1. Thực trạng
Sự hình thành nguồn nước và công tác thoát nước trong mỏ than hầm lò
Nước mỏ được hình thành từ nhiều nguồn khác nhau trong lòng đất, bao gồm: nguồn từ các mạch nước ngầm trong đất, nước thẩm thấu từ trên bề mặt xuống từ nước mưa hoặc từ các sông suối, nước từ các túi nước tự nhiên hoặc hình thành trong quá trình khai khoáng trước đó của con người.
Nước mỏ luôn phát sinh trong quá trình khai thác mỏ. Do vậy, các đường lò trong các mỏ than đều có nguyên tắc thiết kế chung là phải có một độ dốc nhất định, hướng về các lò chứa nước tập trung để khi nước sinh ra trong mỏ có thể tự chảy vào các lò chứa nước. Các lò chứa nước thường được bố trí tại khu chân trục để thuận tiện cho việc bơm đẩy nước lên mặt bằng. Dung tích của lò chứa nước từ vài trăm đến vài ngàn (m3) tùy thuộc điều kiện thủy văn và công suất của mỏ. Các lò chứa nước được nối thông với hầm bơm, tại đây có các hệ thống các máy bơm công suất lớn để đẩy nước lên mặt bằng.
Cấu trúc hệ thống bơm thoát nước mỏ
Cấu trúc của mỗi hầm bơm thường được chia thành 2 vùng: khu vực lắp đặt các thiết bị đóng cắt, phân phối nguồn điện cấp cho đông cơ bơm gồm: các tủ phân phối, các khởi động từ hoặc khởi động mềm; khu vực lắp đặt thiết bị bơm nước gồm các máy bơm, động cơ bơm, hệ thống đường ống hút, ống đẩy và các loại van điều tiết.
Nguồn điện cấp cho mỗi hầm bơm thường có tối thiểu 2 lộ đầu vào khác nhau để đảm bảo luôn có một lộ cấp điện và một lộ dự phòng. Hệ thống tủ phân phối vừa có tác dụng đóng/cắt nguồn đầu vào cho các thiết bị khởi động (khởi động từ, áp tô mát…) vừa có tác dụng phân đoạn, điều tiết nguồn điện từ các lộ đầu vào tới hệ thống máy bơm trong trường hợp một lộ nào đó gặp sự cố. Nguồn điện từ cửa ra của tủ phân phối trước khi cấp điện cho động cơ bơm thường thông qua các thiết bị khởi động có công suất tương ứng với công suất làm việc của động cơ. Có một số trường hợp động cơ bơm được khởi động trực tiếp thông qua tủ phân phối. Các động cơ bơm nước hầm lò hiện nay chủ yếu sử dụng loại động cơ trung thế có điện áp làm việc 6kV, một số ít cáo cấp điện áp 660V, nên hệ thống tủ phân phối và các thiết bị khởi động cũng có cấp điện áp làm việc tương ứng.
Các hầm bơm được thiết kế và lắp đặt ở các mức có độ sâu nhất định phụ thuộc vào diện khai thác của từng mỏ. Độ sâu của hầm bơm so với cao độ thoát nước bề mặt từ vài chục đến vài trăm mét. Ví dụ: hầm bơm mức -300 mỏ than Khe Chàm III, các máy bơm đẩy nước trực tiếp từ mức -300 lên mặt bằng +25 nên tổng chiều cao đẩy của máy bơm là 325 mét.
Do chiều cao đẩy của các máy bơm lớn nên cấu trúc và phương thức vận hành hệ thống máy bơm là khá phức tạp. Trên đường ống đẩy ở đầu ra mỗi máy bơm thường lắp 01 bộ van (V2) để thực hiện điều tiết dòng chảy khi khởi động và dừng bơm. Tiếp theo là 1 bộ van một chiều để bảo vệ thiết bị. Song song với van một chiều là 1 van (V3) để lấy nước mồi trong quá trình khởi động bơm. Tiếp theo là các bộ van (V4) để phân nước bơm tới các đường ống đẩy chính, số lượng van V4 ở mỗi máy bơm bằng số đường ống đẩy của hầm bơm. Trên cửa ra của mỗi máy bơm còn có một đồng hồ đo áp suất (P1) dạng cơ khí để hiện thị áp lực trong đường ống đẩy hỗ trợ người vận hành trong quá trình chạy/dừng máy bơm. Ở đầu ống hút có 01 van đáy để ngăn rác vào đường ống và giữ nước trong ống khi dừng bơm. Trên ống hút có 01 van xả (V1) để xả khí trong quá trình lấy nước mồi. Các loại van đều được vận hành đóng mở bằng tay.
Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống bơm nước trong mỏ hầm lò.
