Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống SCADA phục vụ an toàn lao động trong khai thác

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống SCADA phục vụ an toàn lao động trong khai thác

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

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

Hà Nội, 05/2004

Bản thảo viết xong 05/2004

Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện Đề tài cấp Nhà nước mã số KC.03.04

DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

GS.TSKH Nguyễn Xuân Quỳnh TS Nguyễn Thế Truyện

ThS Nguyễn Duy Hưng ThS Trần Thanh Thủy ThS Trịnh Hải Thái

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 những 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 tiễn Sau đây là một số kết quả nghiên cứu chính:

1 Đã khảo sát tương đối đầy đủ thực trạng khai thác than và kỹ thuật cảnh báo cháy nổ tại các mỏ than hầm lò của Việt Nam

2 Nghiên cứu giải pháp tổng thể và thiết kế chi tiết cho hệ thống SCADA đặc thù phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác than hầm lò trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt ở Việt Nam

3 Xây dựng mô hình mô phỏng để phục vụ cho công tác nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu thiết kế

4 Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống SCADA phục vụ an toàn lao động trong khai thác than hầm lò Đồng thời đề tài cũng chế tạo thành công bộ cảnh báo cháy nổ cầm tay đưa vào ứng dụng được các công ty than hết sức hoan nghênh và hiện nay đang chuyển sang dự án sản xuất hàng loạt

5 Hệ thống thiết bị SCADA của đề tài đã được đưa vào ứng dụng nhiều tháng nay tại khu mỏ và mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt Hệ thống đã được Tổng công ty than Việt Nam đánh giá cao và hứa hẹn nhiều triển vọng

6 Về mặt khoa học, đề tài đã công bố được 8 công trình khoa học trong và ngoài nước Hai nghiên cứu sinh đang làm luận án Tiến sĩ theo hướng nghiên cứu của đề tài Nội dung các luận án là những phát triển sâu hơn về mặt học thuật của nội dung nghiên cứu Đề tài

Cuối cùng đề tài đã xây dựng được mô hình đầy đủ tại phòng thí nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu lâu dài, đồng thời đào tạo được một đội ngũ cán bộ chuyên sâu cho hướng nghiên cứu này

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.Khảo sát tình hình tại các mỏ ([8], [9]) 9

2.Một số vấn đề về an toàn lao động trong khai thác hầm lò ([8], [9]) 11

2.1 Công tác an toàn ở các mỏ 11

2.2 Vấn đề về phòng chống cháy nổ 14

2.3 Vấn đề về môi trường độc hại 17

2.4 Vấn đề về thoát khí trong khai thác 18

2.5 Các thông số môi trường cần kiểm soát trong khai thác hầm lò 19

3.Thiết bị điện trong khai thác mỏ ([10],[11]) 20

3.1 Phân loại thiết bị điện trong hầm mỏ 20

3.2 Các yêu cầu đối với thiết bị điện trong hầm lò 21

4.Cơ sở lý thuyết và yêu cầu của các cảm biến khí 21

4.1 Cơ sở lý thuyết 21

4.2 Yêu cầu của các cảm biến 22

4.3 Các phương pháp cảm biến khí 22

4.4 Giới thiệu về các loại sensor lựa chọn 28

4.5 Hiện trạng về các thiết bị đo khí trong Tổng Công ty than Việt Nam 33

V.CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 36

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

2.2 Cấu hình và cấu trúc các thành phần trong hệ thống mạng 49

3. Thiết kế phần mềm quản lý, điều hành SLabS-Mining trên PC-Server 56

3.1 Xây dựng các chức năng phần mềm 56

3.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu 57

3.3 Hoạt động trao đổi dữ liệu giữa PC-Server với trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 64

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 4

3.4 Giao diện và các chức năng phần mềm được xây dựng 66

VII.THIẾT KẾ CÁC TRẠM THIẾT BỊ ĐO PHÂN TÁN 71

1.Giới thiệu chung 71

2.Thiết kế chi tiết các trạm thiết bị đo 71

2.1 Thiết kế phần cứng trạm làm việc 71

2.2 Thiết kế phần cứng điểm đo 75

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

IX.THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG TẠI MỎ THAN NGÃ HAI 108

1.Mục tiêu, nội dung thử nghiệm 108

1.1 Mục tiêu thử nghiệm 108

1.2 Nội dung thử nghiệm 108

2.Hệ thống thử nghiệm và bài toán giải quyết 109

2.1 Cấu hình phục vụ bài toán thử nghiệm tại mỏ than 109

2.2 Mô tả khai trường 110

2.3 Yêu cầu về ngưỡng báo động 112

2.4 Công tác đối sánh kết quả giám sát 112

3.Kết quả thử nghiệm và đánh giá 112

3.1 Phần hệ thống TT điều hành 112

3.2 Phần các thiết bị đo 116

PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ PHỤ LỤC BÁO CÁO 118

X.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

7.Tổng hợp một số màn hình chức năng phần mềm Slabs-Mining 170

8.Diễn giải một số hàm người dùng UF (User Functions) sử dụng trong phần mềm SLabs Mining V1.02 172

PHẦN I : MỞ ĐẦU I GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm gần đây, sản lượng khai thác than của Tổng công ty Than Việt Nam (TVN) ngày càng tăng, cùng theo đó là việc tăng sản lượng than xuất khẩu nên lợi nhuận thu được từ ngành than ngày càng lớn Đến ngày 21/11/2003 sản lượng khai thác than của TVN đạt 18 triệu tấn, về trước kế hoạch đặt ra là 2 năm Theo Tổng công ty Than Việt Nam, tổng doanh thu năm 2003 của ngành dự kiến đạt gần 9.502 tỷ đồng, trong đó, doanh thu từ sản xuất than là 6.050 tỷ đồng, còn lại là các ngành nghề khác Như vậy, tỷ trọng tính theo doanh thu của các ngành nghề khác so với than năm 2003 đạt 36/64% Năm nay, Than Việt Nam nộp vào NSNN khoảng 375 tỷ đồng, lợi nhuận trước thuế đạt 352 tỷ đồng Thu nhập bình 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 nhiều 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 2650oC 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 thực 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 tạo 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 KC.03.04

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 6

II MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

™ Mục tiêu đăng ký

Tự thiết kế chế tạo được hệ SCADA phức hợp đa thông số (như CH4, CO2, CO, NOx, SOx, H2S, t0 …) cho ngành khai thác hầm lò thay thế nhập ngoại, giá thành thấp, có thể nhân rộng cho nhiều đối tượng khai thác hầm lò, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống

™ Nội dung nghiên cứu

− Khảo sát tình hình thực tiễn tại một số mỏ hầm lò, ưu tiên mỏ than Hà Lầm − Nghiên cứu nguyên lý làm việc của các loại Sensor đo các khí cần nghiên cứu

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 thời 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 cậy kém và hoạt động thiếu ổn định Đối với các nước phát triển, vấn đề an toàn trong khai thác hầm lò đã được đặc biệt chú trọng và được nghiên cứu từ rất sớm nhằm đưa ra các biện pháp giải quyết và hiện nay các nước này đã đạt được những kết quả khả quan Nhờ sự phát triển nhanh của các ngành khoa học kỹ thuật trong những năm gần đây mà các hệ thống dạng SCADA phục vụ cho công tác bảo đảm an toàn lao động trong hầm lò đã được đưa vào sử dụng từ những năm đầu thập kỷ 90 và thực tế cho thấy số vụ tai nạn do cháy nổ đã giảm hẳn khi sử dụng các hệ thống này

