NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO TỐC ĐỘ GIÓ CẦM TAY AN TOÀN TRONG KHAI THÁC HẦM LÒ PHỤC VỤ AN TOÀN LAO ĐỘNG

Thông tin đề tài:

  • Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo tốc độ gió cầm tay dùng cho khai thác hầm lò phục vụ an toàn lao động
  • Mã số đề tài: 189.08TD/HĐ-KHCN (Quyết định số 1999/QĐ-BCT)
  • Cơ quan chủ trì: Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA) – Bộ Công Thương
  • Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thế Truyện
  • Đơn vị phối hợp thử nghiệm: Công ty Than Khe Chàm – TKV
  • Sản phẩm chính: Thiết bị đo tốc độ gió cầm tay ký hiệu VIELINA-ĐG01

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

  • Vấn đề nghiên cứu chính: Trong khai thác than hầm lò, sự tích tụ khí mêtan ($CH_4$) và khí độc tại các gương lò là mối nguy cơ gây nổ mỏ và ngạt thở hàng đầu. Kiểm soát chế độ thông gió liên tục là giải pháp sống còn để đảm bảo an toàn sinh mạng cho thợ mỏ. Đề tài tập trung giải quyết bài toán: Làm thế nào để thiết kế, chế tạo một thiết bị đo tốc độ gió cầm tay nhỏ gọn, tích hợp đa thông số vi khí hậu, hoạt động chính xác trong môi trường bụi - ẩm khắc nghiệt và đạt chuẩn an toàn tia lửa phòng nổ tuyệt đối với giá thành nội địa hợp lý?
  • Phương pháp tiếp cận: Đề tài nghiên cứu so sánh 4 công nghệ đo lưu tốc dòng khí (cơ học, nhiệt điện trở, siêu âm, đếm xung quang hồng ngoại); qua đó lựa chọn giải pháp cảm biến đếm xung quang học kết hợp cánh quạt vi cơ khí có độ nhạy cao. Hệ thống tích hợp chip cảm biến kỹ thuật số SHT15 (nhiệt độ, độ ẩm), khối vi điều khiển trung tâm tiết kiệm năng lượng, bộ nhớ lưu trữ EEPROM theo thời gian thực (RTC) và giao tiếp máy tính qua chuẩn RS-232. Toàn bộ phần cứng được thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn tia lửa $TCVN\ 7079:2000$ (cấp phòng nổ Ex ia I).
  • Kết quả then chốt: Chế tạo thành công thiết bị đo cầm tay VIELINA-ĐG01 với dải đo gió $0,3 \div 20\text{ m/s}$ (độ phân giải $0,1\text{ m/s}$, sai số $\pm 3%$), dải đo nhiệt độ $0 \div 60^\circ\text{C}$ ($\pm 0,5^\circ\text{C}$) và độ ẩm $0 \div 98%\text{ RH}$ ($\pm 2,5%$). Thiết bị đã vượt qua thử nghiệm khí động học tại phòng thí nghiệm và hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế tại mỏ Than Khe Chàm.
  • Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu khẳng định năng lực tự chủ công nghệ chế tạo thiết bị đo lường an toàn mỏ của Việt Nam, mở ra giải pháp thay thế hàng nhập ngoại đắt đỏ, góp phần giảm thiểu triệt để tai nạn lao động trong ngành than.

Bối cảnh và tầm quan trọng (Background & Significance)

1. Hiện trạng an toàn lao động trong khai thác than hầm lò

Khai thác khoáng sản hầm lò, đặc biệt là khai thác than đá tại Việt Nam, đang bước vào giai đoạn chuyển dịch mạnh mẽ: tỷ trọng khai thác lộ thiên giảm dần, buộc các đơn vị thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) phải mở rộng khai thác xuống các tầng sâu (từ $-150\text{ m}$ đến $-300\text{ m}$ và sâu hơn). Càng xuống sâu, độ ngậm khí mỏ của các vỉa than càng cao; tại vùng than Quảng Ninh, lượng khí $CH_4$ thoát ra có nơi đạt tới $28\text{ m}^3\text{/tấn/ngày-đêm}$.

