BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội
X W Y Z X W Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ
SCADA PHỤC VỤ AN TOÀN LAO ĐỘNG
TRONG NGÀNH KHAI THÁC HẦM LÒ GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ
SCADA PHỤC VỤ AN TOÀN LAO ĐỘNG
TRONG NGÀNH KHAI THÁC HẦM LÒ GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh Hà Nội, 05/2004
KS. Nguyễn Thị Hương Lan
KS. Tạ Văn Nam
KS. Nguyễn Nam Hải
KS. Bùi Đức Trí
KS. Nguyễn Đức Lương
KS. Nguyễn Công Hiệu
KS. Luyện Tuấn Anh
KS. Kiều Mạnh Cường
KS. Nguyễn Thế Vinh
KS. Nguyễn Văn Cường
Chủ nhiệm đề tài
Chủ trì phần thiết kế các trạm đo
Chủ trì phần thiết kế hệ thống
* CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH:
KS. Bàng Đức, Phó cục trưởng Cục Kỹ thuật An toàn - Bộ Công nghiệp
TS. Lê Văn Thao, Viện khoa học Công nghệ mỏ BÀI TÓM TẮT
Đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Nhà nước KC.03.04 thuộc chương trình Khoa
học Công nghệ quốc gia về Tự động hoá KC.03 có tên gọi : “Nghiên cứu thiết kế
chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò” là
một trong những đề tài trọng điểm của chương trình KC.03. Những tai nạn do
cháy nổ gây ra tại các mỏ than Việt nam và trên thế giới trước đó và gần đây đã
gây ra nỗi bức xúc cho nh
ững người làm nghên cứu Khoa học Công nghệ, đồng
thời phản ánh tính thời sự cấp bách của đề tài.
Tuy thời gian thực hiện không dài nhưng đề tài đã đưa ra đuợc nhiều kết quả
nghiên cứu đáng kể cả về mặt khoa học, công nghệ và cả về mặt ứng dụng thực
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
3
MỤC LỤC
PHẦN I
: MỞ ĐẦU .........................................................................5
I.
GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................................5
II.
MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................6
PHẦN II
: NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO ...........................................7
III.
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ...........................7
IV.
CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ NGHIÊN CỨU...............................................................9
1.
1.
Cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống ............................................36
1.1. Cơ sở chung thiết kế hệ thống ....................................................................36
1.2. Quan điểm thiết kế hệ thống thiết bị đo phân tán ......................................38
2.
Cấu trúc các thành phần trong hệ thống ........................................................................39
VI.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TT ĐIỀU HÀNH ..................................................43
1.
Mô hình và các giao diện nối ghép trong hệ thống.........................................................43
1.1. Các nội dung chính thử nghiệm .................................................................43
1.2. Mô hình chung hệ thống thử nghiệm..........................................................43
1.3. Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 và cấu hình PC-Server trong mô
hình thử nghiệm..........................................................................................
45
1.4. Thiết kế các khối nối ghép mạng................................................................46
2.
Thiết kế giao thức truyền thông ......................................................................................48
2.1. Giới thiệu chung về giao thức ....................................................................48
2.3. Thiết kế thiết bị đo khí mêtan cầm tay........................................................77
3.
Thiết kế phần mềm .........................................................................................................80
3.1. Thiết kế phần mềm trạm làm việc...............................................................80
3.2. Thiết kế phần mềm cho điểm đo .................................................................91
3.3. Thiết kế phần mềm cho thiết bị đo khí mêtan cầm tay ...............................93
3.4. Thiết kế phần mềm quản lý số liệu tại trạm làm việc.................................93
4.
Các phương pháp truyền thông......................................................................................97
4.1. Truyền dẫn vô tuyến (dùng cho trạm làm việc DCS02) .............................97
4.2. Truyền dẫn hữu tuyến.................................................................................98
VIII.
THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM ...............................................101
1.
Mục tiêu, nội dung thử nghiệm .....................................................................................101
2.
Cấu hình và bài toán phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm..................................101
3.
Kết quả thử nghiệm mô hình tại phòng thí nghiệm ......................................................105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..........................................................................................118
XI.
PHỤ LỤC BÁO CÁO ....................................................................................................122
1.