Do những quy định nghiêm ngặt về an toàn trong khai thác hầm lò và do đặc thù của ngành khai thác này (như nằm sâu dưới lòng đất, địa hình trải dài và phức tạp, môi trường khắc nghiệt do nhiệt độ, độ ẩm cao và sự đe dọa luôn xuất hiện các loại khí độc và khí dễ gây cháy nổ) mà các hệ thống thiết bị phải có cấu trúc linh hoạt, độ bền cơ học cao, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt trên diện rộng nên giá thành cũng khá cao Hiện nay các hệ thống bảo đảm an toàn thường có cấu trúc theo kiểu mạng SCADA bao gồm trung tâm giám sát, cảnh báo và điều phối kịp thời hoạt động của thợ mỏ dưới hầm lò khi có nguy cơ xảy ra cháy nổ nhằm ngăn chặn kịp thời tai nạn có thể xảy ra Trung tâm này sẽ thu thập các số liệu đo truyền về từ các điểm đo cố định và/hoặc các điểm đo di động (như gắn trên xe, đeo bên người, ) thông qua hệ thống mạng truyền tin hữu tuyến và/hoặc vô tuyến cho phép cảnh báo tại chỗ hoặc từ xa trước những nguy hiểm có thể xảy ra Ngoài ra một số hệ thống còn cho phép liên lạc đàm thoại giữa trung tâm với các khu vực nhằm cảnh báo và trao đổi thông tin kịp thời với các thợ hầm lò ở trong vùng nguy hiểm Đặc biệt ở úc, Anh và Đức các hệ thống SCADA diện rộng phục vụ cho an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò rất phát triển Chính vì vậy ít xảy ra tai nạn ở ngành này trong các nước kể trên

™ 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 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 mục 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 CO2, CO, NOx, SOx, SH2, ) 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 và VICA 4

− Xây dựng hệ thống đo lường cảnh báo và xử lý khí cháy nổ ở mỏ than DCX 70-1 và DCX 70-2 (KHCN - 04 - 04 - 01)

− Sensor khí mê tan SM1 và SM2 (KHCN - 04 - 04 - 01)

− Thiết bị đo và cảnh báo khí metal đặt tại chỗ ký hiệu CMQX-10

− Robot đo khí độc hại Tocomfinder để kiểm tra khí metal ở cửa gió thải trước khi cho công nhân vào hầm lò (KHCN - 04 - 04 - 01)

IV CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ NGHIÊN CỨU

1 Khảo sát tình hình tại các mỏ ([8], [9])

™ Vài nét về hoạt động sản xuất và công nghệ khai thác ở các mỏ than hầm

lò liên quan đến môi trường làm việc

Việc xuất hiện các loại khí tự nhiên trong khai thác mỏ nói chung là điều tất yếu Do quá trình hình thành hàng triệu năm, các phản ứng hoá học xảy ra trong tự nhiên đã tạo ra các loại khí khác nhau Các loại khí này tích tụ, khuyếch tán vào trong các khoáng vật Công việc khai thác đương nhiên làm giải phóng ra các chất khí đó Chúng có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ 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, CO2, N2, NOX… Nguy hiểm hơn cả là khí CH4 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 hiện 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 và vũ môn sử dụng hệ thống khai thác cột dài theo phương, lò chợ dọc vỉa phân tầng còn hiện nay khu vực I(12) cánh tây khai thác buồng cột

Đối với mỏ than Vàng Danh hệ thống khai thác được mở bằng các lò chuẩn bị dọc vỉa trong than để các trụ bảo vệ duy trì lò cái chân cho tầng khai thác tiếp theo làm lò thông gió Mỏ được chia làm 2 khu khai thác: Khu tây Vàng Danh hiện nay khai phá các vỉa 6,7,8; khu cánh gà khai thác các vỉa 4,5,6,7

Mỏ than Hà Lầm được khai thác bằng phương pháp hầm lò từ thời Pháp đô hộ Phương pháp khai thác truyền thống là lò chợ dây diều (lò chợ) cột dài theo phương Công nghệ khai thác bằng khoan nổ mìn – chống giữ lò chợ bằng gỗ, vận chuyển trong lò chợ bằng máng cào SKAT – 80 than đến lò cái chân được rót vào goòng và được tàu điện kéo ra ngoài nhà sàng

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 10

™ Hệ thống thông gió

Như trên đã đề cập, hệ thống thông gió có vai trò quan trọng trong việc thông thoát khí, giảm thiểu các rủi ro độc hại và nguy cơ cháy nổ do khí gây nên do đó có thể thấy hệ thống thông gió ở tất cả các mỏ than khảo sát đều được đặc biệt coi trọng từ khâu thiết kế đến khâu vận hành hoạt động tuy nhiên quá trình sử dụng cũng bộc lộ nhiều vấn đề cần xem xét

Mỏ than Mông Dương là mỏ có phương pháp chuẩn bị bằng giếng đứng trung tâm và hệ thống thông gió chính sử dụng quạt gió BOKD–2,4 đẩy gió vào hai cánh đông, tây thuộc xuyên vỉa –97,5 Khu cánh đông từ dọc vỉa vận chuyển –97,5 H10 C8 theo các thượng mức (-89÷78) thông gió cho gương lò chợ (-55 H10 C8) và ra 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

Đối 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 trường 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 trưng 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 cả 3 dạng: Rắn, lỏng, khí Các chất này dưới tác động của môi trường và các xúc tác thực hiện các phản ứng hóa học phức tạp, tạo ra các hợp chất khác nhau, trong đó có các hợp chất mang tính axit, bazơ và các dung môi hoà tan…

¾ Môi trường có các loại khí độc, khí cháy nổ

Quá trình khai thác làm giải phóng ra các chất khí như: CO, CO2, CH4, N2, NO, NO2, SO2… Đặc biệt nguy hiểm đối với con người là khí CO và nguy cơ gây cháy nổ rất cao là khí CH4

Như vậy các thiết bị phục vụ sản xuất trong mỏ ngoài các tính năng kỹ thuật bình thường còn phải chịu đựng được các điều kiện môi trường như trên và đáp ứng được các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ

2 Một số vấn đề về an toàn lao động trong khai thác hầm lò ([8], [9])

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 chưa đầy đủ của các cơ quan chức năng:

ƒ Tháng 4/1998: Tại mỏ than Donestk nổ khí metane làm 74 người chết

ƒ Ngày 24/5/1999 nổ khí mêtan ở độ sâu 3,482 bộ Anh (1000m) chết 30 thợ mỏ, 20 người mất tích (VASC trích dịch 25/5/99)

ƒ 11/3/2000: 13h30 ở mỏ Barakova nổ khí mêtan làm chết 80 người

Tại Trung Quốc

ƒ 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)

ƒ 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)

ƒ Ngày 25/11/2001 tại mỏ Wangjiying tỉnh Liaoning – Đông bắc Trung Quốc xảy ra nổ khí CH4 làm 77 người thiệt mạng (BBC 25/11/2001)

ƒ Ngày 26/02/2002 tại mỏ than ở Hebei phía bắc Trung Quốc xảy ra liên tiếp 2 vụ nổ khí methane làm ít nhất 27 người thiệt mạng (Theo ABC News ngày 28/01/2002)

