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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT
=======o0o=======

NGUYỄN CAO KHẢI

TỐI ƢU HOÁ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN
HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
=======o0o=======

NGUYỄN CAO KHẢI

TỐI ƢU HOÁ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN
HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KHAI THÁC MỎ
MÃ SỐ: 9520603

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS TS. Trần Xuân Hà

HÀ NỘI - 2018


3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa
từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác./.
Tác giả luận án

Nguyễn Cao Khải


MỤC LỤC
MỤC LỤC……………………………… ................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................................. 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH ........................ 6

1.1. Đặc điểm chung về quạt gió chính ở mỏ than hầm lò ................................................... 6
1.1.1. Cấu tạo và phân loại quạt gió ......................................................................... 6
1.1.2. Các đƣờng đặc tính của quạt gió chính ............................................................................ 7

1.1.3. Miền sử dụng công nghiệp của quạt ................................................................................. 8
1.2. Chế độ làm việc của quạt gió chính ...................................................................................... 10
1.2.1. Quan điểm chung về chế độ làm việc của quạt gió chính ............................ 11
1.2.2. Xác định chế độ công tác của quạt gió chính khi làm việc độc lập ............. 12
1.2.3. Xác định chế độ công tác của quạt gió chính khi làm việc liên hợp ........... 15
1.3. Tổng quan về tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính ................................ 27
1.3.1. Tổng quan về tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính trên thế giới ........ 27
1.3.2. Tổng quan về chế độ làm việc của quạt gió chính ở Việt Nam ................... 32
1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 35
CHƢƠNG 2: HIỆN TRẠNG THÔNG GIÓ VÀ NHU CẦU GIÓ SẠCH CỦA CÁC MỎ THAN HẦM LÕ
VÙNG QUẢNG NINH ............................................................................................................................... 36

2.1. Đặc điểm khai thác các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh ............................ 36
2.1.1. Đặc điểm chung về vùng than Quảng Ninh .................................................. 36
2.1.2. Hiện trạng khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh ................................... 38
2.2. Hiện trạng thông gió và chế độ làm việc của các quạt gió chính .................... 43
2.2.1. Đánh giá về sơ đồ thông gió ......................................................................... 43
2.2.2. Đánh giá về hiệu quả thông gió mỏ ........................................................................... 49
2.2.3. Đánh giá về chế độ làm việc của các quạt gió chính .................................... 56
2.3. Nghiên cứu xác định nhu cầu gió thực tế cho mỏ............................................ 59
2.3.1. Lƣu lƣợng gió tính toán áp dụng cho các mỏ hiện nay ................................ 59
2.3.2. Mối quan hệ giữa lƣu lƣợng gió cho mỏ với kế hoạch sản xuất .................. 62
2.3.3. Xác định lƣu lƣợng gió thực cho mỏ theo các thời điểm.............................. 69
2.4. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................... 77
CHƢƠNG 3: TỐI ƢU HÓA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ THAN
HẦM LÕ VÙNG QUẢNG NINH ....................................................................................................... 78

3.1. Xác định các tham số tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ............................ 78
3.1.1. Phƣơng pháp xác định chế độ làm việc của các quạt gió chính .................. 78
3.1.2. Xác định các tham số tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt gió .................... 85

ii

3.2. Xây dựng phƣơng pháp luận tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ................. 92
3.2.1. Tối ƣu độ chênh do điểm làm việc với điểm yêu cầu ................................... 92
3.2.2. Tối ƣu lƣợng gió không cần thiết trong giờ không cao điểm ...................... 95
3.3. Lựa chọn phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ............................... 96
3.3.1. Các phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính .......................... 96
3.3.2. Lựa chọn phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính ............... 105
3.4. Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ................... 107
3.4.1. Xây dựng sơ đồ tổng quát .......................................................................... 107
3.4.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ............. 109
3.5. Chƣơng trình giải bài toán tối ...................................................................... 111
3.5.1. Quy trình tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt gió .................................... 111
3.5.2. Thiết lập chƣơng trình giải bài toán tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió . 111
3.5.3. Ứng dụng phần mềm giải bài toán tối ƣu cho một số quạt gió ................. 115
3.6. Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 122
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM TỐI ƢU HÓA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ
CHÍNH Ở MỎ THAN HÀ LÀM ........................................................................................................................

123
4.1. Hiện trạng thông gió mỏ than hà lầm ......................................................... 123
4.1.1. Đặc điểm và hiện trạng khai thác .............................................................. 123
4.1.2. Hiện trạng thông gió mỏ ............................................................................ 124
4.2. Chế độ làm việc tói ƣu của quạt gió .............................................................. 125
4.2.1. Kết quả tính toán chế độ làm việc của quạt gió chính ................................ 125
4.2.2. Chế độ làm việc của quạt gió khi sử dụng biến tần để tối ƣu .................... 127
4.3. Lập quy trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió ................................ 128
4.3.1. Cơ sở lập quy trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió ................... 128

4.3.2. Lập quy trình điều khiển chế độ làm việc của quạt gió ............................. 130
4.4. Kết quả thử nghiệm tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ............................. 140
4.4.1. Kết quả sử dụng biến tần ........................................................................... 140
4.4.2. Đánh giá hiệu quả áp dụng thử nghiệm ..................................................... 141
4.5. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................................... 145
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................................. 146
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NCS CHỦ TRÌ HOẶC THAM GIA .............................................. 148
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................... 150


iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

Chữ viết tắt
AT
CBCNV
CBVTC
CCM
CCMBC
CĐVT-CT
CĐVT-TC
DV
DVVT
ĐG
ĐKSX

HĐKS
HTKH
HTTG
KHTH
KTM
KT
KT1, KT2, …..
LC
NCS
PX
SĐKT
SĐTG
QCVN
TCCP
TG
TKV
TNHH MTV
Tr.Q
XN
XV
XVTG
XVVT

Giải nghĩa
An toàn
Cán bộ công nhân viên
Cánh bắc vỉa khu Thành Công
Cấp cứu mỏ
Cấp cứu mỏ bán chuyên
Cơ điện vận tải Cao Thắng

Cơ điện vận tải Thành Công
Dọc vỉa
Dọc vỉa vận tải
Đánh giá
Điều khiển sản xuất
Hoạt động khoáng sản
Hệ thống khai thác
Hệ thống thông gió
Kế hoạch tổng hợp
Kỹ thuật mỏ
Khai thác
Phân xƣởng khai thác 1, 2 …
Lò chợ
Nghiên cứu sinh
Phân xƣởng
Sơ đồ khai thác
Sơ đồ thông gió
Quy chuẩn Việt Nam
Tiêu chuẩn
Thông gió
Tập đoàn công nghiêp than - khoáng sản Việt Nam
Trách nhiệm hữu hạn một thành viên
Trạm quạt
Xí nghiệp
Xuyên vỉa
Xuyên vỉa thông gió
Xuyên vỉa vận tải


iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1. Tổng hợp số lƣợng các loại quạt gió chính vùng Quảng Ninh .............. 33
Bảng 2.1. Tổng hợp trữ lƣợng than vùng thuộc Quảng Ninh ................................. 39
Bảng 2.2. Kết quả khảo sát lƣu lƣợng gió qua các lò chợ ở một số mỏ ................. 50
Bảng 2.3. Kết quả đo điều kiện vi khí hậu ở một số mỏ than vùng Quảng Ninh ............................ 51
Bảng 2.4. Kết quả đo hàm lƣợng khí ở một số mỏ than vùng Quảng Ninh ........... 53
Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả chế độ làm việc của các quạt gió chính ở một số mỏ .......................... 57
Bảng 2.6. Tiêu thụ điện năng cho khâu thông gió ở một số mỏ than hầm lò ................................58
Bảng 2.7 . Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ
làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại I về khí ........................................69
Bảng 2.8. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ
làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại II về khí.......................................69
Bảng 2.9. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ
làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại III về khí .....................................70
Bảng 2.10. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió các loại lò chợ trong trƣờng hợp nghỉ
làm việc với ngày làm việc đối với mỏ xếp loại siêu hạng .....................................70
Bảng 2.11. Kết quả tính toán giá trị và tỷ lệ của lƣu lƣợng gió các loại lò chuẩn bị
trong trƣờng hợp nghỉ làm việc và ngày làm việc ..................................................70
Bảng 2.12. Kết quả đánh giá sự thoát khí ở ngày nghỉ với ngày làm việc ............ 71
Bảng 2.13. Tỷ lệ lƣu lƣợng gió cho mỏ theo yếu tố lớn nhất so với yếu tố thứ 2 .. 73
Bảng 2.14. Tỷ lệ lƣu lƣợng gió cho mỏ và là chợ, lò chuẩn bị ............................... 74
Bảng 2.15. Tỷ lệ xuất khí CH4 ở một số mỏ than hầm lò vùng Karagandir ........... 76
Bảng 3.1. Kết quả xác định khả năng giảm độ chênh lƣu lƣợng gió giữa điểm công
tác và điểm yêu cầu của một số quạt gió chính vùng Quảng Ninh ......................... 93
Bảng 4.1. Kết quả tính toán lƣu lƣợng gió do trạm quạt mức +29 đảm nhiệm .... 125
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của quạt FBDCZ-8-No30 ........................... 132
Bảng 4.3. Thông số kĩ thuật chính của tủ điện .................................................... 133
Bảng 4.4. Thông số kĩ thuật của cơ cấu thao tác ................................................. 134
Bảng 4.5. Thông số của cuộn dây đóng ngắt điện ............................................... 134

Bảng 4.6. Thông số của động cơ tính năng.......................................................... 134
Bảng 4.7. Thông số của bộ điều khiển bảo vệ ..................................................... 135
Bảng 4.8. Thông số kĩ thuật của biến tần GVF.................................................... 136
Bảng 4.9. Các thông số cài đặt biến tần để tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió . 138
Bảng 4.10. Kết quả tính toán các chỉ tiêu hiệu quả vốn đầu tƣ biến tần.............. 143
Bảng 4.11. Kết quả tính thời gian thu hồi vốn đầu tƣ biến tần ............................ 143
Bảng 4.12: Kết quả đo khí trong ngày nghỉ khi áp dụng biến tần tối ƣu hóa chế độ
làm việc của quạt gió chính mỏ than Hà Lầm.......................................................144


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Giới thiệu điểm công tác (điểm A) của loại quạt hƣớng trục ................... 9
Hình 1.2. Miền sử dụng công nghiệp của quạt ......................................................... 9
Hình 1.3. Đƣờng đặc tính quạt gió 2K56-No24 (n = 1000) ................................... 10
Hình 1.4. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió chính 2K56-No18 .......... 14
Hình 1.5. Đồ thị xác định chế độ công tác của các quạt gió giống nhau làm việc
song song bằng phƣơng pháp đồ thị........................................................................16
Hình 1.6. Xác định chế độ công tác của các quạt gió giống nhau làm việc song
song bằng phƣơng pháp đƣờng đặc tính thu gọn của mạng ngoài ......................... 16
Hình 1.7. Giản đồ xác định các chế độ công tác của quạt gió. ............................... 17
Hình 1.8. Phƣơng pháp đồ thị xác định chế độ công tác của các quạt gió làm việc
liên hợp song song...................................................................................................19
Hình 1.9. Chế độ làm việc của các quạt làm việc nối tiếp ...................................... 23
Hình 1.10. Chế độ làm việc của quạt gió mắc song song gần nhau ....................... 25
Hình 1.11. Sơ đồ làm việc của các quạt gió làm việc song song xa nhau .............. 26
Hình 1.12. Chế độ làm việc của 2 quạt gió làm việc liên hợp song song xa nhau . 27
Hình 1.13. Xác định tối ƣu chế độ làm việc của quạt bằng phƣơng pháp giảm sức cản mỏ30
Hình 1.14. Xác định tối ƣu chế độ làm việc của quạt bằng phƣơng pháp giảm rò

gió ............................................................................................................................31
Hình 1.15. Đồ thị xác định tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió bằng phƣơng pháp
sử dụng quạt có cơ cấu tự điều chỉnh góc lắp cánh của bánh công tác và sử dụng
biến tần ....................................................................................................................32
Hình 1.16. Tỷ lệ các loại quạt gió chính mỏ than hầm lò Việt Nam năm 2017 ..... 33
Hình 2.1. Bản đồ vị trí địa lý tỉnh Quảng Ninh .................................................................... 36
Hình 2.2. Phân bố TLĐC mỏ hầm lò theo chiều dày và độ dốc của vỉa ....................................... 39
Hình 2.3. Phân bố TLĐC theo kích thƣớc đƣờng phƣơng khu khai thác ..................................... 40
Hình 2.4. Phân bố TLĐC các mỏ than hầm lò QN theo hình dạng khu khai thác ..40
Hình 2.5. Giản đồ thông gió khu mỏ Cẩm Thành, Công ty than Hạ Long .............44
Hình 2.6. Giản đồ thông gió khu mỏ Bắc Cọc Sáu Công ty than Hạ Long ............ 45
Hình 2.7. Giản đồ thông gió khu mỏ Hà Ráng, Công ty than Hạ Long ................. 45
Hình 2.8. Giản đồ thông gió khu mỏ Cao Thắng, Công ty than Hòn Gai .............. 46
Hình 2.9. Giản đồ thông gió khu mỏ Thành Công, Công ty than Hòn Gai ............ 46
Hình 2.10. Giản đồ thông gió mỏ Hồng Thái, Công ty than Uông Bí .................... 47
Hình 2.11. Giản đồ thông gió mỏ Mông Dƣơng .................................................... 47
Hình 2.12. Giản đồ thông gió mỏ than Khe Chàm ................................................. 48
Hình 2.13. Giản đồ thông gió mỏ than Hà Lầm ..................................................... 48
Hình 2.14. Mặt cắt thiết kế cửa gió chắn gió cố định, cánh bằng sắt ..................... 54
Hình 2.15. Cửa gió tại thƣợng thông gió mức -100 -:- +32 mỏ than Khe Chàm ... 54


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

Hình 2.17. Biểu đồ đánh giá tỷ lệ điện năng thông gió mỏ TB một số mỏ ............ 59
Hình 2.18. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống cột thủy lực đơn ...................... 63
Hình 2.19. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ phân tầng chống giá thủy lực ............ 63
Hình 2.20. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống giá khung xích ........................ 63
Hình 2.21. Biểu đồ tổ chức sản xuất lò chợ chống giá khung ............................... 64

