“Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò ppt

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 quyền 2001-2004, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa


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

STT Tên Ghi chú
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 nh
ững người làm nghên cứu Khoa học Công nghệ, đồng
thời phản ánh tính thời sự cấp bách của đề tài.
Tuy thời gian thực hiện không dài nhưng đề tài đã đưa ra đuợc nhiều kết quả
nghiên cứu đáng kể cả về mặt khoa học, công nghệ và cả về mặt ứng dụng thực

tiễn. Sau đây là một số kết quả nghiên cứu chính:
1. Đã khảo sát t
ương 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 thiế
t 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 l
ại 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.




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

VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

3

MỤC LỤC
PHẦN I : MỞ ĐẦU 5
I. GIỚI THIỆU CHUNG 5
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6
PHẦN II : NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO 7
III. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 7
IV. CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ NGHIÊN CỨU 9
1. 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
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

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


Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

5

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 đồ
ng, 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 nhiề
u vào khai thác hầm

lò, còn sản lượng khai thác than lộ thiên ngày càng giảm. Khi triển khai vào khai
thác hầm lò thì luôn có nguy cơ xẩy ra các hiểm hoạ như: cháy nổ khí mêtan, bục
nước, sập hầm lò,… Trong các hiểm hoạ trên thì hiểm hoạ cháy nổ khí mê tan là
khủng khiếp nhất bởi vì nó xẩy ra rất nhanh trong một diện rộng với nhiệt độ và áp
suất ở mức rất cao (có thể lên tới 2650
o
C và 10at), do đó không có ai đang ở trong
vùng xẩy ra hiểm hoạ lại có thể sống sót được. Trên thế giới cũng như ở Việt Nam
vẫn thường xẩy ra hiểm hoạ cháy nổ khí mêtan. Vụ cháy nổ khí mêtan ngày
11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và
12 người bị thương là nghiêm trọng nhất. Sau vụ tai hoạ này TVN đã ra các quy
định nghiêm ngặt về vấn đề an toàn lao động trong khai thác hầm lò.
Cũng từ
sau tai hoạ này Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đã
đầu tư nghiên cứu, chế tạo các thiết bị cũng như hệ thống đo khí mêtan trong mỏ
than. Đặc biệt từ tháng 10 năm 2001 VIELINA đã được giao chủ trì thực hiện đề
tài cấp nhà nước mã số KC.03.04: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA
phục vụ an toàn lao động trong khai thác hầm lò. Trong suốt quá trình thự
c hiện
đề tài chúng tôi luôn phối hợp chặt chẽ với TVN và các Công ty thành viên để đảm
bảo sản phẩm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của người sử dụng cũng như các yêu
cầu về an toàn, phòng chống cháy nổ. Mặc dù môi trường đặc thù trong hầm lò rất
khắc nghiệt, nhưng được sự phối hợp giúp đỡ của TVN, các cơ quan chức năng
VIELINA đã thiết kế chế t
ạo được hệ thống đảm bảo các yêu cầu khắc nghiệt đó
và đảm bảo độ ổn định, tin cậy trong quá trình thử nghiệm. Sau đây, chúng tôi xin
trình bày chi tiết về các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài
KC.03.04.

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

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 CH
4
, CO
2
, CO,
NO
x
, SO
x
, H
2
S, t
0
…) 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
và tiến hành thực nghiệm
− Tham khả
o và hội thảo về khoa học liên quan đến Sensor
− Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA

− Thiết kế chi tiết các phân hệ trong hệ thống SCADA (các hệ đo lường, điều
khiển tự động, thông tin, xử lý tín hiệu v.v…)
− Thiết kế phần mềm hệ thống, phần mềm điều khiển, phần mềm xử lý tín hiệu
v.v… Viết các bộ phần mề
m tương ứng
− Trao đổi với Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật, Mỹ v.v… có thể chuyển giao công nghệ
− Hợp tác với 1 mỏ than để thử nghiệm và đưa vào ứng dụng
− Hoàn thiện và tổ chức tổng kết rút kinh nghiệm

