自动化水位控制器在矿井排水系统中的应用研究

王彬发，王 博

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

引言

煤矿排水系统是保障矿工安全和有序生产的重要设施[1]，水位控制器作为供排水设备的核心，对确保排水稳定可靠、提高矿井自动化管理水平具有重要作用[2]。小庄矿由于采掘排水点分散、出水量变化复杂，人工操作排水存在较大安全隐患，亟需配备自动化排水设备。为实现采掘点自动化排水，提高系统可靠性，以小庄矿排水系统为工程背景，对采掘点自动化排水设备应用展开研究。

1 工程背景

小庄矿位于陕西省彬长矿区，水文地质条件复杂，矿井出水量为1 300 m3/h。目前该矿井已经建成中央泵房、盘区泵房、白家宫排水泵房三个永久排水泵房，副井底强排和二盘区强排两个永久强排设施，永久排水设施已全部实现远程自动化排水。矿井出水主要通过分散在各采掘工作面的临时、半永久排水设施接力排水至永久泵房。矿井现阶段采掘排水点包括40204水仓排水点、40309泄水巷排水点和各掘进工作面排水点。

目前，各采掘排水点均为人工现场操作。部分工作面出水量变化较大，排水数据无法及时上传，发生水患事故概率较高；各排水点较分散，均需专人看守；空间狭小、作业环境较差。

综上可知，为保障矿井排水系统安全稳定、减少排水点工作人员，亟需提高采掘排水点自动化水平。水位控制器可通过机械或电子方式控制水仓水位，是目前矿井排水系统提高自动化水平的首选[3-4]。

2 水位控制器选型

2.1 水位控制器选型依据

水位控制器作为供排水控制系统的关键节点，为实现自动化控制，尽可能减少排水工作人员，选型水位控制器不仅要实现潜水泵和离心泵的启停顺序控制，还应当对设备具有全面的保护功能，通过断相保护确保设备的安全可靠运行，同时必须具备水位信息数据采集、存储和实时上传等功能。

2.2 水位控制器功能特点

水位控制器选用KXJ-2×200/1140（660）S双回路水泵水位控制器，该水泵水位控制器可以应用于爆炸性气体的煤矿井下，也可用于远距离控制相应频率和电压等级的矿用隔爆型电动机起动、停止并，可在停止时进行换向之。

KXJ-2×200/1140（660）S双回路水泵水位控制器实现了矿用水泵控制的一用一备，可以实现控制矿用潜水泵、多级离心泵控制的互相切换，如图1所示。该控制器集成了电磁启动器与PLC控制两个主要功能于一体，具有体积小、可控性强、自身监测、远程传输等功能，能够很好地适应于采掘排水点的水泵控制。

图1 KXJ-2系列矿用隔爆兼本质安全型双回路水泵水位控制器

该水泵水位控制器以西门子系列PLC作为主控制器，克服了传统启动器不能控制的缺陷，通过主控器，控制开关分合闸，同时兼顾各类传感器，确保排水稳定可靠。具备以下主要功能：电流、电压检测，高、低水位故障声光报警，中文液晶显示；配备RS-485接口、RJ45以太网通讯接口，通过以太环网对设备对接，实现地面调度控制中心的远程监控功能；设备稳定、抗干扰能力强，可适应井下环境；水泵设备及排水系统工作状态参数可以实时反馈至主控室，为技术人员提供操作信息；就地控制模式下，工作人员可通过控制器按钮直接操作；自动控制模式下：通过水位传感器监测，可实现水泵的自动控制和无人职守；单台监控功能，控制器能够在通信损坏状态下进行控制操作；远程程序修改功能，可定制特殊的水泵工作流程以满足特殊情况下供排水控制。

2.3 水位控制器工作原理

KXJ系列矿用隔爆兼本质安全型水泵水位控制器主体由交流真空接触器、隔离开关、控制按钮、控制变压器、QBS保护器、熔断器及阻容器等元件组成。具体电气原理见图2。

图2 KXJ系列水泵水位控制器电气原理图

如图2所示，控制器主要操作及原理为：控制器起动前，隔离换向开关DH打到正或反转时控制器有电，QBZ-63S电子保护器触点A10，B9闭合；控制器起动，按下起动按钮QA，则中间继电器ZJ吸合，控制电压经全波整流后使真空接触器CJ吸合，并利用CJ1常开触点实现自锁，同时断开漏电检测回路；控制器停止，按下停止按钮TA，则中间继电器ZJ失电，常开触头断开，真空接触器KM线圈失电使主触头脱开分断主线路。在起动运行过程中，当线路发生短路、过载、断相等故障时，保护器触头动作，使吸合线圈释放而起保护作用。控制器漏电检测，保护器通过常闭触点对负载进行漏电检测，当主回路对地绝缘电阻低于规定值时，保护器实行漏电闭锁，起动器无法起动；水位自动控制，9号、8号和13号线分别与外接水位探头连接（9号接地，8号接低水位，13号接高水位），当达到高水位时，内部继电器KB吸合，CJ得电吸合，当降到低水位以下时，真空接触器CJ失电，负载断开，或可通过就地停止铵钮TA1停止。

3 水位控制器控制排水过程

水位控制器通过高、低位检测探头实时监测水仓水位，将水位信号转换为电信号控制水泵开停，根据监测水位深度和预设液位限值的关系，水位控制器发出相应指令，如表1所示。

表1 水位控制器控制排水设定

表1中各预设限值均在0~5 m范围内可调节。根据小庄矿排水点需求，主回路控制1号水泵启停，副回路控制2号水泵启停。当控制器主、副回路均可正常工作时，水位控制器依照表1设定程序控制水泵。当监测水位已达到超高限水位状态下，主回路工作，1号水泵启动，但若主回路出现故障，则主回路自动停止工作，控制1号水泵停车，切换至副回路工作，2号水泵启动，当水位下降到低限水位以下后，副回路停止工作，2号水泵停车。

4 应用效果分析

现已将KXJ-2×200/1140（660）S矿用隔爆兼本质安全型双回路水泵水位控制器应用于小庄矿井40205回风顺槽1 650 m处排水点，共安装2台水位控制器，控制4台水泵的运行。工作人员可就地操作水位控制器，也可通过地面集控中心对排水点进行远距离监控，实现了电流及水位监测、远程开泵停泵和远程编辑水泵启动流程等功能。通过自动化水位控制器实现了无人值守、有人巡检排水，矿井排水自动化水平得到有效提高，减少了水害事故隐患，确保了采掘排水点的排水安全。

5 结论

1）配备自动化水位控制器可以有效解决小庄矿采掘排水点水患事故危险系数高的问题。

2）根据井下排水条件，确定采掘排水点选用KXJ-2×200/1140（660）S矿用隔爆兼本质安全型双回路水泵水位控制器。

3）配备水位控制器后，可以满足排水点实时监测及自动化控制需求，确保采掘排水点排水安全。