Đối chiếu kết quả thực hiện so với đăng ký ban đầu ...................................................122
2.
Hồ sơ, văn bản pháp lý liên quan .................................................................................124
3.
Các sơ đồ thiết kế trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 .......................................................145
4.
Sơ đồ thiết kế các trạm thiết bị đo DCS.xx...................................................................153
5.
Các dịch vụ cơ bản và quy định chung trong giao thức KC.03.04-PB v1.0 .................161
6.
Một số số liệu thu được trong đợt thử nghiệm tại mỏ than Ngã Hai ............................166
quân của CBCNV đạt gần 2 triệu đồng/người/tháng. Tuy nhiên đi cùng với những
con số trên thì về khai thác, hiện nay TVN đã phải đầu tư nhiề
u vào khai thác hầm
lò, còn sản lượng khai thác than lộ thiên ngày càng giảm. Khi triển khai vào khai
thác hầm lò thì luôn có nguy cơ xẩy ra các hiểm hoạ như: cháy nổ khí mêtan, bục
nước, sập hầm lò,… Trong các hiểm hoạ trên thì hiểm hoạ cháy nổ khí mê tan là
khủng khiếp nhất bởi vì nó xẩy ra rất nhanh trong một diện rộng với nhiệt độ và áp
suất ở mức rất cao (có thể lên tới 2650
o
C và 10at), do đó không có ai đang ở trong
vùng xẩy ra hiểm hoạ lại có thể sống sót được. Trên thế giới cũng như ở Việt Nam
vẫn thường xẩy ra hiểm hoạ cháy nổ khí mêtan. Vụ cháy nổ khí mêtan ngày
11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và
12 người bị thương là nghiêm trọng nhất. Sau vụ tai hoạ này TVN đã ra các quy
định nghiêm ngặt về vấn đề an toàn lao động trong khai thác hầm lò.
Cũng từ
sau tai hoạ này Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đã
đầu tư nghiên cứu, chế tạo các thiết bị cũng như hệ thống đo khí mêtan trong mỏ
than. Đặc biệt từ tháng 10 năm 2001 VIELINA đã được giao chủ trì thực hiện đề
tài cấp nhà nước mã số KC.03.04: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA
phục vụ an toàn lao động trong khai thác hầm lò. Trong suốt quá trình thự
c hiện
đề tài chúng tôi luôn phối hợp chặt chẽ với TVN và các Công ty thành viên để đảm
bảo sản phẩm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của người sử dụng cũng như các yêu
cầu về an toàn, phòng chống cháy nổ. Mặc dù môi trường đặc thù trong hầm lò rất
khắc nghiệt, nhưng được sự phối hợp giúp đỡ của TVN, các cơ quan chức năng
VIELINA đã thiết kế chế t
ạo được hệ thống đảm bảo các yêu cầu khắc nghiệt đó
và đảm bảo độ ổn định, tin cậy trong quá trình thử nghiệm. Sau đây, chúng tôi xin
trình bày chi tiết về các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài
− Tham khả
o và hội thảo về khoa học liên quan đến Sensor
− Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA
− Thiết kế chi tiết các phân hệ trong hệ thống SCADA (các hệ đo lường, điều
khiển tự động, thông tin, xử lý tín hiệu v.v…)
− Thiết kế phần mềm hệ thống, phần mềm điều khiển, phần mềm xử lý tín hiệu
v.v… Viết các bộ phần mề
m tương ứng
− Trao đổi với Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật, Mỹ v.v… có thể chuyển giao công nghệ
− Hợp tác với 1 mỏ than để thử nghiệm và đưa vào ứng dụng
− Hoàn thiện và tổ chức tổng kết rút kinh nghiệm
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
7
PHẦN II : NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO
III. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Do những vấn đề bức xúc trong việc khai thác trong các hầm lò như phải đảm bảo