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 12

ƒ Ngày 14/11/2003 vụ nổ tại khu mỏ than Kiến Tân ở tỉnh Giang Tây Trung Quốc làm 48 người chết

™ Thực trạng an toàn ở Việt Nam

ở Việt Nam những năm trước, sản lượng khai thác còn thấp và đa số ở mức nông, do đó vấn đề an toàn trong khai thác mỏ chưa được chú trọng và đầu tư đúng mức Nhưng trong những năm gần đây công suất khai thác liên tục gia tăng và ngày càng phải đi xa, xuống sâu Hơn nữa, qua các nghiên cứu của ngành than, vùng than Quảng Ninh là loại than antraxit – có độ ngậm khí cao, có nơi khi xuống sâu, hàm lượng CH4 có thể đạt tới 28m3/tấn Điều đó đồng nghĩa với khả năng gặp phải tai nạn, rủi ro ngày càng lớn

Có thể kể ra một số vụ cháy nổ khí gần đây ở Việt nam như vụ nổ ngày 11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và 12 người bị thương Vụ nổ tại đường lò V13 khu tây bắc ngã hai thuộc xí nghiệp khai thác than 190 Công ty Đông bắc ngày 29/5/1999 làm 3 người chết và 2 người bị thương Hai vụ nổ liên tiếp trong ngày 19/12/2002 tại XN than Suối lại (Công ty 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, cũng 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

ƒ Khí Nitơ (N2): Hàm lượng thay đổi từ 4,7 ÷ 99,34%

ƒ Khí cháy nổ (H2 và CH4): Hàm lượng thay đổi từ 0,00 ÷ 94,91%; Độ chứa khí 0,00m3/T ÷ 15,832m3/T

ƒ Khí Cacbonic(CO2): Hàm lượng thay đổi trong khoảng 0,00 ÷ 33,57%; Độ chứa khí: 0,00m3/T ÷ 1,602m3/T

ƒ Trong khoảng đất đá vây quanh, hàm lượng khí nổ (H2 + CH4) trong khoảng 13 ÷ 82%, độ chứa khí 0,059 ÷ 4,279 m3/T

Kết quả đo đạc được ghi ở sổ đo khí của mỏ chứng minh rằng mỏ vượt quá 0,8% có khí ở nhiều gương lò và lò chuẩn bị kể cả khi được thông gió Theo đánh giá của Tổng Công Ty Than Việt Nam, mỏ xếp loại II

¾ Mỏ Mông Dương

Các công tác riêng biệt nhằm nghiên cứu độ chứa khí của vỉa than và nham thạch trong khu thăm dò tỷ mỷ chưa được tiến hành do điều kiện kỹ thuật Nhưng vụ cháy nổ đã xảy ra ngày 31 tháng 5 năm 1937 ở một lò thượng nằm ở giữa tầng –97 và -40 khi một vài giờ trước đó không thông được gió Sau vụ nổ, lò thượng và các

cúp bị cháy, khí CH4 thường xuyên thoát ra, hàm lượng từ 0,6÷1,25%, có khi đến 1,75% Nhiều lò đã phải đình chỉ và khí mêtan thoát ra Tuy chưa có thăm dò về khí, song mỏ Mông dương là mỏ gần với mỏ Thống nhất đã được thăm dò cho thấy độ chứa khí tự nhiên ở đới khí mêtan đạt đến 15,83 m3/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 CH4

ra ngoài Nhưng mức khai thác hiện nay đã xuống sâu –97,5m nên thường xuyên xuất hiện khí CH4 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 CH4 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 CH4 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 CH4 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 CH4 Căn cứ vào kết quả phân tích và các nguy cơ thực tế, mỏ được xếp loại III về khí cháy nổ

¾ Mỏ Vàng Danh

Trước đây khai thác ở mức nông khí CH4 ít xuất hiện Theo kết quả đo đạc gần đây 1996-1997 theo sổ đo khí của mỏ, kết quả cho thấy khí CH4 đã xuất hiện 0,02÷0,05% khi được thông gió tốt Đột xuất khu lò chợ trụ 3 vỉa 8A Tây Vàng danh mức 260 xuất hiện mêtan 1% Đến nay mỏ chưa có công trình nào nghiên cứu xếp loại mỏ theo mức độ nguy hiểm cháy nổ khí CH4

¾ Mỏ Hà Lầm

Việc khí CH4 xuất hiện gây cháy mỏ xảy ra năm 1975-1976 tại khu Hữu nghị gây thiệt hại lớn Kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng khí CH4 khi được thông gió tốt hàm lượng dưới mức độ an toàn cho phép, tuy nhiên khi ngừng thông gió hàm lượng có lúc tăng đến 0,75÷1,65% vượt quá giới hạn cho phép

Hiện nay mỏ đặc biệt quan tâm đến việc đo khí và thông gió, tuy vậy do khai thác xuống sâu ở luồng gió thải lò chợ đạt 0,3% Căn cứ vào kết quả phân tích, theo quy phạm an toàn và thực tế đo đạc khí CH4, mỏ Hà Lầm được xếp loại II về nguy cơ cháy nổ

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 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 một cách linh hoạt • Chi phí đầu tư thấp

Nhược điểm lớn của thiết bị loại này là: • Việc đo, lấy mẫu hoàn toàn thủ công

• Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào người thao tác • Giám sát gián đoạn

• Lưu trữ kết quả khó khăn

Do các nhược điểm như trên nên các mỏ chỉ tiến hành đo, giám sát khí một cách gián đoạn, theo chu kỳ (Đầu ca, giữa ca, cuối ca …) hoặc thậm chí có nơi nghi ngờ thì mới kiểm tra Do đó không phát hiện kịp thời các phụt khí bất ngờ, dẫn đến lơ là trong công tác đo kiểm tra khí

Về mặt kiểm soát chất lượng thông gió chưa có mỏ nào ứng dụng tự động kiểm soát thông gió cục bộ, tự động điều khiển cửa chắn gió

2.2 Vấn đề về phòng chống cháy nổ

Đối với vấn đề phòng chống cháy nổ trong khai thác hầm lò, mêtan (CH4) là loại khí nguy hiểm nhất thường xuất hiện đặc biệt là khi khai thác xuống sâu do đó việc phòng chống sự cố cháy nổ khí mêtan trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò luôn được coi trọng là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu

™ Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay

Khí mêtan (CH4) có nguồn gốc từ than (gọi tắt là khí than) là một trong nhiều loại khí thiên nhiên được hình thành trong quá trình sinh hoá biến đổi vật chất hữu cơ ban đầu và quá trình biến chất than tiếp theo dưới tác động của nhiệt và áp suất

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 2650oC và áp suất lên tới 10at

Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là: CmHn + (m+n/4)O2 ==> mCO2 + (n/2)H2O

Với khí mêtan ta có phương trình:

CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O

Điều kiện cháy nổ của khí mêtan (CH4) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nồng độ của khí Metan (%CH4), Oxy (%O2), áp suất (at), Nhiệt độ (oC) và độ ẩm tương đối (%RH)

Bảng sau đây mô tả đặc tính cháy nổ của một số loại khí tự nhiên (thường là khí ở mỏ than Metan) hoặc khí dầu mỏ (thường là Metan, Ethane, Propane, Butane )

(Giới hạn nổ) Explosive limit (Loại khí)

