Nghiên cứu xây dựng mô hình tự động hoá thoát nước mỏ than hầm lò

Những yêu cầu chính đối với hệ thống tự động hóa trạm bơm mỏ 25 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRẠM BƠM THOÁT NƯỚC MỎ TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ 27 2.1.. Một số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT -

ĐÀO ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG

MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG HÓA THOÁT NƯỚC

ĐÀO ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG

MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG HOÁ THOÁT NƯỚC

MỎ THAN HẦM LÒ

Chuyên ngành: Tự Động Hóa

Mã số: 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Chí Tình

HÀ NỘI – 2011

cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sỹ Nguyễn Chí Tình Các số liệu, tài liệu trong luận văn là trung thực, đảm bảo tính khách quan, các luận điểm và kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Đào Anh Tuấn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC

1.1 Hiện trạng khai thác than của ngành than tại Quảng Ninh 11 1.2 Công tác thoát nước một số mỏ than hầm lò 13 1.2.1 Công tác thoát nước mỏ Công ty than Mạo Khê – TKV 13 1.2.2 Công tác thoát nước mỏ Công ty than Hà Lầm – TKV 16 1.2.3 Một số hình ảnh của trạm bơm -50 thoát nước mỏ của khu cánh

1.3 Thực trạng công tác cơ điện của ngành than 20 1.4 Chiến lược phát triển ngành than đảm bảo an ninh năng lượng

quốc gia và tính tất yếu của việc tự động hóa quá trình thoát nước mỏ

than hầm lò

22

1.5 Những yêu cầu chính đối với hệ thống tự động hóa trạm bơm mỏ 25

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG TRẠM BƠM THOÁT NƯỚC MỎ TRONG KHAI THÁC

THAN HẦM LÒ

27

2.1 Một số thiết bị dùng điều khiển, kiểm tra và bảo vệ của hệ thống

tự động hóa thoát nước mỏ trong khai thác than hầm lò 27

2.1.4 Một số cảm biến đo lưu lượng 40 2.2 Một số sơ đồ điều khiển tự động trạm bơm thoát nước mỏ than

2.2.1 Sơ đồ điều khiển tự động hoá thoát nước mỏ than hầm lò YAB 42 2.2.2 Sơ đồ điều khiển tự động hóa thoát nước mỏ than hầm lò BAB 50 2.2.3 Sơ đồ điều khiển tự động thoát nước mỏ than hầm lò công suất

cực lớn với chương trình làm việc bằng các chuyển mạch đa năng 55 2.2.4 Sơ đồ điểu khiển tự động thoát nước mỏ than hầm lò công suất

trung bình và lớn với chương trình làm việc bằng Rơle chuyển mạch 56 2.2.5 Sơ đồ điều khiển tự động thoát nước mỏ than hầm lò công suất

trung bình và lớn với chương trình làm việc sử dụng đĩa mô tơ thời

gian

58

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG GRAPH TRẠNG THÁI ĐIỀU KHIỂN

TRẠM BƠM VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN TRẠM BƠM THOÁT

NƯỚC TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ

3.2.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển tự động theo mức nước trạm bơm

03 bơm thoát nước trong mỏ than hầm lò 66

3.4 Xây dựng chương trình điều khiển tự động cho trạm bơm thoát 69

4.2.1 Phương án sử dụng khởi động mềm để khởi động cho các động

cơ trong trạm bơm thoát nước mỏ than hầm lò 77

4.3 Thiết kế hệ thống giám sát quá trình điều khiển bằng TD200 80

4.4 Mô hình hệ thống điều khiển thoát nước mỏ than hầm lò 99

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than

Bảng 1-2: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than

Bảng 1-3: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Hà

Bảng 1- 4: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Hà

Bảng 2-1: Đặc tính làm việc của rơ le phao được nghiên cứu trong

Bảng 2-2: Số liệu thống kê về độ lớn của hệ số ma sát 37 Bảng 2-3: Các thiết bị sử dụng trong thiết trọn bộ tự động hóa hoạt

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Biểu đồ thoát nước mỏ Công ty than Mạo Khê 2009, 2010 15 Hình 1.2: Biểu đồ thoát nước mỏ Công ty than Hà Lầm 2009, 2010 17 Hình 1.3: Sơ đồ cung cấp điện 6KV cho trạm bơm và máy cắt cao áp

Hình 1.4: Trạm bơm thoát nước mỏ than hầm lò tại Công ty than

Hình 1.5: Tủ khởi động mềm cho trạm bơm thoát nước mỏ hầm lò

Hình 2.1: Rơ le phao có xen xin P- 65- C 28 Hình 2.2: a) Cấu trúc b) Sơ đồ cảm biến điện cực эд 30 Hình 2.3: Cảm biến đo mức Signet 2250 và bộ xử lý tín hiệu đo áp

Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển tự động hoá thoát nước mỏ than hầm lò

Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển tự động hoá thoát nước mỏ than hầm lò

Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán điều khiển tự động theo mức nước trạm

bơm 03 bơm thoát nước trong mỏ than hầm lò 67 Hình 4.1: Kỹ thuật khởi động của khởi động mềm 75 Hình 4.2: Kỹ thuật dừng mềm của khởi động mềm 76 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý sử dụng một khởi động mềm dùng cho

trạm bơm thoát nước mỏ than hầm lò có 03 bơm 77 Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý sử dụng 03 khởi động mềm dùng cho

trạm bơm thoát nước mỏ than hầm lò có 03 bơm 78 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý kết nối PLC với khởi động mềm dùng

Hình 4.6: Sơ đồ cách 1 cầu nối giữa các cổng của PLC để khởi động

Hình 4.7: Sơ đồ cách 2 cầu nối giữa các cổng của PLC để khởi động

Hình 4.10: Sơ đồ giao tiếp giữa 1 TD 200 và 1 CPU 82 Hình 4.11: Sơ đồ giao tiếp giữa nhiều TD 200 và nhiều CPU 83 Hình 4.12: Chọn ngôn ngữ và kiểu ký tự hiển thị 84 Hình 4.13: Lựa chọn có cho hiển thị các chức năng thời gian, Force

