Luận án tiến sĩ: Tối ưu hóa chế độ làm việc của quạt gió chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT

=======o0o=======

NGUYỄN CAO KHẢI

TỐI ƢU HOÁ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN

HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

=======o0o=======

NGUYỄN CAO KHẢI

TỐI ƢU HOÁ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN

HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KHAI THÁC MỎ

MÃ SỐ: 9520603

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

PGS TS. Trần Xuân Hà

HÀ NỘI - 2018

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng

tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa

từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác./.

Tác giả luận án

Nguyễn Cao Khải

MỤC LỤC

MỤC LỤC………………………………................................................................................................. i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................................................iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................vii

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................................1

LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................................................5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH ........................6

1.1. Đặc điểm chung về quạt gió chính ở mỏ than hầm lò...................................................6

1.1.1. Cấu tạo và phân loại quạt gió ......................................................................... 6

1.1.2. Các đƣờng đặc tính của quạt gió chính ............................................................................7

1.1.3. Miền sử dụng công nghiệp của quạt .................................................................................8

1.2. Chế độ làm việc của quạt gió chính ...................................................................................... 10

1.2.1. Quan điểm chung về chế độ làm việc của quạt gió chính ............................11

1.2.2. Xác định chế độ công tác của quạt gió chính khi làm việc độc lập............. 12

1.2.3. Xác định chế độ công tác của quạt gió chính khi làm việc liên hợp ........... 15

1.3. Tổng quan về tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính ................................27

1.3.1. Tổng quan về tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính trên thế giới........ 27

1.3.2. Tổng quan về chế độ làm việc của quạt gió chính ở Việt Nam................... 32

1.4. Kết luận chƣơng 1............................................................................................35

CHƢƠNG 2: HIỆN TRẠNG THÔNG GIÓ VÀ NHU CẦU GIÓ SẠCH CỦA CÁC MỎ THAN HẦM LÕ

VÙNG QUẢNG NINH ............................................................................................................................... 36

2.1. Đặc điểm khai thác các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh ............................36

2.1.1. Đặc điểm chung về vùng than Quảng Ninh..................................................36

2.1.2. Hiện trạng khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh ...................................38

2.2. Hiện trạng thông gió và chế độ làm việc của các quạt gió chính ....................43

2.2.1. Đánh giá về sơ đồ thông gió .........................................................................43

2.2.2. Đánh giá về hiệu quả thông gió mỏ ...........................................................................49

2.2.3. Đánh giá về chế độ làm việc của các quạt gió chính ....................................56

2.3. Nghiên cứu xác định nhu cầu gió thực tế cho mỏ............................................59

2.3.1. Lƣu lƣợng gió tính toán áp dụng cho các mỏ hiện nay ................................59

2.3.2. Mối quan hệ giữa lƣu lƣợng gió cho mỏ với kế hoạch sản xuất.................. 62

2.3.3. Xác định lƣu lƣợng gió thực cho mỏ theo các thời điểm..............................69

2.4. Kết luận chƣơng 2........................................................................................... 77

CHƢƠNG 3: TỐI ƢU HÓA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN

HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH ....................................................................................................... 78

3.1. Xác định các tham số tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ............................ 78

3.1.1. Phƣơng pháp xác định chế độ làm việc của các quạt gió chính .................. 78

3.1.2. Xác định các tham số tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt gió ....................85

ii

3.2. Xây dựng phƣơng pháp luận tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió .................92

3.2.1. Tối ƣu độ chênh do điểm làm việc với điểm yêu cầu...................................92

3.2.2. Tối ƣu lƣợng gió không cần thiết trong giờ không cao điểm ...................... 95

3.3. Lựa chọn phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ...............................96

3.3.1. Các phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính .......................... 96

3.3.2. Lựa chọn phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính ...............105

3.4. Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió................... 107

