自動(dòng)化水位控制器在礦井排水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王彬發(fā)，王 博

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

引言

煤礦排水系統(tǒng)是保障礦工安全和有序生產(chǎn)的重要設(shè)施[1]，水位控制器作為供排水設(shè)備的核心，對(duì)確保排水穩(wěn)定可靠、提高礦井自動(dòng)化管理水平具有重要作用[2]。小莊礦由于采掘排水點(diǎn)分散、出水量變化復(fù)雜，人工操作排水存在較大安全隱患，亟需配備自動(dòng)化排水設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)采掘點(diǎn)自動(dòng)化排水，提高系統(tǒng)可靠性，以小莊礦排水系統(tǒng)為工程背景，對(duì)采掘點(diǎn)自動(dòng)化排水設(shè)備應(yīng)用展開研究。

1 工程背景

小莊礦位于陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井出水量為1 300 m3/h。目前該礦井已經(jīng)建成中央泵房、盤區(qū)泵房、白家宮排水泵房三個(gè)永久排水泵房，副井底強(qiáng)排和二盤區(qū)強(qiáng)排兩個(gè)永久強(qiáng)排設(shè)施，永久排水設(shè)施已全部實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化排水。礦井出水主要通過分散在各采掘工作面的臨時(shí)、半永久排水設(shè)施接力排水至永久泵房。礦井現(xiàn)階段采掘排水點(diǎn)包括40204水倉排水點(diǎn)、40309泄水巷排水點(diǎn)和各掘進(jìn)工作面排水點(diǎn)。

目前，各采掘排水點(diǎn)均為人工現(xiàn)場(chǎng)操作。部分工作面出水量變化較大，排水?dāng)?shù)據(jù)無法及時(shí)上傳，發(fā)生水患事故概率較高；各排水點(diǎn)較分散，均需專人看守；空間狹小、作業(yè)環(huán)境較差。

綜上可知，為保障礦井排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定、減少排水點(diǎn)工作人員，亟需提高采掘排水點(diǎn)自動(dòng)化水平。水位控制器可通過機(jī)械或電子方式控制水倉水位，是目前礦井排水系統(tǒng)提高自動(dòng)化水平的首選[3-4]。

2 水位控制器選型

2.1 水位控制器選型依據(jù)

水位控制器作為供排水控制系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，盡可能減少排水工作人員，選型水位控制器不僅要實(shí)現(xiàn)潛水泵和離心泵的啟停順序控制，還應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)備具有全面的保護(hù)功能，通過斷相保護(hù)確保設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)必須具備水位信息數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)上傳等功能。

2.2 水位控制器功能特點(diǎn)

水位控制器選用KXJ-2×200/1140（660）S雙回路水泵水位控制器，該水泵水位控制器可以應(yīng)用于爆炸性氣體的煤礦井下，也可用于遠(yuǎn)距離控制相應(yīng)頻率和電壓等級(jí)的礦用隔爆型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止并，可在停止時(shí)進(jìn)行換向之。

KXJ-2×200/1140（660）S雙回路水泵水位控制器實(shí)現(xiàn)了礦用水泵控制的一用一備，可以實(shí)現(xiàn)控制礦用潛水泵、多級(jí)離心泵控制的互相切換，如圖1所示。該控制器集成了電磁啟動(dòng)器與PLC控制兩個(gè)主要功能于一體，具有體積小、可控性強(qiáng)、自身監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?，能夠很好地適應(yīng)于采掘排水點(diǎn)的水泵控制。

圖1 KXJ-2系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路水泵水位控制器

該水泵水位控制器以西門子系列PLC作為主控制器，克服了傳統(tǒng)啟動(dòng)器不能控制的缺陷，通過主控器，控制開關(guān)分合閘，同時(shí)兼顧各類傳感器，確保排水穩(wěn)定可靠。具備以下主要功能：電流、電壓檢測(cè)，高、低水位故障聲光報(bào)警，中文液晶顯示；配備RS-485接口、RJ45以太網(wǎng)通訊接口，通過以太環(huán)網(wǎng)對(duì)設(shè)備對(duì)接，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度控制中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；設(shè)備穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，可適應(yīng)井下環(huán)境；水泵設(shè)備及排水系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)可以實(shí)時(shí)反饋至主控室，為技術(shù)人員提供操作信息；就地控制模式下，工作人員可通過控制器按鈕直接操作；自動(dòng)控制模式下：通過水位傳感器監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)控制和無人職守；單臺(tái)監(jiān)控功能，控制器能夠在通信損壞狀態(tài)下進(jìn)行控制操作；遠(yuǎn)程程序修改功能，可定制特殊的水泵工作流程以滿足特殊情況下供排水控制。