an toàn cho người lao động và bảo vệ các đường hầm, các nước trên thế giới hàng
năm đã phải chi những khoản kinh phí lớn cho việc nghiên cứu, lắp đặt, đổi mới
các thiết bị phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò nhằm nâng cao độ an toàn,
ngăn chặn kịp th
ời và giảm thiểu các vụ tai nạn do khí độc hay cháy nổ gây ra. Tuy
nhiên do chi phí lớn, các nước đang phát triển luôn bị tụt hậu so với các nước có
nền công nghiệp đã phát triển trong vấn đề đảm bảo an toàn, có thể thấy hầu hết
các vụ tai nạn cháy nổ lớn đều xảy ra ở các nước có nền kinh tế chậm phát triển do
sử dụng thiết bị công nghệ lạc hậu, độ tin cậ
Tình hình nghiên cứu trong nước
Mặc dù vấn đề an toàn trong hầm lò tại Việt nam đã được chú trọng từ lâu nhưng
do nguồn kinh phí hạn hẹp và những giải pháp thực hiện còn gặp nhiều khó khăn
trong điều kiện Việt nam nên chưa có nhiều nghiên cứu tổng thể nhằm giải quyết
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
8
vấn đề này. Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa là cơ quan đã sớm phối hợp
với các cơ sở trong Tổng công ty than triển khai những nghiên cứu nhằm giải
quyết vấn đề trên và bước đầu đã đạt được những kết quả khả quan với sự ra đời
của hệ SCADA đầu tiên do Việt nam chế tạo mang ký hiệu DCX-70-1. Tuy nhiên
do vấn đề kinh phí và m
ục đích chính là phục vụ việc nghiên cứu, thử nghiệm ban
đầu mà hệ SCADA này mới chỉ giới hạn ở việc đo khí mêtan trong hầm lò, việc đo
và cảnh báo các khí độc hại khác (như CO
2
, CO, NO
x
, SO
x
, SH
2
, ...) còn chưa có
điều kiện thực hiện được. Có thể nói ở trong nước đây là nghiên cứu đầu tiên tiếp
cận đến lĩnh vực này.
Danh mục một số công trình nghiên cứu có liên quan
− Các bài báo về an toàn mỏ đã được đăng trong tuyển tập các Hội nghị VICA 3
khí đó. Chúng có thể ảnh hưởng tới sức kho
ẻ con người hoặc gây nguy hiểm trong
quá trình khai thác. Trong khai thác than, đặc biệt là phương pháp khai thác hầm
lò, thường tạo ra các loại khí độc như: CO, CO
2
, N
2
, NO
X
… Nguy hiểm hơn cả là
khí CH
4
có khả năng gây cháy, nổ rất cao. Ngoài ra trong khi khai thác còn tạo ra
bụi than có thể gây cháy và ảnh hưởng tới sức khoẻ người lao động.
Điều kiện địa chất, công nghệ khai thác, quy mô sản xuất và việc thông gió có ảnh
hưởng tới việc thoát khí cũng như các điều kiện về môi trường trong khai thác hầm
lò. Ở Việt Nam quy mô khai thác hầm lò không lớn, trải dài trên một diện tích
rộng. Việc nghiên cứu được thực hiệ
n ở vùng mỏ hầm lò Quảng Ninh trực thuộc
Tổng công ty than Việt Nam - Đây là vùng khai thác có quy mô công nghiệp, trữ
lượng và sản lượng tương đối lớn.
Sau đây là kết quả nghiên cứu và khảo sát tập trung vào một số mỏ than hầm lò lớn
trong Tổng công ty than Việt Nam bao gồm mỏ than Mông Dương, mỏ than Vàng
Danh và mỏ than Hà Lầm.
Công nghệ khai thác
Dựa vào cấu tạo, trữ lượng của các vỉa than và tính chất
đá vách, trụ của vỉa than
kết hợp với kinh nghiệm sản xuất, mỏ than Mông Dương đã áp dụng các sơ đồ
công nghệ khai thác khác nhau như khấu than bằng khoan nổ mìn, điều khiển đá
vách bằng phá hoả toàn phần. Trước đây các vỉa than cánh đông I(12), trung tâm
ngoài cửa lò thông gió +20 qua thượng đường ray mức (–97,5÷+14) H10 C8 thông
gió cho gương lò chợ khai thác (–55÷25) ra lò thông gió –25 và ra trung gian +14
ra ngoài. Khu cánh tây gió sạch từ xuyên vỉa –97,5 cánh tây 1 nhánh vào thượng
mức (–7,5÷+9,8) gương lò chợ (–97,6
÷−40) ra lò xuyên vỉa mức +9,8 ra ngoài.