3.4.1. Xây dựng sơ đồ tổng quát.......................................................................... 107

3.4.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió .............109

3.5. Chƣơng trình giải bài toán tối ...................................................................... 111

3.5.1. Quy trình tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt gió .................................... 111

3.5.2. Thiết lập chƣơng trình giải bài toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió . 111

3.5.3. Ứng dụng phần mềm giải bài toán tối ƣu cho một số quạt gió .................115

3.6. Kết luận chƣơng 3......................................................................................... 122

CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM TỐI ƢU HÓA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ

CHÍNH Ở MỎ THAN HÀ LÀM ........................................................................................................................ 123

4.1. Hiện trạng thông gió mỏ than hà lầm ......................................................... 123

4.1.1. Đặc điểm và hiện trạng khai thác ..............................................................123

4.1.2. Hiện trạng thông gió mỏ ............................................................................124

4.2. Chế độ làm việc tói ƣu của quạt gió ..............................................................125

4.2.1. Kết quả tính toán chế độ làm việc của quạt gió chính ................................125

4.2.2. Chế độ làm việc của quạt gió khi sử dụng biến tần để tối ƣu.................... 127

4.3. Lập quy trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió ................................ 128

4.3.1. Cơ sở lập quy trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió ................... 128

4.3.2. Lập quy trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió ............................. 130

4.4. Kết quả thử nghiệm tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió .............................140

4.4.1. Kết quả sử dụng biến tần ........................................................................... 140

4.4.2. Đánh giá hiệu quả áp dụng thử nghiệm ..................................................... 141

4.5. Kết luận chƣơng 4....................................................................................................................145

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................................146

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NCS CHỦ TRÌ HOẶCTHAM GIA .............................................. 148

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................... 150

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Chữ viết tắt Giải nghĩa

1 AT An toàn

2 CBCNV Cán bộ công nhân viên

3 CBVTC Cánh bắc vỉa khu Thành Công

4 CCM Cấp cứu mỏ

5 CCMBC Cấp cứu mỏ bán chuyên

6 CĐVT-CT Cơ điện vận tải Cao Thắng

7 CĐVT-TC Cơ điện vận tải Thành Công

8 DV Dọc vỉa

9 DVVT Dọc vỉa vận tải

10 ĐG Đánh giá

11 ĐKSX Điều khiển sản xuất

12 HĐKS Hoạt động khoáng sản

13 HTKH Hệ thống khai thác

14 HTTG Hệ thống thông gió

15 KHTH Kế hoạch tổng hợp

16 KTM Kỹ thuật mỏ

17 KT Khai thác

18 KT1, KT2, ….. Phân xƣởng khai thác 1, 2 …

19 LC Lò chợ

20 NCS Nghiên cứu sinh

21 PX Phân xƣởng

22 SĐKT Sơ đồ khai thác

23 SĐTG Sơ đồ thông gió

24 QCVN Quy chuẩn Việt Nam

25 TCCP Tiêu chuẩn

26 TG Thông gió

27 TKV Tập đoàn công nghiêp than - khoáng sản Việt Nam

28 TNHH MTV Trách nhiệm hữu hạn một thành viên

29 Tr.Q Trạm quạt

30 XN Xí nghiệp

31 XV Xuyên vỉa

32 XVTG Xuyên vỉa thông gió

33 XVVT Xuyên vỉa vận tải

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1. Tổng hợp số lƣợng các loại quạt gió chính vùng Quảng Ninh ..............33

Bảng 2.1. Tổng hợp trữ lƣợng than vùng thuộc Quảng Ninh.................................39

Bảng 2.2. Kết quả khảo sát lƣu lƣợng gió qua các lò chợ ở một số mỏ .................50

Bảng 2.3. Kết quả đo điều kiện vi khí hậu ở một số mỏ than vùng Quảng Ninh ............................51

Bảng 2.4. Kết quả đo hàm lƣợng khí ở một số mỏ than vùng Quảng Ninh ...........53

Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả chế độ làm việc của các quạt gió chính ở một số mỏ..........................57

Bảng 2.6. Tiêu thụ điện năng cho khâu thông gió ở một số mỏ than hầm lò ................................58

Bảng 2.7 . Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ

làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại I về khí........................................69