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

7

PHẦN II : NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO
III. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Do những vấn đề bức xúc trong việc khai thác trong các hầm lò như phải đảm bảo
an toàn cho người lao động và bảo vệ các đường hầm, các nước trên thế giới hàng
năm đã phải chi những khoản kinh phí lớn cho việc nghiên cứu, lắp đặt, đổi mới
các thiết bị phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò nhằm nâng cao độ an toàn,
ngăn chặn kịp th
ời và giảm thiểu các vụ tai nạn do khí độc hay cháy nổ gây ra. Tuy
nhiên do chi phí lớn, các nước đang phát triển luôn bị tụt hậu so với các nước có
nền công nghiệp đã phát triển trong vấn đề đảm bảo an toàn, có thể thấy hầu hết
các vụ tai nạn cháy nổ lớn đều xảy ra ở các nước có nền kinh tế chậm phát triển do
sử dụng thiết bị công nghệ lạc hậu, độ tin cậ
y 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 thố
ng
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 trườ
ng 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 điề
u 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 tuy
ến 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 x
ảy 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
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

8

vấn đề này. Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa là cơ quan đã sớm phối hợp
với các cơ sở trong Tổng công ty than triển khai những nghiên cứu nhằm giải
quyết vấn đề trên và bước đầu đã đạt được những kết quả khả quan với sự ra đời
của hệ SCADA đầu tiên do Việt nam chế tạo mang ký hiệu DCX-70-1. Tuy nhiên
do vấn đề kinh phí và m
ục đích chính là phục vụ việc nghiên cứu, thử nghiệm ban
đầu mà hệ SCADA này mới chỉ giới hạn ở việc đo khí mêtan trong hầm lò, việc đo
và cảnh báo các khí độc hại khác (như CO
2
, CO, NO
x
, SO
x
, SH
2
, ) còn chưa có
điều kiện thực hiện được. Có thể nói ở trong nước đây là nghiên cứu đầu tiên tiếp
cận đến lĩnh vực này.
 Danh mục một số công trình nghiên cứu có liên quan
− Các bài báo về an toàn mỏ đã được đăng trong tuyển tập các Hội nghị VICA 3
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)
− Thi
ết 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)
− Hệ thống chuẩn khí metal (KHCN - 04 - 04 - 01)
− Các hệ SCADA phục vụ cho bảo đảm môi trường nuôi trồng thuỷ sản (KHCN -
04 - 01)
− Các hệ SCADA phục vụ cho ngành năng lượng, hoá chất, dầu khí đã đưa vào
ứng dụng có hiệu quả (KHCN-04-07, KHCN-04-11, KHCN-04-14)




Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

9

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 kho
ẻ con người hoặc gây nguy hiểm trong
quá trình khai thác. Trong khai thác than, đặc biệt là phương pháp khai thác hầm

lò, thường tạo ra các loại khí độc như: CO, CO
2
, N
2
, NO
X
… Nguy hiểm hơn cả là
khí CH
4
có khả năng gây cháy, nổ rất cao. Ngoài ra trong khi khai thác còn tạo ra
bụi than có thể gây cháy và ảnh hưởng tới sức khoẻ người lao động.
Điều kiện địa chất, công nghệ khai thác, quy mô sản xuất và việc thông gió có ảnh
hưởng tới việc thoát khí cũng như các điều kiện về môi trường trong khai thác hầm
lò. Ở Việt Nam quy mô khai thác hầm lò không lớn, trải dài trên một diện tích
rộng. Việc nghiên cứu được thực hiệ
n ở vùng mỏ hầm lò Quảng Ninh trực thuộc
Tổng công ty than Việt Nam - Đây là vùng khai thác có quy mô công nghiệp, trữ
lượng và sản lượng tương đối lớn.
Sau đây là kết quả nghiên cứu và khảo sát tập trung vào một số mỏ than hầm lò lớn
trong Tổng công ty than Việt Nam bao gồm mỏ than Mông Dương, mỏ than Vàng
Danh và mỏ than Hà Lầm.
 Công nghệ khai thác
Dựa vào cấu tạo, trữ lượng của các vỉa than và tính chất
đá vách, trụ của vỉa than
kết hợp với kinh nghiệm sản xuất, mỏ than Mông Dương đã áp dụng các sơ đồ
công nghệ khai thác khác nhau như khấu than bằng khoan nổ mìn, điều khiển đá
vách bằng phá hoả toàn phần. Trước đây các vỉa than cánh đông I(12), trung tâm
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 v