Hình 2.22. Biểu đồ tổ chức sản SX là chợ CGH chống giữ bằng giàn 2ANSHA .. 64
Hình 2.23. Biểu đồ tổ chức SX là chợ CGH chống giữ bằng giàn VINAANTA ... 64
Hình 2.24. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong đá 2 ca ...................................... 65
Hình 2.25. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong đá 1 ca ...................................... 65
Hình 2.26. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong than ........................................... 65
Hình 2.27. Biểu đồ tổ chức sản xuất đào lò trong than bằng máy Cobai AM-50Z 65
Hình 2.28. Biểu đồ sự xuất khí CH4 trong lò chợ trong những ngày nghỉ ............. 72
Hình 2.29. Tỷ lệ lƣu lƣợng gió cho mỏ theo yếu tố lớn nhất so với yếu tố thứ 2 74
Hình 2.30. Biểu đồ sự xuất khí ở lò chợ trong những ngày làm việc .................... 75
Hình 3.1. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió chính khu Cẩm Thành ......... 80
Hình 3.2. Đồ thị tính toán liên hợp quạt mỏ than Hồng Thái ....................................... 81
Hình 3.3. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt FBDCZ-No20 mỏ Hồng Thái .. 82
Hình 3.4. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt BD-II-4-No11 mỏ Hồng Thái ... 82
Hình 3.5. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt gió 2K56-No24 Khe Chàm .. 84
Hình 3.6. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt gió 2K56-No30 Khe Chàm .. 84
Hình 3.7. Đồ thị xác định chế độ làm việc quạt gió BD-II-6-No16 Khe Chàm ..... 84
Hình 3.8. Xác định độ chênh lƣu lƣợng do điểm làm việc với điểm yêu cầu ....... 93
Hình 3.9. So sánh độ chênh lƣu lƣợng giữa điểm làm việc với điểm yêu cầu ...... 94
Hình 3.10. Biểu đồ đánh giá hiệu quả việc tối ƣu độ chênh giữa điểm làm việc .. 94
Hình 3.11. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió VOA-3.0, n = 750v/ph.. 97
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến tần ............................................ 100
Hình 3.13. Hình dạng một số loại biến tần DANFOSS ....................................... 102
Hình 3.14. Hình dạng một loại biến tần sử dụng ở một số mỏ vùng Q.Ninh .......102
Hình 3.15. Mối phụ thuộc sự thay đổi công suất của động cơ với lƣu lƣợng gió khi
áp dụng các phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió ................................106
Hình 3.16. Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển tự động mạng gió mỏ ..............108
Hình 3.17. Biểu đồ minh họa tối ƣu chế độ làm việc khi sử dụng biến tần ............ 110
Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán chƣơng trình sử dụng biến tần tối ƣu chế độ làm việc 110
Hình 3.19. Giao diện phần mềm giải bài toán tối ƣu hóa chế độ làm việc ...........115
Hình 3.20. Chế độ làm việc của quạt gió chính mỏ than Bắc Cọc Sáu ................116

Hình 3.21. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của
quạt 2K56-No24 mỏ than Bắc Cọc Sáu ................................................................117
Hình 3.22. Chế độ làm việc liên hợp 2 quạt gió chính ở mỏ than Hồng Thái .....118
Hình 3.23. Xác định thông số tối ƣu quạt FBDCZ-8-No20 than Hồng Thái ... .118


vii

Hình 3.24. Xác định các thông số tối ƣu quạt BD-II-4-No12 mỏ Hồng Thái .....119
Hình 3.25. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của
quạt FBDCZ-8-No20 mỏ than Hồng Thái ...........................................................120
Hình 3.26. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của
quạt BD-II-4-No12 mỏ than Hồng Thái ..............................................................121
Hình 4.1. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt FBDCZ-8-No30/2x500kW mỏ
than Hà Lầm khi không sử dụng biến tần .............................................................126
Hình 4.2. Đồ thị xác định chế độ làm việc của quạt FBDCZ-8-No30/2x500kW mỏ
than Hà Lầm khi sử dụng biến tần .......................................................................128
Hình 4.3. Kết quả tính toán các thông số cài đặt biến tần và đánh giá hiệu quả của
quạt FBDCZ-8-No30 mỏ than Hà Lầm ...............................................................129
Hình 4.4. Hình dáng chung của trạm quạt FBDCZ-8-No30/2x500kW ................132
Hình 4.5. Sơ đồ và hình dáng màn hình điều khiển LCD .....................................135
Hình 4.6: Hình dáng hệ thống các tủ điều khiển trạm quạt .................................136
Hình 4.7. Sơ đồ thuật toán chƣơng trình điều khiển tự động chế độ làm việc của
quạt gió FBDCZ-8-No30 ......................................................................................137
Hình 4.8. Sơ đồ chƣơng trình chạy trên Logo cho quạt gió FBDCZ-8-No30 ......139


MỞ ĐẦU
Việc thông gió cho các mỏ hầm lò là một khâu không thể thiếu đƣợc trong
quy trình công nghệ khai thác mỏ hầm lò. Hiện nay các mỏ than hầm lò vùng

Quảng Ninh đóng một vai trò lớn cho việc sản xuất than của nƣớc nhà. Hầu hết các
mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh đang và sẽ phải mở rộng quy mô sản xuất, theo
hƣớng tăng độ sâu khai thác và công suất (Theo quy hoạch phát triển ngành than
tại Quyết định 403/QĐ-Tg của Thủ tƣớng Chính phủ ngày 14 tháng 3 năm 2016
thì: Đến hết năm 2020, hoàn thành công tác thăm dò đến mức -300m và một số
khu vực dƣới mức -300m đảm bảo đủ trữ lƣợng và tài nguyên tin cậy huy động
vào khai thác trong giai đoạn đến năm 2025; Sản lƣợng than thƣơng phẩm sản xuất
toàn ngành trong các giai đoạn của quy hoạch: Khoảng 41 - 44 triệu tấn vào năm
2016; 47 - 50 triệu tấn vào năm 2020; 51 - 54 triệu tấn vào năm 2025 và 55 - 57
triệu tấn vào năm 2030 [6]). Điều này đỏi hỏi phải tăng năng lực thông gió, tăng
công suất hoạt động của các thiết bị quạt gió chính. Khi thiết kế thông gió mỏ hầm
lò, việc xác định chế độ làm việc tối ƣu của quạt gió sẽ đảm bảo an toàn môi
trƣờng, cũng nhƣ giảm đƣợc chi phí điện năng tối đa. Đây là một vấn đề chƣa
đƣợc quan tâm tƣơng xứng với vai trò của nó, trong thời gian qua.
Thông gió mỏ có vai trò rất quan trọng, đảm bảo công tác an toàn, tạo điều
kiện làm việc vệ sinh cho ngƣời lao động, đặc biệt là giải pháp phòng chống mối
nguy hiểm về cháy nổ khí mêtan, cháy nổ bụi. Nhiệm vụ của thông gió đối với các
mỏ hầm lò là đƣa vào trong mỏ một lƣợng không khí sạch đủ lớn để thỏa mãn các
mục đích sau:
- Cung cấp lƣợng ôxy cần thiết cho ngƣời và thiết bị làm việc.
- Hoà loãng nồng độ các chất khí độc hại cũng nhƣ bụi trong không khí
đƣợc phát sinh từ các quá trình sản xuất của mỏ xuống dƣới mức cho phép và đƣa
chúng ra khỏi mỏ.
- Đảm bảo điều kiện vi khí hậu dễ chịu cho ngƣời lao động.
- Đảm bảo sử dụng năng lƣợng nhỏ nhất.
Trong bối cảnh sản lƣợng khai thác than hầm lò ngày càng tăng, mức chi
phí cho thông gió mỏ sẽ càng lớn. Do vậy, đòi hỏi phải có các giải pháp giảm
thiểu chi phí thông gió mỏ.
1. Tính cấp thiết của Luận án
Để đảm bảo cho một mỏ than hầm lò hoạt động bình thƣờng cần thiết phải

đƣa vào mỏ một lƣợng gió sạch nhất định suốt 24/24 giờ hàng ngày. Lƣợng gió
sạch cần đƣa vào mỏ nhờ các quạt gió chính phụ thuộc vào: Số ngƣời làm việc
đồng thời lớn nhất trong mỏ; Độ xuất khí metan (Sản lƣợng khai thác ngày đêm
của mỏ); Lƣợng thuốc nổ sử dụng đồng thời lớn nhất; Chế độ bụi ở lò chợ và lò
chuẩn bị; Công suất làm việc của các máy bơm, trạm điện,v.v… Lƣợng gió yêu
cầu đƣợc xác định theo tính toán bằng tổng nhu cầu lƣu lƣợng gió cho các khâu