Bảng 2.8. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ

làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại II về khí.......................................69

Bảng 2.9. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ

làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại III về khí .....................................70

Bảng 2.10. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ

làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại siêu hạng.....................................70

Bảng 2.11. Kết quả tính toán giá trị và tỷ lệ của lƣu lƣợng gió các loại lò chuẩn bị

trong trƣờng hợp nghỉ làm việc và ngày làm việc ..................................................70

Bảng 2.12. Kết quả đánh giá sự thoát khí ở ngày nghỉ với ngày làm việc ............71

Bảng 2.13. Tỷ lệ lƣu lƣợng gió cho mỏ theo yếu tố lớn nhất so với yếu tố thứ 2 ..73

Bảng 2.14. Tỷ lệ lƣu lƣợng gió cho mỏ và là chợ, lò chuẩn bị...............................74

Bảng 2.15. Tỷ lệ xuất khí CH4 ở một số mỏ than hầm lò vùng Karagandir ...........76

Bảng 3.1. Kết quả xác định khả năng giảm độ chênh lƣu lƣợng gió giữa điểm công

tác và điểm yêu cầu của một số quạt gió chính vùng Quảng Ninh.........................93

Bảng 4.1. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió do trạm quạt mức +29 đảm nhiệm....125

Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của quạt FBDCZ-8-No30 ...........................132

Bảng 4.3. Thông số kĩ thuật chính của tủ điện ....................................................133

Bảng 4.4. Thông số kĩ thuật của cơ cấu thao tác .................................................134

Bảng 4.5. Thông số của cuộn dây đóng ngắt điện ...............................................134

Bảng 4.6. Thông số của động cơ tính năng..........................................................134

Bảng 4.7. Thông số của bộ điều khiển bảo vệ .....................................................135

Bảng 4.8. Thông số kĩ thuật của biến tần GVF....................................................136

Bảng 4.9. Các thông số cài đặt biến tần để tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió.138

Bảng 4.10. Kết quả tính toán các chỉ tiêu hiệu quả vốn đầu tƣ biến tần..............143

Bảng 4.11. Kết quả tính thời gian thu hồi vốn đầu tƣ biến tần............................143

Bảng 4.12: Kết quả đo khí trong ngày nghỉ khi áp dụng biến tần tối ƣu hóa chế độ

làm việc của quạt gió chính mỏ than Hà Lầm.......................................................144

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Giới thiệu điểm công tác (điểm A) của loại quạt hƣớng trục ...................9

Hình 1.2. Miền sử dụng công nghiệp của quạt .........................................................9

Hình 1.3. Đƣờng đặc tính quạt gió 2K56-No24 (n = 1000) ...................................10

Hình 1.4. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió chính 2K56-No18 ..........14

Hình 1.5. Đồ thị xác định chế độ công tác của các quạt gió giống nhau làm việc

song song bằng phƣơng pháp đồ thị........................................................................16

Hình 1.6. Xác định chế độ công tác của các quạt gió giống nhau làm việc song

song bằng phƣơng pháp đƣờng đặc tính thu gọn của mạng ngoài......................... 16

Hình 1.7. Giản đồ xác định các chế độ công tác của quạt gió. ...............................17

Hình 1.8. Phƣơng pháp đồ thị xác định chế độ công tác của các quạt gió làm việc

liên hợp song song...................................................................................................19

Hình 1.9. Chế độ làm việc của các quạt làm việc nối tiếp......................................23

Hình 1.10. Chế độ làm việc của quạt gió mắc song song gần nhau .......................25

Hình 1.11. Sơ đồ làm việc của các quạt gió làm việc song song xa nhau ..............26

Hình 1.12. Chế độ làm việc của 2 quạt gió làm việc liên hợp song song xa nhau .27

Hình 1.13. Xác định tối ƣu chế độ làm việc của quạt bằng phƣơng pháp giảm sức cản mỏ30

Hình 1.14. Xác định tối ƣu chế độ làm việc của quạt bằng phƣơng pháp giảm rò

gió............................................................................................................................31

