Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp khai thác than hầm lò tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức về năng suất, an toàn lao động và hiệu quả khai thác, việc ứng dụng công nghệ cơ giới hóa hiện đại trở thành yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, đến năm 2015, nhiều mỏ than sẽ chuyển từ khai thác lộ thiên sang khai thác hầm lò, đồng thời sản lượng than dự kiến tăng lên tới 100 triệu tấn vào giai đoạn 2020-2025. Tuy nhiên, hiện nay phần lớn các mỏ than vẫn sử dụng phương pháp khoan nổ mìn thủ công, tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn và hiệu quả thấp.

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển máy khấu than MG 200-W1 sử dụng bộ điều khiển PLC nhằm nâng cao khả năng tự động hóa trong khai thác than hầm lò. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống điều khiển thủy lực của máy khấu, kết hợp với dàn chống tự hành VINAALTA-2 và máng cào DSS 260-2x132kw-120m, được khảo sát tại các mỏ than ở vùng Quảng Ninh. Mục tiêu chính là giảm số lượng công nhân vận hành từ 20 xuống còn khoảng 5 người mỗi ca, đồng thời đảm bảo an toàn và tăng năng suất khai thác.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ cơ giới hóa đồng bộ tại các mỏ than Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu tai nạn lao động và tạo nền tảng phát triển bền vững cho ngành than trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển tự động và công nghệ thủy lực trong khai thác mỏ.

  1. Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng bộ điều khiển khả lập trình PLC S7-200 của Siemens, với các ngôn ngữ lập trình như LAD (Ladder Diagram), STL (Statement List) và FBD (Function Block Diagram). PLC được sử dụng để điều khiển các thiết bị thủy lực, động cơ điện và hệ thống an toàn, giúp tự động hóa quy trình khai thác than.

  2. Công nghệ thủy lực trong khai thác mỏ: Hệ thống thủy lực của máy khấu MG 200-W1 bao gồm bơm dầu chính, xi lanh nâng hạ tay khấu, van điều khiển, hệ thống bảo vệ quá tải, bảo vệ thấp áp, bảo vệ công suất và chống trượt máy. Hệ thống này đảm bảo vận hành ổn định, an toàn và hiệu quả trong điều kiện hầm lò phức tạp.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: máy khấu (combai), dàn chống tự hành, máng cào, hệ thống thủy lực, bộ điều khiển PLC, bảo vệ quá tải, bảo vệ thấp áp, bảo vệ công suất, và bảo vệ chống trượt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý luận và thực tiễn:

  • Phương pháp lý luận: Phân tích, tổng hợp tài liệu kỹ thuật, các nghiên cứu trước đây về máy khấu, hệ thống thủy lực và điều khiển PLC để xây dựng cơ sở lý thuyết cho đề tài.

  • Phương pháp thực tiễn: Khảo sát hiện trường tại các mỏ than sử dụng máy khấu MG 200-W1, thu thập số liệu vận hành, khảo sát hoạt động hệ thống thủy lực và trao đổi với chuyên gia trong ngành.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các thiết bị máy khấu, dàn chống tự hành và máng cào tại mỏ than Khe Chàm, Vàng Danh và Nam Mẫu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các thiết bị cơ giới hóa phổ biến trong khai thác than hầm lò Việt Nam. Phân tích dữ liệu sử dụng mô phỏng chương trình điều khiển PLC và đánh giá hiệu quả vận hành qua các chỉ số năng suất, an toàn và giảm nhân lực.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2009 đến 2011, bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế, lập trình và mô phỏng hệ thống điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả tự động hóa nâng cao: Việc ứng dụng bộ điều khiển PLC S7-200 cho hệ thống máy khấu MG 200-W1 giúp giảm số lượng công nhân vận hành từ 20 xuống còn khoảng 5 người mỗi ca, tương đương giảm 75% nhân lực cần thiết. Điều này đồng nghĩa với việc giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động và tăng tính ổn định trong vận hành.

  2. Tăng năng suất khai thác: Máy khấu MG 200-W1 kết hợp với dàn chống tự hành VINAALTA-2 và máng cào DSS 260-2x132kw-120m đạt công suất khai thác trung bình khoảng 200 tấn than/ngày tại mỏ Khe Chàm, và có thể nâng lên tới 300 tấn/ngày tại mỏ Vàng Danh khi vận hành đồng bộ. So với phương pháp thủ công, năng suất tăng từ 2 đến 3 lần.

  3. Đảm bảo an toàn vận hành: Hệ thống thủy lực được trang bị các cơ chế bảo vệ quá tải, bảo vệ thấp áp, bảo vệ công suất và chống trượt máy, giúp giảm thiểu sự cố kỹ thuật và tai nạn trong điều kiện hầm lò phức tạp. Tỷ lệ sự cố kỹ thuật giảm khoảng 30% so với hệ thống điều khiển thủ công.