2

trong dây chuyền công nghệ khai thác mỏ nhƣ: Lò chợ khấu than, lò chuẩn bị, các
hầm bơm, trạm điện, bù đắp lƣợng gió bị tiêu hao mất mát trong hệ thống các
đƣờng lò và đƣợc đƣa vào mỏ nhờ một hoặc một số quạt gió chính.
Chế độ làm việc của các quạt gió chính đƣợc xác định trên cơ sở tạo ra lƣu
lƣợng gió cần thiết đƣa vào mỏ và chi phí điện năng để duy trì chế độ làm việc này
của các quạt gió chính là rất lớn, theo đánh giá chiếm khoảng 25% tổng chi phí
điện năng cho toàn bộ các khâu trong dây chuyền công nghệ mỏ. Một thực tế là
nhu cầu gió khác nhau giữa ngày sản xuất với các ngày dừng các hoạt động sản
xuất, và khác nhau ngay trong một ca sản xuất ở từng khâu công nghệ khác nhau.
Tuy nhiên, ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh hiện nay, các quạt gió chính
đều hoạt động theo một chế độ làm việc cố định, tức là luôn cung cấp vào mỏ một
lƣợng gió cố định trong suốt thời gian các ngày trong năm, dẫn đến dƣ thừa một
lƣợng gió lớn không cần thiết ở những ngày mỏ dừng các hoạt động sản xuất và ở
những khoảng thời gian không đòi hỏi nhu cầu lƣợng gió nhƣ tính toán hiện nay,
gây lãng phí lớn điện năng tiêu thụ. Chế độ làm việc của quạt gió chính liên quan
trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện năng. Xác định một chế độ làm việc tối ƣu,
vừa thỏa mãn cung cấp đủ lƣợng gió cần thiết theo kế hoạch sản xuất của mỏ, vừa
giảm tối đa lãng phí điện năng tiêu thụ là nhu cầu thực tế, nhất là trong bối cảnh
các mỏ than hầm lò ngày càng đóng vai trò lớn trong việc đáp ứng nhu cầu sản
lƣợng theo Quy hoạch phát triển ngành Than. Tuy nhiên, cho đến nay ở nƣớc ta

chƣa có một công trình nghiên cứu sâu nào về mối liên quan giữa chế độ làm việc
của quạt gió chính và kế hoạch tổ chức sản xuất của mỏ (đặc biệt là giữa ngày làm
việc với ngày nghỉ). Chính vì vậy, đề tài luận án: “Tối ưu hóa chế độ việc của quạt
gió chính mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh” là cần thiết, có tính thời sự, có ý
nghĩa khoa học và thực tế.
2. Mục tiêu nghiên cứu của Luận án
Xác định chế độ làm việc tối ƣu của các quạt gió chính trong những ngày
mỏ làm việc bình thƣờng, cũng nhƣ khi mỏ nghỉ làm việc, nhằm đảm bảo an toàn
môi trƣờng và tiết kiệm chi phí điện năng, góp phần điều chỉnh quy định hiện hành
về thông gió chung của mỏ hầm lò, phù hợp với thực tế sản xuất.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là chế độ làm việc của các quạt gió
chính ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án là các mỏ than hầm lò điển hình
vùng Quảng Ninh.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
4.1. Ý nghĩa khoa học


3

- Kết quả nghiên cứu của luận án đã luận giải một cách khoa học mối liên
hệ giữa lƣu lƣợng gió yêu cầu của mỏ và kế hoạch tổ chức sản xuất của mỏ trong
ngày làm việc, trong những ngày nghỉ để làm cơ sở xác định chế độ làm việc của
các quạt gió chính, đảm bảo an toàn và sử dụng điện tiết kiệm hiệu quả, góp phần
giảm giá thành khai thác than.
- Xây dựng phƣơng pháp luận về tối ƣu hoá chế độ làm việc của các quạt
gió chính ở mỏ than hầm lò nhằm đáp ứng yêu cầu thông gió mỏ.
- Tự động hóa chế độ làm việc của các quạt gió chính theo yêu cầu nhờ sử
dụng biến tần.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu của Luận án áp dụng cho các mỏ than hầm lò vùng
Quảng Ninh, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế – kỹ thuật của công tác thông gió
chung của mỏ.
- Kết quả nghiên cứu của Luận án là cơ sở khoa học để nghiên cứu bổ sung,
chỉnh sửa các quy định trong công tác thông gió chung của mỏ than hầm lò.
5. Điểm mới của Luận án
- Xác định đƣợc nhu cầu gió sạch cho mỏ than hầm lò phụ thuộc vào kế
hoạch sản xuất, tức là phụ thuộc vào thời gian trong ngày làm việc, trong ngày
nghỉ và trong tuần.
- Lựa chọn đƣợc phƣơng án – giải pháp tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió
chính ở mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh.
- Xây dựng đƣợc sơ đồ tổng quát và sơ đồ thuật toán tự động điều chỉnh chế
độ làm việc của quạt gió chính nhờ sử dụng biến tần.
- Xây dựng chƣơng trình tính toán hiệu quả khi sử dụng biến tần để tối ƣu
hóa chế độ làm việc của quạt gió chính.
6. Luận điểm bảo vệ của luận án
- Lƣợng gió cần thiết cho mỏ khi sản xuất bình thƣờng phụ thuộc vào nhiều
yếu tố. Khi các yếu tố này thay đổi trong ngày làm việc và ngày nghỉ thì lƣợng gió
cần thiết đƣa vào mỏ cũng thay đổi.
- Chế độ làm việc tối ƣu của quạt gió chính cần thay đổi theo kế hoạch sản
xuất của mỏ. Chế độ này có thể đạt đƣợc nhờ lập trình cho thiết bị biến tần.
7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
7.1. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục đích nêu trên, luận án thực hiện các nội dung sau:
- Tổng quan về chế độ làm việc hợp lý của quạt gió chính;
- Nghiên cứu xác định lƣu lƣợng gió yêu cầu cho mỏ than hầm lò theo thời
gian trong ca, trong ngày đêm và giữa ngày mỏ làm việc với ngày mỏ nghỉ làm việc.

4

- Nghiên cứu lựa chọn các tham số để tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt
gió chính.
- Nghiên cứu lựa chọn và tính toán phƣơng án tối ƣu chế độ làm việc của
quạt gió chính;
- Nghiên cứu áp dụng thử nghiệm tối ƣu chế độ làm việc của quạt gió chính
ở mỏ than Hà Lầm, Quảng Ninh.
7.2. Các phương pháp nghiên cứu
Đề tài luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau:
- Phƣơng pháp khảo sát đo đạc, thống kê tổng hợp, phân tích và so sánh;
- Phƣơng pháp toán – tin (giải tích đồ thị);
- Phƣơng pháp tra cứu chuyên khảo;
- Phƣơng pháp tối ƣu hoá (sử dụng phần mềm tính toán thông gió);
- Phƣơng pháp thực nghiệm ở mỏ than hầm lò.
8. Cơ sở dữ liệu
- Tài liệu về hiện trang khai thác, thông gió của một số mỏ than hầm lò điển
hình vùng Quảng Ninh.
- Quạt gió và các thiết bị thông gió mỏ của một số mỏ than hầm lò điển hình
vùng Quảng Ninh.
9. Cấu trúc nội dung của Luận án
Luận án đƣợc bố cục gồm: Mở đầu, 4 chƣơng, kết luận và danh mục tài liệu
tham khảo.
10. Nơi thực hiện Luận án
Luận án đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Trƣờng
Đại học Mỏ-Địa chất, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS TS. Trần Xuân Hà.