Hình 1.15. Đồ thị xác định tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió bằng phƣơng pháp

sử dụng quạt có cơ cấu tự điều chỉnh góc lắp cánh của bánh công tác và sử dụng

biến tần ....................................................................................................................32

Hình 1.16. Tỷ lệ các loại quạt gió chính mỏ than hầm lò Việt Nam năm 2017 .....33

Hình 2.1. Bản đồ vị trí địa lý tỉnh Quảng Ninh ....................................................................36

Hình 2.2. Phân bố TLĐC mỏ hầm lò theo chiều dày và độ dốc của vỉa.......................................39

Hình 2.3. Phân bố TLĐC theo kích thƣớc đƣờng phƣơng khu khai thác .....................................40

Hình 2.4. Phân bố TLĐC các mỏ than hầm lò QN theo hình dạng khu khai thác..40

Hình 2.5. Giản đồ thông gió khu mỏ Cẩm Thành, Công ty than Hạ Long.............44

Hình 2.6. Giản đồ thông gió khu mỏ Bắc Cọc Sáu Công ty than Hạ Long............45

Hình 2.7. Giản đồ thông gió khu mỏ Hà Ráng, Công ty than Hạ Long .................45

Hình 2.8. Giản đồ thông gió khu mỏ Cao Thắng, Công ty than Hòn Gai ..............46

Hình 2.9. Giản đồ thông gió khu mỏ Thành Công, Công ty than Hòn Gai............46

Hình 2.10. Giản đồ thông gió mỏ Hồng Thái, Công ty than Uông Bí....................47

Hình 2.11. Giản đồ thông gió mỏ Mông Dƣơng ....................................................47

Hình 2.12. Giản đồ thông gió mỏ than Khe Chàm .................................................48

Hình 2.13. Giản đồ thông gió mỏ than Hà Lầm .....................................................48

Hình 2.14. Mặt cắt thiết kế cửa gió chắn gió cố định, cánh bằng sắt .....................54

Hình 2.15. Cửa gió tại thƣợng thông gió mức -100 -:- +32 mỏ than Khe Chàm ...54

vi

Hình 2.16. Bản vẽ thiết kế loại cửa gió tự động đóng mở cánh cửa ..............................................................55

Hình 2.17. Biểu đồ đánh giá tỷ lệ điện năng thông gió mỏ TB một số mỏ ............59

Hình 2.18. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống cột thủy lực đơn......................63

Hình 2.19. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ phân tầng chống giá thủy lực ............63

Hình 2.20. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống giá khung xích ........................63

Hình 2.21. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống giá khung ...............................64

Hình 2.22. Biểu đồ tổ chức sản SX là chợ CGH chống giữ bằng giàn 2ANSHA..64

Hình 2.23. Biểu đồ tổ chức SX là chợ CGH chống giữ bằng giàn VINAANTA...64

Hình 2.24. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong đá 2 ca ......................................65

Hình 2.25. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong đá 1 ca ......................................65

Hình 2.26. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong than...........................................65

Hình 2.27. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong than bằng máy Cobai AM-50Z 65

Hình 2.28. Biểu đồ sự xuất khí CH4 trong lò chợ trong những ngày nghỉ .............72

Hình 2.29. Tỷ lệ lƣu lƣợng gió cho mỏ theo yếu tố lớn nhất so với yếu tố thứ 2 74

Hình 2.30. Biểu đồ sự xuất khí ở lò chợ trong những ngày làm việc ....................75

Hình 3.1. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió chính khu Cẩm Thành .........80

Hình 3.2. Đồ thị tính toán liên hợp quạt mỏ than Hồng Thái .......................................81

Hình 3.3. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt FBDCZ-No20 mỏ Hồng Thái ..82

Hình 3.4. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt BD-II-4-No11 mỏ Hồng Thái ...82

Hình 3.5. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt gió 2K56-No24 Khe Chàm ..84

Hình 3.6. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt gió 2K56-No30 Khe Chàm ..84

