瓦斯抽放泵故障监测智能化方法研究解析

＊段石 王宇

（内蒙古博珢泰煤炭有限公司 内蒙古 010300）

我国的煤炭生产量和消费量在全球各国家中居于首位。长期以来，煤炭为人民安居和国家经济发展发挥了重要的保障和推进作用[1]。随着矿井开采深度不断増加，矿井瓦斯灾害越来越频繁，大多数安全问题的产生都与煤矿开采时煤层中散发出的瓦斯气体密切相关。瓦斯抽放泵作为煤矿重要的抽放设备，其运行状况直接影响煤矿作业的安全水平[2]。因此，为保证瓦斯抽放作业的安全平稳运行，开展瓦斯抽放泵早期故障监测研究，实现第一时间发现并解决故障，保证瓦斯抽放作业效率和整体安全运行具有重要意义。

1.瓦斯抽放泵的作用及原理

（1）瓦斯抽放泵的作用。瓦斯抽放泵是一种常见的安全设备，用于煤矿、隧道、地下工程等需要处理瓦斯问题的场所。其主要作用是抽取和排放瓦斯，以确保工作环境的安全[3]。在矿井或隧道的开采过程中，煤层中的瓦斯会被释放出来，形成瓦斯积聚，极易引发爆炸等危险。瓦斯抽放泵通过吸入瓦斯，将其从地下抽出，从而降低了瓦斯的浓度，减少了安全隐患[4]。抽取的瓦斯需要安全排放，以避免瓦斯积聚导致爆炸等事故，瓦斯抽放泵通过管道或其他方式，将抽取的瓦斯排放到安全区域，这样可以有效地防止瓦斯积聚，保障工作环境的安全[5]。此外，通过传感器等装置，瓦斯抽放泵能够实时监测瓦斯的浓度和温度变化。一旦瓦斯浓度超过安全范围或温度异常升高，瓦斯抽放泵会发出警报并采取相应的控制措施，以保障工作人员的安全。综上所述，瓦斯抽放泵在煤矿、隧道、地下工程等场所的作用不可忽视[6]，是一项重要的安全设备，对于矿山和地下工程的安全运行至关重要[7]。

（2）瓦斯抽放泵的原理。瓦斯抽放泵的作用原理是通过机械泵或风机将地下的瓦斯抽出。它通常由泵站、管道系统和排放装置组成。泵站通过抽水泵或风机将深处的瓦斯抽到地面，然后，通过管道系统将瓦斯输送到排放装置，最终将瓦斯排放到安全区域见表1。排放装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型水环式真空泵是一种常用的水环式真空泵，采用了先进的设计和制造工艺，确保其高效稳定的运行，广泛应用于煤矿、化工等行业。该型号水环式真空泵主要由泵体、叶轮、轴承、密封装置、水环等部件组成。其工作原理是通过叶轮的旋转和水环的密封作用，实现对气体的抽取。叶轮旋转时，与水环形成一个密封的工作腔，气体被抽入并被压缩。随着叶轮的继续旋转，气体被推向排气口，最终排出泵体。水环起到了密封和冷却的作用，保证了泵的正常工作见图1。

图1 水环式真空泵工作原理图

表1 2BEC72型水环式真空泵参数

2.瓦斯抽放泵故障监测研究现状

（1）瓦斯抽放泵故障的常见类型。对瓦斯抽放泵故障类型进行研究，必须明确煤矿瓦斯抽放泵发生故障的部位及原因，通过对这些原因进行分析来确定故障类型，并通过分析这些故障的特征和煤矿瓦斯抽放泵具体工况，研究具体故障处理方法，对目前瓦斯抽放泵故障监测方法匮乏问题起到一定的引导作用。由于煤矿工况下泵运转时间长和环境恶劣，瓦斯抽放泵常出现各种故障，因此根据实际的问题情况，总结出了瓦斯抽放泵故障的常见类型及造成的原因：①泵体堵塞。由于煤矿中存在大量的煤尘和固体颗粒物，这些物质容易进入瓦斯抽放泵的泵体中，导致泵体内部堵塞。当泵体堵塞时，泵的抽水效率会降低甚至完全停止工作。②瓦斯抽放泵的密封件老化。瓦斯抽放泵在长时间运行后，密封件往往会因为高温、高压和磨损而老化，导致瓦斯泄漏。这不仅会降低泵的抽水效率，还会造成安全隐患。③泵的电机故障。电机是瓦斯抽放泵的动力来源，如果电机出现故障，整个泵的工作就会受到影响。电机故障的原因可能是电机绝缘老化、线路短路等。④瓦斯抽放泵的轴承损坏。由于泵的长时间运转，轴承容易因为摩擦和磨损而损坏。当轴承损坏时，泵的工作效率会下降，甚至无法正常工作。

（2）瓦斯抽放泵故障监测方法。瓦斯抽放泵是煤矿等工矿企业中重要的设备，用于抽取井下瓦斯，防止瓦斯积聚造成爆炸事故[8]。为了确保瓦斯抽放泵的正常运行，及时发现和解决故障至关重要。下面将介绍几种常见的瓦斯抽放泵故障监测方法及各自的优缺点：①振动监测。通过在泵体上安装振动传感器，实时采集泵体振动信号，判断泵的运行状态。如果泵振动异常，说明可能存在故障。这种方法的优点是实时性强，能够快速发现故障。缺点是对振动传感器的精度要求较高，且无法准确判断具体故障类型。②温度监测。通过在泵体和电机上安装温度传感器，实时监测泵体和电机的温度变化。当温度超过设定的阈值时，可以判断存在故障。这种方法的优点是易于实施和操作，成本较低。缺点是只能检测到一些常见的故障，对于其他故障类型可能不够敏感。③压力监测。通过在泵体进口和出口处安装压力传感器，实时监测泵体的进口和出口压力变化。当压力变化异常时，可以判断存在故障。这种方法的优点是能够准确监测泵体的工作状态，能够发现多种类型的故障。缺点是对压力传感器的精度要求较高，且需要对泵体的进口和出口进行改造。④声波监测。通过在泵体上安装声波传感器，实时采集泵体的声波信号，通过信号分析和处理，判断泵的工作状态和存在的故障。这种方法的优点是能够准确判断故障类型，对于复杂的故障有较高的敏感性。缺点是设备成本较高，对声波信号的分析和处理要求较高。