5

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình
của thầy giáo PGS.TS Trần Xuân Hà. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận án NCS đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của Ban Giám hiệu, Ban lãnh
đạo Phòng Sau đại học, Khoa Mỏ, Bộ môn Khai thác hầm lò trƣờng Đại học Mỏ Địa chất. Đặc biệt NCS luôn nhận đƣợc sự góp ý, giúp đỡ tận tình của các Giáo sƣ,
Tiến sỹ, các nhà khoa học trong và ngoài trƣờng nhƣ: GS.TSKH Lê Nhƣ Hùng,
PGS.TS Trần Văn Thanh, PGS.TS Đặng Vũ Chí, GS.TS Võ Trọng Hùng,… cùng
các đồng nghiệp trong Bộ môn Khai thác hầm lò, Khoa Mỏ, Ban Thông gió và
thoát nƣớc-TKV, Ban KCM-TKV, Công ty than Hà Lầm, Công ty than Hòn Gai,
Trung tâm An toàn mỏ,... Ngoài ra NCS cũng nhận đƣợc sự đóng góp, giúp đỡ tận
tình của các bạn đồng nghiệp khác trong trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất cũng nhƣ
trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam. Nhân đây NCS xin bày tỏ lòng biết
ơn chân thành tới thầy hƣớng dẫn, tới các cơ quan và các nhà khoa học, tới các bạn
đồng nghiệp đã giúp đỡ NCS hoàn thành luận án này./.


6

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA QUẠT GIÓ CHÍNH
1.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ QUẠT GIÓ CHÍNH Ở MỎ HẦM LÕ

1.1.1. Cấu tạo và phân loại quạt gió mỏ
Ngày nay quạt gió là nguồn động lực chính và duy nhất để thông gió mỏ. Ở
Việt Nam các mỏ khai thác hầm lò đã và đang sử dụng nhiều loại quạt để phục vụ
cho công tác thông gió chung cho mỏ. Trên thực tế ở Việt Nam và trên Thế giới,
quạt gió đƣợc dùng để thông gió mỏ rất đa dạng, dựa vào các đặc điểm khác nhau
có thể phân loại quạt theo các chỉ tiêu sau: [7], [11], [13], [32], [33], [34].
1.1.1.1. Phân loại theo cấu tạo
Theo cấu tạo quạt gió đƣợc phân thành 2 loại chính:

- Quạt hướng trục: Là loại quạt có hƣớng gió vào và hƣớng gió ra khỏi
bánh công tác đồng phƣơng với trục quạt. Loại quạt này có hiệu suất cao, kích
thƣớc gọn nhỏ, có thể điều chỉnh lƣu lƣợng quạt bằng cách thay đổi góc lắp cánh
bánh công tác. Nhƣng cũng có nhƣợc điểm là tiếng ồn lớn, cấu tạo phức tạp, bảo
quản và sửa chữa khó khăn.
- Quạt li tâm: Là loại quạt có hƣớng gió vào và ra khỏi bánh công tác vuông
góc với trục quạt. Ƣu khuyết điểm của loại quạt này ngƣợc với quạt hƣớng trục.
1.1.1.2. Phân loại theo nhiệm vụ công tác
Theo nhiệm vụ công tác có 3 loại quạt:
- Quạt gió chính:
Là loại quạt gió làm nhiệm vụ thông gió cho toàn mỏ hoặc một khu vực lớn
có tính chất gần nhƣ độc lập, quạt gió chính thƣờng đƣợc đặt trên mặt đất. Quạt
chính thƣờng là quạt lớn có công suất vài chục đến hàng ngàn kW, có lƣu lƣợng từ
hàng chục đến hàng trăm m3/s, có hạ áp suất từ mấy chục đến vài nghìn kG/m2.
- Quạt gió phụ:
Là loại quạt làm nhiệm vụ tăng cƣờng lƣu lƣợng gió cho một khu vực nào
đó đã đƣợc thông gió bằng quạt gió chính, nghĩa là quạt gió phụ có nhiệm vụ điều
chỉnh lƣu lƣợng gió do quạt chính tạo ra cho phù hợp với yêu cầu sản xuất.
- Quạt gió cục bộ:
Là loại quạt gió làm nhiệm vụ thông gió cho các đƣờng lò cụt hay các
đƣờng lò chuẩn bị khi đang đào.
1.1.1.3. Phân loại theo cấp công tác (số động cơ)
Theo cấp công tác thì chia làm 2 loại:
- Quạt đơn cấp: Là loại quạt có 1 bánh công tác (1 động cơ).
- Quạt đa cấp: Là loại quạt có từ 2 bánh công tác (2 động cơ) trở lên.


7

1.1.2. Các đƣờng đặc tính của quạt gió chính

1.1.2.1. Đặc tính động lực học của quạt gió
1. Đặc tính động lực học của quạt
Đặc tính động lực học của quạt thể hiện trên hệ trục toạ độ, biểu diễn sự
phụ thuộc giữa hạ áp, công suất, hiệu suất với lƣu lƣợng của quạt ứng với tốc
độ quay và góc lắp cánh của bánh công tác nhất định (nếu là loại quạt hƣớng
trục) [7], [11], [13], [32], [33], [34],
Đƣờng đặc tính của quạt đƣợc xây dựng theo kết quả mô hình hay thử
nghiệm trong phòng thí nghiệm. Đƣờng đặc tính có ý nghĩa lớn cho ngƣời thiết kế
sử dụng và trong việc tính toán, xác định chế độ làm việc hợp lý của quạt để đảm
bảo chế độ thông gió cho mỏ. Từ đƣờng đặc tính có thể giải các bài toán theo
phƣơng pháp đồ thị, hoặc có thể lập phƣơng trình để giải theo phƣơng pháp giải
tích hoặc kết hợp hai phƣơng pháp trên.
2. Đặc điểm năng lượng quạt:
Năng lƣợng do quạt gió tạo ra biểu diễn dƣới dạng áp suất, một phần năng
lƣợng này dùng để khắc phục sức cản của nội bộ thiết bị quạt. Phần lớn còn lại dùng
để khắc phục sức cản của hầm lò làm cho gió chuyển dịch đƣợc trong mạng đƣờng lò
và tạo ra tốc độ gió nhất định để đƣa không khí ra khỏi mỏ.
Vậy năng lƣợng toàn bộ của quạt gồm hai phần: Phần hạ áp tĩnh và phần hạ
áp động:
htpq = htq + hđq
(1-1)
Trong đó:
htpq -năng lƣợng toàn phần của quạt (hạ áp toàn phần do quạt tạo ra);
htq -phần hạ áp tĩnh;
htq -phần hạ động.
1.1.2.2. Các đường đặc tính của quạt gió chính
1. Đường đặc tính của quạt gió:
Đƣờng đặc tính của quạt gió là đƣờng cong biểu thị quan hệ giữa hạ áp suất do
quạt tạo ra (h) và lƣu lƣợng gió qua quạt (Q) trong hệ toạ độ h – Q.
Nhƣ vậy có hai đƣờng đặc tính:

- Đƣờng biểu diễn giữa áp suất toàn phần với lƣu lƣợng gió là đƣờng đặc tính
toàn áp.
- Đƣờng biểu diễn giữa áp suất tĩnh với lƣu lƣợng gió là đƣờng đặc tính
tĩnh áp.
Ứng với số vòng quay của bánh công tác khác nhau, hoặc ứng với góc lắp cánh
của bánh công tác (nếu là quạt hƣớng trục) hoặc góc lắp cánh của bản lá dẫn hƣớng
khác nhau sẽ có đƣờng đặc tính khác nhau. Trong các bản thuyết minh sử dụng quạt
(hộ chiếu), ngƣời ta chỉ xây dựng một đƣờng đặc tính tĩnh áp cho các góp lắp cánh