Hình 3.7. Đồ thị xác định chế độ làm việc quạt gió BD-II-6-No16 Khe Chàm.....84

Hình 3.8. Xác định độ chênh lƣu lƣợng do điểm làm việc với điểm yêu cầu .......93

Hình 3.9. So sánh độ chênh lƣu lƣợng giữa điểm làm việc với điểm yêu cầu ......94

Hình 3.10. Biểu đồ đánh giá hiệu quả việc tối ƣu độ chênh giữa điểm làm việc ..94

Hình 3.11. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió VOA-3.0, n = 750v/ph..97

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến tần ............................................100

Hình 3.13. Hình dạng một số loại biến tần DANFOSS .......................................102

Hình 3.14. Hình dạng một loại biến tần sử dụng ở một số mỏ vùng Q.Ninh .......102

Hình 3.15. Mối phụ thuộc sự thay đổi công suất của động cơ với lƣu lƣợng gió khi

áp dụng các phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ................................106

Hình 3.16. Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển tự động mạng gió mỏ ..............108

Hình 3.17. Biểu đồ minh họa tối ƣu chế độ làm việc khi sử dụng biến tần ............110

Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán chƣơng trình sử dụng biến tần tối ƣu chế độ làm việc 110

Hình 3.19. Giao diện phần mềm giải bài toán tối ƣu hóa chế độ làm việc...........115

Hình 3.20. Chế độ làm việc của quạt gió chính mỏ than Bắc Cọc Sáu ................116

Hình 3.21. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của

quạt 2K56-No24 mỏ than Bắc Cọc Sáu ................................................................117

Hình 3.22. Chế độ làm việc liên hợp 2 quạt gió chính ở mỏ than Hồng Thái .....118

Hình 3.23. Xác định thông số tối ƣu quạt FBDCZ-8-No20 than Hồng Thái ... .118

vii

Hình 3.24. Xác định các thông số tối ƣu quạt BD-II-4-No12 mỏ Hồng Thái .....119

Hình 3.25. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của

quạt FBDCZ-8-No20 mỏ than Hồng Thái ...........................................................120

Hình 3.26. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của

quạt BD-II-4-No12 mỏ than Hồng Thái ..............................................................121

Hình 4.1. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt FBDCZ-8-No30/2x500kW mỏ

than Hà Lầm khi không sử dụng biến tần .............................................................126

Hình 4.2. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt FBDCZ-8-No30/2x500kW mỏ

than Hà Lầm khi sử dụng biến tần .......................................................................128

Hình 4.3. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của

quạt FBDCZ-8-No30 mỏ than Hà Lầm ...............................................................129

Hình 4.4. Hình dáng chung của trạm quạt FBDCZ-8-No30/2x500kW................132

Hình 4.5. Sơ đồ và hình dáng màn hình điều khiển LCD.....................................135

Hình 4.6: Hình dáng hệ thống các tủ điều khiển trạm quạt .................................136

Hình 4.7. Sơ đồ thuật toán chƣơng trình điều khiển tự động chế độ làm việc của

quạt gió FBDCZ-8-No30 ......................................................................................137

Hình 4.8. Sơ đồ chƣơng trình chạy trên Logo cho quạt gió FBDCZ-8-No30 ......139

MỞ ĐẦU

Việc thông gió cho các mỏ hầm lò là một khâu không thể thiếu đƣợc trong

quy trình công nghệ khai thác mỏ hầm lò. Hiện nay các mỏ than hầm lò vùng

Quảng Ninh đóng một vai trò lớn cho việc sản xuất than của nƣớc nhà. Hầu hết các

mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh đang và sẽ phải mở rộng quy mô sản xuất, theo