Hệ thống thông gió lò chuẩn bị hiện tại có 4 gương lò chuẩn bị hoạt động. Chiều
dài lớn nhất 450m được thông gió bằng ống sắt Φ500 nối tiếp bằng 6 quạt, quạt
cục bộ có mã hiệu CBM-6 (14KW), đường lò ngắn, thông gió bằng ống vải tuồn.
Do kỹ thuật thông gió và cách đấu nối thông gió càng về cuối càng hút gió quẩn,
ống gió chất lượng không tốt gây rách và rò gió lớn.
Đố
i với khu tây mỏ than Vàng Danh lại được thông gió nhờ quạt BOKD-1.5; khu
Cánh Gà dùng quạt BOKD-1,1. Các đường lò chuẩn bị được thông gió bằng các
quạt cục bộ CBM–5, CBM–6.
Khảo sát ở mỏ than Hà Lầm cho thấy hiện tại công việc khai thác hầm lò chủ yếu
ở mức –50, các lò chợ được thông gió bằng quạt CTD của Pháp (cũ). Thông gió
các lò chuẩn bị nhờ các quạt cục bộ CBM – 5, T1KW (Trung Quốc).
Ảnh hưởng của điều kiện môi tr
ường tới các thiết bị phục vụ sản xuất
Các thiết bị trong khai thác hầm lò phải làm việc trong một môi trường vô cùng
khắc nghiệt. Do đó với cùng một loại thiết bị, ngoài các tính năng kỹ thuật như các
thiết bị làm việc trong môi trường bình thường, chúng còn được thiết kế, chế tạo
đặc biệt để đáp ứng được môi trường trong mỏ. Các đặc điểm đặc tr
ưng môi
trường như sau:
¾ Độ ẩm, nhiệt độ
Do đặc điểm của sản xuất thường diễn ra ở sâu dưới mặt đất, nên độ ẩm rất cao (90
÷ 100%), nhiệt độ phụ thuộc vào môi trường và phụ thuộc vào thông gió.
¾ Môi trường hóa học có hoạt tính cao
Trong khi khai thác thường giải phóng ra các nguyên tố, các hợp chất tồn tại dưới
2.1. Công tác an toàn ở các mỏ
Tình hình an toàn tại các mỏ trên thế giới
Khai thác hầm lò là một công việc hết sức nặng nhọc chịu nhiều nguy hiểm, rủi ro.
Đặc biệt các tai nạn cháy, nổ khí làm thiệt hại nặng nề về người và vật chất. Ngay
cả đối với các nước có ngành công nghiệp khai thác hùng mạnh như Nga, Ucraina,
Trung Quốc, … các tai nạn đáng tiếc vẫn xảy ra. Sau đây là một số ví dụ điển
hình, theo thống kê ch
ưa đầy đủ của các cơ quan chức năng:
Tại Nga
Ngày 02/12/1997 Tại mỏ than Zyryanovskaya ở phía nam Sebrian, thuộc
vùng mỏ Kuzbass xảy ra vụ nổ khí mêtan làm 61 người chết
Ngày 10/04/2004 vụ nổ gần đây nhất tại mỏ than Taizhina Liên bang Nga
làm hơn 40 người chết.
Tại Ucraina
Tháng 4/1998: Tại mỏ than Donestk nổ khí metane làm 74 người chết.
Ngày 24/5/1999 nổ khí mêtan ở độ sâu 3,482 bộ Anh (1000m) chết 30 thợ
mỏ, 20 người m
ất tích (VASC trích dịch 25/5/99).
11/3/2000: 13h30 ở mỏ Barakova nổ khí mêtan làm chết 80 người.
Tại Trung Quốc
Ngày 08/05/2001 một vụ nổ khí mỏ than đã xảy ra ở tỉnh Heilongjiang phía
đông nam Trung Quốc làm 9 người chết, 45 người mất tích (theo China
Central Television – CCTV 08/05/2001)
Ngày 22/07/2001 khoảng 106 công nhân đã bị mắc kẹt sau vụ nổ khí xảy ra
tại mỏ than ở thành phố Xuzhou, tỉnh Jiangsu phía đông nam Trung Quốc.
