Quạt thông gió mỏ là gì? Hướng dẫn chọn quạt cho mỏ hầm lò

Quạt thông gió mỏ là gì?

Một quạt thông gió mỏ (thường gọi ngắn là quạt mỏ) là quạt công nghiệp cỡ lớn dùng để tạo chênh áp, duy trì lưu lượng gió cho mỏ hầm lò hoặc đường hầm. Nhiệm vụ chính của quạt là bảo đảm cấp đủ gió tươi, pha loãng và thải bụi cùng khí độc hại, kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời duy trì môi trường làm việc an toàn cho người lao động.

Nếu hệ thống thông gió không được thiết kế, vận hành và giám sát đúng, mỏ hầm lò có thể phát sinh nguy cơ tích tụ khí metan, khí thải diesel (bao gồm bụi/muội diesel - DPM), khói nổ mìn và bụi hô hấp, làm tăng rủi ro cháy nổ, ngộ độc và các bệnh nghề nghiệp về hô hấp.

Vì sao quạt thông gió là thiết yếu trong khai thác mỏ

Các mỏ hầm lò hiện đại dựa vào một hệ thống thông gió hoàn chỉnh bao gồm:

• Đường gió vào và đường gió hồi (gió thải)

• Giếng đứng, lò nghiêng, lò thượng và các đường lò gió

• Tường chặn gió, cửa gió, cửa điều tiết và hệ thống ống gió

• Cùng với một hoặc nhiều quạt cỡ lớn để tạo và duy trì lưu lượng gió theo yêu cầu

        Hình: Hệ thống thông gió mỏ hầm lò dạng đơn giản gồm giếng gió vào, quạt chính đặt trên mặt bằng, quạt cục bộ tại gương lò và dòng gió hồi qua giếng gió thải.

Quạt là nguồn tạo chênh áp chủ đạo của hệ thống này. Chúng:

• Tạo chênh áp để đưa gió tươi vào mỏ và thải gió bẩn ra ngoài (theo chế độ thổi hoặc hút)

• Pha loãng metan, CO, CO₂, NOx và các khí độc khác (khi có) xuống giới hạn an toàn theo quy định

• Kiểm soát bụi tại gương khai thác và các điểm khoan–nổ mìn–bốc xúc

• Thải nhiệt và hơi ẩm sinh ra từ đất đá, thiết bị và điều kiện khai thác sâu

• Duy trì vận tốc gió phù hợp để hạn chế vùng tù đọng và giảm nguy cơ tích tụ chất ô nhiễm

Vì vậy, một hệ thống quạt được thiết kế tốt là một trong những hạng mục quan trọng nhất của quản lý an toàn mỏ.

Các loại quạt thông gió mỏ chính

Trong kỹ thuật thông gió mỏ, quạt thường được phân nhóm theo nhiệm vụ và vị trí lắp đặt hơn là theo thương hiệu.

1. Quạt thông gió chính

Hình: Trạm quạt thông gió chính trên mặt bằng cung cấp lưu lượng gió cho mạng thông gió mỏ hầm lò.   

Quạt thông gió chính là quạt cỡ lớn, lưu lượng cao lắp đặt trên mặt bằng, thường gần giếng chính hoặc cửa lò. Quạt chính tạo phần lớn chênh áp và lưu lượng gió cho toàn bộ mạng thông gió của mỏ.

Đặc điểm điển hình:

• Lắp đặt trên mặt bằng trong nhà quạt hoặc kết cấu bê tông

• Thường bố trí 1 vận hành, 1 dự phòng để tăng độ tin cậy

• Trang bị bộ tiêu âm, bộ khuếch tán và chuông hút (côn vào) để cải thiện hiệu suất

• Dẫn động bằng động cơ công suất lớn, thường kết hợp biến tần

2. Quạt tăng áp

Hình: Quạt tăng áp lắp đặt trong đường lò để tăng chênh áp và đưa gió tới các khu vực khai thác xa.

Quạt tăng áp là quạt cỡ lớn bố trí trong hầm lò nhằm tăng chênh áp cho một đoạn của mạng thông gió. Chúng thường được áp dụng ở mỏ sâu hoặc nơi có sức cản lớn để hỗ trợ đưa gió tới các phân khu xa và cải thiện phân bố lưu lượng.

Do quạt tăng áp có thể làm thay đổi phân bố áp suất trong mạng, việc thiết kế và điều khiển cần tuân thủ quy định an toàn nghiêm ngặt nhằm tránh đảo chiều dòng gió ngoài ý muốn hoặc làm tăng nguy cơ tích tụ khí nguy hiểm.