hƣớng tăng độ sâu khai thác và công suất (Theo quy hoạch phát triển ngành than

tại Quyết định 403/QĐ-Tg của Thủ tƣớng Chính phủ ngày 14 tháng 3 năm 2016

thì: Đến hết năm 2020, hoàn thành công tác thăm dò đến mức -300m và một số

khu vực dƣới mức -300m đảm bảo đủ trữ lƣợng và tài nguyên tin cậy huy động

vào khai thác trong giai đoạn đến năm 2025; Sản lƣợng than thƣơng phẩm sản xuất

toàn ngành trong các giai đoạn của quy hoạch: Khoảng 41 - 44 triệu tấn vào năm

2016; 47 - 50 triệu tấn vào năm 2020; 51 - 54 triệu tấn vào năm 2025 và 55 - 57

triệu tấn vào năm 2030 [6]). Điều này đỏi hỏi phải tăng năng lực thông gió, tăng

công suất hoạt động của các thiết bị quạt gió chính. Khi thiết kế thông gió mỏ hầm

lò, việc xác định chế độ làm việc tối ƣu của quạt gió sẽ đảm bảo an toàn môi

trƣờng, cũng nhƣ giảm đƣợc chi phí điện năng tối đa. Đây là một vấn đề chƣa

đƣợc quan tâm tƣơng xứng với vai trò của nó, trong thời gian qua.

Thông gió mỏ có vai trò rất quan trọng, đảm bảo công tác an toàn, tạo điều

kiện làm việc vệ sinh cho ngƣời lao động, đặc biệt là giải pháp phòng chống mối

nguy hiểm về cháy nổ khí mêtan, cháy nổ bụi. Nhiệm vụ của thông gió đối với các

mỏ hầm lò là đƣa vào trong mỏ một lƣợng không khí sạch đủ lớn để thỏa mãn các

mục đích sau:

- Cung cấp lƣợng ôxy cần thiết cho ngƣời và thiết bị làm việc.

- Hoà loãng nồng độ các chất khí độc hại cũng nhƣ bụi trong không khí

đƣợc phát sinh từ các quá trình sản xuất của mỏ xuống dƣới mức cho phép và đƣa

chúng ra khỏi mỏ.

- Đảm bảo điều kiện vi khí hậu dễ chịu cho ngƣời lao động.

- Đảm bảo sử dụng năng lƣợng nhỏ nhất.

Trong bối cảnh sản lƣợng khai thác than hầm lò ngày càng tăng, mức chi

phí cho thông gió mỏ sẽ càng lớn. Do vậy, đòi hỏi phải có các giải pháp giảm

thiểu chi phí thông gió mỏ.

1. Tính cấp thiết của Luận án

Để đảm bảo cho một mỏ than hầm lò hoạt động bình thƣờng cần thiết phải

đƣa vào mỏ một lƣợng gió sạch nhất định suốt 24/24 giờ hàng ngày. Lƣợng gió

sạch cần đƣa vào mỏ nhờ các quạt gió chính phụ thuộc vào: Số ngƣời làm việc

đồng thời lớn nhất trong mỏ; Độ xuất khí metan (Sản lƣợng khai thác ngày đêm

của mỏ); Lƣợng thuốc nổ sử dụng đồng thời lớn nhất; Chế độ bụi ở lò chợ và lò

chuẩn bị; Công suất làm việc của các máy bơm, trạm điện,v.v… Lƣợng gió yêu

cầu đƣợc xác định theo tính toán bằng tổng nhu cầu lƣu lƣợng gió cho các khâu

2

trong dây chuyền công nghệ khai thác mỏ nhƣ: Lò chợ khấu than, lò chuẩn bị, các

hầm bơm, trạm điện, bù đắp lƣợng gió bị tiêu hao mất mát trong hệ thống các

đƣờng lò và đƣợc đƣa vào mỏ nhờ một hoặc một số quạt gió chính.

Chế độ làm việc của các quạt gió chính đƣợc xác định trên cơ sở tạo ra lƣu

lƣợng gió cần thiết đƣa vào mỏ và chi phí điện năng để duy trì chế độ làm việc này

của các quạt gió chính là rất lớn, theo đánh giá chiếm khoảng 25% tổng chi phí

điện năng cho toàn bộ các khâu trong dây chuyền công nghệ mỏ. Một thực tế là

nhu cầu gió khác nhau giữa ngày sản xuất với các ngày dừng các hoạt động sản

xuất, và khác nhau ngay trong một ca sản xuất ở từng khâu công nghệ khác nhau.