Name of Gas

(Điểm bốc cháy) Ignition point oC

L.E.L vol%

U.E.L vol%

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 Tổng 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 xuất 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 16

Loại mỏ theo khí mêtan Độ thoát khí mêtan tương đối (m3/T.than.ngđ)

II Từ 5 đến < 10 III Từ 10 đến < 15

Siêu hạng ≥ 15, những mỏ có nguy hiểm xì khí Nguy hiểm phụt khí bất ngờ Mỏ hầm lò khai thác các vỉa than nguy

hiểm phụt than và khí bất ngờ

Bảng 2 : Phân loại mỏ theo khí mêtan

Theo báo cáo kết quả của dự án Quy hoạch tổng thể phân loại mỏ theo cấp khí nổ để phát triển ngành than vùng Quảng Ninh đến năm 2010 thì độ thoát khí tương đối và dự báo của một số mỏ như sau (Bảng 3):

Độ thoát khí CH4 tương đối (m3/T.ngđ) TT Mỏ

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 đối 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

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 tạo thành cacboxyhemoglobin, làm mất khả năng vận chuyển oxy của máu và gây ngạt

Nhiễm độc cấp CO thường bị đau đầu, ù tai, chóng mặt, buồn nôn, mệt mỏi, co giật, rồi bị nôn mê Nếu bị nhiễm nặng thì bị hôn mê ngay, chân tay mềm nhũn, mặt xanh tím, bị phù phổi cấp, dẫn đến tử vong Nhiễm độc mãn tính CO thường bị đau đầu dai dẳng chóng mặt, mỏi mệt, sút cân

Mỗi năm trên thế giới có hàng trăm người bị chết do trúng độc khí CO ™ Khí sulfuroxit (SOx)

Trong than ở các mỏ đều có chứa lưu huỳnh, trong quá trình cháy than, xảy ra phản ứng giữa lưu huỳnh và oxy trong không khí, chủ yếu tạo thành khí sulfurdioxit (SO2) và một phần rất nhỏ khí sulfurtrioxit (SO3)

Khí SO2 không màu, có vị cay, mùi khó chịu Trong môi trường ẩm ướt, SO2 tác dụng với nước tạo thành dung dịch axit sulfuric (H2SO4) – là dung dịch ăn mòn các thiết bị kim loại trong mỏ

™ Khí cacbonic (CO2)

Là sản phẩm chủ yếu của quá trình cháy các chất hữu cơ, đặc biệt là than trong mỏ Hàm lượng CO2 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 CH4 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 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, được xác định bởi hiện tượng nhả và lọc khí mêtan ra mặt ngoài của than và đất đá Sự thoát khí mạnh vẫn là những ngày đầu khi mới làm lộ bề mặt, mạnh nhất trong khoảng 40÷50 phút sau khi than bị tách ra khỏi nguyên khối

Dạng thoát khí thông thường phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau từ nhóm các điều kiện tự nhiên cũng như nhóm các yếu tố kỹ thuật công nghệ

¾ Mức độ nguy hiểm và biện pháp phòng chống đối với dạng thoát khí thông

thường

Đây là dạng thoát khí phổ biến nhất và chiếm phần lớn lượng mêtan thoát ra trong quá trình khai thác mỏ Tuy nhiên dạng thoát khí này không gây nguy hiểm lớn vì nó chỉ làm tăng hàm lượng mêtan trong không khí mỏ, tính nguy hiểm của nó chỉ xuất hiện khi hàm lượng mêtan vượt quá giới hạn an toàn tới giới hạn gây nổ Phòng chống dạng thoát khí thông thường chủ yếu nhờ công tác thông gió mỏ, mà bản chất của nó là đưa một lượng gió vào mỏ và phân phối nó tới các đường lò đủ để hoà loãng lượng khí mêtan thoát ra có hàm lượng mêtan dưới giới hạn nổ mà công tác an toàn qui định

™ Dạng xì khí mêtan trong lò ¾ Đặc điểm của dạng xì khí mêtan

Đây là dạng thoát khí mêtan tự do từ các khe nứt, các lỗ trông thấy được, các khe nứt này phát sinh từ các quá trình địa chất cũng như công nghệ khai thác ở dạng thoát khí này có dấu hiệu đặc trưng là có tiếng kêu như gió thổi Khi đó qua các khe nứt và lỗ hổng một lượng khí mêtan từ một đến vài ngàn mét khối sẽ thoát ra Nguồn gốc của dạng thoát khí này là các vỉa tiếp cận vỉa và vỉa đang khai thác có độ chứa khí tự nhiên tương đối cao, áp suất khí trong vỉa lớn Thực tế dạng thoát khí này xảy ra chủ yếu trong các đường lò chuẩn bị và lò cái

¾ Mức độ nguy hiểm và biện pháp phòng chống

Đây là một dạng thoát khí nguy hiểm, bởi vì trong một thời gian ngắn hàm lượng khí mêtan trong không khí mỏ tăng rất nhanh, nó không chỉ có khả năng gây nổ 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 m3/phút, cá biệt có trường hợp đạt tới 15÷17 m3/phút

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 lớn 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 (vỉa 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

Đây là dạng xuất khí nguy hiểm nhất bởi vì: Công nhân làm trong đường lò có thể bị vùi lấp trong than vụn trong khoảnh khắc, do lượng khí thoát ra nhiều và nhanh làm cho không gian đường lò bị khí hoá nhanh chóng gây ngạt cho con người, đồng thời khi không khí có hàm lượng mêtan cao có thể gây cháy hoặc nổ nếu xuất hiện tia lửa Với tất cả các mức độ nguy hiểm đã nêu, phụt khí và than được coi là một sự cố nguy hiểm trong công nghiệp mỏ Tuy nhiên việc xác định các yếu tố gây nên phụt khí và than là hiện vẫn là vấn đề hết sức khó khăn

2.5 Các thông số môi trường cần kiểm soát trong khai thác hầm lò

Về các thông số cần kiểm soát trong hầm lò đã được trình bày trong báo cáo định kỳ (Kỳ 2) về đo khí và các thông số khác

Ngoài khí mê tan gây ra cháy nổ thì còn nhiều loại khí khác ảnh hưởng tới sức khoẻ và an toàn của người lao động trong khai thác hầm lò Các loại khí đó là: − Khí CO: Liên quan tới vấn đề cháy ngầm của than dưới lòng đất

− Khí CO2, O2: Ảnh hưởng tới quá trình hô hấp của con người − …

Nồng đồ các khí trên phụ thuộc chủ yếu vào vấn đề thông gió trong hầm lò, nếu

thông gió tốt thì nồng độ các khí này đều rất thấp, không gây ra nguy hiểm Vì vậy,

để đảm bảo an toàn cho người lao động trong khai thác hầm lò, các thông số

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 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

450 300 200 135 100 80

Bảng 4 : Thang nhiệt độ thiết bị điện mỏ nhóm II

Căn cứ vào điện áp sử dụng định mức và dòng điện ngắn mạch, thiết bị điện mỏ nhóm I được chia thành phân nhóm 1, 2, 3, 4 Căn cứ vào mức độ bảo vệ nổ, thiết bị mỏ nhóm II được chia thành phân nhóm A, B, C Tùy theo giá trị nhiệt độ tự bốc cháy của bầu không khí tại chỗ đặt, thiết bị điện mỏ được phân chia theo các thang nêu ở Bảng 4