Sau khi cứu hộ đã tìm thấy 46 thi thể. (Theo Xinhua News Agency
23/07/2001)
Ngày 25/11/2001 tại mỏ Wangjiying tỉnh Liaoning – Đông bắc Trung Quốc
xảy ra nổ khí CH
than Quảng ninh) và XN 909 (Công ty Địa chất và khai thác khoáng sản) làm tổng
cộng 13 người chết và 5 người bị thương.
Độ chứa khí tự nhiên ở một số mỏ
Việc khảo sát, đánh giá độ chứa khí tự nhiên ở các mỏ nhằm mục đích phát hiện
các nguy cơ về tai nạn do khí, giúp cho việc xây dựng các biện pháp khai thác khả
thi, c
ũng như công tác an toàn hữu hiệu
Theo các số liệu thống kê của Viện KHCN Mỏ, và đánh giá mức độ nguy hiểm về
khí của Tổng công ty Than Việt Nam kết quả đo khí ở một số mỏ như sau:
¾ Mỏ Thống Nhất
Khí Nitơ (N
2
): Hàm lượng thay đổi từ 4,7 ÷ 99,34%
Khí cháy nổ (H
2
và CH
4
): Hàm lượng thay đổi từ 0,00 ÷ 94,91%; Độ chứa
khí 0,00m
3
/T ÷ 15,832m
3
/T
Khí Cacbonic(CO
2
): Hàm lượng thay đổi trong khoảng 0,00 ÷ 33,57%; Độ
chứa khí: 0,00m
3
/T ÷ 1,602m
3
3
/T. Với độ chứa khí
như vậy khi xuống sâu và khai thác vào các vỉa than mới không tránh khỏi việc
thoát khí hàm lượng lớn vào các gương lò, dẫn đến nguy hiểm nổ cháy.
Được Liên xô (cũ) hỗ trợ về kỹ thuật, thiết bị. Với trang thiết bị hệ thống thông gió
bảo đảm an toàn cho mỏ hoạt động với công suất lớn nên có điều kiện đưa khí CH
4
ra ngoài. Nhưng mức khai thác hiện nay đã xuống sâu –97,5m nên thường xuyên
xuất hiện khí CH
4
ở hàm lượng cao. ở lò thông gió đạt đến 0,5% và đào thượng
đến 2,5÷6% ở giới hạn nổ rất nguy hiểm. Kết quả đo đạc được thống kê ở sổ đo
khí của mỏ cho thấy: nếu không được thiết kế điều chỉnh thông gió tốt, khí CH
4
có
thể thoát ra đến giới hạn gây cháy nổ khi có nguồn lửa hở.
¾ Mỏ Mạo Khê
Từ những năm 1994 về trước đo đạc ít thấy xuất hiện khí CH
4
. Đặc biệt thời gian
gần đây mỏ đã khai thác xuống dưới (+0); khí mêtan xuất hiện thường xuyên ở các
lò chợ và lò chuẩn bị từ 0,25÷1%, trong đó khí của mỏ. Gần đây khi nghiên cứu đề
tài mẫu khí ở khu vực lò chợ 9T đã vượt giới hạn cho phép 1%, khí các lò chuẩn bị
trong than cao hơn mức độ cho phép 2%. Nguy hiểm hơn nữa khi không được
thông gió hàm lượng khí CH
4
nằm trong giới hạn cháy nổ. Đặc biệt tai nạn ngày
11/01/1999 đã để lại những hậu quả khủng khiếp và là một minh chứng cho việc
mất cảnh giác trong việc phòng chống cháy, nổ khí CH
Theo các số liệu thống kê, phân tích các tai nạn, sự cố trong các báo cáo của tổng
công ty than năm 1995, 1996, 1997 cho thấy số vụ cháy nổ khí chỉ chiếm 5% trong
tổng số các vụ sự cố nhưng số ca tử vong lại chiếm đến 20% - đứng hàng thứ hai
sau tai nạn ở khâu khai thác.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
14
Các công tác bảo đảm an toàn
Qua khảo sát thực tế các tại các mỏ lớn của vùng than Quảng Ninh như Mông
Dương, Hà Lầm, Vàng Danh và Mạo Khê cho thấy: Những năm gần đây, do yêu
cầu tăng sản lượng, các mỏ đã chú trọng đầu tư trang thiết bị mới cũng như đầu tư
khai thác theo các công nghệ phù hợp nhằm bảo đảm năng suất khai thác và nâng
cao độ an toàn khi xuống sâu. Những công tác an toàn về khí cháy nổ
được thực
hiện một cách nghiêm ngặt. Nhưng do khả năng đầu tư có hạn do đó phần lớn các
thiết bị cũ từ thời Liên Xô cũ , thậm chí thời Pháp thuộc, và các thiết bị của Trung
Quốc có độ tin cậy kém vẫn được tận dụng, đó là những nguy cơ phát sinh
cháy,nổ. Mặt khác, công tác an toàn tuy được chú trọng nhưng phần lớn các thiết
bị đo, cảnh báo khí cháy nổ
là các thiết bị sử dụng công nghệ cũ, độ chính xác
không được kiểm tra định kỳ. Đồng thời việc đo kiểm tra nồng độ khí hoàn toàn
thủ công và rời rạc, phụ thuộc hoàn toàn vào ý thức và trách nhiệm của người đo.