Tuy nhiên, ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh hiện nay, các quạt gió chính

đều hoạt động theo một chế độ làm việc cố định, tức là luôn cung cấp vào mỏ một

lƣợng gió cố định trong suốt thời gian các ngày trong năm, dẫn đến dƣ thừa một

lƣợng gió lớn không cần thiết ở những ngày mỏ dừng các hoạt động sản xuất và ở

những khoảng thời gian không đòi hỏi nhu cầu lƣợng gió nhƣ tính toán hiện nay,

gây lãng phí lớn điện năng tiêu thụ. Chế độ làm việc của quạt gió chính liên quan

trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện năng. Xác định một chế độ làm việc tối ƣu,

vừa thỏa mãn cung cấp đủ lƣợng gió cần thiết theo kế hoạch sản xuất của mỏ, vừa

giảm tối đa lãng phí điện năng tiêu thụ là nhu cầu thực tế, nhất là trong bối cảnh

các mỏ than hầm lò ngày càng đóng vai trò lớn trong việc đáp ứng nhu cầu sản

lƣợng theo Quy hoạch phát triển ngành Than. Tuy nhiên, cho đến nay ở nƣớc ta

chƣa có một công trình nghiên cứu sâu nào về mối liên quan giữa chế độ làm việc

của quạt gió chính và kế hoạch tổ chức sản xuất của mỏ (đặc biệt là giữa ngày làm

việc với ngày nghỉ). Chính vì vậy, đề tài luận án: “Tối ưu hóa chế độ việc của quạt

gió chính mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh” là cần thiết, có tính thời sự, có ý

nghĩa khoa học và thực tế.

2. Mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Xác định chế độ làm việc tối ƣu của các quạt gió chính trong những ngày

mỏ làm việc bình thƣờng, cũng nhƣ khi mỏ nghỉ làm việc, nhằm đảm bảo an toàn

môi trƣờng và tiết kiệm chi phí điện năng, góp phần điều chỉnh quy định hiện hành

về thông gió chung của mỏ hầm lò, phù hợp với thực tế sản xuất.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là chế độ làm việc của các quạt gió

chính ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

- Phạm vi nghiên cứu của luận án là các mỏ than hầm lò điển hình

vùng Quảng Ninh.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

4.1. Ý nghĩa khoa học

3

- Kết quả nghiên cứu của luận án đã luận giải một cách khoa học mối liên

hệ giữa lƣu lƣợng gió yêu cầu của mỏ và kế hoạch tổ chức sản xuất của mỏ trong

ngày làm việc, trong những ngày nghỉ để làm cơ sở xác định chế độ làm việc của

các quạt gió chính, đảm bảo an toàn và sử dụng điện tiết kiệm hiệu quả, góp phần

giảm giá thành khai thác than.

- Xây dựng phƣơng pháp luận về tối ƣu hoá chế độ làm việc của các quạt

gió chính ở mỏ than hầm lò nhằm đáp ứng yêu cầu thông gió mỏ.

- Tự động hóa chế độ làm việc của các quạt gió chính theo yêu cầu nhờ sử

dụng biến tần.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của Luận án áp dụng cho các mỏ than hầm lò vùng

Quảng Ninh, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế – kỹ thuật của công tác thông gió

chung của mỏ.

- Kết quả nghiên cứu của Luận án là cơ sở khoa học để nghiên cứu bổ sung,

chỉnh sửa các quy định trong công tác thông gió chung của mỏ than hầm lò.

5. Điểm mới của Luận án

- Xác định đƣợc nhu cầu gió sạch cho mỏ than hầm lò phụ thuộc vào kế

hoạch sản xuất, tức là phụ thuộc vào thời gian trong ngày làm việc, trong ngày

nghỉ và trong tuần.

- Lựa chọn đƣợc phƣơng án – giải pháp tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió

chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.

- Xây dựng đƣợc sơ đồ tổng quát và sơ đồ thuật toán tự động điều chỉnh chế

độ làm việc của quạt gió chính nhờ sử dụng biến tần.