Quá trình vận hành bơm
Khi cần chạy bơm, người vận hành phải thực hiện các thao tác: mở van V2 khoảng 20% sau đó mở tiếp van xả khí V1, rồi mở van lấy nước mồi V3, đợi đến khi nào nước mồi được xả đầy vào đường ống hút và bánh công tác của máy bơm thì đóng van V1 lại, tiếp đó là đóng van V3 và khởi động bơm và mở tiếp van V2 khi máy bơm đã vận hành ổ định. Trước khi thao tác chạy bơm thì 1 trong các van V4 đã được mở hoàn toàn để chờ dẫn nước bơm đến đường ống xác định nào đó. Khi dừng bơm, đóng van V2 lại còn khoảng 20% và ấn nút dừng máy bơm, sau đó khóa hoàn toàn van này.
Thời gian để hoàn thành quá trình khởi động một máy bơm thường mất từ 5 đến 10 phút và phụ thuộc vào chiều dài của đường ống hút với điều kiện van đáy kín. Trường hợp van đáy bị hở, nếu bị hở ít thì thời gian lấy nước mồi bị kéo dài ra tỉ lệ với độ hở của van đáy, nếu bị hở nhiều thì không thể khởi động được bơm vì không lấy được nước mồi vào bánh công tác của máy bơm. Lúc này công nhân vận hành phải trực tiếp xuống hố bơm để xử lý sự cố hở van đáy. Trường hợp van đáy bị kẹt và hở nước thường xuyên xảy ra trong quá trình vận hành hầm bơm do trong nước vẫn còn tạp chất từ quá trình khai thác than lẫn vào.
Định hướng giải pháp TĐH
Qua phân tích, đánh giá về thực trạng công tác bơm thoát nước mỏ tại các đơn vị khai thác than hầm lò, MiEATECH đã nghiên cứu, lựa chọn và đề xuất giải pháp trang bị TĐH bơm thoát nước phù hợp với từng điều kiện cụ thể và dựa trên nguyên các tắc chung:
- Cấu trúc của hệ thống phải đảm bảo tính hiện đại, khả năng làm việc tin cậy, ổn định và có tính mở để có thể mở rộng và kết nối với các hệ thống giám sát, điều khiển khác của mỏ.
- Hệ thống giám sát liên tục các thông số vận hành trong hầm bơm như: mực nước trong giếng hút, trạng thái làm việc của các thiết bị giám sát, đo lường, điều khiển, chấp hành và các thông số bảo vệ khác.
- Hệ thống có khả năng vận hành với 3 chế độ khác nhau: vận hành tự động hoàn toàn, giám sát – điều khiển từ xa và vận hành điều khiển tại chỗ.
- Tính toán trang bị TĐH có xem xét sử dụng lại tối đa các thiết bị hiện có của mỏ và chỉ trang bị mới những thiết bị thực sự cần thiết để đảm bảo yêu cầu TĐH và khả năng kiểm soát nguồn nước, tránh đầu tư dàn trải, lãng phí.
2. Giải pháp TĐH bơm thoát nước mỏ
Xây dựng hệ thống giám sát – điều khiển tự động hệ thống bơm nước với kiến trúc điều khiển phân tán (DCS). Các thiết bị của hầm bơm được điều khiển vận hành với 3 chế độ: điều khiển tại chỗ; điều khiển từ xa (trên mặt bằng) và điều khiển tự động.
@ Điều khiển tự động: Các máy bơm được vận hành căn cứ vào giá trị mức mước trong từng hầm bơm. Số lượng máy bơm làm việc phụ thuộc vào việc định lượng mức nước trong hầm. Ngoài ra, hệ thống giám sát liên lục kiểm tra điều kiện làm việc của toàn bộ các thiết bị và thời gian vận hành của máy bơm để ưu tiên vận hành những thiết bị đủ điều kiện vận hành và có thời gian vận hành nhỏ nhất.
@ Điều khiển từ xa: Nhân viên vận hành có thể thao tác điều khiển từ giao diện phần mềm giám sát – điều khiển trên máy vi tính tại phòng giám sát điều khiển tập trung trên mặt bằng để lựa chọn chạy/dừng các tổ bơm. Các thao tác còn lại sẽ do các bộ điều khiển đặt tại hầm bơm tự động xử lý và điều khiển các thiết bị bơm nước theo quy trình được cài đặt sẵn.
@ Điều khiển tại chỗ: Người vận hành có thể thao tác điều khiển trực tiếp trạng thái làm việc của các thiết bị bơm nước (như đóng/mở van khóa, van mồi, van điều tiết, chạy/dừng động cơ điện…) trên các bộ điều khiển tại chỗ đặt tại hầm bơm.