3. Quạt phụ và quạt thông gió cục bộ

Hình: Quạt phụ kèm ống gió mềm cấp gió tươi trực tiếp tới gương lò đào.

Quạt phụ và quạt thông gió cục bộ là các quạt nhỏ hơn dùng để thông gió cho đường lò đào, gương khai thác và các đường lò cụt không nằm trực tiếp trong dòng gió chính.

Chúng thường:

• Đặt gần cửa vào gương lò hoặc trong đường lò theo phương án tổ chức thông gió

• Kết nối với hệ thống ống gió (cứng hoặc mềm)

• Cấp gió tươi trực tiếp tới mặt làm việc, pha loãng bụi và khói phát sinh từ khoan, nổ mìn và bốc xúc

Trong mỏ than, bạn cũng sẽ thấy quạt cục bộ chống nổ kết hợp ống gió dài để thông gió cho gương lò, đặc biệt ở khu vực có nguy cơ khí–bụi cháy nổ.

Quạt hướng trục và quạt ly tâm trong thông gió mỏ

Xét theo nguyên lý khí động học, phần lớn quạt thông gió mỏ thuộc hai nhóm chính.

Quạt hướng trục

• Không khí vào và ra song song với trục quạt

• Lưu lượng lớn ở mức áp suất thấp đến trung bình

• Thiết kế gọn, thường có vỏ hình trụ; một số loại cho phép điều chỉnh góc cánh (tùy thiết kế)

• Phổ biến cho quạt chính, quạt tăng áp và quạt phụ trong nhiều loại hình mỏ

Quạt hướng trục phù hợp cho:

• Đường lò dài với sức cản trung bình

• Trường hợp cần hiệu suất cao và điều khiển góc cánh (tùy thiết kế)

• Thông gió đảo chiều trong tình huống khẩn cấp (tùy thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng)

Quạt ly tâm

• Không khí vào gần tâm bánh công tác và ra theo phương hướng kính, đổi hướng khoảng 90° trong vỏ quạt

• Lưu lượng thấp hơn nhưng áp suất cao hơn so với quạt hướng trục

• Thường dùng khi mạng thông gió có sức cản lớn hoặc yêu cầu kết cấu vỏ quạt bền chắc

Quạt ly tâm có thể là lựa chọn phù hợp cho:

• Mỏ sâu cần áp suất tĩnh cao

• Giếng và đường lò có tổn thất áp suất lớn

• Ứng dụng yêu cầu thiết bị chịu tải nặng và vỏ quạt chắc chắn

Trong thực tế, lựa chọn giữa quạt hướng trục và quạt ly tâm phụ thuộc vào:

• Lưu lượng gió yêu cầu (m³/s hoặc CFM)

• Áp suất yêu cầu (toàn phần/tĩnh) (Pa hoặc kPa)

• Đường cong sức cản của hệ thống (bao gồm hệ số Atkinson (điện trở thông gió))

• Giới hạn tiếng ồn, mục tiêu hiệu suất và không gian lắp đặt

Các thông số kỹ thuật then chốt của quạt thông gió mỏ

Khi kỹ sư thiết kế hoặc lựa chọn quạt, họ tập trung vào một số thông số cốt lõi:

• Lưu lượng (Q)
  Thể tích không khí cấp/thải, thường tính bằng m³/s hoặc m³/h (hoặc CFM ở một số quốc gia).

• Áp suất toàn phần / Áp suất tĩnh (Pt, Ps)
  Độ tăng áp do quạt tạo ra để thắng sức cản của giếng, đường lò, ống gió và rò gió qua tường chặn. Thường biểu diễn bằng Pa hoặc kPa.

• Hiệu suất (η)
  Tỷ số giữa công suất khí và công suất trục. Hiệu suất cao giúp giảm chi phí năng lượng trong suốt vòng đời mỏ.

Hình: Đồ thị đặc tính quạt hướng trục thể hiện áp suất tĩnh theo lưu lượng, các đường đồng hiệu suất và các đường góc đặt cánh.

• Đường đặc tính quạt
  Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất tại một tốc độ quạt nhất định. Giao điểm với đường cong sức cản hệ thống cho biết điểm làm việc.

• Công suất và tốc độ
  Công suất động cơ (kW hoặc HP) và tốc độ quạt (rpm) phải phù hợp nhiệm vụ thông gió, chi phí năng lượng và phương thức khởi động (khởi động trực tiếp, khởi động mềm, biến tần).

