＊段石 王宇

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我國(guó)的煤炭生產(chǎn)量和消費(fèi)量在全球各國(guó)家中居于首位。長(zhǎng)期以來，煤炭為人民安居和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要的保障和推進(jìn)作用[1]。隨著礦井開采深度不斷増加，礦井瓦斯災(zāi)害越來越頻繁，大多數(shù)安全問題的產(chǎn)生都與煤礦開采時(shí)煤層中散發(fā)出的瓦斯氣體密切相關(guān)。瓦斯抽放泵作為煤礦重要的抽放設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響煤礦作業(yè)的安全水平[2]。因此，為保證瓦斯抽放作業(yè)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，開展瓦斯抽放泵早期故障監(jiān)測(cè)研究，實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決故障，保證瓦斯抽放作業(yè)效率和整體安全運(yùn)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(shè)備，用于煤礦、隧道、地下工程等需要處理瓦斯問題的場(chǎng)所。其主要作用是抽取和排放瓦斯，以確保工作環(huán)境的安全[3]。在礦井或隧道的開采過程中，煤層中的瓦斯會(huì)被釋放出來，形成瓦斯積聚，極易引發(fā)爆炸等危險(xiǎn)。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(dǎo)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(qū)域，這樣可以有效地防止瓦斯積聚，保障工作環(huán)境的安全[5]。此外，通過傳感器等裝置，瓦斯抽放泵能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯的濃度和溫度變化。一旦瓦斯?jié)舛瘸^安全范圍或溫度異常升高，瓦斯抽放泵會(huì)發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)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(chǎng)所的作用不可忽視[6]，是一項(xiàng)重要的安全設(shè)備，對(duì)于礦山和地下工程的安全運(yùn)行至關(guān)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(jī)械泵或風(fēng)機(jī)將地下的瓦斯抽出。它通常由泵站、管道系統(tǒng)和排放裝置組成。泵站通過抽水泵或風(fēng)機(jī)將深處的瓦斯抽到地面，然后，通過管道系統(tǒng)將瓦斯輸送到排放裝置，最終將瓦斯排放到安全區(qū)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(huán)式真空泵是一種常用的水環(huán)式真空泵，采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造工藝，確保其高效穩(wěn)定的運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于煤礦、化工等行業(yè)。該型號(hào)水環(huán)式真空泵主要由泵體、葉輪、軸承、密封裝置、水環(huán)等部件組成。其工作原理是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)和水環(huán)的密封作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的抽取。葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，與水環(huán)形成一個(gè)密封的工作腔，氣體被抽入并被壓縮。隨著葉輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣體被推向排氣口，最終排出泵體。水環(huán)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(huán)式真空泵工作原理圖

表1 2BEC72型水環(huán)式真空泵參數(shù)

2.瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

（1）瓦斯抽放泵故障的常見類型。對(duì)瓦斯抽放泵故障類型進(jìn)行研究，必須明確煤礦瓦斯抽放泵發(fā)生故障的部位及原因，通過對(duì)這些原因進(jìn)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(duì)目前瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)方法匱乏問題起到一定的引導(dǎo)作用。由于煤礦工況下泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)和環(huán)境惡劣，瓦斯抽放泵常出現(xiàn)各種故障，因此根據(jù)實(shí)際的問題情況，總結(jié)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(zhì)容易進(jìn)入瓦斯抽放泵的泵體中，導(dǎo)致泵體內(nèi)部堵塞。當(dāng)泵體堵塞時(shí)，泵的抽水效率會(huì)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，密封件往往會(huì)因?yàn)楦邷?、高壓和磨損而老化，導(dǎo)致瓦斯泄漏。這不僅會(huì)降低泵的抽水效率，還會(huì)造成安全隱患。③泵的電機(jī)故障。電機(jī)是瓦斯抽放泵的動(dòng)力來源，如果電機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)泵的工作就會(huì)受到影響。電機(jī)故障的原因可能是電機(jī)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承容易因?yàn)槟Σ梁湍p而損壞。當(dāng)軸承損壞時(shí)，泵的工作效率會(huì)下降，甚至無法正常工作。

（2）瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)方法。瓦斯抽放泵是煤礦等工礦企業(yè)中重要的設(shè)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(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決故障至關(guān)重要。下面將介紹幾種常見的瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)方法及各自的優(yōu)缺點(diǎn)：①振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過在泵體上安裝振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)采集泵體振動(dòng)信號(hào)，判斷泵的運(yùn)行狀態(tài)。如果泵振動(dòng)異常，說明可能存在故障。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠快速發(fā)現(xiàn)故障。缺點(diǎn)是對(duì)振動(dòng)傳感器的精度要求較高，且無法準(zhǔn)確判斷具體故障類型。②溫度監(jiān)測(cè)。通過在泵體和電機(jī)上安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵體和電機(jī)的溫度變化。當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時(shí)，可以判斷存在故障。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)施和操作，成本較低。缺點(diǎn)是只能檢測(cè)到一些常見的故障，對(duì)于其他故障類型可能不夠敏感。③壓力監(jiān)測(cè)。通過在泵體進(jìn)口和出口處安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵體的進(jìn)口和出口壓力變化。當(dāng)壓力變化異常時(shí)，可以判斷存在故障。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)泵體的工作狀態(tài)，能夠發(fā)現(xiàn)多種類型的故障。缺點(diǎn)是對(duì)壓力傳感器的精度要求較高，且需要對(duì)泵體的進(jìn)口和出口進(jìn)行改造。④聲波監(jiān)測(cè)。通過在泵體上安裝聲波傳感器，實(shí)時(shí)采集泵體的聲波信號(hào)，通過信號(hào)分析和處理，判斷泵的工作狀態(tài)和存在的故障。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確判斷故障類型，對(duì)于復(fù)雜的故障有較高的敏感性。缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高，對(duì)聲波信號(hào)的分析和處理要求較高。