Theo điều kiện vận hành các thiết bị điện mỏ được chia thành ba loại:

‰ Thiết bị điện cố định: được lắp đặt cố định một nơi, không di chuyển trong quá

trình vận hành như: thiết bị của các trạm biến áp, các trạm bơm nước, các trạm quạt, các trạm trục.v.v…;

‰ Thiết bị di động: thường xuyên di động trong quá trình làm việc như: thiết bị

điện trên máy xúc tải, trên các đầu tàu điện mỏ, các máy đào khấu trong gương công tác.v.v…;

‰ 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 CH4 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 tố 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 lắp, phát triển hệ thống, đồng thời dễ sử dụng

4 Cơ sở lý thuyết và yêu cầu của các cảm biến khí

4.1 Cơ sở lý thuyết

Thành phần khí CH4, CO2, O2 và CO trong không khí được tính theo tỷ lệ thể tích (% vol), hoặc tỷ lệ ppm Khi nồng độ CH4 cao thì sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường và có thể gây cháy nổ, còn khi nồng độ khí CO2, O2 và CO cao sẽ gây ra ngộ độc hoặc ngạt thở, nếu cao quá sẽ dẫn đến tử vong Trong các mỏ than khí Metan (CH4) và khí khác do các chất thải hữu cơ dưới nền đất theo quá trình hoá sinh kết hợp với các chất dinh dưỡng và ôxy tạo ra, lúc ban đầu gọi là quá trình háo khí sẽ sinh ra các chất khí CO2, H2O, NO3-, PO43- 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 CH4, CO2, N2

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 22

Hình 1 : Quá trình sinh ra khí CH4, CO trong mỏ

4.2 Yêu cầu của các cảm biến

Các cảm biến dùng trong hầm lò phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sau:

• Khả năng sử dụng để đo liên tục trực tiếp trong môi trường khí cần phân tích hoặc đo gián tiếp trên một luồng khí phân nhánh với mục đích thay đổi một số thông số vật lý của nó (như nhiệt độ, áp suất, tốc độ lưu thông, hoặc tránh bụi bẩn)

• Có khả năng làm việc với nhiệt độ và độ ẩm cao • Làm việc ổn định, tuổi thọ cao

• Độ nhạy ít thay đổi theo các thông số môi trường và thời gian làm việc • Không có sự can thiệp của con người ở từng lần đo

4.3 Các phương pháp cảm biến khí

Để đo lường, kiểm soát được các loại khí người ta có nhiều phương pháp khác nhau và công nghệ chế tạo sensor cũng không ngừng được cải tiến nhằm tạo ra các sensor có độ nhạy cao, dải làm việc cũng như phạm vi tuyến tính rộng, tiêu thụ ít năng lượng, tuổi thọ dài, Sau đây xin trình bày một số phương pháp cảm biến thông dụng, được dùng chủ yếu trong các sensor trên thị trường hiện nay

™ Đo bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại (dùng cho đo khí CH4 và CO)

Có rất nhiều cấu tử khí trong dải hấp thụ tia hồng ngoại trong đó CO là một Sự 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:

Hình 2 : Khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của CO theo bước sóng

Sơ đồ nguyên lý của sensor hấp thụ tia hồng ngoại như sau:

Hình 3 : Nguyên lý của sensor hấp thụ tia hồng ngoại

¾ Nguyên lý hoạt động

Hai chùm tia phản xạ của tia hồng ngoại được chiếu vào buồng phân tích, bộ phận màn che làm cho hai chùm tia không liên tục nhưng luôn xẩy ra đồng thời Trong

20 40 60 80 100

%CO

Thiết bị chuẩn

Thiết bị phản xạ

Bộ lọc quang

Màng kim loại có 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

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 24

đó, một chùm tia được đưa vào thiết bị phân tích, một chùm tia được đưa vào thiết bị chuẩn và đưa đến bộ phát hiện

− Bộ phát hiện bao gồm 2 buồng thẩm thấu được xử lý một cách riêng rẽ bởi 2 màng mỏng kim loại Một màng có lỗ thủng xuyên qua, 2 màng này đặt tiếp giáp nhau tạo thành một tụ điện Hai buồng này được đưa khí vào sao cho đặc tính của khí được xác định bằng việc thẩm thấu

− Thiết bị chuẩn được đưa khí không thẩm thấu vào:

+ Nếu thiết bị phân tích cũng được đưa khí không thẩm thấu vào thì điện áp ra sẽ cân bằng

+ Nếu thiết bị phân tích được đưa mẫu có các phần tử thẩm thấu vào thì điện áp ra trên khác không Đo điện áp ta suy ra được lượng khí

™ Phương pháp bán dẫn ¾ Sơ đồ nguyên lý

Hình 4 : Sơ đồ nguyên lý cảm biến bằng phương pháp bán dẫn

Cảm biến loại này dựa trên nguyên lý thay đổi độ dẫn điện của một màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất khí trên bề mặt Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm dùng ôxit titan TiO2 để hiệu chỉnh động cơ nổ Tại điểm cân bằng hóa học, sự thay đổi của áp suất ôxi riêng phần trong luồng khí thải của động cơ gây nên sự thay đổi đáng kể của điện trở màng ôxit

Màng mỏng ôxit thiếc được chế tạo trên đế dạng hình ống làm bằng Al2O3 Hai dây dẫn bằng vàng được nối với hai vòng bằng kim loại trên bề mặt đế để dẫn điện ra ngoài Sợi đốt ở phía trong của đế hình ống được dùng để nung nóng cảm biến đến nhiệt độ làm việc (350°C) Sự hấp thụ khí trên bề mặt màng ôxit bán dẫn tạo nên điện tích không gian làm thay đổi mật độ hạt dẫn tương ứng với sự thay đổi độ dẫn bề mặt

Các cảm biến này có tính lựa chọn thấp và độ dẫn là hàm của nhiệt độ môi trường, độ ẩm và áp suất riêng phần của ôxi Nhược điểm của phương pháp này là ổn định

Sensor

Cuộn dây Pt

theo thời gian thấp, thường xuyên phải chuẩn lại hoăc thay thế Ưu điểm của chúng là giá thành rẻ Để cải thiện tính lựa chọn của cảm biến người ta phải chọn nhiệt độ làm việc thích hợp và pha thêm vào lớp oxit một chất xúc tác như Pd, Cu, Ni, Pt Cảm biến này dùng để phát hiện CO, CH4, H2S và NOx

™ Cảm biến áp điện thạch anh ¾ Sơ đồ nguyên lý

Hình 5 : Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp điện thạch anh

Thiết bị bao gồm bộ phận chính là cảm biến điện áp chế tạo từ một tấm tinh thể thạch anh loại tần số 9MHz Kích thước một chiều 10 → 16 mm, bề dày 0.19mm, các điện cực hình tròn có đường kính 3 → 8 mm, chiều dày 0.3 → 1 μm

Trên bề mặt của tấm thạch anh được phủ 2 lớp hấp thụ chọn lọc đối với lớp khí

phân tích, các chất hấp thụ này có độ ổn định theo thời gian

¾ Nguyên lý hoạt động

Tần số dao động của tinh thể thạch anh giảm khi nó hấp thụ các thành phần khí trên bề mặt Sự biến thiên tần số dao động ΔF của thạch anh là hàm của nồng độ hấp thụ được mô tả theo phương trình sau:

ΔF = K*C

Trong đó: C: Nồng độ chất khí phân tích

K: Hằng số đặc trưng của tinh thể thạch anh

Như vậy khi biết hằng số K và sự biến đổi tần số ΔF chúng ta dễ dàng tính được nồng độ chất khí cần phân tích

Cảm biến này được ứng dụng nhiều trong công nghiệp tế những năm 1964 Nó được ứng dụng trong việc phân tích khí HC, SO2, NOx

Bộ dao động Nguồn nuôi

Đến tần số Thạch

anh

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 26

được giải ra thành nhiều chùm ánh sáng đơn sắc, trên một giải quang phổ trong không gian

Vị trí của chùm ánh sáng được thay đổi theo góc đặt của lăng kính Một quang kế được đặt tại một vị trí trên đường đi của các chùm tia đơn sắc để đo cường độ sáng của chùm tia đó Tùy theo nồng độ của chất phân tích mà cường độ phát xạ lớn hay nhỏ

Như vậy,với phương pháp này ta xác định được cả định tính và định lượng Muốn xác định định tính ta xác định theo góc của lăng kính Để tính định lượng ta xác định theo cường độ sáng của chùm sáng đơn sắc (đặc trưng cho vật chất) bằng quang kế

Quang phổ phát xạ cũng có thể chụp lên phim để có thể xác định các vạch đặc trưng của vật chất phân tích đồng thời cũng có thể sử dùng một quang kế để định lượng nồng độ chất có trong hỗn hợp

Phương pháp này được ứng dụng trong việc xác địng hầu hết các loại khí như: CO, HC, NOx, H2S

™ Cảm biến đốt xúc tác (catalytic) ¾ Cấu tạo của Sensor

Hình 6 : Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác

Một cuộn dây 50μm bằng Pt được đặt trên 2 bộ đỡ bằng dây Nó hoạt động giống sự kết nối điện Cuộn dây được gắn vào bên trong một hộp nhỏ được làm bằng AL cỡ 1mm Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pt, Pd, hoặc hỗn hợp Pd-ThO2 Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến Loại Sensor này thường được gọi là “Pellistor” Sensor được đặt trong hộp bảo vệ sao cho khí vào sensor được điều khiển lớn và phân tán

Cảm biến xúc tác được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để phát hiện chất khí dễ nổ dẽ cháy Thông thường cảm biến được lắp vào một mạch cầu Wheastone với một phần tệ khác không nhạy với chất khí phân tích Hai phần tệ này được nung nóng bằng hiệu ứng Joule Khi có mặt chất khí dễ cháy, hiện tượng cháy làm tăng

Chốt

Cuén dây bằng Platine

Hộp nhỏ Hộp bảo vệ

Chất xúc tác

Các chân ra

nhiệt độ cảm biến dẫn đến sự mất cân bằng của cầu và tạo ra tín hiệu tương ứng với hàm lượng chất khí dễ cháy trong hần hợp khí Cảm biến này có thể đo được nhiều chất khí khác nhau như: CH4, H2, CO

™ Phương pháp điện- hoá

Cảm biến điện hoá gồm 2 điện cực chính được đặt vào một dung dịch điện phân Một cực được gọi là cực làm việc, tại cực này xảy ra các phản ứng ôxi hoá giữa dung dịch với chất khí cần xác định tạo ra các điện tích tự do e và các ion Cực thứ 2 sẽ tạo ra phản ứng giữa ion được tạo ra ở cực kia với các chất ngoài không khí để trung hoà điện tích trong dung dịch và đồng thời nó có dòng điện do electron tự do của phản ứng ôxi hoá Với việc xác định dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí đưa vào Sensor loại này thích hợp cho đo khí CO, H2S,

™ Khuyến cáo của nhà sản xuất

Mỗi một loại khí có dải nguy hiểm riêng, cũng như các thuộc tính hoá học khác nhau, do đó với mỗi loại khí chúng ta cần phải lựa chọn loại sensor thích hợp Sau đây chúng tôi xin đưa ra khuyến cáo sử dụng sensor của một hãng sản xuất có uy tín của Nhật

Khuyến cáo phương pháp sử dụng với các loại khí khác nhau của nhà sản xuất (Nemoto):

• Các khí dễ cháy: Hidro, Mêtan, Prôpan, Izô-butan, hơi xăng, Êtanol, vv

• Các khí độc: H2S, SOx, HCl, Cl, CO, vv

0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1% Nồng độ khí

Loại sensor <- Bán dẫn, điện hoá -> <- Catalytic ->

• Các loại khí thải: Êtanol, khói thuốc, các khí có mùi khó chịu

0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1% Nồng độ khí

Loại sensor <- Bán dẫn -> <- Catalytic ->

• Các khí trơ: Cácbon điôxít, các khí Frêon

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 28

Trong đề tài này ta cần đo chính là khí CH4, với ngưỡng cháy nổ dưới (LEL) là 5%, cho nên theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì chúng ta sử dụng loại sensor đo khí mêtan là loại làm việc theo nguyên lý catalytic

Ưu điểm của sensor làm việc theo nguyên tắc catalytic là: • Thời gian nung ngắn, tốc độ đáp ứng nhanh

• Độ nhậy khí cao và ít thay đổi trong thời gian làm việc • Bền với nhiệt độ và độ ẩm cao (500C, 95% RH)

• Có thể lưu giữ lâu ở nhiệt độ và độ ẩm cao (500C, 95% RH) • Có khả năng chịu rung và va đập

• Tuổi thọ cao

• Nhiệt độ làm việc thấp so với điểm bốc cháy nên rất an toàn

Để đo khí CO ta dùng loại sensor điện hoá hoặc bán dẫn, còn đo khí CH4 và CO2

dùng sensor loại catalytic

4.4 Giới thiệu về các loại sensor lựa chọn

™ Sensor đo khí CO

Qua tìm hiểu trên thi trường chúng tôi lựa chọn sensor loại NAP 701 của hãng Nemoto (Nhật) để đo khí CO, đây là sensor làm việc theo nguyên lý điện hoá ¾ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 7 : Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO

Cấu tạo bên trong của NAP-701 gồm: điện cực, màng lọc và dung dịch điện phân Điện cực gồm nhiều lớp phân thành các cực: cực làm việc (working electrode), ở đây tạo ra phản ứng ôxi hóa khử; cực đếm (counter electrode) có tác dụng làm hạn

POTENTIOSTAT

Điện trở

Dòng điện 2H+

H2O 2H+

H2O Điện cực

Điện cực làm việc CO+H2O →CO2+2H++2e-

Điện cực chuẩn

Điện cực khô Màng mỏng cho khí xuyên qua

Dung dịch điện phân

CO

Output

chế phản ứng ôxi hoá ở cực làm việc và cực chuẩn (reference electrode) có tác dụng quản lý và điều khiển chiết áp, mà giá trị của nó phụ thuộc vào phản ứng ôxi hóa Màng lọc được làm bằng vât liệu đặc biệt, chúng có khả năng loại trừ khí nhiễu: NOx, SO2

Nguyên lý hoạt động: NAP-701 hoạt động theo phương pháp hóa -điện

Khi khí CO được thổi vào, tại cực làm việc sẽ xảy ra phản ứng ôxi hóa tạo ra ion H+