Hình 4.14: Lựa chọn tốc độ giao tiếp giữa PLC & TD 200 85

Hình 4.15: Chọn số tin nhắn hiển thị và số ký tự hiển thị trên 1 tin

Hình 4.16: Chọn vùng nhớ V dùng để định dạng cho TD200 86

Hình 4.18: Hiển thị giá trị các biến trên PLC và nhập giá trị vào các

Hình 4.19: Hiển thị giá trị 1 biến trên PLC 90 Hình 4.20: Hiển thị giá trị các biến trên PLC bằng tin nhắn trên

Hình 4.21: Chỉnh sửa các giá trị biến của chương trình và mật khẩu

Hình 4.22: Hiển thị giá trị các biến trên PLC và giá trị các biến đã

Hình 4.23: Hiển thị giá trị các biến trên PLC và nhập giá trị vào các

Hình 4.24: Xác nhận yêu cầu của tin nhắn 93 Hình 4.25: Hoàn thành các bước trên định dạng cho TD200 94 Hình 4.26: Bơm mồi hoạt động mồi cho bơm 1 khi mức nước ở mức

Hình 4.32: Bơm 3 hoạt động tốt sau sự cố quá tải bơm 2 (I 1.1) 99 Hình 4.33: Mô hình hệ thống điều khiển thoát nước mỏ than hầm lò

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành khai thác mỏ là một ngành gồm nhiều nghề nặng nhọc, nguy hiểm độc hại và đặc biệt nặng nhọc, nguy hiểm độc hại, trong phương án sản xuất của Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam xác định, từ sau

2015, vùng than Quảng Ninh sẽ phải đáp ứng sản lượng 65-80 triệu tấn, trong

đó, sản lượng khai thác than hầm lò chiếm tới 90-95% Do vậy, vấn đề đặt ra

là phải đẩy nhanh tiến độ xây dựng các mỏ hầm lò mới, đẩy nhanh tốc độ đào

lò xây dựng cơ bản và làm sao tăng nhanh sản lượng khai thác than hầm lò

Tuy nhiên, có một thực tế các mỏ than hầm lò chủ yếu áp dụng công nghệ khai thác bằng phương pháp khoan nổ mìn thủ công, chống giữ bằng cột thuỷ lực đơn, giá thuỷ lực di động và gần đây là giá khung di động Các công nghệ này tuy đã cải thiện hơn so với công nghệ chống gỗ hoặc cột ma sát nhưng vẫn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động mà đặc biệt trong khấu gương, di chuyển cột, chuyển máng cào Hơn nữa, việc khai thác than hiện nay vẫn dựa chủ yếu vào sức người

Để sản xuất than bằng hầm lò hiệu quả, tiến tới nâng cao sản lượng theo đúng quy hoạch phát triển của Tập đoàn, bài toán đặt ra là phải giải quyết tốt 4 điều kiện: giảm tổn thất tài nguyên, nguồn nhân lực, tăng năng suất, sản lượng và quan trọng nhất là yếu tố an toàn - mục tiêu hàng đầu của ngành than Vì thế, việc đổi mới công nghệ là yếu tố quan trọng trong những năm tới, đặc biệt là công nghệ khai thác, cơ giới hoá và tự động hoá từng phần trong khai thác là con đường tất yếu, mở ra triển vọng mới cho ngành khai thác than Việt Nam, góp phần nâng cao mức độ tập trung hoá sản xuất trong các hầm lò, giảm tổn thất tài nguyên và đặc biệt đảm bảo an toàn cho người lao động

3 Đối tượng nghiên cứu

Nếu xét toàn bộ công nghệ khai thác than hầm lò là rất phức tạp không thể

xử lý được trong đề tài này, vì vậy trong luận văn này chỉ nghiên cứu tự động hoá khâu thoát nước của mỏ khai thác than hầm lò

4 Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu, đánh giá tình hình thoát nước tại các mỏ than hầm lò tại tỉnh Quảng Ninh

Sử dụng PLC S7 – 200 điều khiển trạm bơm thoát nước trong khai thác than hầm lò

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển thoát nước mỏ than hầm lò

5 Phương pháp nghiên cứu

Từ thực tế hoạt động của các trạm bơm thoát nước trong các mỏ than hầm lò tại Quảng Ninh, xây dựng mô phỏng hệ thống điều khiển trạm bơm thoát nước mỏ than hầm lò trên phần mềm simulation PLC của Siemens

Giám sát quá trình điều khiển bằng TD 200

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu, xây dựng mô hình tự động hoá thoát nước mỏ than hầm lò nhằm giảm bớt sức lao động khỏi công việc nặng nhọc độc hại và phục vụ cho công nghệ khai thác xuống sâu của các mỏ than hầm lò tại Quảng Ninh

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương trình bày trong 103 trang với 55 hình và 7 bảng được kết cấu như sau:

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thoát nước trong các mỏ than tại Quảng Ninh;

Chương 2 Một số thiết bị và sơ đồ điều khiển tự động trạm bơm thoát nước mỏ trong khai thác than hầm lò;

Chương 3 Xây dựng Graph trạng thái điều khiển trạm bơm và lưu đồ thuật toán trạm bơm thoát nước trong khai thác than hầm lò;

Chương 4 Xây dựng mô hình điều khiển trạm bơm ứng dụng PLC

S7-200 và khởi động mềm hệ thống tự động hoá trạm bơm thoát nước trong khai thác than hầm lò