Thiết bị đo ở tất cả các mỏ khác phần lớn là các thiết bị xách tay di động, có ưu
điểm như sau:
• Cho phép thay đổi các vị trí đo m
ột cách linh hoạt.
• Chi phí đầu tư thấp
Khí mêtan có thể cháy và nổ khi gặp ngọn lửa trần và nồng độ khí từ (5 ÷ 15)%
(khả năng dễ cháy nổ nhất là 9,5%). Khi có sự cố cháy nổ thì trong hầm lò nhiệt độ
có thể lên tới 2650
o
C và áp suất lên tới 10at.
Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là:
C
m
H
n
+ (m+n/4)O
2
==> mCO
2
+ (n/2)H
2
O
Với khí mêtan ta có phương trình:
CH
4
+ 2O
2==> CO
2
+ 2H
2
O
Bảng 1
: Đặc tính cháy nổ của một số loại khí tự nhiên
Trong ngành than Việt nam hiện nay, sản lượng khác thác ngày càng tăng, nhưng
lượng than lộ thiên ngày một giảm. Do đó chúng ta phải tăng cường hình thức khai
thác than hầm lò. Khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày
càng lớn. Trên thế giới cũng như ở Việt nam trong các năm vừa qua đã xẩy ra rất
nhiều vụ cháy nổ khí làm chết hàng chục, thậm chí hàng trăm người.
Sau tai hoạ ngày 11/1/1999 T
ổng công ty than Việt Nam đã rất quan tâm tới vấn đề
an toàn lao động và phòng ngừa sự cố cháy nổ khí mêtan tại tất cả các mỏ than.
Ngay trong năm 1999 Tổng Công ty Than Việt Nam (TVN) đã trang bị một hệ
thống monitoring của Ba Lan cho mỏ than Mạo Khê. Tiếp sau đó, TVN đã được
chính phủ Nhật Bản trang bị cho một hệ thống monitoring khác và cũng lại triển
khai lắp đặt cho mỏ Mạo Khê (Mỏ có mức độ xu
ất khí cao nhất trong TVN).
Căn cứ vào mức độ và hình thức xuất khí mêtan người ta phân thành các loại mỏ
như
Bảng 2 sau: Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
16
Loại mỏ theo khí mêtan
Độ thoát khí mêtan tương đối
(m
3
/T.than.ngđ)
10 Dương Huy 0,124 0,133 0,127 0,137 0,517
11 Khe Chàm 6,724 6,724 11,853 10,978 13,965
12 Mông Dương 0,600 0,595 0,971 0,884 0,971
Bảng 3
: Độ thoát khí mê-tan tương đối
Chúng ta thấy hiện nay chỉ có mỏ Mạo khê được xếp vào mỏ loại III, mỏ Khe
Chàm loại II còn hầu hết là mỏ loại I. Đến năm 2010 thì số lượng mỏ loại II và loại
III tăng lên rất nhiều.
Theo thông tin phân loại mỏ mới nhất (đầu năm 2004) thì mỏ Mạo Khê đã được
đưa lên thành mỏ siêu hạng.