ới 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 g
ỗ, 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
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

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.
Đố
i với khu tây mỏ than Vàng Danh lại được thông gió nhờ quạt BOKD-1.5; khu
Cánh Gà dùng quạt BOKD-1,1. Các đường lò chuẩn bị được thông gió bằng các
quạt cục bộ CBM–5, CBM–6.
Khảo sát ở mỏ than Hà Lầm cho thấy hiện tại công việc khai thác hầm lò chủ yếu
ở mức –50, các lò chợ được thông gió bằng quạt CTD của Pháp (cũ). Thông gió
các lò chuẩn bị nhờ các quạt cục bộ CBM – 5, T1KW (Trung Quốc).
 Ảnh hưởng của điều kiện môi tr
ường tới các thiết bị phục vụ sản xuất
Các thiết bị trong khai thác hầm lò phải làm việc trong một môi trường vô cùng
khắc nghiệt. Do đó với cùng một loại thiết bị, ngoài các tính năng kỹ thuật như các
thiết bị làm việc trong môi trường bình thường, chúng còn được thiết kế, chế tạo
đặc biệt để đáp ứng được môi trường trong mỏ. Các đặc điểm đặc tr
ưng môi
trường như sau:
¾ Độ ẩm, nhiệt độ
Do đặc điểm của sản xuất thường diễn ra ở sâu dưới mặt đất, nên độ ẩm rất cao (90
÷ 100%), nhiệt độ phụ thuộc vào môi trường và phụ thuộc vào thông gió.
¾ Môi trường hóa học có hoạt tính cao
Trong khi khai thác thường giải phóng ra các nguyên tố, các hợp chất tồn tại dưới
cả 3 dạng: Rắn, lỏng, khí. Các chất này d
ưới 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…

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

11

¾ Môi trường có các loại khí độc, khí cháy nổ
Quá trình khai thác làm giải phóng ra các chất khí như: CO, CO
2
, CH
4
, N
2
, NO,
NO
2
, SO
2
… Đặc biệt nguy hiểm đối với con người là khí CO và nguy cơ gây cháy
nổ rất cao là khí CH
4

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 ch
ưa đầy đủ của các cơ quan chức năng:
Tại Nga
 Ngày 02/12/1997 Tại mỏ than Zyryanovskaya ở phía nam Sebrian, thuộc
vùng mỏ Kuzbass xảy ra vụ nổ khí mêtan làm 61 người chết
 Ngày 10/04/2004 vụ nổ gần đây nhất tại mỏ than Taizhina Liên bang Nga
làm hơn 40 người chết.
Tại Ucraina
 Tháng 4/1998: Tại mỏ than Donestk nổ khí metane làm 74 người chết.
 Ngày 24/5/1999 nổ khí mêtan ở độ sâu 3,482 bộ Anh (1000m) chết 30 thợ
mỏ, 20 người m
ất tích (VASC trích dịch 25/5/99).
 11/3/2000: 13h30 ở mỏ Barakova nổ khí mêtan làm chết 80 người.
Tại Trung Quốc
 Ngày 08/05/2001 một vụ nổ khí mỏ than đã xảy ra ở tỉnh Heilongjiang phía
đông nam Trung Quốc làm 9 người chết, 45 người mất tích (theo China
Central Television – CCTV 08/05/2001)
 Ngày 22/07/2001 khoảng 106 công nhân đã bị mắc kẹt sau vụ nổ khí xảy ra
tại mỏ than ở thành phố Xuzhou, tỉnh Jiangsu phía đông nam Trung Quốc.
Sau khi cứu hộ đã tìm thấy 46 thi thể. (Theo Xinhua News Agency
23/07/2001)