Luận văn “ Nghiên cứu xây dựng mô hình tự động hoá thoát nước mỏ than hầm lò” được hoàn thành với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Chí Tình đã hướng dẫn, định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn cán bộ, nhân viên Tập đoàn Than – Khoáng sản Việt Nam, đặc biệt là các bạn đồng nghiệp tại Ban Cơ điện - Vận tải của Tập đoàn

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo Bộ môn Tự động hoá xí nghiệp mỏ và Dầu khí, Khoa cơ điện, Trường Đại học mỏ địa chất đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong công tác nghiên cứu /

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC TRONG CÁC MỎ THAN TẠI QUẢNG NINH

1.1 Hiện trạng khai thác than của ngành than tại Quảng Ninh

Theo đánh giá của ngành than 90% trữ lượng than của cả nước thuộc về tỉnh Quảng Ninh, vùng khai thác than, chế biến, tiêu thụ than có phạm vi rất lớn, trải dài từ Đông Triều, Uông Bí, Hoành Bồ, Hạ Long và Cẩm Phả Đây chính là đặc điểm hình thành vùng công nghiệp khai thác than từ rất sớm Tuy nhiên, hoạt động khai thác than luôn có những diễn biến phức tạp, gây tác động xấu đến nhiều lĩnh vực

Phương án sản xuất của Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam xác định, từ sau 2015, vùng than Quảng Ninh sẽ phải đáp ứng sản lượng 65-80 triệu tấn, trong đó, sản lượng khai thác than hầm lò chiếm tới 90-95%

Để có được sản lượng nhảy vọt, vượt công suất thiết kế, nhiều đơn vị đã chạy đua lộ thiên hoá dù rằng đã được quy hoạch ấn định là khai thác theo công nghệ hầm lò Trong khi đó, công nghệ khai thác lộ thiên được đánh giá là gây tác hại rất lớn về ô nhiễm môi trường, hạn chế độ sâu khai thác Đến thời điểm này, nhiều mỏ lộ thiên đã âm quá giới hạn cho phép nhưng vẫn tiếp tục khoan thăm dò khai thác, bất chấp những tác hại về cấu tạo địa chất, làm tiền

đề cho những thảm hoạ khác như lở đất, nhiễm mặn và biến đổi sinh thái Ngoài ra, việc đầu tư cơ sở hạ tầng, điều kiện kỹ thuật không tương xứng với tốc độ khai thác tăng chóng mặt nên hậu quả để lại về tác hại môi trường, an toàn lao động đối với khai thác than luôn ở nguy cơ cao

Để đáp ứng nhu cầu than ngày càng tăng, TKV chủ trương phát triển ngành than bền vững gắn liền với bảo vệ môi trường theo hướng nghiên cứu, ứng dụng công nghệ tiến bộ trong từng công đoạn của quá trình sản xuất

mang lại hiệu quả kinh tế, giảm tổn thất tài nguyên Trong điều kiện khai thác hầm lò ngày càng xuống sâu, thời gian qua, các đơn vị trong tập đoàn đã triển khai cơ giới hóa các khâu như: khấu than, chống lò chợ, vận tải mỏ, thông thoát gió, kiểm soát khí mỏ, đảm bảo an toàn cho người lao động và bảo vệ môi trường trong khai thác hầm lò với 5 vấn đề chính cần tập trung

Thứ nhất, tăng cường nghiên cứu phát triển áp dụng công nghệ, cơ giới

hóa đồng bộ khấu than trong các lò chợ dài, chợ ngắn ở các mỏ than hầm lò với mục tiêu nâng cao năng suất, đồng thời cải thiện mức độ an toàn và điều kiện làm việc cho công nhân

Thứ hai, đẩy mạnh đầu tư các giải pháp kỹ thuật trong các công đoạn như vận tải, thông gió, thoát nước, tự động hóa, môi trường… nhằm nâng cao sản lượng

Thứ ba, tập trung đầu tư nghiên cứu thiết kế, chế tạo nội địa hóa sản phẩm cơ khí, chế tạo máy, thiết bị điện, tự động hóa trong dây chuyền công nghệ sản xuất chính ở các mỏ hầm lò nhằm từng bước làm chủ thiết kế, chế tạo và sản xuất phù hợp với điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ Việt Nam và giảm chi phí nhập ngoại

Thứ tư, tăng cường nghiên cứu dịch động mỏ về mặt địa hình do ảnh hưởng của khai thác hầm lò, ứng dụng các giải pháp công nghệ kiểm soát nước mỏ trong quá trình khai thác mỏ hầm lò Ngoài ra cần nghiên cứu giảm thiểu và hạn chế ảnh hưởng quá trình khai thác mỏ đến môi trường, đảm bảo sản xuất sạch hơn, thân thiện hơn

Thứ năm, tập trung xây dựng tiềm lực khoa học và công nghệ theo hướng phát triển, đội ngũ cán bộ khoa học công nghệ đủ về số lượng, mạnh

về chất lượng, làm chủ máy móc thiết bị công nghệ hiện đại, đạt trình độ khu vực và quốc tế

1.2 Công tác thoát nước một số mỏ than hầm lò

Hiện nay các mỏ hầm lò số liệu quan trắc về thoát nước mỏ được quan tâm, việc đo quan trắc thoát nước mỏ là một công việc thường xuyên của phòng chức năng thuộc các Công ty khai thác than của Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam Nguyên tắc chung thoát nước mỏ than hầm lò là: nước được tập trung về bể thu nước trạm bơm trung tâm và tại đây nước được bơm ra khỏi khu vực khai thác

1.2.1 Công tác thoát nước mỏ Công ty than Mạo Khê – TKV

1.2.1.1 Thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Mạo Khê – TKV

Bảng 1-1: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Mạo

Khê – TKV năm 2009

Tháng

Hầm lò

Lộ Thiên Tổng

Mức +30 Mức Mức Mức Ngầm V1.CB Ngầm V10.C B Ngầm V7.CN -25 -80 -150 1 26965 29354 107854 85674 249847