（3）瓦斯抽放泵故障监测智能化方法的原理。瓦斯抽放泵故障监测智能化方法是利用现代智能化技术，对瓦斯抽放泵进行实时监测和故障诊断，以提高设备的可靠性和安全性。它的原理主要包括数据采集、数据分析和故障诊断。数据采集是指通过传感器等装置对瓦斯抽放泵的运行参数进行实时采集。传感器可以测量泵的电流、电压、振动、温度等关键参数，并将采集的数据传输到监测系统中。其次，数据分析是指对采集到的数据进行处理和分析，以提取有关泵性能和故障的信息。数据清洗是指对采集到的数据进行预处理，去除异常值和噪声干扰，保证数据的准确性和可靠性。特征提取是指从原始数据中提取出能够反映泵性能和故障特征的有效参数。模式识别是指通过对特征参数进行分析和比较，识别出泵的运行状态和故障类型。最后，故障诊断是指根据数据分析的结果，对泵的故障类型和原因进行诊断和判断。故障诊断可以采用基于规则的方法、基于模型的方法或者机器学习的方法。基于规则的方法是根据已有的经验知识和规则，将数据分析的结果与故障类型进行匹配，以判断泵的故障类型。

3.智能化监测系统架构设计

智能化瓦斯抽放泵监测系统是一种利用物联网、大数据和人工智能等技术，对瓦斯抽放泵的运行状态进行实时监测、诊断和预测的系统。该系统能够通过传感器设备采集瓦斯抽放泵的各项运行参数，并将数据传输到云平台进行处理和分析见图2。

图2 智能化监测系统

（1）硬件配置。智能化瓦斯抽放泵监测系统的硬件配置主要包括传感器设备、数据传输设备和云平台。传感器设备用于采集瓦斯抽放泵的振动、温度、压力、电流等参数，常用的传感器包括加速度传感器、温度传感器、压力传感器和电流传感器等。数据传输设备用于将传感器采集到的数据传输到云平台进行处理和分析，常用的数据传输设备包括Wi-Fi模块、GSM模块和LoRa模块等。云平台是智能化瓦斯抽放泵监测系统的核心，负责接收、存储和处理传感器采集到的数据，并提供数据分析和预测的功能。

（2）软件模块。智能化瓦斯抽放泵监测系统的软件模块包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块和用户界面模块等。数据采集模块负责与传感器设备进行通信，采集传感器的数据，并将数据传输到数据传输模块。数据传输模块负责将采集到的数据通过Wi-Fi、GSM或LoRa等方式传输到云平台。数据处理模块负责对传输到云平台的数据进行清洗、转换和特征提取等处理，以获取有用的信息。用户界面模块负责将处理后的数据以可视化的方式展示给用户，并提供故障诊断和预测的功能。

（3）数据处理流程。智能化瓦斯抽放泵监测系统的数据处理流程包括数据采集、数据传输、数据处理和数据展示等步骤。首先，传感器设备采集瓦斯抽放泵的振动、温度、压力、电流等参数，并将数据传输到数据传输设备。数据传输设备通过Wi-Fi、GSM或LoRa等方式将数据传输到云平台。云平台接收传输过来的数据，并进行清洗、转换和特征提取等处理。清洗的目的是去除数据中的噪声、异常值和缺失值，转换的目的是将原始数据转换为适合分析的形式，特征提取的目的是从原始数据中提取有用的特征。处理后的数据通过用户界面模块展示给用户，并提供故障诊断和预测的功能。

（4）故障诊断与预测。智能化瓦斯抽放泵监测系统的故障诊断与预测是基于数据处理模块提取的特征进行的。通过对历史数据的分析和建模，可以建立故障诊断和预测的模型。常用的模型包括基于规则的专家系统、统计模型、机器学习模型和深度学习模型等。本系统采用规则的专家系统故障诊断方法。该方法通过将专家的知识和经验转化为规则，对传感器数据进行匹配和推理，从而确定故障的原因和位置。例如，如果温度传感器的数值超过了设定的阈值，系统可以根据规则判断可能存在过热故障，将发送报警信息给相关人员，以便及时采取措施修复故障，确保设备的安全运行。系统将采集到的数据进行存储和分析。存储设备用于长期保存数据，以便后续的数据分析和故障排查。分析模块对数据进行统计、趋势分析和故障模式识别等，以提供更深入的数据分析结果。

4.总结

煤矿安全问题在几十年来的生产过程中一直未能得到完全解决，大多数安全问题的产生都与煤矿开采时煤层中散发出的瓦斯气体密切相关。目前专家们普遍认为在采矿作业开始之前应先进行瓦斯抽放，将瓦斯含量控制在安全范围之内，才能消除瓦斯爆炸的隐患。通过研究瓦斯抽放泵故障监测智能化方法，可以提高工作效率、保障安全性和降低维护成本，有效预防事故的发生，保护工作人员的安全，并提高生产效率和经济效益。