Ngày 25/11/2001 tại mỏ Wangjiying tỉnh Liaoning – Đông bắc Trung Quốc
xảy ra nổ khí CH
4
làm 77 người thiệt mạng (BBC 25/11/2001)
 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
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

12

 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 phả
i 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 28m
3
/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 chế
t 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, c
ũng như công tác an toàn hữu hiệu
Theo các số liệu thống kê của Viện KHCN Mỏ, và đánh giá mức độ nguy hiểm về
khí của Tổng công ty Than Việt Nam kết quả đo khí ở một số mỏ như sau:
¾ Mỏ Thống Nhất
 Khí Nitơ (N
2
): Hàm lượng thay đổi từ 4,7 ÷ 99,34%
 Khí cháy nổ (H
2
và CH
4
): Hàm lượng thay đổi từ 0,00 ÷ 94,91%; Độ chứa
khí 0,00m
3
/T ÷ 15,832m
3
/T
 Khí Cacbonic(CO
2
): Hàm lượng thay đổi trong khoảng 0,00 ÷ 33,57%; Độ
chứa khí: 0,00m
3
/T ÷ 1,602m
3
/T.
 Trong khoảng đất đá vây quanh, hàm lượng khí nổ (H
2

+ CH
4
) trong khoảng
13 ÷ 82%, độ chứa khí 0,059 ÷ 4,279 m
3
/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 đ
iều 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

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

13

cúp bị cháy, khí CH
4
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 m
3
/T. Với độ chứa khí
như vậy khi xuống sâu và khai thác vào các vỉa than mới không tránh khỏi việc

thoát khí hàm lượng lớn vào các gương lò, dẫn đến nguy hiểm nổ cháy.
Được Liên xô (cũ) hỗ trợ về kỹ thuật, thiết bị. Với trang thiết bị hệ thống thông gió
bảo đảm an toàn cho mỏ hoạt động với công suất lớn nên có điều kiện đưa khí CH
4

ra ngoài. Nhưng mức khai thác hiện nay đã xuống sâu –97,5m nên thường xuyên
xuất hiện khí CH
4
ở hàm lượng cao. ở lò thông gió đạt đến 0,5% và đào thượng
đến 2,5÷6% ở giới hạn nổ rất nguy hiểm. Kết quả đo đạc được thống kê ở sổ đo
khí của mỏ cho thấy: nếu không được thiết kế điều chỉnh thông gió tốt, khí CH
4
có
thể thoát ra đến giới hạn gây cháy nổ khi có nguồn lửa hở.
¾ Mỏ Mạo Khê
Từ những năm 1994 về trước đo đạc ít thấy xuất hiện khí CH
4
. Đặc biệt thời gian
gần đây mỏ đã khai thác xuống dưới (+0); khí mêtan xuất hiện thường xuyên ở các
lò chợ và lò chuẩn bị từ 0,25÷1%, trong đó khí của mỏ. Gần đây khi nghiên cứu đề
tài mẫu khí ở khu vực lò chợ 9T đã vượt giới hạn cho phép 1%, khí các lò chuẩn bị
trong than cao hơn mức độ cho phép 2%. Nguy hiểm hơn nữa khi không được
thông gió hàm lượng khí CH
4
nằm trong giới hạn cháy nổ. Đặc biệt tai nạn ngày
11/01/1999 đã để lại những hậu quả khủng khiếp và là một minh chứng cho việc
mất cảnh giác trong việc phòng chống cháy, nổ khí CH
4
. 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 CH
4
ít xuất hiện. Theo kết quả đo đạc gần đây
1996-1997 theo sổ đo khí của mỏ, kết quả cho thấy khí CH
4
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 CH
4
.
¾ Mỏ Hà Lầm
Việc khí CH
4
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 CH
4
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 CH
4
, 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
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