2 19874 21476 102006 77395 220751

3 24573 52768 104765 73456 255562

4 25437 47123 9789 87659 170008

5 47498 49034 104320 93452 294304

6 56329 48345 108279 96345 7345 316643

7 68759 81756 186575 123654 31274 7423 499441

8 108758 136786 303456 184567 46298 11235 791100

9 87654 153487 332567 201235 76254 72345 10987 934529

10 62453 85437 249876 182315 13265 45286 7243 645875

11 32456 54231 202315 152436 7265 41238 4386 494327

12 27235 36342 172543 131543 7465 31234 3987 410349

Bảng 1-2: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Mạo

Khê – TKV năm 2010

Tháng

Hầm lò

Lộ Thiên Tổng Mức

+30

Mức -25

Mức -80

Mức -150

Ngầm V1.CB

Ngầm V10.CB

Ngầm V7.CN

1.2.1.2 Bố trí các trạm bơm tại Công ty than Mạo Khê

a) Hầm bơm trung tâm -150

- 03 bơm cao áp mã hiệu 350S125, lưu lượng Q = 1260 m3/h, chiều cao đẩy H = 125 m

+ 02 bơm cao áp mã hiệu д 1250/125, lưu lượng Q = 1250 m3/h, chiều cao đẩy H = 125 m

+ 02 bơm cáo áp mã hiệu HACO 350/125, lưu lượng Q = 1260 m3/h, chiều cao đẩy H = 125 m

- 03 bơm hạ áp mã hiệu LT200-125, lưu lượng Q = 160 - 220 m3/h, chiều cao đẩy H = 140 - 105 m

Hình 1.1: Biểu đồ thoát nước mỏ Công ty than Mạo Khê năm 2009, 2010

1.2.2 Công tác thoát nước mỏ Công ty than Hà Lầm – TKV

1.2.2.1 Thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Hà Lầm – TKV

Bảng 1-3: Số liệu thống kê quan trắc thoát nước mỏ Công ty than Hà

1642 57.8

1600 92.7

1580 83.3

1866 16.8

3937 15.5

5819 02.3

4697 56.3

4039 28.8

3003 17.7

2849 70.6

1877 1.04

1515 3.43

1302 9.96

1697 38.9

1724 28.2

1794

86

1944 08.3

4015 69.9

5663 84.9

4697 56.3

3990 61.2

3330 90.1

2814 73.8

1827 0.48

1515 3.43

1287 2.94

1074 4.84

9079.

8

1.2.2.2 Bố trí các trạm bơm tại Công ty than Hà Lầm

a) Bơm thoát nước tại khai trường lộ thiên

- 02 bơm tại khu vực lộ thiên, được đặt trên phà bơm tại moong bắc

- 02 bơm dự phòng mã hiệu LTC450-65x2, lưu lượng Q = 450 m3/h, chiều cao đẩy H = 130 m

b) Bơm thoát nước tại trạm bơm -51

- 08 bơm đặt tại trạm bơm -51:

+ 04 chiếc mã hiệu LTC450-65x2, lưu lượng Q = 450/600 m3/h, chiều cao đẩy H = 130 m, công suất động cơ: B3, B7 250KW; B4 160KW; B8 320KW;

+ 04 chiếc mã hiệu LTC150-55x2, lưu lượng Q = 150 m3/h, chiều cao đẩy H = 110 m, công xuất động cơ 75KW (bơm B1, B2, B5, B6);

1.2.2.3 Biểu đồ thoát nước mỏ Công ty than Hà Lầm năm 2009, 2010

Hình 1.2: Biểu đồ thoát nước mỏ Công ty than Hà Lầm năm 2009, 2010

2.3 Một số hình ảnh của trạm bơm -50 thoát nước mỏ của khu cánh gà thuộc Công ty than Vàng Danh

Hình 1.3: Sơ đồ cung cấp điện 6KV cho trạm bơm và máy cắt cao áp hầm

lò tại Công ty than Vàng Danh

Hình 1.4: Trạm bơm thoát nước mỏ than hầm lò tại

Công ty than Vàng Danh

Hình 1.5: Tủ khởi động mềm cho trạm bơm thoát nước mỏ hầm lò tại

Công ty than Vàng Danh

1.3 Thực trạng công tác cơ điện của ngành than

Trong thời gian qua thiết bị máy móc phục vụ sản xuất của ngành than

đã được đầu tư, bổ sung nhưng nhiều nơi vẫn còn sử dụng những trang thiết

bị, công nghệ chưa thuộc loại tiên tiến trên thế giới như:

Thứ nhất: Thiết bị máy móc sử dụng nhiều khâu trong mỏ than hầm lò hiện nay còn lạc hậu, nên một số mỏ hiệu quả kinh tế vẫn thấp Đối với các

mỏ than hầm lò có sản lượng lớn như Vàng Danh, Mạo Khê, Hà Lầm, Mông Dương, Khe Chàm, Thống Nhất đã được đầu tư thiết bị tự động hóa trong khấu than đồng bộ, thiết bị do khí mỏ báo tự động, tuy nhiên hệ thống thoát

mỏ vẫn chưa được tự động hóa Vẫn sử dụng công nhân trực ba ca, theo dõi mức nước trong bể thu nước trung tâm bằng các mức vạch trên thước đo trong

bể nước, nếu nước ở mức cao thì bấm nút điều khiển bơm hoạt động bơm nước ra ngoài mỏ Khi mức nước về mức nước thấp thì bấm nút tắt dừng bơm

Thứ hai: Đối với các mỏ lộ thiên có sử dụng một số thiết bị đơn chiếc hiện đại, song trên toàn bộ dây chuyền sản xuất thì mức độ tự động hóa còn thấp