2.3 水位控制器工作原理

KXJ系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型水泵水位控制器主體由交流真空接觸器、隔離開關(guān)、控制按鈕、控制變壓器、QBS保護(hù)器、熔斷器及阻容器等元件組成。具體電氣原理見圖2。

圖2 KXJ系列水泵水位控制器電氣原理圖

如圖2所示，控制器主要操作及原理為：控制器起動(dòng)前，隔離換向開關(guān)DH打到正或反轉(zhuǎn)時(shí)控制器有電，QBZ-63S電子保護(hù)器觸點(diǎn)A10，B9閉合；控制器起動(dòng)，按下起動(dòng)按鈕QA，則中間繼電器ZJ吸合，控制電壓經(jīng)全波整流后使真空接觸器CJ吸合，并利用CJ1常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自鎖，同時(shí)斷開漏電檢測(cè)回路；控制器停止，按下停止按鈕TA，則中間繼電器ZJ失電，常開觸頭斷開，真空接觸器KM線圈失電使主觸頭脫開分?jǐn)嘀骶€路。在起動(dòng)運(yùn)行過程中，當(dāng)線路發(fā)生短路、過載、斷相等故障時(shí)，保護(hù)器觸頭動(dòng)作，使吸合線圈釋放而起保護(hù)作用。控制器漏電檢測(cè)，保護(hù)器通過常閉觸點(diǎn)對(duì)負(fù)載進(jìn)行漏電檢測(cè)，當(dāng)主回路對(duì)地絕緣電阻低于規(guī)定值時(shí)，保護(hù)器實(shí)行漏電閉鎖，起動(dòng)器無法起動(dòng)；水位自動(dòng)控制，9號(hào)、8號(hào)和13號(hào)線分別與外接水位探頭連接（9號(hào)接地，8號(hào)接低水位，13號(hào)接高水位），當(dāng)達(dá)到高水位時(shí)，內(nèi)部繼電器KB吸合，CJ得電吸合，當(dāng)降到低水位以下時(shí)，真空接觸器CJ失電，負(fù)載斷開，或可通過就地停止銨鈕TA1停止。

3 水位控制器控制排水過程

水位控制器通過高、低位檢測(cè)探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉水位，將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)控制水泵開停，根據(jù)監(jiān)測(cè)水位深度和預(yù)設(shè)液位限值的關(guān)系，水位控制器發(fā)出相應(yīng)指令，如表1所示。

表1 水位控制器控制排水設(shè)定

表1中各預(yù)設(shè)限值均在0~5 m范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。根據(jù)小莊礦排水點(diǎn)需求，主回路控制1號(hào)水泵啟停，副回路控制2號(hào)水泵啟停。當(dāng)控制器主、副回路均可正常工作時(shí)，水位控制器依照表1設(shè)定程序控制水泵。當(dāng)監(jiān)測(cè)水位已達(dá)到超高限水位狀態(tài)下，主回路工作，1號(hào)水泵啟動(dòng)，但若主回路出現(xiàn)故障，則主回路自動(dòng)停止工作，控制1號(hào)水泵停車，切換至副回路工作，2號(hào)水泵啟動(dòng)，當(dāng)水位下降到低限水位以下后，副回路停止工作，2號(hào)水泵停車。

4 應(yīng)用效果分析

現(xiàn)已將KXJ-2×200/1140（660）S礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路水泵水位控制器應(yīng)用于小莊礦井40205回風(fēng)順槽1 650 m處排水點(diǎn)，共安裝2臺(tái)水位控制器，控制4臺(tái)水泵的運(yùn)行。工作人員可就地操作水位控制器，也可通過地面集控中心對(duì)排水點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了電流及水位監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程開泵停泵和遠(yuǎn)程編輯水泵啟動(dòng)流程等功能。通過自動(dòng)化水位控制器實(shí)現(xiàn)了無人值守、有人巡檢排水，礦井排水自動(dòng)化水平得到有效提高，減少了水害事故隱患，確保了采掘排水點(diǎn)的排水安全。

5 結(jié)論

1）配備自動(dòng)化水位控制器可以有效解決小莊礦采掘排水點(diǎn)水患事故危險(xiǎn)系數(shù)高的問題。

2）根據(jù)井下排水條件，確定采掘排水點(diǎn)選用KXJ-2×200/1140（660）S礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路水泵水位控制器。

3）配備水位控制器后，可以滿足排水點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化控制需求，確保采掘排水點(diǎn)排水安全。