• Tiếng ồn và rung
  Quan trọng cho điều kiện làm việc và an toàn kết cấu; thường kiểm soát bằng bộ tiêu âm, khớp nối mềm và bệ chống rung.

An toàn và bảo vệ chống nổ

Vì quạt thông gió mỏ tác động trực tiếp tới khí quyển dưới hầm, thiết bị này thường chịu sự điều chỉnh của các tiêu chuẩn và hướng dẫn an toàn nghiêm ngặt.

Các nội dung then chốt bao gồm:

• Bảo vệ chống nổ
  Trong mỏ than có khí và một số mỏ khác có khí dễ cháy, quạt chính và quạt cục bộ có thể cần thiết kế chống nổ, sử dụng động cơ chống nổ (Ex) để giảm nguy cơ phát tia lửa trong môi trường khí–bụi có nguy cơ cháy nổ.

• Độ tin cậy và dự phòng
  Bố trí vận hành/dự phòng, chuyển đổi tự động và nguồn điện khẩn cấp giúp duy trì lưu lượng gió ngay cả khi một quạt hoặc một tuyến điện gặp sự cố.

• Giám sát và điều khiển
  Các mỏ hiện đại dùng cảm biến và hệ thống điều khiển để giám sát liên tục:

• Tốc độ quạt, dòng điện động cơ và rung

• Chênh áp qua quạt

• Lưu lượng gió, nồng độ khí và nhiệt độ trên đường gió vào và đường gió hồi

• Quy trình khởi động và dừng quạt
  Thay đổi chế độ vận hành quạt có thể làm biến đổi đáng kể phân bố dòng gió; do đó thường cần đánh giá rủi ro và quy trình dừng quạt theo kế hoạch/khẩn cấp.

Các ứng dụng điển hình của quạt thông gió mỏ

Quạt thông gió mỏ được sử dụng trong hầu hết mọi loại hình khai thác hầm lò:

• Mỏ than – quạt chính và quạt tăng áp cho thông gió toàn mỏ; quạt cục bộ chống nổ kết hợp ống gió dài cho các gương khai thác và đường lò đào.

• Mỏ kim loại và phi kim – quạt chính hướng trục cỡ lớn cho hệ thống đường dốc và giếng, cùng với quạt phụ cho các đường lò đào và các phân khu khai thác.

• Đường hầm và công trình ngầm – quạt hướng trục và hệ thống ống gió cho hầm đường bộ, đường sắt và thủy điện, có nguyên lý tương tự thông gió cục bộ trong mỏ.

• Kiểm soát bụi và khói – kết hợp thông gió với hệ thống phun sương/thu bụi để giảm bụi hô hấp và bụi/muội diesel (DPM).

Lựa chọn và bố trí quạt phù hợp có thể giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng mà vẫn đáp ứng yêu cầu chất lượng không khí dưới hầm.

Cách chọn quạt (góc nhìn kỹ sư)

Một quy trình lựa chọn chuyên nghiệp thường bao gồm:

1. Xác định nhu cầu thông gió

• Lưu lượng yêu cầu cho từng phân khu và tổng lưu lượng toàn mỏ

• Mức tối thiểu theo quy định (theo người, theo thiết bị diesel, theo gương lò)

2. Lập hoặc cập nhật mô hình mạng thông gió

• Chiều dài đường lò, tiết diện và hệ số Atkinson (điện trở thông gió)

• Tường chặn gió, cửa điều tiết, cửa gió, các tuyến rò gió

3. Chọn loại quạt và cấu hình

• Hướng trục hay ly tâm

• Quạt đơn, hai quạt chạy song song hoặc nối tiếp

• Bố trí vận hành/dự phòng, xem xét quạt tăng áp (nếu cần)

4. Kiểm tra điểm làm việc và đường đặc tính

• Đảm bảo vận hành ổn định gần vùng hiệu suất cao

• Xác nhận có dự phòng cho mở rộng sản lượng trong tương lai

5. Xác minh an toàn, tiếng ồn và tuân thủ tiêu chuẩn

• Yêu cầu chống nổ (khi áp dụng)

• Quy định và hướng dẫn thông gió tại địa phương

6. Lập kế hoạch giám sát và điều khiển

• Dùng biến tần để tinh chỉnh lưu lượng và tiết kiệm năng lượng

• Tích hợp với hệ thống SCADA của mỏ hoặc hệ điều khiển thông gió