Thứ ba: Trong công nghệ tuyển than hiện nay Tập đoàn than – Khoáng sản Việt Nam quản lý 8 nhà máy sàng tuyển, trong đó chỉ có nhà máy tuyển than Cửa Ông và Hòn Gai sử dụng công nghệ tuyển nước của Austaria tương đối hiện đại, các nhà máy sàng tuyển khác sử dụng công nghệ và thiết bị lạc hậu Vì vậy khả năng đáp ứng các chủng loại than theo yêu cầu đa dạng của khách hàng còn nhiều hạn chế

Tại một số nước có nền công nghiệp mỏ phát triển, khai thác than, khoáng sản ở độ sâu trên - 500m so với mực thủy chuẩn, việc khai thác đã được cơ giới hóa và tự động hóa hoàn toàn theo chương trình do con người thiết lập theo sản lượng khai thác của mỏ

Từ những nhận xét trên, để phát triển ngành than bền vững, đáp ứng chủng loại, sản lượng, chất lượng than theo nhu cầu của các hộ tiêu thụ than, các khu vực khai thác phải tiến hành áp dụng công nghệ khai thác tiên tiến, ít tổn thất tài nguyên được cơ giới hóa và tự động hóa cao trong quá trình sản xuất

Tuy nhiên, ngành công nghiệp mỏ là một ngành gồm tập hợp nhiều công nghệ sản xuất phức tạp, đặc biệt nguy hiểm, nặng nhọc, độc hại và nguy hiểm nặng nhọc độc hại do điều kiện địa chất phức tạp, không gian làm việc chật hẹp có nhiều khí và bụi nổ, độ ẩm cao, nồng độ PH của nước không đảm bảo… việc cơ giới và tự động hóa các quá trình sản xuất mỏ cần phải được tiến hành từng bước với mức độ khác nhau Để tiến tới thiết lập những hệ thống điều khiển, những dây chuyền tự động hóa với các mức độ ngày càng cao hơn, giảm dần và tách người lao động ra khỏi các yếu tố đặc biệt nguy hiểm, nặng nhọc, độc hại, tăng năng suất, chất lượng và hiệu quả trong khai thác than tại các mỏ Thực hiện định hướng phát triển ngành than theo Quyết định của Thủ tướng Chính phủ số 89/2008/QĐ-TTg ngày 7/7/2008 Phê duyệt Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2015, định hướng đến năm 2025 Ngành than đã thiết kế, áp dụng nhiều tiến bộ kỹ thuật trong khai thác mỏ trong việc thiết lập các hệ truyền động điện tự động cho các mỏ, chế tạo các cảm biến đa dạng cho phép thiết lập các hệ thống bảo vệ tự động đo lường, điều khiển tự động, kiểm tra, thông tin tín hiệu… trên cơ sở các linh kiện điện tử, bán dẫn, vi mạch, vi xử lý, PCL…

Như đã phân tích ở trên, để tiến tới tự động hóa toàn bộ các công nghệ khai thác mỏ là một vấn đề rất phức tạp và rất rộng, đòi hỏi rất nhiều công sức nghiên cứu, do vậy phải tiến hành tự động hóa từng phần, từng bước một Trong khuôn khổ bản đồ án này chúng tôi chỉ đề cập đến vấn đề tự động hóa quá trình thoát nước trong khai thác than hầm lò tại vùng than Quảng Ninh

1.4 Chiến lược phát triển ngành than đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và tính tất yếu của việc tự động hóa quá trình thoát nước mỏ than hầm lò

Theo Quyết định của Thủ tướng Chính phủ số 89/2008/QĐ-TTg ngày 7/7/2008 Phê duyệt Chiến lược phát triển ngành than Việt Nam đến năm

2015, định hướng đến năm 2025 như sau:

“1 Quan điểm phát triển

a) Phát triển ngành than trên cơ sở khai thác, chế biến, sử dụng có hiệu quả và tiết kiệm nguồn tài nguyên than trong nước; đóng góp tích cực vào việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia và đáp ứng tối đa nhu cầu than phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội của đất nước; bảo đảm việc xuất, nhập khẩu hợp lý theo hướng giảm dần xuất khẩu thông qua biện pháp quản

lý bằng kế hoạch và các biện pháp điều tiết khác phù hợp với cơ chế thị trường có sự quản lý của Nhà nước và các cam kết quốc tế của Việt Nam

b) Phát triển ngành than bền vững, hiệu quả theo hướng đồng bộ, phù hợp với sự phát triển chung của các ngành kinh tế khác Phát huy cao độ nội lực (vốn, khả năng thiết kế, chế tạo thiết bị trong nước v.v…) kết hợp mở rộng hợp tác quốc tế, trước hết trong lĩnh vực nghiên cứu, triển khai, ứng dụng công nghệ tiến bộ trong thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng than; đầu tư thoả đáng cho công tác bảo vệ môi trường, an toàn lao động, quản trị tài nguyên, quản trị rủi ro trong khai thác than

c) Đẩy mạnh các hoạt động điều tra, thăm dò, đánh giá trữ lượng than nhằm chuẩn bị cơ sở tài nguyên vững chắc cho sự phát triển ổn định, lâu dài của ngành; kết hợp đẩy mạnh hoạt động đầu tư ra nước ngoài trong lĩnh vực thăm dò, khai thác để bổ sung nguồn than cho nhu cầu trong nước

d) Sớm hình thành thị trường than cạnh tranh, hội nhập với khu vực và thế giới, đa dạng hoá phương thức đầu tư và kinh doanh trong ngành than

đ) Phát triển ngành than gắn liền với bảo vệ, cải thiện môi trường, cảnh quan vùng than; đóng góp tích cực vào sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội và củng cố an ninh, quốc phòng trên địa bàn, đặc biệt là vùng than Quảng Ninh; đảm bảo an toàn trong sản xuất