Trạng thái các nguồn điện lưới đầu vào tại trạm điện và hệ thống các tủ phân phối được giám sát và điều khiển từ xa nhằm kiểm soát và cung cấp nguồn điện liên tục cho các máy bơm thoát nước.
Căn cứ vào hệ thống thiết bị hiện có tại các hầm bơm ở các mỏ than hầm lò, giải pháp thực hiện TĐH bơm thoát nước đề xuất trang bị mới và cải tạo một số thành phần thiết bị như sau:
Phần trong lò:
- Mỗi máy bơm được trang bị mới 01 bộ giám sát - điều khiển tại chỗ (GS-ĐKTC) nhằm giám sát và điều khiển trạng thái làm việc của máy bơm đó và các thiết bị phụ trợ tương ứng cho từng máy như các loại van điều khiển, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất...
- Mỗi hầm bơm được trang bị mới 01 bộ giám sát - điều khiển trung tâm (GS-ĐKTT) với chức năng giám sát các thông tin tổng hợp của hầm bơm: mức nước, lưu lượng nước bơm; phối hợp điều khiển vận hành với các bộ GS-ĐKTC; điều khiển hệ thống cung cấp điện; điều khiển hệ thống van điều tiết;…
- Mỗi hầm bơm được trang bị mới 01 trạm kết nối mạng phòng nổ nhằm tổng hợp các tín hiệu từ các bộ GS-ĐKTC, bộ GS-ĐKTT và tín hiệu từ hệ thống camera giám sát; liên tục kết nối, trao đổi dữ liệu với bộ phận giám sát - điều khiển trên mặt bằng để thực hiện giám sát - điều khiển từ xa hệ thống thông qua đường truyền Ethernet bằng cáp quang. Với khu mỏ có trang bị TĐH từ 2 hầm bơm trở lên, hệ thống đường truyền này được thiết kế để tạo thành mạch vòng khép kín (Ethernet Ring) để tăng cường khả năng kết nối truyền thông cho hệ thống.
- Mỗi hố thu nước trong hầm bơm được trang bị mới 01 bộ giám sát mức nước để giám sát liên tục tình trạng mức nước trong hầm bơm.
- Mỗi hầm bơm được trang bị 01 hệ thống bơm hút chân không để làm nhiệm vụ hút chân không để lấy nước mồi vào các đường ống hút và buồng hút máy bơm chính. Sử dụng bơm hút chân không sẽ giải quyết được vấn đề hở van đáy dẫn đến không lấy được nước mồi và không khởi đông được máy bơm.
- Tùy thuộc vào tình trạng hệ thống van hiện có, đề xuất phương án thay thế đồng bộ cả bộ van hoặc chỉ thay thế cơ cấu truyền động cho các loại van của hầm bơm nhằm thực hiện được việc giám sát, điều khiển tự động. Việc thay thế này được khảo sát kỹ lưỡng, đánh giá tình trạng kỹ thuật và thống nhất với các chủ đầu tư nhằm đảm bảo yếu tố kỹ thuật và tránh lãng phí không cần thiết.
- Tùy thuộc vào số lượng máy bơm, số lượng đường ống đẩy của từng hầm bơm sẽ trang bị số lượng các bộ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, thiết bị đo lưu lượng nước bơm các camera giám sát phù hợp nhằm giám sát, đo lường các thông số vận hành và bảo vệ thiết bị.
- Cải tạo phần kết nối tín hiệu truyền thông của các thiết bị đóng/cắt khởi động hiện có: các bộ khởi động mềm phòng nổ hoặc khởi động từ phòng nổ nhằm điều khiển chạy/dừng thiết bị và kiểm soát điện năng tiêu thụ của hệ thống máy bơm.
- Cải tạo phần điều khiển từ xa của các tủ phân phối 6KV để kết nối tín hiệu điều khiển từ xa hệ thống cung cấp điện.
- Trang bị thêm một số thiết bị phụ trợ khác.
Phần trên mặt bằng:
Trang bị hệ thống máy tính với phần mềm giám sát – điều khiển chuyên dụng, thiết bị tập hợp tín hiệu từ trong lò, thiết bị giám sát truyền hình công nghiệp và hệ thống cấp nguồn dự phòng…
Mô hình cấu trúc cơ bản hệ thống TĐH bơm thoát nước mỏ
Phòng giám sát – điều khiển từ xa bơm thoát nước mỏ trên mặt bằng
MiEATECH luôn định hướng nghiên cứu, tìm kiếm những giải pháp công nghệ hữu ích nhất, hiệu quả nhất và phù hợp nhất với mọi điều kiện khó khăn phức tạp của ngành khai thác mỏ ở Việt Nam.