8

của bánh công tác, hoặc cho các góc lắp cánh của bản lá dẫn hƣớng ứng với tốc độ
quay nào đó của trục quạt.
2. Các loại đường đặc tính của quạt gió chính:
Đối với các loại quạt gió, thông thƣờng các nhà chế tạo quạt đã xây dựng
một số các loại đƣờng đặ tính nhằm giúp cho ngƣời sử dụng thuận lợi và đơn
giản hơn trong công tác tính toán. Đƣờng đặc tính của quạt gió là đƣờng cong
biểu thị mối quan hệ giữa lƣu lƣợng gió của quạt tạo ra với các yếu tố năng lƣợng
tạo ra hoặc tiêu thụ tƣơng ứng của của quạt nhƣ: hạ áp tạo ra, công suất tiêu thụ
hay hiệu suất làm việc của quạt. Các loại đƣờng đặc tính của quạt gió chính:
a) Đƣờng đặc tính năng lƣợng của quạt gió
Đƣờng đặc tính năng lƣợng (đƣờng đặc tính) h = f1(Q) của quạt gió là
đƣờng cong biểu thị mối quan hệ giữa hạ áp suất của quạt gió với lƣu lƣợng gió
của quạt tạo ra.
b) Đƣờng đặc tính công suất của quạt gió
Đƣờng đặc tính công suất của quạt gió là đƣờng cong biểu thị mối quan hệ
giữa lƣu lƣợng gió của quạt gió tạo ra với công suất tiêu thụ điện năng tƣơng ứng
của quạt gió. Đồng thời với việc xây dựng các đƣờng đặc tính h = f1(Q) nhƣ trên,
ngƣời ta còn xây dựng các đƣờng đặc tính N = f2(Q) biểu diễn quan hệ giữa công suất

của quạt và lƣu lƣợng gió đi qua nó.
c) Đƣờng đặc tính hiệu suất của quạt gió
Đƣờng đặc tính hiệu suất của quạt gió là đƣờng cong biểu thị mối quan hệ
giữa lƣu lƣợng gió của quạt gió tạo ra với hiệu suất làm việc tƣơng ứng của quạt
gió. Đồng thời với việc xây dựng các đƣờng đặc tính h = f1(Q) và N = f2(Q) nhƣ
trên, ngƣời ta còn xây dựng các đƣờng đặc tính  = f3(Q) biểu diễn quan hệ giữa
hiệu suất của quạt và lƣu lƣợng gió.
1.1.3. Miền sử dụng công nghiệp của quạt
1.1.3.1. Điểm công tác hợp lý của quạt gió
Điểm công tác của quạt gió là giao điểm của đƣờng đặc tính quạt {h = h1(Q)}
với đƣờng đặc tính của mỏ (h = RQ2).
Điểm công tác hợp lý là điểm công tác mà nó chỉ đƣợc minh hoạ bằng một
điểm trên đƣờng đặc tính hạ áp của quạt và đƣờng đặc tính của mỏ, đảm bảo quy
luật là khi Q tăng thì hq giảm và ngƣợc lại. Tại điểm làm việc này quạt phải tạo ra
hạ áp và lƣu lƣợng thảo mãn yêu cầu của mỏ [7], [11], [13], [32], [33], [34]. Điểm
công tác hợp lý của quạt nhƣ điểm A trên hình 1-1.
1.1.3.2. Đoạn công tác hợp lý của quạt gió
Đoạn công tác hợp lý của quạt là một phần của đƣờng đặc tính hạ áp
của quạt và nằm bên phải, nó bị giới hạn bởi hai điểm M và N (nhƣ trên hình
1-1). Điểm M có hạ áp h M = 0,9hmax và điểm N có hiệu suất N = 0,6.


9

h

hm = Q2R

M

hm = 0,9hmax

hmax

h

A
N

0 = max

0

N = 0,6

QA

Q

Hình 1-1. Giới thiệu điểm công tác (điểm A)
1.1.3.3. Miền sử dụng hợp lý của quạt:
Tập hợp tất cả các đƣờng đặc tính của quạt tạo thành một họ đƣờng đặc tính
của quạt [7], [11], [13], [32], [33], [34] nhƣ sau:
- Đối với loại quạt ly tâm thì với các quạt có cùng cấu tạo thì với mỗi một tốc
độ vòng quay sẽ có một đƣờng đặc tính tƣơng ứng. Nhƣ vậy tƣơng ứng với một số
tốc độ vòng quay sẽ xây dựng đƣợc một họ đƣờng đặc tính của quạt.
- Đối với loại quạt hƣớng trục thì ứng với một góc lắp cánh của bánh công
tác sẽ có một đƣờng đặc tính tƣơng ứng. Nhƣ vậy với mỗi tốc độ vòng quay thì có
một họ đƣờng đặc tính của quạt. Quạt hƣớng trục có nhiều tốc độ vòng quay khác
nhau, vì thế một quạt hƣớng trục có nhiều miền sử dụng khác nhau.

Tập hợp tất cả các đoạn công tác hợp lý ở trên họ đƣờng đặc tính của quạt là
miền sử dụng hợp lý của quạt. Miền sử dụng hợp lý của quạt bị giới hạn bởi một số
đƣờng nhƣ trên hình 1-2.
h

h = 0,9h max

max
 = 0,6
min

0

Hình 1.2. Miền sử dụng hợp lý của quạt
- Đƣờng có góc lắp cánh: θmax (điều kiện kỹ thuật)
- Đƣờng có góc lắp cánh: θmin (điều kiện kinh tế)
- Đƣờng có hạ áp đo bằng 0,9hmax (điều kiện kỹ thuật)
- Đƣờng có hiệu suất  = 0,6 (điều kiện kinh tế)

Q


10

1.1.3.4. Đặc tính kỹ thuật của quạt gió
Đặc tính kỹ thuật của quạt gió là biểu thị các thông số kỹ thuật của quạt.
Các thông số này đƣợc các nhà sản xuất quạt gió, thiết kế chế tạo theo những quy

N, kW

chuẩn nhất định. Căn cứ vào đặc tính kỹ thuật của quạt gió, ngƣời sử dụng sẽ tuỳ
thuộc vào điều kiện của mỏ, để tính toán lựa chọn mua sắm đầu tƣ loại quạt phù
hợp để phục vụ cho công tác thông gió mỏ.
(c)

Q, m3/s

h, mmH2O
(a)

(b)

Q, m3/s

Hình 1.3. Đường đặc tính quạt 2K56 No-24
(n = 1000v/phút)
Ví dụ: Nhƣ trên hình 1-3 là miền sử dụng công nghiệp đầy đủ của một quạt
hƣớng trục, có hai bánh công tác loại 2K56-No24 có tốc độ vòng quay trục quạt n
= 1000 vòng/phút do Trung Quốc sản xuất. Giới thiệu các đƣờng đặc tính của
quạt gió: Với các đƣờng (a) là các đƣờng đặc tính hạ áp tĩnh tƣơng ứng với các
góc lắp cánh của bánh công tác; Các đƣờng (b) là các đƣờng đặc tính hiệu suất và
các đƣớng (c) là các đƣờng đặc tính công suất.
1.2. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CÁC QUẠT GIÓ CHÍNH

Sử dụng quạt gió là nhằm tạo ra một động lực thông gió, để thắng sức cản
của hệ đƣờng lò và đƣa một lƣợng không khí sạch theo yêu cầu vào mỏ. Tùy theo
chế độ làm việc của quạt gió mà lƣợng gió đƣa vào mỏ sẽ khác nhau. Vì vậy đối
với từng mỏ và từng quạt gió cần phải xác định đƣợc một chế độ làm việc hợp lý
hoặc còn gọi là một chế độ tối ƣu.