- Xây dựng chƣơng trình tính toán hiệu quả khi sử dụng biến tần để tối ƣu

hóa chế độ làm việc của quạt gió chính.

6. Luận điểm bảo vệ của luận án

- Lƣợng gió cần thiết cho mỏ khi sản xuất bình thƣờng phụ thuộc vào nhiều

yếu tố. Khi các yếu tố này thay đổi trong ngày làm việc và ngày nghỉ thì lƣợng gió

cần thiết đƣa vào mỏ cũng thay đổi.

- Chế độ làm việc tối ƣu của quạt gió chính cần thay đổi theo kế hoạch sản

xuất của mỏ. Chế độ này có thể đạt đƣợc nhờ lập trình cho thiết bị biến tần.

7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu

7.1. Nội dung nghiên cứu

Để đạt đƣợc mục đích nêu trên, luận án thực hiện các nội dung sau:

- Tổng quan về chế độ làm việc hợp lý của quạt gió chính;

- Nghiên cứu xác định lƣu lƣợng gió yêu cầu cho mỏ than hầm lò theo thời

gian trong ca, trong ngày đêm và giữa ngày mỏ làm việc với ngày mỏ nghỉ làm việc.

4

- Nghiên cứu lựa chọn các tham số để tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt

gió chính.

- Nghiên cứu lựa chọn và tính toán phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của

quạt gió chính;

- Nghiên cứu áp dụng thử nghiệm tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính

ở mỏ than Hà Lầm, Quảng Ninh.

7.2. Các phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau:

- Phƣơng pháp khảo sát đo đạc, thống kê tổng hợp, phân tích và so sánh;

- Phƣơng pháp toán – tin (giải tích đồ thị);

- Phƣơng pháp tra cứu chuyên khảo;

- Phƣơng pháp tối ƣu hoá (sử dụng phần mềm tính toán thông gió);

- Phƣơng pháp thực nghiệm ở mỏ than hầm lò.

8. Cơ sở dữ liệu

- Tài liệu về hiện trang khai thác, thông gió của một số mỏ than hầm lò điển

hình vùng Quảng Ninh.

- Quạt gió và các thiết bị thông gió mỏ của một số mỏ than hầm lò điển hình

vùng Quảng Ninh.

9. Cấu trúc nội dung của Luận án

Luận án đƣợc bố cục gồm: Mở đầu, 4 chƣơng, kết luận và danh mục tài liệu

tham khảo.

10. Nơi thực hiện Luận án

Luận án đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Trƣờng

Đại học Mỏ-Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS TS. Trần Xuân Hà.

5

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình

của thầy giáo PGS.TS Trần Xuân Hà. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn

thành luận án NCS đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của Ban Giám hiệu, Ban lãnh

đạo Phòng Sau đại học, Khoa Mỏ, Bộ môn Khai thác hầm lò trƣờng Đại học Mỏ -

Địa chất. Đặc biệt NCS luôn nhận đƣợc sự góp ý, giúp đỡ tận tình của các Giáo sƣ,

Tiến sỹ, các nhà khoa học trong và ngoài trƣờng nhƣ: GS.TSKH Lê Nhƣ Hùng,

PGS.TS Trần Văn Thanh, PGS.TS Đặng Vũ Chí, GS.TS Võ Trọng Hùng,… cùng

các đồng nghiệp trong Bộ môn Khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Ban Thông gió và

thoát nƣớc-TKV, Ban KCM-TKV, Công ty than Hà Lầm, Công ty than Hòn Gai,

Trung tâm An toàn mỏ,... Ngoài ra NCS cũng nhận đƣợc sự đóng góp, giúp đỡ tận

tình của các bạn đồng nghiệp khác trong trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất cũng nhƣ

trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam. Nhân đây NCS xin bày tỏ lòng biết

ơn chân thành tới thầy hƣớng dẫn, tới các cơ quan và các nhà khoa học, tới các bạn

đồng nghiệp đã giúp đỡ NCS hoàn thành luận án này./.