- Dải đo : 0 – 1000 ppm

- Nhiệt độ hoạt động : -20 ÷ 50°C - Điện trở : 10Ω

- Điện áp nuôi: không yêu cầu - Áp suất: 0.9 ÷ 1.1 atm

- Dòng ra : 50 +/- 10 nA/ppm

Hình 8 : Cấu trúc bên trong của sensor NAP701

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 30

Hình 9 : Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone

Nguyên lý làm việc: Các phần tử của sensor sẽ được đốt nóng bằng điện áp cung cấp cho mạch cầu Khi không có khí vào mạch cầu cân bằng, điện áp ra bằng 0 Khi có mặt chất khí vào, ở nhiệt độ làm việc, HC tác dụng làm điện trở của phần tử nhạy thay đổi, điện trở này phụ thuộc vào nồng độ khí HC, làm mạch cầu mất cân bằng, điện áp ra khác 0 Điện áp ra trên cầu tỷ lệ với nồng độ khí đưa vào

¾ Đặc tính làm việc

- Điện áp nguồn: DC 2.5+/- 0.5V

AC 2.5+/- 0.5V ( f= 50 60 hz) - Nhiệt độ làm việc : -10 +50 °C

- Dòng điện tiêu thụ: (160 - 180) mA ¾ Đặc điểm

- Tính ổn định cao, đáp ứng nhanh - Tín hiệu ra tuyến tính

Sau đây là những thông số chính của sensor NAP100AD do nhà sản xuất cung cấp:

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 32

Hình 10 : Các thông số chính của sensor NAP100AD

4.5 Hiện trạng về các thiết bị đo khí trong Tổng Công ty than Việt Nam

™ Về máy đo xách tay

Ở các mỏ của ta hiện nay chủ yếu là mua các thiết bị đo khí mêtan cầm tay của nước ngoài (Liên Xô cũ, Trung Quốc, Nhật bản, Ba Lan ) để trang bị cho các phòng an toàn, phòng thông gió, đi kiểm tra định kỳ trong ngày Các thiết bị này có một số nhược điểm sau:

− Thiết bị của Liên Xô (ШИ-11) cũ khá cồng kềnh, đồng thời kỹ thuật sử dụng tương đối lạc hậu Ngoài ra, theo nhận xét của những người sử dụng, thiết bị này không phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta nên tuổi thọ không cao đến nay gần như đã bị hỏng hết

− Thiết bị của Trung Quốc có nhiều chủng loại khác nhau, có giá cả vừa phải Loại đang được dùng trong các mỏ (loại GWJ-1A) sử dụng phương đo bằng quang phổ vạch, vì vậy kết cấu thiết bị phức tạp, rất khó đọc kết quả đo và độ chính xác không cao

− Thiết bị đo của Nhật (GX-86, ) có giá thành rất cao nên ít được sử dụng − Thiết bị của Ba Lan như: M1CA và TC100 độ chính xác không cao (chỉ dùng 2

số để hiển thị giá trị đo)

Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị mua từ nước ngoài sẽ rất phụ thuộc và ta không làm chủ được công nghệ cũng như các vật tư, linh kiện thay thế Việc bảo hành, bảo dưỡng gần như không có

™ Về hệ thống đo cảnh báo tự động

Hiện nay mới chỉ có mỏ Mạo Khê là có hệ thống tự động của Balan sản xuất và hiện đang triển khai thêm mộ hệ thống nữa do Nhật tài trợ, còn các mỏ khác chưa có hệ thống này

¾ Hệ thống monitoring của Ba Lan

Trong nghành than duy nhất chỉ có mỏ Mạo Khê được trang bị một hệ thống đo khí tự động là hệ thống CTT63/40 do hãng CARBO AUTOMATYKA (Ba Lan) chế tạo, sơ đồ khối chức năng như Hình 11

Hệ thống được triển khai lắp đặt từ cuối năm 1999, hệ thống được sản xuất bằng công nghệ của những năm 70 thế kỷ 20 nên tương đối lạc hậu Cấu trúc hệ thống gồm trung tâm điều khiển, các đầu đo và hệ thống truyền dẫn (dùng cáp hữu tuyến) Tại trung tâm điều khiển, số liệu đo được ghi lại bằng hệ thống bút ghi và băng giấy, báo động dùng cả âm thanh và ánh sáng Số lượng đầu đo hiện có khoảng 40 chiếc (chỉ đo khí mêtan) nhưng thường xuyên làm việc chỉ khoảng 22 đến 26 đầu đo, sensor sử dụng loại catalytic Khoảng thời gian lấy mẫu tại mỗi điểm đo là 4 phút nên số liệu không được cập nhật liên tục Việc truyền tín hiệu từ

các đầu đo về trung tâm sử dụng phương pháp điều chế tần số VFC (Voltage Frequency Converter)

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thỏc hầm lũ 34

4 - Mỏy cắt tự động AB

DSD - Bộ cỏch ly an toàn tia lửa

SZB - Tủ kiểm tra đường dõy; UPS - nguồn dự phũng

Chức năng: Tự động đo nồng độ khớ mờtan tại 40 điểm trong lũ với chu kỳ 04 phỳt / lần tại mỗi điểm, hiển thị kết quả trờn băng giấy tại trung tõm ngoài mặt bằng, bỏo động và tự động cắt điện khi nồng độ mờtan vượt quỏ ngưỡng cho phộp

Phòng điều khiển trung tâm

Tủ chỉ thị

SZB UPS

Hộp đấu cáp nhánh

Hộp đấu cáp trục

¾ Hệ thống monitoring của Nhật Bản

Hệ thống được trang bị theo dự án tài trợ của JAICA, được triển khai lắp đặt từ tháng 5 năm 2003, đến tháng 10 năm 2003 thì hệ thống được đưa vào hoạt động tương đối ổn định Hệ thống gồm trung tâm điều khiển, các đầu đo và cáp truyền dẫn Hệ thống sử dụng truyền dẫn từ các cửa lò về trung tâm điều khiển bằng cáp quang, còn từ các đầu đo ra cửa lò dùng truyền dẫn theo chuẩn RS485 Có khoảng 50 đầu đo, trong đó có 39 đầu đo khí mêtan (FI880), 02 đầu đo khí CO (COMA-21), 02 đầu dò khói (MIIE-FC) và 02 đầu đo tốc độ gió (PJT), tuy nhiên tại mỗi đầu đo thì chỉ đo 01 thông số Hệ thống được coi là lấy mẫu liên tục Số liệu truyền về trung tâm được hiển thị trên màn hình máy tính (gồm 02 máy chủ), số liệu có thể quan sát dưới dạng đồ thị hoặc bảng biểu Chương trình phần mềm đã được hiển thị bằng tiếng Việt (nhưng do Nhật Bản viết)

Cả hai hệ thống này hiện đang làm việc tại Công ty than Mạo Khê

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 36

V CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1 Cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống

1.1 Cơ sở chung thiết kế hệ thống

Các vấn đề về cơ sở khi thiết kế hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò đã được đặt ra như sau:

‰ Tính mở của hệ thống: cho phép mở rộng, nối ghép thêm các loại thiết bị khác nhau và phát triển thêm các chức năng phần mềm quản lý, điều hành chung trên cùng hệ thống Ngoài ra hệ thống cũng cần sử dụng công nghệ tiên tiến phù hợp với xu thế phát triển trong tương lai