  4. Tính ổn định và độ bền thiết bị: Áp lực sử dụng bơm dầu chính chỉ chiếm khoảng 45% áp lực định mức, giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì. Hệ thống phun sương làm mát và dập bụi cung cấp lưu lượng nước khoảng 200 lít/phút, đảm bảo môi trường làm việc an toàn và kéo dài tuổi thọ động cơ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng PLC trong điều khiển máy khấu than không chỉ nâng cao hiệu quả khai thác mà còn cải thiện đáng kể điều kiện làm việc và an toàn lao động. Việc giảm nhân lực vận hành đồng nghĩa với giảm thiểu rủi ro tai nạn và chi phí nhân công, phù hợp với xu hướng tự động hóa trong ngành khai thác mỏ hiện đại.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả này tương đồng với các báo cáo về ứng dụng công nghệ PLC trong khai thác than tại các nước phát triển, nơi tự động hóa giúp tăng năng suất từ 50% đến 200% tùy điều kiện địa chất và thiết bị. Việc tích hợp hệ thống bảo vệ thủy lực đa tầng cũng là điểm mạnh giúp đảm bảo vận hành an toàn trong môi trường hầm lò khắc nghiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh năng suất khai thác trước và sau khi ứng dụng PLC, bảng thống kê số lượng công nhân vận hành và tỷ lệ sự cố kỹ thuật, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống điều khiển mới.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi hệ thống điều khiển PLC: Khuyến nghị các mỏ than hầm lò tại Việt Nam áp dụng hệ thống điều khiển PLC cho máy khấu, dàn chống tự hành và máng cào nhằm nâng cao tự động hóa, giảm nhân lực và tăng năng suất. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, do các đơn vị khai thác phối hợp với viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì PLC: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình và vận hành PLC cho cán bộ kỹ thuật tại các mỏ than, đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời. Mục tiêu nâng cao năng lực nhân lực trong vòng 1 năm.

  3. Nâng cấp hệ thống bảo vệ thủy lực: Cải tiến và bổ sung các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ thấp áp, bảo vệ công suất và chống trượt nhằm tăng độ an toàn và tuổi thọ thiết bị. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất thiết bị và đơn vị khai thác trong vòng 1-2 năm.

  4. Đầu tư hệ thống phun sương làm mát và dập bụi: Mở rộng ứng dụng hệ thống phun sương với lưu lượng nước tối thiểu 200 lít/phút để giảm bụi và nguy cơ cháy nổ khí metan trong hầm lò, đảm bảo môi trường làm việc an toàn. Thời gian triển khai trong 1 năm, do các đơn vị khai thác phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật ngành khai thác mỏ: Nghiên cứu giúp nâng cao kiến thức về hệ thống điều khiển tự động và thủy lực trong khai thác than, áp dụng thực tiễn để cải tiến thiết bị và quy trình vận hành.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành than: Tham khảo để xây dựng chiến lược phát triển công nghệ cơ giới hóa, nâng cao năng suất và an toàn lao động trong ngành than Việt Nam.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng PLC trong điều khiển thiết bị công nghiệp phức tạp, kết hợp lý thuyết và thực tiễn khai thác mỏ.

  4. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị khai thác mỏ: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và vận hành thực tế của máy khấu, dàn chống và máng cào để phát triển sản phẩm phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. PLC là gì và tại sao lại được sử dụng trong điều khiển máy khấu than?
    PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển khả lập trình dùng để tự động hóa các thiết bị công nghiệp. PLC được sử dụng trong máy khấu than vì khả năng điều khiển chính xác, linh hoạt, dễ lập trình và bảo trì, giúp giảm nhân lực và tăng hiệu quả vận hành.

  2. Máy khấu MG 200-W1 có những đặc điểm kỹ thuật nổi bật nào?
    Máy khấu MG 200-W1 có công suất động cơ 200 kW, trọng lượng 20 tấn, tốc độ di chuyển 0-5,5 m/phút, tay khấu cong tăng hiệu suất bốc xếp lên 40%, và hệ thống phun sương làm mát với lưu lượng nước 200 lít/phút, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong khai thác.

  3. Hệ thống bảo vệ thủy lực của máy khấu gồm những chức năng gì?
    Hệ thống bảo vệ bao gồm bảo vệ quá tải, bảo vệ thấp áp, bảo vệ công suất động cơ và bảo vệ chống trượt máy. Các chức năng này giúp ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và tai nạn lao động bằng cách điều chỉnh áp lực dầu và tốc độ vận hành phù hợp.

  4. Việc ứng dụng PLC giúp giảm nhân lực vận hành như thế nào?
    PLC tự động hóa các thao tác điều khiển máy khấu, dàn chống và máng cào, giảm số công nhân vận hành từ 20 xuống còn khoảng 5 người mỗi ca, giảm 75% nhân lực, đồng thời tăng tính ổn định và an toàn trong vận hành.

  5. Làm thế nào để đảm bảo hệ thống phun sương hoạt động hiệu quả trong hầm lò?
    Hệ thống phun sương cần cung cấp lưu lượng nước khoảng 200 lít/phút với áp suất từ 1,5 đến 3 MPa, được trang bị các van an toàn và bộ lọc để tránh tắc nghẽn, đảm bảo dập bụi, làm mát và hạn chế nguy cơ cháy nổ khí metan.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết kế thành công hệ thống điều khiển máy khấu than MG 200-W1 sử dụng bộ điều khiển PLC S7-200, nâng cao tự động hóa và hiệu quả khai thác.
  • Hệ thống thủy lực được phân tích chi tiết với các cơ chế bảo vệ an toàn, đảm bảo vận hành ổn định trong điều kiện hầm lò phức tạp.
  • Ứng dụng PLC giúp giảm 75% nhân lực vận hành, tăng năng suất khai thác từ 2 đến 3 lần và giảm tỷ lệ sự cố kỹ thuật khoảng 30%.
  • Đề xuất triển khai rộng rãi công nghệ PLC, đào tạo nhân lực và nâng cấp hệ thống bảo vệ, phun sương nhằm phát triển bền vững ngành than Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế tại các mỏ than, hoàn thiện chương trình điều khiển và mở rộng ứng dụng sang các thiết bị khai thác khác.

Hành động ngay hôm nay để thúc đẩy tự động hóa trong khai thác than, nâng cao năng suất và an toàn lao động cho ngành công nghiệp mỏ Việt Nam!