14

 Các công tác bảo đảm an toàn
Qua khảo sát thực tế các tại các mỏ lớn của vùng than Quảng Ninh như Mông
Dương, Hà Lầm, Vàng Danh và Mạo Khê cho thấy: Những năm gần đây, do yêu
cầu tăng sản lượng, các mỏ đã chú trọng đầu tư trang thiết bị mới cũng như đầu tư
khai thác theo các công nghệ phù hợp nhằm bảo đảm năng suất khai thác và nâng
cao độ an toàn khi xuống sâu. Những công tác an toàn về khí cháy nổ
được thực
hiện một cách nghiêm ngặt. Nhưng do khả năng đầu tư có hạn do đó phần lớn các
thiết bị cũ từ thời Liên Xô cũ , thậm chí thời Pháp thuộc, và các thiết bị của Trung
Quốc có độ tin cậy kém vẫn được tận dụng, đó là những nguy cơ phát sinh
cháy,nổ. Mặt khác, công tác an toàn tuy được chú trọng nhưng phần lớn các thiết
bị đo, cảnh báo khí cháy nổ
là các thiết bị sử dụng công nghệ cũ, độ chính xác
không được kiểm tra định kỳ. Đồng thời việc đo kiểm tra nồng độ khí hoàn toàn
thủ công và rời rạc, phụ thuộc hoàn toàn vào ý thức và trách nhiệm của người đo.
Thiết bị đo ở tất cả các mỏ khác phần lớn là các thiết bị xách tay di động, có ưu
điểm như sau:
• Cho phép thay đổi các vị trí đo m
ột cách linh hoạt.
• Chi phí đầu tư thấp
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 k
ỳ (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 (CH
4
) 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 (CH
4
) 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.

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

15

Khí mêtan có thể cháy và nổ khi gặp ngọn lửa trần và nồng độ khí từ (5 ÷ 15)%
(khả năng dễ cháy nổ nhất là 9,5%). Khi có sự cố cháy nổ thì trong hầm lò nhiệt độ

có thể lên tới 2650
o
C và áp suất lên tới 10at.
Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là:
C
m
H
n
+ (m+n/4)O
2
==> mCO
2
+ (n/2)H
2
O
Với khí mêtan ta có phương trình:
CH
4
+ 2O
2


==> CO
2
+ 2H
2
O
Điều kiện cháy nổ của khí mêtan (CH
4
) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nồng độ

của khí Metan (%CH
4
), Oxy (%O
2
), áp suất (at), Nhiệt độ (
o
C) 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
o
C
L.E.L
vol%
U.E.L
vol%
Methane 537 5.0 15
Ethane 515 3.0 15.5
Propane 470 2.0 9.5
Butane 365 1.5 8.5
Bảng 1 : Đặc tính cháy nổ của một số loại khí tự nhiên
Trong ngành than Việt nam hiện nay, sản lượng khác thác ngày càng tăng, nhưng
lượng than lộ thiên ngày một giảm. Do đó chúng ta phải tăng cường hình thức khai

thác than hầm lò. Khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày
càng lớn. Trên thế giới cũng như ở Việt nam trong các năm vừa qua đã xẩy ra rất
nhiều vụ cháy nổ khí làm chết hàng chục, thậm chí hàng trăm người.
Sau tai hoạ ngày 11/1/1999 T
ổng công ty than Việt Nam đã rất quan tâm tới vấn đề
an toàn lao động và phòng ngừa sự cố cháy nổ khí mêtan tại tất cả các mỏ than.
Ngay trong năm 1999 Tổng Công ty Than Việt Nam (TVN) đã trang bị một hệ
thống monitoring của Ba Lan cho mỏ than Mạo Khê. Tiếp sau đó, TVN đã được
chính phủ Nhật Bản trang bị cho một hệ thống monitoring khác và cũng lại triển
khai lắp đặt cho mỏ Mạo Khê (Mỏ có mức độ xu
ất khí cao nhất trong TVN).
Căn cứ vào mức độ và hình thức xuất khí mêtan người ta phân thành các loại mỏ
như
Bảng 2 sau:


Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

16

Loại mỏ theo khí mêtan
Độ thoát khí mêtan tương đối
(m
3
/T.than.ngđ)
I < 5
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 CH
4
tương đối (m
3
/T.ngđ)
TT Mỏ
2002 2003 2004 2005 2010
1 Khu 56 Mạo Khê 12,79 13,18 14,66 15,20 23,88
2 Nam Mẫu 0,17 0,18 0,32 0,10 0,37
3 Vàng Danh (TVD) 0,58 0,56 0,60 0,54 0,68
4 Hà Lầm 1,57 1,68 1,75 1,70 2,64
5 Cao Thắng (BBD) 2,07 1,548 2,19 3,094 4,83
6 Giáp Khẩu 1,829 3,148 3,018 3,126 9,700
7 Thành Công 3,30 3,512 8,600 8,937 14,044
8 Ngã Hai 4,962 7,390 7,480 7,480 14,840
9 Thống Nhất (Lộ Trí) 2,772 2,772 2,772 2,315 4,895
10 Dương Huy 0,124 0,133 0,127 0,137 0,517
11 Khe Chàm 6,724 6,724 11,853 10,978 13,965
12 Mông Dương 0,600 0,595 0,971 0,884 0,971
Bảng 3 : Độ thoát khí mê-tan tương đối
Chúng ta thấy hiện nay chỉ có mỏ Mạo khê được xếp vào mỏ loại III, mỏ Khe

Chàm loại II còn hầu hết là mỏ loại I. Đến năm 2010 thì số lượng mỏ loại II và loại
III tăng lên rất nhiều.
Theo thông tin phân loại mỏ mới nhất (đầu năm 2004) thì mỏ Mạo Khê đã được
đưa lên thành mỏ siêu hạng.
Hiện nay Tổng công ty Than Việt Nam quy định bắt buộc đố
i với các mỏ là phải
đo kiểm soát khí tại tất cả các khu khai thác trong mỗi ca sản xuất, do đó vấn đề
thiết kế hệ thống đo, kiểm soát khí và các thông số môi trường khác trong hầm lò
nói chung và thiết kế các máy đo xách tay là rất cần thiết và bức bách.

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

17

2.3. Vấn đề về môi trường độc hại
 Khí cacbon-monoxit (CO)
CO là một loại khí không màu, không mùi, không vị, tỷ trọng 0,967, tạo ra do sự
cháy không hoàn toàn của các vật liệu có chứa cacbon. Thông thường hàm lượng
khí oxy trong không khí ở dưới các đường hầm khai thác than không cao, nên quá
trình hình thành khí CO một cách tự nhiên và do các vụ cháy nổ rất dễ dàng.
Khí CO là loại khí rất độc hại, người và động vật có thể chết đột ngột khi tiếp xúc
hít thở khí CO, do nó tác dụng mạnh với hemoglobin (Hb, mạnh gấp 250 lần so
với oxy), lấy oxy của hemoglobin và t
ạo 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 nă
m trên thế giới có hàng trăm người bị chết do trúng độc khí CO.
 Khí sulfuroxit (SO
x
)
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 (SO
2
) và một phần rất nhỏ khí sulfurtrioxit (SO
3
)
Khí SO
2
không màu, có vị cay, mùi khó chịu. Trong môi trường ẩm ướt, SO
2
tác
dụng với nước tạo thành dung dịch axit sulfuric (H
2
SO
4
) – là dung dịch ăn mòn
các thiết bị kim loại trong mỏ.
 Khí cacbonic (CO
2
)
Là sản phẩm chủ yếu của quá trình cháy các chất hữu cơ, đặc biệt là than trong mỏ.
Hàm lượng CO
2
lớn có thể gây ngạt cho công nhân và làm tăng nhiệt độ trong mỏ,