2 Chiến lược phát triển

Phát triển ngành than Việt Nam trở thành ngành công nghiệp phát triển, có sức cạnh tranh cao, có trình độ công nghệ tiên tiến so với khu vực ở tất cả các khâu thăm dò, khai thác, sàng tuyển, chế biến, sử dụng than, đủ khả năng đáp

ứng về cơ bản nhu cầu trong nước và bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia

3 Mục tiêu phát triển

a) Về thăm dò than: phấn đấu đến năm 2010 thăm dò, đánh giá xong phần tài nguyên nằm dưới mức - 300 m của bể than Đông Bắc, thăm dò tỷ mỉ một phần tài nguyên của bể than đồng bằng sông Hồng; đến năm 2015 thăm

dò, đánh giá xong phần tài nguyên của bể than đồng bằng sông Hồng Đẩy mạnh công tác thăm dò gia tăng trữ lượng than xác minh và nâng cấp trữ lượng hiện có để bảo đảm đủ trữ lượng than tin cậy huy động vào khai thác trong giai đoạn 2008 - 2025

b) Về khai thác than: bể than Đông Bắc và các mỏ than khác (ngoài bể than đồng bằng sông Hồng) phấn đấu đạt sản lượng than sạch khoảng 48 - 50 triệu tấn vào năm 2010; 60 - 65 triệu tấn vào năm 2015; 70 - 75 triệu tấn vào năm 2020 và trên 80 triệu tấn vào năm 2025 Bể than đồng bằng sông Hồng trong giai đoạn đến năm 2010, đầu tư thử nghiệm một số dự án với công nghệ khai thác truyền thống bằng phương pháp hầm lò và công nghệ khí hoá than, than hoá lỏng để làm căn cứ cho việc đầu tư phát triển sau năm 2010

c) Về sàng tuyển và chế biến than: phấn đấu đến năm 2015 phát triển chế biến than theo hướng đa dạng hóa sản phẩm (nhiên liệu đốt trực tiếp, than

dùng cho luyện kim, khí hóa than, nhiên liệu lỏng từ than, nguyên liệu cho công nghiệp hoá chất v.v…)

d) Về bảo vệ môi trường: phấn đấu đến năm 2010 cơ bản ngăn chặn được việc gây ô nhiễm môi trường và ô nhiễm các nguồn nước; đến năm 2015 cải thiện cơ bản các chỉ tiêu chính về môi trường tại các khu vực nhạy cảm (đô thị, khu dân cư, điểm du lịch v.v…), các mỏ phải đáp ứng tiêu chuẩn về môi trường; đến năm 2020 đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn môi trường trên toàn địa bàn vùng mỏ

5 Một số giải pháp thực hiện Chiến lược

Theo quy hoạch phát triển ngành than, tới năm 2015, Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam sẽ chấm dứt khai thác than lộ thiên tại khu vực Hòn Gai Cụ thể, các mỏ Núi Béo, Hà Tu, Xí nghiệp 917 sẽ chuyển sang khai thác bằng phương pháp hầm lò Trong khi đó, cũng theo quy hoạch sản xuất than, đến giai đoạn 2020-2025, để đáp ứng nhu cầu về than ngày càng tăng cao, Tập đoàn sẽ phải phấn đấu để đáp ứng sản lượng lên tới 100 triệu tấn than (thay vì 80 triệu như chỉ đạo trước đây) Có nghĩa, cứ sau chu

kỳ 5-6 năm, sản lượng than so với hiện thực khai thác phải tăng lên gấp đôi, hoặc gần gấp ba

Để đảm bảo sản lượng than khai thác trên, phương án sản xuất của Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam xác định, từ sau 2015, vùng than Quảng Ninh sẽ phải đáp ứng sản lượng 65-80 triệu tấn, trong đó, sản

lượng khai thác than hầm lò chiếm tới 90-95% Do vậy, vấn đề đặt ra là phải đẩy nhanh tiến độ xây dựng các mỏ hầm lò mới, đẩy nhanh tốc độ đào lò xây dựng cơ bản và làm sao tăng nhanh sản lượng khai thác than hầm lò?

Để sản xuất than bằng hầm lò hiệu quả, tiến tới nâng cao sản lượng theo đúng quy hoạch phát triển của Tập đoàn, bài toán đặt ra là phải giải quyết tốt 4 điều kiện: giảm tổn thất tài nguyên, nguồn nhân lực, tăng năng suất, sản lượng và quan trọng nhất là yếu tố an toàn lao động - mục tiêu hàng đầu của ngành than Vì thế, việc đổi mới công nghệ là yếu tố quan trọng trong những năm tới, đặc biệt là công nghệ khai thác, cơ giới hoá và sau đó là tự động hoá trong khai thác là con đường tất yếu, mở ra triển vọng mới cho ngành khai thác than Việt Nam, góp phần nâng cao mức độ tập trung hoá sản xuất trong các hầm lò, giảm tổn thất tài nguyên và đặc biệt đảm bảo an toàn lao động cho người lao động

Tiến tới việc sản lượng khai thác than hầm lò chiếm tới 90-95%, mức

độ xuống sâu ngày càng lớn vấn đề thoát nước trở nên rất quan trọng trong công nghệ khai thác, nó đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, thiệt hại sẽ vô cùng to lớn và không thể lường trước được thiệt hại khi mỏ bị ngập Để đảm bảo thoát nước một cách có hiệu quả, đảm bảo an toàn lao động cho người lao động, hệ thống thoát nước mỏ cần phải được tự động hóa

1.5 Những yêu cầu chính đối với hệ thống tự động hóa trạm bơm mỏ

- Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và thiết bị đang làm việc trong

mỏ

- Đảm bảo được các thao tác tự động theo qui trình công nghệ thoát nước

- Tự động khởi động và dừng bơm theo mức nước trong bể chứa

- Thực hiện các dạng bảo vệ cho động cơ và máy bơm

- Giảm đáng kể số người tham gia vào quá trình quản lý sử dụng cho hệ thống thoát nước