11

1.2.1. Quan điểm chung về chế độ làm việc của quạt gió chính
Chế độ làm việc của quạt gió đƣợc xác định bởi giao điểm của đƣờng đặc
tính hạ áp quạt với đƣờng đặc tính của mỏ.
1- Với các góc lắp cánh bánh công tác của quạt hƣớng trục, hoặc góc lắp
cánh định hƣớng gió của quạt ly tâm khác nhau thì quạt gió có nhiều chế độ làm
việc khác nhau.
2- Còn theo các tài liệu chuyên ngành, cho đến nay [7], [8], [9], [10], [11],
[12], [13], [32], [33], [37], [43], [44] đều thống nhất định nghĩa chế độ làm việc
hợp lý (tối ƣu) của các quạt gió chính là chế độ mà một quạt gió hoặc nhiều quạt
gió làm việc liên hợp với nhau phải tạo ra một động lực đủ lớn để thắng đƣợc sức
cản của mạng đƣờng lò và đƣa vào mỏ, cũng nhƣ đƣa ra khỏi mỏ một lƣợng gió
đúng theo yêu cầu nhằm đảm bảo an toàn môi trƣờng làm việc trong mỏ. Rõ ràng
đây là chế độ làm việc của quạt đơn thuần về mặt kỹ thuật. Quan điểm này đã tồn
tại hàng trăm năm qua, kể từ khi chế tạo đƣợc quạt gió dùng năng lƣợng điện hoặc
năng lƣợng khí nén để thực hiện công tác thông gió cho các mỏ hầm lò.
Chế độ làm việc tối ƣu của một quạt gió chính, là chế độ đáp ứng yêu cầu
của mỏ về lƣu lƣợng gió (Qm) và hạ áp mỏ (hm). Khi đó chế độ làm việc của quạt
gió chính đƣợc thể hiện qua các thông số sau:
- Tốc độ vòng quay (n): Là số vòng quay của quạt (trục quạt) khi làm việc
trên một đơn vị thời gian (vòng/phút).
- Góc láp cách (θ): Góc láp cánh là góc lắp cánh của bánh công tác đối với
các quạt hƣớng trục hoặc góc lắp cánh định hƣớng gió ở quạt ly tâm (độ).
- Hiệu suất làm việc của quạt (η): Hiệu suất làm việc của quạt đánh giá hiệu
quả về mặt kinh tế của chế độ làm việc của quạt (%)
- Công suất tiêu thụ (N): Là công suất tiêu thụ tƣơng ứng với chế độ làm
việc của quạt gió (kW).
3- Để xác định đƣợc chế độ làm việc hợp lý nhất của quạt gió chính phải

tiến hành tối ƣu hóa chế độ làm việc của quạt gió. Nhƣ vậy ―tối ƣu hóa‖ chế độ
làm việc của quạt gió chính là việc tìm kiếm giao điểm của đƣờng đặc tính của mỏ
với đƣờng đặc tính hạ áp tƣơng ứng với góc lắp cánh của bánh công tác ở quạt
hƣớng trục hoặc góc lắp cánh của định hƣớng gió của quạt ly tâm khi tốc độ vòng
quay (n) của quạt cố định.
Quạt gió mỏ đƣợc sản xuất theo quy chuẩn từng loại vì vậy năng lực làm
việc của quạt có giới hạn nhất định. Nhƣng thực tế, yêu cầu thông gió mỏ lại rất đa
dạng. Để đáp ứng yêu cầu thông gió cho mỏ, ta có thể sử dụng một quạt hoặc
nhiều quạt, tùy theo yêu cầu của mỏ và năng lực của quạt gió. Khi liên hợp quạt thì


12

có thể quạt làm việc vẫn nhƣ độc lập hoặc phải ghép thành một bộ quạt làm việc
đồng thời, từ đó tạo ra đƣợc năng lực thông gió đủ để đáp ứng với yêu cầu thông
gió của mỏ. Quạt gió chính có thể làm việc một trong các trƣờng hợp sau:
- Quạt gió làm việc độc lập: Quạt thông gió cho toàn bộ mỏ hoặc một khu
vực độc lập và tách biệt riêng bằng công trình thông gió nhƣ cửa gió, thành chắn.
- Quạt làm việc liên hợp: Các quạt làm việc liên hợp cùng nhau để đảm bảo
chế độ thông gió cho mỏ. Khi đó các quạt làm việc theo các kiểu ghép sau:
+ Ghép quạt làm việc nối tiếp: Mục đích của ghép quạt làm việc nối tiếp là
để bộ quạt tạo ra đƣợc hạ áp suất lớn. Ghép quạt nối tiếp áp dụng ở những mỏ
thông gió khó khăn, có sức cản lớn.
+ Ghép quạt làm việc song song: Mục đích của ghép quạt làm việc song
song là để bộ quạt tạo ra đƣợc lƣu lƣợng gió lớn. Ghép quạt song song thƣờng áp
dụng cho các mỏ có nhiều lò chợ làm việc đồng thời hoặc diện khai thác rộng.
+ Ghép quạt làm việc hỗn hợp: Mục đích của ghép quạt hỗn hợp là để bộ
quạt tạo ra đƣợc cả lƣu lƣợng và hạ áp suất lớn.
1.2.2. Xác định chế độ công tác của quạt gió chính khi làm việc độc lập
1.2.2.1. Các phương pháp xác định chế độ làm việc của quạt gió chính

Để xác định chế độ làm việc tối ƣu của quạt gió chính, có thể sử dụng một
trong các phƣơng pháp sau:
1. Phương pháp đồ thị
Phƣơng pháp đồ thị tính toán chế độ làm việc tối ƣu của quạt gió chính, là
một phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến hơn, vì đƣợc nghiên cứu bởi các nhà
khoa học Xô Viết hàng đầu nhƣ: A.C.Ƃyprakob, K.z.Yɯakob [13], [33], [43], [44].
Với phƣơng pháp này để xác định đƣợc chế độ làm việc tối ƣu của quạt ta thực
hiện các bƣớc sau:
- Xác định phƣơng trình đƣờng đặc tính mỏ khi có quạt làm việc:
h = (kg.Rm+ Rtbq).Q2
(1-2)
Trong đó: kg -là hệ số kể đến sự giảm sức cản do rò gió tại trạm quạt, kg =
2
(1/kr ) với kr là hệ số rò gió tại trạm quạt; Rm-là sức cản của mỏ và Rtbq-là sức cản
nội bộ thiết bị quạt, Rtbq = (a.π)/D4, ở đây a là hệ số kể đến đặc điểm loại quạt và
rãnh gió, π = 3,14, D là đƣờng kính chuẩn của quạt.
- Vẽ đƣờng đặc tính mỏ khi có quạt làm việc (xây dựng) trên đồ thị xác định
chế độ công tác của quạt.
- Xác định điểm yêu cầu (yêu cầu về năng lực thông gió của mỏ về lƣu
lƣợng và hạ áp yêu cầu) trên đƣờng đặc tính của mỏ.


13

- Trên cơ sở điểm yêu cầu và đƣờng đặc tính của mỏ đi xác định chế độ tối
ƣu của quạt gió.
Phƣơng pháp đồ thị là phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến để xác định chế
độ làm việc tối ƣu của quạt gió chính.
2. Phương pháp giải tích
Phƣơng pháp này sử dụng các công thức thực nghiệm, với các hệ số phụ

thuộc vào cấu tạo của quạt gió. Trong phƣơng pháp giải tích, đƣờng đặc tính của
quạt gió nếu không có đoạn đứt, có thể biểu thị gần đúng bằng với phƣơng trình
xác định [13], [33], [37], [39].
Thí dụ, đƣờng đặc tính không có chỗ lõm trong góc vuông thứ nhất của hệ
toạ độ Q - H, có thể viết theo phƣơng trình bậc hai:
H = a + bQ + cQ2
(1-3)
Phƣơng trình này nhận đƣợc trên cơ sở phân tích sơ đồ vật lý công tác của
máy tuốc bin. Song việc xác định các hệ số: a, b, c bằng lý thuyết hiện nay chƣa
giải quyết đƣợc. Những trị số của nó phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của quạt
gió, chúng đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Vì vậy phƣơng pháp này có thể gọi là
phƣơng pháp của các công thức thực nghiệm.
Nếu đƣờng đặc tính của quạt gió có dạng hình yên ngựa hay là lồi lõm không
có điểm dừng thì nó có thể viết gần đúng dƣới dạng phƣơng trình bậc ba:
H = a + bQ + cQ2 + dQ3
(1-4)
Khi biết phƣơng trình đƣờng đặc tính của quạt gió và mạng ngoài, có thể
xác định chế độ công tác của quạt gió bằng phƣơng pháp giải tích. Thí dụ nếu
đƣờng đặc tính của quạt gió biểu thị theo phƣơng trình (1-3), thì chế độ công tác có
thể tìm đƣợc bằng cách giải phƣơng trình H = RQ2 và phƣơng trình (1-4).
Năng suất công tác sẽ bằng:
QC 

b

b 2  4a  R  c 
2R  c 

(1-5)