‰ Tính linh hoạt của hệ thống: hệ thống phải cho phép dễ dàng loại bỏ các thành phần trong hệ thống phù hợp với yêu cầu thực tế trong khai thác hầm lò cũng như dễ dàng thay đổi, mở rộng hệ thống, quản lý và cấu hình lại hệ thống tùy vào điều kiện của cơ sở ứng dụng

‰ Tính đa dạng trong truyền thông: hệ thống phải hỗ trợ nhiều môi trường truyền thông khác nhau như dùng dây dẫn điện (Profibus, cáp điện thoại, ), cáp quang (Profibus), sóng vô tuyến (radio)

‰ Tính thống nhất: thể hiện trong xây dựng các giao diện phần mềm, giao thức truyền thông giữa các trạm làm việc trong hệ thống

‰ Tính thích ứng: hệ thống phải là một bộ phận trong hệ thống tự động hóa quản lý, điều hành chung của toàn mỏ sau này

Trên cơ sở những yêu cầu đặt ra khi thiết kế hệ thống, chúng tôi đưa ra các tiêu chí nhằm xây dựng mô hình tổng thể chung như sau:

‰ Hệ thống xây dựng trên cơ sở mô hình phân cấp, theo đó được phân thành hai cấp sau:

ƒ Cấp điều hành quản lý: bao gồm hệ thống trạm chủ đặt tại TT điều hành SX và các máy tính được phép truy cập tới dữ liệu trên trạm chủ thông qua mạng LAN

ƒ Cấp thiết bị: Trạm thiết bị đo phân tán (đo, cảnh báo và điều khiển) đặt trong hầm lò (thiết bị cần thiết phải đảm bảo được các yêu cầu về phòng chống cháy nổ và làm việc trong điều kiện khắc nghiệt)

‰ Chức năng của các trạm thiết bị đo phân tán:

ƒ Hoạt động: độc lập trong mạng (cần có nguồn dự phòng trong trường hợp mất điện)

ƒ Đo lường: các thông số được chỉ định, khả năng mở rộng số lượng các điểm đo và nối ghép mạng các đầu đo

ƒ Cảnh báo: tại chỗ và từ xa thông qua tín hiệu còi, đèn, ƒ Điều khiển: các đối tượng (quạt gió, khe gió, )

ƒ Giao tiếp truyền thông: đa dạng theo mô hình phân cấp sử dụng

ƒ Cung cấp các dịch vụ cho phép trạm chủ truy cập, kiểm soát các dữ liệu được phép và cho phép trạm chủ tự động nhận biết khi có trạm thiết bị mới hoạt động trong mạng

ƒ Khả năng giao diện (chỉ thị các số liệu đo) tại chỗ thông qua màn hình tinh thể lỏng, LED hoặc qua thiết bị cầm tay cắm thêm vào khi cần

ƒ Khả năng mở rộng hỗ trợ truyền âm thanh

‰ Yêu cầu về công nghệ truyền thông:

ƒ Dữ liệu truyền qua mạng đảm bảo an toàn trong khoảng cách truyền lớn ƒ Đường truyền: Dây dẫn điện, cáp quang, không dây (radio)

ƒ Trao đổi dữ liệu: giữa các trạm (trạm chủ với các trạm phân tán), truyền âm thanh (tùy chọn)

‰ Công nghệ truyền thông hỗ trợ:

ƒ Dây dẫn điện: như mạng Profibus phục vụ truyền dữ liệu tốc độ cao ƒ Mạng thoại: truyền dữ liệu + âm thanh

ƒ Cáp quang: hỗ trợ truyền dữ liệu + âm thanh, hình ảnh ƒ Vô tuyến: radio truyền dữ liệu + âm thanh, hình ảnh

‰ Phần mềm:

ƒ Cơ sở xây dựng: phần mềm hệ thống mở (như SIMATIC WinCC, Protool Pro) cho phép quản lý và điều hành tập trung cũng như dễ dàng nối ghép với các hệ thống khác

ƒ Xây dựng các giao thức truyền thông thống nhất thông qua phát triển các dịch vụ trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ với các trạm phân tán qua các môi trường truyền thông khác nhau

ƒ Xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý và điều hành

ƒ Xây dựng phương thức quản lý các thông số và các trạm theo mã (Các thông số đo, vị trí đặt điểm đo, trạm thiết bị đo)

ƒ Phần mềm trên trạm chủ: Tự động nhận biết các trạm làm việc, cho phép cấu hình dễ dàng các trạm mới

ƒ Phần mềm trên trạm phân tán: cung cấp kịp thời các dịch vụ khi trạm chủ yêu cầu, thực hiện việc đo và cảnh báo độc lập với việc điều hành, giám sát của trạm chủ

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 38

1.2 Quan điểm thiết kế hệ thống thiết bị đo phân tán

™ Quan điểm thiết kế trạm điều khiển khu vực

Trạm điều khiển khu vực (hay trạm làm việc - workstation) là một trạm con nằm trong hệ thống SCADA tổng thể (đây là phần thiết kế thêm so với đăng ký ban đầu của đề tài, xuất phát từ nhu cầu thực tế của người sử dụng) sẽ phụ trách một khu vực khai thác xác định – dùng cho các phân xưởng, do đó trạm làm việc cần có các chức năng chính như sau:

+ Mỗi trạm làm việc quản lý được 8 điểm đo (có thể mở rộng thành 16 điểm)

+ Số liệu tại các điểm đo có thể đọc được dễ dàng, dễ sử dụng

+ Có tính mở: có thể kết nối vào hệ thống lớn, có thể làm việc độc lập, có thể thêm bớt các tính năng một cách dễ dàng

+ Việc truyền tín hiệu đi xa có thể dùng: hữu tuyến (cáp quang, đường điện thoại) hoặc vô tuyến

+ Có khả năng tích hợp với các hệ thống thông tin khác trong mỏ (ví dụ thông tin liên lạc)

+ Mỗi trạm có thể kết nối vào một máy tính để quản lý và lưu trữ số liệu của khu vực mình quản lý

+ Trạm làm việc tự xác định được có bao nhiêu điểm đo hiện đang nối vào ™ Quan điểm thiết kế điểm đo

Điểm đo được đặt ở những vị trí cần theo dõi như các cửa thoát gió, các khai trường, Do đó, quan điểm thiết kế mạch cho các điểm đo của chúng tôi là:

+ Có thể đo và giám sát được 8 (hoặc nhiều hơn) thông số: Nồng độ khí CH4, COx, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, lưu lượng gió,

+ Kết quả đo lường được truyền về trạm làm việc

+ Việc cảnh báo được thực hiện tại chỗ và truyền về trạm làm việc

+ Có thể tự ra lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành hoặc nhận lệnh từ trạm làm việc hoặc TTĐK đưa tới

™ Quan điểm thiết kế máy đo cầm tay

Sau khi đi khảo sát chúng tôi thấy rằng nhu cầu về hệ thống đo chưa bức bách như các thiết bị đo khí nhanh (máy đo cầm tay) nên chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thiết bị đo khí mêtan cầm tay Qua tìm hiểu thực tế yêu cầu của người sử dụng về thiết bị đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay chúng tôi đưa ra các quan điểm thiết kế thiết bị như sau:

+ Thiết bị phải làm việc chính xác, độ tin cậy và độ an toàn cao

+ Số liệu đo được phải dễ đọc và phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam

+ Thiết bị phải gọn nhẹ, chắc chắn