- Thông tin tín hiệu đầy đủ về trạng thái làm việc bình thường, sự cố của trạm bơm cũng như mức nước trong bể chứa

- Phải đảm bảo an toàn nổ, an toàn tia lửa đối với các thiết bị dùng trong mỏ có nguy cơ nổ

- Dễ dàng ghép nối với các quá trình khác trong công nghệ khai thác

mỏ

Để đánh giá được đầy đủ thiết bị, cũng như các sơ đồ tự động quá trình thoát nước mỏ đã có ở Việt Nam chúng tôi sẽ trình bày ở các chương sau

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRẠM BƠM THOÁT NƯỚC MỎ TRONG

2.1.1 Một số thiết bị đo mức nước

Các thiết bị đo mức nước được sử dụng trong các trạm bơm thoát nước

mỏ để đo sự thay đổi mức nước trong bể chứa Theo dạng phần tử nhạy cảm người ta chia ra làm nhiều loại khác nhau được lựa chọn phụ thuộc vào đặc điểm tính chất hoá lý của nước mỏ, địa chất thủy văn mỏ, cấu trúc buồng trạm bơm và phạm vi dao động của mức nước trong bể chứa

2.1.1.1 Rơle mức nước kiểu phao

Khi thiết kế rơ le phao chúng ta cần tiến hành xác định: Sự phụ thuộc giữa lực nâng của phao là lực ngược, vật liệu chế tạo và độ tin cậy làm việc của chúng Trong các hệ thống tự động hóa thoát nước người ta thường sử dụng rơ le phao kiểu : P-65 và P-65 C Khi phạm vi thay đổi mức nước trong bể chứa lớn dùng rơ le này thuận lợi, kết hợp với truyền động sen sin đảm bảo cho việc ứng dụng rơ le này trên các mỏ, nhà máy tuyển khoáng, nhà máy luyện kim tỏ ra có nhiều ưu điểm hình 2.1

Lực nâng tương ứng trong rơ le phao được xác định bằng phương trình: Pph + P ng + P cm – P1 – H1q = V1 

Png lực tác động ngược được xác định bằng thực nghiệm [KG]

P1 đối trọng của phao [KG]

Hình 2.1 Rơ le phao có xen xin P- 65- C

 H1 sự thay đổi mức nước trong bể chứa (m)

Ở đây Pph trọng lượng phao, Pcm lực chuyển mạch tiếp điểm được xác định bằng thực nghiệm [KG]

q trọng lượng 1m cáp [Kg]

V1 thể tích của phao chiếm chỗ nước [m3]

Phương trình cân bằng lực của hệ phao- đối trong khi nước dâng lên trong bể chứa

S1 = P1 + H1 x q – (Pph – V)

Lực ngược S1 khi chuyển mạch tiếp điểm được xác định bằng thực nghiệm

Phương trình cân bằng phao - đối trọng khi mức nước trong bể chứa giảm

Giới hạn đ/c m Sai số m

Kết cấu

tiếp điểm

Số lượng

Dạng tiếp điểm

PM 51

2 cặp tiếp điểm

không khí

động đảm bảo độ tin cậy trong vận hành cho phép sử dụng rơ le điện cực thay thế rơ le phao

Trên hình 2.2 là cấu tạo của cảm biến điện cực д và sơ đồ sử dụng nó

để đóng ngắt mạch điều khiển thiết bị thoát nước, đĩa chì là phần tử tiếp xúc với nước, đĩa đặt trong xi lanh với cáp đầu vào, để đảm bảo độ tin cậy trong công nghệ mỏ người ta sử dụng rơ le điện cực mà trong đó cảm biến được đấu trực tiếp vào mạch cuộn dây rơ le điện từ, hoặc đấu qua bộ khuếch đại

Rơle điện cực có cảm biến đấu trực tiếp có kết cấu đơn giản, nhưng có một vài sai số khi xác định mức nước trong bể chứa

Sự làm việc tin cậy của dạng cảm biến này được xác định bằng sự tính toán đúng các tham số của sơ đồ mà trong đó số liệu cho ban đầu là: Điện trở cực đại của mạch cảm biến, độ dẫn điện riêng của nước mỏ và giá trị cực tiểu của hệ số dự trữ

Hình 2.2: a) Cấu trúc b) Sơ đồ cảm biến điện cực эд

Hệ số dự trữ được xác định bằng biểu thức

Ở đây I lv – Dòng điện làm việc của rơ le điện từ [A]

Ihd - Dòng điện hoạt động của rơ le [A]

Độ dẫn điện riêng được xác định theo hàm lượng muối xác định theo phương trình

Sc hàm lượng muối mg/l

A hệ số chuyển đổi

Chuyển đổi nhiệt được xác định từ biểu thức:

t = 18 [1 + 0.023 (t- 10ºC]

Độ dẫn điện riêng của nước được dao đọng trong giới hạn rộng

Nước cất có độ dẫn điện riêng  = 0,04 10-4

cm

 1

Nước mỏ quặng LX Tuybixi  = 4-12 10-4

cm

 1

Nước mỏ Việt Nam = (15- 32).10-4

cm

 1

Khi tính toán không có số liệu ta lấy  = 20.10-4

cm

 1

Điện trở suất của đá mỏ vượt đáng kể điện trở suất của nước mỏ và không tính toán cảm biến điện cực

Nghiên cứu các cảm biến điện cực chúng ta kết luận:

a) Trong công nghiệp mỏ người ta sử dụng phổ biến rơ le điện cực có cảm biến nối trực tiếp với mạch rơ le điện từ làm việc tốt khi thoát nước mỏ nhiễm bẩn, thuận lợi cho việc chỉnh định rơ le với độ chính xác cao

b) Điện trở tương đương trong các điện cực phụ thuộc phức tạp vào kých thước của chúng, độ dẫn điện riêng và được xác định bằng thực nghiệm