（3）瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)智能化方法的原理。瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)智能化方法是利用現(xiàn)代智能化技術(shù)，對(duì)瓦斯抽放泵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，以提高設(shè)備的可靠性和安全性。它的原理主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和故障診斷。數(shù)據(jù)采集是指通過傳感器等裝置對(duì)瓦斯抽放泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。傳感器可以測(cè)量泵的電流、電壓、振動(dòng)、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。其次，數(shù)據(jù)分析是指對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以提取有關(guān)泵性能和故障的信息。數(shù)據(jù)清洗是指對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除異常值和噪聲干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。特征提取是指從原始數(shù)據(jù)中提取出能夠反映泵性能和故障特征的有效參數(shù)。模式識(shí)別是指通過對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行分析和比較，識(shí)別出泵的運(yùn)行狀態(tài)和故障類型。最后，故障診斷是指根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)泵的故障類型和原因進(jìn)行診斷和判斷。故障診斷可以采用基于規(guī)則的方法、基于模型的方法或者機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。基于規(guī)則的方法是根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和規(guī)則，將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與故障類型進(jìn)行匹配，以判斷泵的故障類型。

3.智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化瓦斯抽放泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，對(duì)瓦斯抽放泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過傳感器設(shè)備采集瓦斯抽放泵的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行處理和分析見圖2。

圖2 智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）硬件配置。智能化瓦斯抽放泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件配置主要包括傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和云平臺(tái)。傳感器設(shè)備用于采集瓦斯抽放泵的振動(dòng)、溫度、壓力、電流等參數(shù)，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(shù)據(jù)傳輸設(shè)備用于將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行處理和分析，常用的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備包括Wi-Fi模塊、GSM模塊和LoRa模塊等。云平臺(tái)是智能化瓦斯抽放泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)的功能。

（2）軟件模塊。智能化瓦斯抽放泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和用戶界面模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)與傳感器設(shè)備進(jìn)行通信，采集傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi、GSM或LoRa等方式傳輸?shù)皆破脚_(tái)。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳輸?shù)皆破脚_(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和特征提取等處理，以獲取有用的信息。用戶界面模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)以可視化的方式展示給用戶，并提供故障診斷和預(yù)測(cè)的功能。

（3）數(shù)據(jù)處理流程。智能化瓦斯抽放泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展示等步驟。首先，傳感器設(shè)備采集瓦斯抽放泵的振動(dòng)、溫度、壓力、電流等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備通過Wi-Fi、GSM或LoRa等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。云平臺(tái)接收傳輸過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和特征提取等處理。清洗的目的是去除數(shù)據(jù)中的噪聲、異常值和缺失值，轉(zhuǎn)換的目的是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合分析的形式，特征提取的目的是從原始數(shù)據(jù)中提取有用的特征。處理后的數(shù)據(jù)通過用戶界面模塊展示給用戶，并提供故障診斷和預(yù)測(cè)的功能。

（4）故障診斷與預(yù)測(cè)。智能化瓦斯抽放泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測(cè)是基于數(shù)據(jù)處理模塊提取的特征進(jìn)行的。通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析和建模，可以建立故障診斷和預(yù)測(cè)的模型。常用的模型包括基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型等。本系統(tǒng)采用規(guī)則的專家系統(tǒng)故障診斷方法。該方法通過將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為規(guī)則，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)值超過了設(shè)定的閾值，系統(tǒng)可以根據(jù)規(guī)則判斷可能存在過熱故障，將發(fā)送報(bào)警信息給相關(guān)人員，以便及時(shí)采取措施修復(fù)故障，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。存儲(chǔ)設(shè)備用于長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和故障排查。分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析和故障模式識(shí)別等，以提供更深入的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

4.總結(jié)

煤礦安全問題在幾十年來的生產(chǎn)過程中一直未能得到完全解決，大多數(shù)安全問題的產(chǎn)生都與煤礦開采時(shí)煤層中散發(fā)出的瓦斯氣體密切相關(guān)。目前專家們普遍認(rèn)為在采礦作業(yè)開始之前應(yīng)先進(jìn)行瓦斯抽放，將瓦斯含量控制在安全范圍之內(nèi)，才能消除瓦斯爆炸的隱患。通過研究瓦斯抽放泵故障監(jiān)測(cè)智能化方法，可以提高工作效率、保障安全性和降低維護(hù)成本，有效預(yù)防事故的發(fā)生，保護(hù)工作人員的安全，并提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。