ảnh hưởng tới quá trình sản xuất.
Trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò, việc đảm bảo an toàn cho công
tác mỏ là một nhiệm vụ cực kỳ quan trọng, trong đó nhiệm vụ phòng chống sự cố
cháy nổ khí CH
4
luôn luôn được coi là nhiệm vụ hàng đầu. Ngoài ra các điều kiện
vi khí hậu trong mỏ như: Nhiệt độ, tốc độ gió, độ ẩm, chất lượng gió và các loại
khí độc khác có ảnh hưởng trực tiếp đến phát sinh cháy nổ và ảnh hưởng tới sức
khoẻ con người.

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

18

2.4. Vấn đề về thoát khí trong khai thác
Việc thoát khí mêtan ở trong mỏ hiện được thực hiện dưới 3 dạng sau:
 Dạng thoát khí thông thường
¾ Đặc điểm của dạng thoát khí thông thường
Dạng này gồm các hiện tượng thoát mêtan từ các mặt lộ phía ngoài của các than và
đất đá mỏ, từ các khối than được tách khỏi khối nguyên từ các vỉa than tiếp cận đối
với vỉa đang khai thác, từ khoảng trống đã khai thác. Đây là quá trình kéo dài,
đượ
c xác định bởi hiện tượng nhả và lọc khí mêtan ra mặt ngoài của than và đất
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 củ
a 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, bở
i 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 m
3
/phút, cá biệt có trường hợp đạt tới
15÷17 m
3

/phút.

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

19

Để đảm bảo an toàn trong công tác mỏ khi đào lò đến vùng có xì khí mêtan cần
phải áp dụng các biện pháp đề phòng tương tự các biện pháp phòng chống sự phụt
khí và than.
 Dạng phụt khí và than
Đây là dạng xuất khí tập trung tức thời xảy ra trong một thời điểm hết sức ngắn.
Khi đó ở gương lò một lượng khí lớn thoát ra (đến hàng chục ngàn mét khối) đồng
thời một lượng than vụt l
ớn cũng được phụt ra. Sự phụt khí sinh ra ở các đường lò
chuẩn bị, lò chợ cũng như điểm giao nhau giữa vỉa than và lò xuyên vỉa. Sự phụt
khí không những xảy ra những vỉa than có độ kiên cố nhỏ mà còn ở cả những vỉa
than có độ kiên cố lớn. Sự phụt khí đôi khi xảy ra ở những nơi mà điều kiện địa
chất phức tạp (vỉ
a than có nhiều phay phá uốn nếp).
Đối với các vỉa than có góc dốc lớn sự phụt khí xảy ra thường từ trên xuống dưới
theo độ dốc. Song cũng có nhiều trường hợp phụt khí ở gương lò theo phương
hoặc từ dưới lên. Trong quá trình phụt khí ở đường lò bị bẻ gãy tạo ra một lỗ hổng,
mà qua đó khí và than được phụt ra.
Đây là dạng xuất khí nguy hiểm nhất bởi vì: Công nhân làm trong đường lò có thể
b
ị 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 CO
2
, O
2
: 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
môi trường cần kiểm soát là: Khí mêtan, khí CO, CO
2
, tốc độ gió (lưu lượng
gió), nhiệt độ, độ ẩm, O
2
;

