放泵監測系統的數據處理流程包括數據采集、數據傳輸、數據處理和數據展示等步驟。首先，傳感器設備采集瓦斯抽放泵的振動、溫度、壓力、電流等參數，并將數據傳輸到數據傳輸設備。數據傳輸設備通過Wi-Fi、GSM或LoRa等方式將數據傳輸到云平臺。云平臺接收傳輸過來的數據，并進行清洗、轉換和特征提取等處理。清洗的目的是去除數據中的噪聲、異常值和缺失值，轉換的目的是將原始數據轉換為適合分析的形式，特征提取的目的是從原始數據中提取有用的特征。處理后的數據通過用戶界面模塊展示給用戶，并提供故障診斷和預測的功能。

（4）故障診斷與預測。智能化瓦斯抽放泵監測系統的故障診斷與預測是基于數據處理模塊提取的特征進行的。通過對歷史數據的分析和建模，可以建立故障診斷和預測的模型。常用的模型包括基于規則的專家系統、統計模型、機器學習模型和深度學習模型等。本系統采用規則的專家系統故障診斷方法。該方法通過將專家的知識和經驗轉化為規則，對傳感器數據進行匹配和推理，從而確定故障的原因和位置。例如，如果溫度傳感器的數值超過了設定的閾值，系統可以根據規則判斷可能存在過熱故障，將發送報警信息給相關人員，以便及時采取措施修復故障，確保設備的安全運行。系統將采集到的數據進行存儲和分析。存儲設備用于長期保存數據，以便后續的數據分析和故障排查。分析模塊對數據進行統計、趨勢分析和故障模式識別等，以提供更深入的數據分析結果。

4.總結

煤礦安全問題在幾十年來的生產過程中一直未能得到完全解決，大多數安全問題的產生都與煤礦開采時煤層中散發出的瓦斯氣體密切相關。目前專家們普遍認為在采礦作業開始之前應先進行瓦斯抽放，將瓦斯含量控制在安全范圍之內，才能消除瓦斯爆炸的隱患。通過研究瓦斯抽放泵故障監測智能化方法，可以提高工作效率、保障安全性和降低維護成本，有效預防事故的發生，保護工作人員的安全，并提高生產效率和經濟效益。