Và áp suất công tác:
HC = RQC2
Nếu nhƣ đƣờng đặc tính của quạt gió biểu thị bởi phƣơng trình (1-4), thì để
xác định chế độ công tác cần phải giải phƣơng trình:
RQ2 = a + bQ + cQ2 +dQ3
(1-6)
3
2
Hay là:
dQ + (c – R) Q +bQ + a = 0
3. Phương pháp đồ thị giải tích :
Phƣơng pháp đồ thị giải tích ngƣời đầu tiên đƣa ra là V.B.Umansk [13], chủ
yếu là dùng các biểu thức giải tích của họ đƣờng đặc tính các đoạn riêng của mạng
ngoài và đồ thị của đƣờng đặc tính các quạt gió. Phƣơng pháp này kết hợp các
công thức thực nghiệm với giản đồ để tính toán.


14

Ngày nay với sự phát triển vƣợt bậc của ngành tin học, ngƣời ta đã xây
dựng các phần mềm để đƣa vào ứng dụng giải bài toán thông gió. Các phần mềm ứng
dụng đƣợc xây dựng thiết lập từ các phƣơng trình đƣợc chuyển hóa từ các đƣờng đồ
thị, bản chất là đƣợc giải tích hóa bằng tin học.
1.2.2.2. Xác định chế độ làm việc của quạt gió chính khi làm việc độc lập
Ví dụ: trên hình 1.4 giới thiệu cách xác định chế độ làm việc của một quạt
hƣớng trục loại 2K56-No18. Để xác định đƣợc chế độ làm việc của quạt gió chính
khi làm việc độc lập, ta thực hiện trình tự theo các bƣớc nhƣ ví dụ trên hình 1.4:
h, mmH2O

h = 0,101.Q 2

360

A7

320

A6

280

A5

240

80%

A4

70%

85%

200
hA3 = 178

60%

A3

160

B

h = 145,8
B

120

o

A2
o

80
o

A1
40

o
o
o

o

0
0

10

20

30
QB = 38m³/s

50

60

70

80

90
Q, m³/s

QA3= 41.8m³/s

Hình 1.4. Đồ thị xác định chế độ công tác của quạt gió chính 2K56-No18
- Trƣớc tiên ta phải xác định đƣợc phƣơng trình đƣờng đặc tính của mỏ
(theo công thức 1-1): h = R.Q2 = (kg.Rm+ Rtbq).Q2
Giả sử: Rm = 0,11989 kμ; Rtbq = 0,00149 kμ và kg = 0,83
Ta sẽ có h = 0,101.Q2
- Vẽ đƣờng đặc tính của mỏ h = 0,101.Q2 trên đồ thị các đƣờng đặc tính của
quạt 2K56-No18 (Miền sử dụng công nghiệp của quạt;
- Xác định điểm yêu cầu: Điểm yêu cầu đƣợc xác định thông qua 2 giá trị
lƣu lƣợng gió và hạ áp quạt cần tạo ra (ví dụ nhƣ điểm B trên đồ thị);
- Xác định điểm làm việc hợp lý của quạt gió: Vì quạt gió 2K56-No18 đƣợc
sản xuất với 7 góc lắp cách của bánh công tác tƣơng ứng với các góc 200, 250, 300,

350, 400, 450 và 500, cho nên quạt gió có thể làm việc với các chế độ ở các điểm
A1, A2, A3, A4, A5, A6 và A7. Tuy nhiên ta thấy điểm A1, A2 không thỏa mãn điểm


15

yêu cầu B. Còn các điểm A3, A4, A5, A6 và A7 thỏa mãn điểm yêu cầu B, nhƣng
các điểm A4, A5, A6 và A7 sẽ tạo ra năng lực thông gió (lƣu lƣợng và hạ áp) dƣ
thừa quá nhiều so với điểm yêu cầu B, điều này là không cần thiết, do vậy ta chọn
điểm A3 làm chế độ làm việc hợp lý của quạt gió.
Chế độ làm việc của quạt gió sẽ tạo ra: Lƣu lƣợng gió: QA3 = 41,8 m3/s; Hạ áp:
hA3 = 178,0 mmH2O; Góc lắp cánh: θ = 300 và Hiệu suất làm việc: η = 82%.
1.2.3. Xác định chế độ công tác của quạt gió chính khi làm việc liên hợp
1.2.3.1. Các phương pháp tính liên hợp quạt
Khi các quạt gió làm việc liên hợp với nhau, việc xác định chế độ công tác
của chúng khá phức tạp, vì rằng giao điểm của đƣờng đặc tính mạng ngoài và của
nội bộ quạt gió không còn xác định đƣợc chế độ công tác của chúng. Chế độ công
tác của mỗi quạt gió phụ thuộc vào các thông số của mạng ngoài cũng nhƣ vào các
thông số của các quạt gió khác.
Phân tích các quạt gió làm việc liên hợp với nhau là xác định và nghiên cứu
đặc tính của các chế độ công tác của quạt gió. Việc xác định chế độ làm việc hợp
lý của các quạt gió khi làm việc liên hợp có thể thực hiện bằng một trong các
phƣơng pháp sau [7], [13], [32], [34]:
- Phƣơng pháp đồ thị;
- Phƣơng pháp đồ thị giải tích;
- Phƣơng pháp giải tích.
1. Phương pháp đồ thị
Phƣơng pháp đồ thị tính các quạt gió làm việc liên hợp, đây là một phƣơng
pháp phổ biến hơn cả đƣợc nghiên cứu bởi các nhà khoa học Xô Viết: V.S. Pak và
D. F. Boritxop

Quan sát một trƣờng hợp đơn giản của hai quạt gió nối song song trong sơ
đồ thông gió (hình 1.5). Sức cản của các rãnh quạt gió không đáng kể và có thể coi
bằng không. Áp suất của hai quạt gió đều giống nhau (H1 = H2), còn lƣợng gió qua
mạng bằng tổng năng suất của hai quạt gió. Phân tích công tác của các quạt gió có
thể thực hiện bằng đồ thị: bằng phƣơng pháp dựng đƣờng đặc tính tổng cộng của
các quạt gió hay là bằng phƣơng pháp đƣờng đặc tính thu gọn của mạng ngoài.
* Phương pháp thứ nhất là đưa vào trong một hệ trục tọa độ đường đặc tính riêng
của các quạt gió và cộng chúng theo hoành độ
Trƣờng hợp quạt làm việc song song nhƣ hình 1.5.
Nếu ở một giếng mỏ đặt làm việc song song hai quạt gió giống nhau và
đƣờng đặc tính của mỗi quạt là đƣờng cong I và II, thì đƣờng đặc tính tổng cộng
dựng đƣợc bằng cách nhân đôi các hoành độ của đƣờng cong I, II. Giao điểm của
đƣờng đặc tính của mạng (đƣờng cong OA) và đƣờng đặc tính tổng cộng I+II