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

20

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

Do các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ và điều kiện làm việc đặc biệt
khắc nghiệt nên các thiết bị điện trong khai thác mỏ hầm lò ngoài các công năng
của một thiết bị bình thường, còn được thiết kế, chế tạo để có được kết cấu và vận
hành đảm bảo an toàn, độ tin cậy cao.
3.1. Phân loại thiết bị điện trong hầm mỏ
Việc phân loại thiết bị điện trong mỏ nhằm mục đích giúp cho việc thiết kế, chọn
thiết bị tối ưu. Có nhiều cách phân loại thiết bị điện trong mỏ, theo các tiêu chí
khác nhau. Dưới đây là một số cách
Căn cứ vào nơi đặt, các thiết bị điện được chia làm 2 nhóm:
 Nhóm I: Thiết bị điện sử dụng trong các mỏ hầm lò, trong đó có các mỏ nguy
hiểm về khí và bụi nổ;
 Nhóm II: Thiết bị điện để sử dụng tại những nơi nguy hiểm nổ ở trong nhà và
ngoài trời (nhà và công trình trên mặt bằng mỏ cạnh giếng).

Các thang nhiệt độ
Nhiệt độ tự bốc cháy (°C)
T1
T2
T3
T4
T5
T6
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…;

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

21

 Thiết bị cầm tay: thường xuyên phải cầm trên tay trong quá trình làm việc như:
búa khoan điện, đèn xách tay.
Theo điều kiện “Bảo vệ nổ” các thiết bị điện mỏ được chia ra các loại sau đây:
 Thiết bị điện có vỏ không xuyên nổ
 Thiết bị điện có mạch an toàn tia lửa
 Thiết bị điện tăng cường độ tin cậy chống nổ
 Thiết bị điện được chế tạo đặc biệt
3.2. Các yêu cầu đối với thiết bị điện trong hầm lò
 Vận hành an toàn
Cho bản thân thiết bị cũng như môi trường xung quanh. Vỏ thiết bị phải kín, khít
đảm bảo không cho tia lửa (nếu phát ra từ thiết bị) tiếp xúc với môi trường có khí

CH
4
xung quanh, kết cấu cơ khí phải vững chắc để cách ly các vụ nổ bên trong
cũng như bên ngoài thiết bị. Ngoài ra vỏ thiết bị còn có tác dụng chống lại các điều
kiện khắc nghiệt của môi trường trong hầm lò như: độ ẩm cao, môi trường hoá học
hoạt tính mạnh, bụi dẫn điện, nhiệt độ…
 Độ tin cậy
Trong khi vận hành dưới hầm mỏ, yếu t
ố tin cậy được đặt lên hàng đầu, mọi sai sót
của thiết bị điện đều dẫn đến hậu quả nguy hiểm. Ngoài ra việc sửa chữa, khắc
phục sự cố trong hầm mỏ là hết sức khó khăn.
 Tính cơ động
Do đặc điểm vị trí làm việc luôn thay đổi theo tiến độ khai thác nên các thiết bị
phải được kết cấu sao cho dễ dàng cho việc tháo l
ắp, 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 CH
4
, CO
2
, O
2
và CO trong không khí được tính theo tỷ lệ thể tích
(% vol), hoặc tỷ lệ ppm. Khi nồng độ CH
4
cao thì sẽ gây ảnh hưởng đến môi
trường và có thể gây cháy nổ, còn khi nồng độ khí CO
2

, O
2
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 (CH
4
) 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 CO
2
, H
2
O, NO
3
-
, PO
4
3-
sau một thời gian oxy ban
đầu giảm dần và chuyển sang quá trình ám khí (hoặc yếm khí), các chất khí sinh ra
là CH
4
, CO
2,
N
2

Quá trình hình thành các chất khí này được mô tả như
Hình 1.

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

22










Hình 1 : Quá trình sinh ra khí CH
4
, 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 nă
ng 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 bằ
ng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại (dùng cho đo khí CH
4
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:
CH
4

CO
2

N
2
75
50
25
Thời gian

Háo khí

Yếm khí

Trạng thái ổn định

Nồng độ

Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855

23










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
2 6 8 4 4.7
μ
m
%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