Hiện nay Tổng công ty Than Việt Nam quy định bắt buộc đố
i với các mỏ là phải
đo kiểm soát khí tại tất cả các khu khai thác trong mỗi ca sản xuất, do đó vấn đề
thiết kế hệ thống đo, kiểm soát khí và các thông số môi trường khác trong hầm lò
nói chung và thiết kế các máy đo xách tay là rất cần thiết và bức bách.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
17
2.3. Vấn đề về môi trường độc hại
Khí cacbon-monoxit (CO)
CO là một loại khí không màu, không mùi, không vị, tỷ trọng 0,967, tạo ra do sự
cháy không hoàn toàn của các vật liệu có chứa cacbon. Thông thường hàm lượng
khí oxy trong không khí ở dưới các đường hầm khai thác than không cao, nên quá
trình hình thành khí CO một cách tự nhiên và do các vụ cháy nổ rất dễ dàng.
Khí CO là loại khí rất độc hại, người và động vật có thể chết đột ngột khi tiếp xúc
hít thở khí CO, do nó tác dụng mạnh với hemoglobin (Hb, mạnh gấp 250 lần so
với oxy), lấy oxy của hemoglobin và t
2
)
Là sản phẩm chủ yếu của quá trình cháy các chất hữu cơ, đặc biệt là than trong mỏ.
Hàm lượng CO
2
lớn có thể gây ngạt cho công nhân và làm tăng nhiệt độ trong mỏ,
ảnh hưởng tới quá trình sản xuất.
Trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò, việc đảm bảo an toàn cho công
tác mỏ là một nhiệm vụ cực kỳ quan trọng, trong đó nhiệm vụ phòng chống sự cố
cháy nổ khí CH
4
luôn luôn được coi là nhiệm vụ hàng đầu. Ngoài ra các điều kiện
vi khí hậu trong mỏ như: Nhiệt độ, tốc độ gió, độ ẩm, chất lượng gió và các loại
khí độc khác có ảnh hưởng trực tiếp đến phát sinh cháy nổ và ảnh hưởng tới sức
khoẻ con người.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
18
2.4. Vấn đề về thoát khí trong khai thác
Việc thoát khí mêtan ở trong mỏ hiện được thực hiện dưới 3 dạng sau:
Dạng thoát khí thông thường
¾ Đặc điểm của dạng thoát khí thông thường
Dạng này gồm các hiện tượng thoát mêtan từ các mặt lộ phía ngoài của các than và
đất đá mỏ, từ các khối than được tách khỏi khối nguyên từ các vỉa than tiếp cận đối
với vỉa đang khai thác, từ khoảng trống đã khai thác. Đây là quá trình kéo dài,
đượ
c xác định bởi hiện tượng nhả và lọc khí mêtan ra mặt ngoài của than và đất
mêtan mà còn làm hàm lượng ôxy giảm mạnh, tới mức gây ngạt cho con người.
Cường độ xì khí thường vào khoảng 5÷6 m
3
/phút, cá biệt có trường hợp đạt tới
15÷17 m
3
/phút.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
19
Để đảm bảo an toàn trong công tác mỏ khi đào lò đến vùng có xì khí mêtan cần
phải áp dụng các biện pháp đề phòng tương tự các biện pháp phòng chống sự phụt
khí và than.
Dạng phụt khí và than
Đây là dạng xuất khí tập trung tức thời xảy ra trong một thời điểm hết sức ngắn.
Khi đó ở gương lò một lượng khí lớn thoát ra (đến hàng chục ngàn mét khối) đồng
thời một lượng than vụt l
ớn cũng được phụt ra. Sự phụt khí sinh ra ở các đường lò
chuẩn bị, lò chợ cũng như điểm giao nhau giữa vỉa than và lò xuyên vỉa. Sự phụt
khí không những xảy ra những vỉa than có độ kiên cố nhỏ mà còn ở cả những vỉa
than có độ kiên cố lớn. Sự phụt khí đôi khi xảy ra ở những nơi mà điều kiện địa
chất phức tạp (vỉ
a than có nhiều phay phá uốn nếp).