3. Hiệu quả khi trang bị TĐH hầm bơm:
Việc đầu tư trang bị TĐH hầm bơm là rất cần thiết trong điều kiện khai thác mỏ khó khăn và phức tạp hiện nay, bởi nó sẽ mang lại những hiệu quả sau:
1) Nâng cao hiệu quả kiểm soát an toàn vận hành hệ thống bơm thoát nước mỏ:
- Giám sát liên tục các thông số vận hành của hệ thống máy bơm, hệ thống van và đường ống gồm: nhiệt độ động cơ, nhiệt độ máy bơm, áp suất trên các đường hút và ống đẩy nhằm duy trì trạng thái làm việc an toàn cho các thiết bị hầm bơm.
- Bảo vệ thiết bị khỏi các sự cố (sự cố quá nhiệt động cơ, quá nhiệt máy bơm, vỡ đường ống…) Nếu phát hiện bơm đang vận hành bị sự cố, hệ thống sẽ tự động dừng máy bơm bơm sự cố lại, xuất thông tin cảnh báo sự cố và điều khiển chạy máy bơm dự phòng khác nếu cần thiết.
- Trường hợp lượng nước chảy vào hầm bơm vượt quá năng lực bơm thoát nước của hệ thống máy bơm, thiết bị điều khiển sẽ tự động điều khiển khóa dần van thu nước vào hố bơm để duy trì thời gian hoạt động của hầm bơm. Khi nước trong hầm bơm được rút cạn thì van thu nước sẽ được điều khiển mở ra.
2) Cải thiện điều kiện làm việc, điều kiện vận hành thiết bị:
Hệ thống có thể được vận hành với 3 chế độ điều khiển: tự động, từ xa và tại chỗ.
- Ở chế độ điều khiển tự động: hệ thống sẽ tự động điều khiển tăng/giảm số lượng máy bơm nước chạy/dừng theo mức nước trong hầm bơm và tự động phát ra tín hiệu cảnh báo khi phát hiện sự cố bất thường.
- Ở chế độ điều khiển từ xa: nhân viên vận hành có thể điều khiển các tổ bơm từ xa trên máy tính ngoài mặt bằng để chạy/dừng thiết bị. Các thao tác còn lại đều do PLC tự động chấp hành theo một chương trình được lập trình sẵn.
- Chế độ điều khiển tại chỗ: nhân viên vận hành có thể ra lênh điều khiển chạy/ dừng bơm trên các bộ điều khiển tại chỗ khi cần thiết với tho tác nhẹ nhàng, linh hoạt.
3) Nâng cao tuổi thọ cho các thiết bị hầm bơm:
- Các máy bơm được điều khiển vận hành luân phiên nhau, không có thiết bị nào phải vận hành trong thời gian liên tục quá dài nhằm nâng cao tuổi thọ cho thiết bị.
- Liên tục giám sát thông số nhiệt độ của máy bơm và động cơ, cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép, đảm bảo điều kiện làm việc tốt nhất cho thiết bị.
4) Lợi ích kinh tế:
- Giảm nhân công trực vận hành liên tục tại hầm bơm. Chỉ cần kiểm tra hiện trường tại các thời điểm giao ca. Các công việc vận hành còn lại có thể được giám sát – điều khiển trên nhà điều hành sản xuất.
- Cho phép cài đặt thời gian vận hành bơm nước theo thời điểm giá điện thấp, từ đó có thể giảm bớt chi phí tiêu thụ điện năng, nâng cao hiệu quả lợi ích kinh tế.
- Các số liệu về điện năng tiêu thụ của hầm bơm, lưu lượng nước bơm ra khỏi hầm có thể được sử dụng làm cơ sở tính toán hiệu suất máy bơm và suất tiêu thụ điện năng bơm thoát nước mỏ.
- Thống kê, lưu trữ các thông số về lưu lượng nước bơm ra khỏi hầm, mực nước trong hố bơm và thông tin hoạt động của toàn bộ các thiết bị trong hầm bơm, hỗ trợ công tác lập báo cáo, thống kê và tra cứu thông tin.
Tự động hóa giám sát, đo lường và điều khiển các quá trình vận hành bơm thoát nước mỏ không những giúp cải thiện điều kiện làm việc, giảm nhân công lao động trực tiếp, nâng cao hiệu quả sản xuất, mà còn góp phần thống kê, đánh giá rủi ro, cảnh báo sớm và hạn chế các nguy cơ sự cố về nước mỏ, tăng cường công tác giám sát và kiểm soát an toàn. Tự động hóa bơm thoát nước mỏ nói riêng và TĐH, thông minh hóa quá các quá trình khai thác mỏ nói chung là hướng đi đúng đắn, thực hiện theo chủ trương định hướng của TKV, phù hợp với lộ trình phát triển hiện đại hóa của đất nước./.