Rơ le điện cực cần phải lựa chọn theo dòng hoạt động và khoảng cách giữa chúng được đặt trong bể chứa thoát nước tự động

c) Rơ le điện cực khi dùng với rơ le điện từ có độ nháy thấp thường kết hợp với chuyển mạch không tiếp điểm tranzito hoặc khuếch đại từ

d) Thử nghiệm vận hành thiết bị thoát nước tự động dùng cảm biến điện cực đo từ xa mức nước trong bể chứa là thuận lợi

Trong công nghiệp mỏ thường sử dụng rộng rãi rơ le mức nước khác nhau đảm bảo độ chính xác và sự làm việc liên tục của hệ thống

Phổ biến trong công nghiệp mỏ là rơ le phao và rơ le điện cực có nối cảm biến trực tiếp với rơ le điện từ nâng cao độ tin cậy làm việc của chúng trong điều kiện địa chất thủy văn khác nhau của mỏ và tính chất hoá lý của nước mỏ Sử dụng rơ le dạng này trong điều kiện hút nước mỏ bẩn yêu cầu phải thử nghiệm bổ sung

2.1.1.3 Cảm biến đo mức Signet 2250

Cảm biến Signet 2250 dùng để đo mức có thân bằng nhựa đúc PVDF, màng ngăn sứ do đó có thể hoạt động tốt trong môi trường chất lỏng ăn mòn Signet 2250 loại trừ được tín hiệu lỗi từ hơi nước ,bọt hay bất kì một mảnh vụn trên bề mặt chất lỏng Cảm biến Signet 2250 cung cấp độ chính xác vượt trội, tín hiệu ra kỹ thuật số hay điện từ 4 đến 20 mA, độ chính xác ±32µA, nhiệt độ hoạt động từ 15 tới 85°C, độ sâu đo đến 10 m nước, áp suất hoạt động tới 7 bar Kết hợp với bộ xử lý tín hiệu đo áp xuất Signet 8450

Cảm biến đo mức Signet 2250

Bộ xử lý tín hiệu đo áp mức Signet

8450

Hình 2.3: Cảm biến đo mức Signet 2250 và bộ xử lý tín hiệu đo áp xuất

Signet 8450 2.1.1.4 Cảm biến đo mức Sensys Model PLN

Hình 2.4: Cảm biến đo mức Sensys Model PLN

Cảm biến này đo được độ sâu đến 350m nên có thể đo được tại các giếng sâu có áp xuất cao sử dụng cáp polyurethane thông hơi, không thấm nước

Cổng ra 4 ~ 20mA, máy đo có độ chính xác 0,15%, đường kýnh: PLN (Φ21), PLA (Φ27), đầu đo được làm thép không gỉ (316L), Nhiệt độ hoạt động trong phạm vi 20 ~ 800C

2.1.2 Một số thiết bị đo áp lực

2.1.2.1 Rơ le áp lực

Rơ le áp lực là một trong số các phần tử cơ bản của sơ đồ điều khiển tự động thiết bị thoát nước mỏ Rơ le áp lực sử dụng các phần tử nhạy cảm khác nhau pit tông nén chặt, pit tông không nén chặt, xi phông và màng mỏng

Rơ le áp lực với pit tông nén chặt và màng mỏng đảm bảo độ chính xác bảo vệ thủy lực trong điều kiện phải thay đổi áp lực lớn

Độ chính xác cao hoạt động của rơ le áp lực đạt được nhờ các xi phông nhưng thực nghiệm chỉ ra rằng phạm vi ứng dụng nó trong điều kiện thoát nước mỏ bẩn có chứa hàm lượng axit lớn là bị hạn chế

Màng mỏng mềm chỉ được dùng làm phần tử nhạy cảm để mồi bơm chỉ thị mức nước trong bể chứa v.v

Đơn giản trong kết cấu, thuận lợi trong vận hành do đó các cảm biến áp lực có phần tử nhạy cảm đàn hồi trong hệ thống thiết bị tự động thoát nước được sử dụng rộng rãi

Các phương pháp nghiên cứu rơ le pít tông nén chặt dựa trên việc sử dụng các phương trình toán lý và lý thuyết đàn hồi mà đặc tính tĩnh và động của hệ thống được xem xét

Các phần tử nhạy cảm đàn hồi được sử dụng trong rơ le áp lực là để kiểm tra áp lực trong máy bơm và ống đẩy

Khi lựa chọn dạng rơ le áp lực cần phải tính toán độ chính xác hoạt động của rơ le trong điều kiện dao động áp lực khi tổ máy bơm làm việc

Rơ le áp lực pít tông nén chặt có lợi thế hơn so với dụng cụ tương tự, độ tin cậy làm việc và dải hiệu chỉnh rộng, không phản ứng tức khắc khi thay đổi áp lực

Chúng ta xem xét đặc tính động và tính tĩnh cuả rơ le áp lực đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp mỏ, hình 2.5 mô tả cấu tạo rơ le áp lực pít tông

b) Đặc tính tĩnh

Lực cân bằng được đặt lên pit tông P hướng lên trên và xu hướng dịch chuyển hệ thống chuyển động Sự dịch chuyển của pit tông trong quá trình quá độ dịch chuyển sẽ bị ngăn cản bởi lực đàn hồi của lò xo, lực ma sát và trọng lượng của các chi tiết

3 2

3 3

8K D

d



 - Lực tác động ngược của lò xo hệ tiếp điểm [kg]

F là hệ số ma sát, d1,d2, d3 đường kýnh của pit tông lò xo, lò xo tiếp điểm D1, D2- đường kýnh trung bình của lò xo và hệ thống tiếp điểm (mm)

D Đường kýnh pit tông [cm]

h Chiều rộng của pit tông [cm]

p Áp lực môi trường công tác kg/ cm2

3 3 1 1

3 2

d D k