Đối với các vỉa than có góc dốc lớn sự phụt khí xảy ra thường từ trên xuống dưới
theo độ dốc. Song cũng có nhiều trường hợp phụt khí ở gương lò theo phương
hoặc từ dưới lên. Trong quá trình phụt khí ở đường lò bị bẻ gãy tạo ra một lỗ hổng,
mà qua đó khí và than được phụt ra.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
20
3. Thiết bị điện trong khai thác mỏ ([10],[11])
Do các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ và điều kiện làm việc đặc biệt
khắc nghiệt nên các thiết bị điện trong khai thác mỏ hầm lò ngoài các công năng
của một thiết bị bình thường, còn được thiết kế, chế tạo để có được kết cấu và vận
hành đảm bảo an toàn, độ tin cậy cao.
3.1. Phân loại thiết bị điện trong hầm mỏ
Việc phân loại thiết bị điện trong mỏ nhằm mục đích giúp cho việc thiết kế, chọn
thiết bị tối ưu. Có nhiều cách phân loại thiết bị điện trong mỏ, theo các tiêu chí
khác nhau. Dưới đây là một số cách
Căn cứ vào nơi đặt, các thiết bị điện được chia làm 2 nhóm:
Nhóm I: Thiết bị điện sử dụng trong các mỏ hầm lò, trong đó có các mỏ nguy
hiểm về khí và bụi nổ;
Nhóm II: Thiết bị điện để sử dụng tại những nơi nguy hiểm nổ ở trong nhà và
ngoài trời (nhà và công trình trên mặt bằng mỏ cạnh giếng).
Các thang nhiệt độ
Nhiệt độ tự bốc cháy (°C)
T1
T2
T3
T4
T5
T6
Thiết bị cầm tay: thường xuyên phải cầm trên tay trong quá trình làm việc như:
búa khoan điện, đèn xách tay.
Theo điều kiện “Bảo vệ nổ” các thiết bị điện mỏ được chia ra các loại sau đây:
Thiết bị điện có vỏ không xuyên nổ
Thiết bị điện có mạch an toàn tia lửa
Thiết bị điện tăng cường độ tin cậy chống nổ
Thiết bị điện được chế tạo đặc biệt
3.2. Các yêu cầu đối với thiết bị điện trong hầm lò
Vận hành an toàn
Cho bản thân thiết bị cũng như môi trường xung quanh. Vỏ thiết bị phải kín, khít
đảm bảo không cho tia lửa (nếu phát ra từ thiết bị) tiếp xúc với môi trường có khí
CH
4
xung quanh, kết cấu cơ khí phải vững chắc để cách ly các vụ nổ bên trong
cũng như bên ngoài thiết bị. Ngoài ra vỏ thiết bị còn có tác dụng chống lại các điều
kiện khắc nghiệt của môi trường trong hầm lò như: độ ẩm cao, môi trường hoá học
hoạt tính mạnh, bụi dẫn điện, nhiệt độ…
Độ tin cậy
Trong khi vận hành dưới hầm mỏ, yếu t
ố tin cậy được đặt lên hàng đầu, mọi sai sót
của thiết bị điện đều dẫn đến hậu quả nguy hiểm. Ngoài ra việc sửa chữa, khắc
phục sự cố trong hầm mỏ là hết sức khó khăn.
Tính cơ động
Do đặc điểm vị trí làm việc luôn thay đổi theo tiến độ khai thác nên các thiết bị
phải được kết cấu sao cho dễ dàng cho việc tháo l
-
, PO
4
3-
... sau một thời gian oxy ban
đầu giảm dần và chuyển sang quá trình ám khí (hoặc yếm khí), các chất khí sinh ra
là CH
4
, CO
2,
N
2
...
Quá trình hình thành các chất khí này được mô tả như
Hình 1. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
22
hấp thụ tia hồng ngoại của ôxit cacbon khoảng bước sóng hồng ngoại λ khoảng
4.7μm sẽ đo được nồng độ của nó.
Đồ thị biểu diễn khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của CO theo bước sóng hồng
ngoại:
CH
4
CO
2
N
2
75
50
25
Thời gian
Háo khí
Yếm khí
Trạng thái ổn định
Nồng độ
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
23
lỗ thông hơi
Nguồn phát tia
hồng ngoại
Buồng thẩm
thấu
Bộ phát
hiện
Màng kim loại
Thiết bị lọc
Thiết bị phân
tích
Màn che
Copyright: Tài liệu đại học ©