Trong lịch sử khai thác than hầm lò Việt Nam, nhiều vụ cháy nổ khí mêtan thảm khốc đã từng xảy ra:

  • Vụ nổ khí tại vỉa than $V9b$ Công ty Than Mạo Khê (1999) làm 19 người thiệt mạng;
  • Vụ tai nạn tại Xí nghiệp Than 190 Đông Bắc (1999) làm 3 người chết;
  • Hai vụ nổ liên tiếp tại Xí nghiệp Than Suối Lại và Xí nghiệp 909 (2002) cướp đi sinh mạng 13 công nhân;
  • Sự cố nghiêm trọng tại Công ty Than Thống Nhất (2006) làm 8 người tử vong.

Nguyên nhân cốt lõi của các vụ cháy nổ khí mỏ xuất phát từ việc hệ thống thông gió hầm lò hoạt động không đạt yêu cầu thiết kế hoặc bị gián đoạn (đặc biệt trong các ngày nghỉ, chuyển ca), dẫn tới khí mêtan tích tụ cục bộ trong dải nồng độ nguy hiểm ($5% \div 15%$). Khi gặp nguồn nhiệt hoặc tia lửa điện xuất hiện bất ngờ, phản ứng nổ dây chuyền sẽ bùng phát ngay tức khắc. Do đó, việc đo lường lưu tốc gió hàng ngày, hàng ca để đánh giá lưu lượng cấp khí tươi là nhiệm vụ an toàn bắt buộc và tối thượng.

       Nguy cơ tích tụ khí mêtan (CH4: 5 - 15%)
                         +
    Tia lửa điện / Nguồn nhiệt bất cẩn trong hầm lò
       [Giải pháp kiểm soát phòng ngừa]

2. Khoảng trống công nghệ và sự phụ thuộc thiết bị ngoại nhập

Khảo sát thực tế tại các đơn vị mỏ TKV vào năm 2008 cho thấy:

  • Nhiều đơn vị vẫn sử dụng máy đo cơ khí chỉ thị kim thế hệ cũ (như dòng DFA-2, DFA-3 của Trung Quốc) có độ nhạy thấp, sai số lớn ($\pm 0,2\text{ m/s}$), dễ kẹt cơ khí do bụi bẩn và không có khả năng lưu trữ dữ liệu.
  • Các thiết bị đo điện tử hiện đại phần lớn phải nhập khẩu từ Nhật Bản (TEP-1000, TEP-1000-1), Ba Lan (SAT-1) hoặc Hoa Kỳ (Extech). Những thiết bị này có giá thành cao, khó bảo hành, thay thế linh kiện tại chỗ và chưa được tối ưu hóa giao diện hoàn toàn cho thợ mỏ Việt Nam.

Vì vậy, đề tài nghiên cứu cấp Bộ do Viện VIELINA chủ trì mang tính thời sự cấp bách, đáp ứng trực tiếp Chiến lược Hiện đại hóa công tác An toàn - Bảo hộ lao động của ngành Than Việt Nam.

Methodology và Phương pháp tiếp cận (Methodology & Approach)

1. Đánh giá và lựa chọn nguyên lý cảm biến đo tốc độ gió

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích so sánh toàn diện 4 nguyên lý đo lưu tốc gió phổ biến trên thế giới để tìm ra giải pháp tối ưu cho môi trường hầm lò:

Tiêu chí Đo chén quay cơ khí (Robinson) Đo bằng dây nhiệt (Hot-Wire Anemometer) Đo bằng sóng siêu âm (Ultrasonic Anemometer) Đo đếm xung quang hồng ngoại (Optical/IR Pulse)
Nguyên lý Cốc quay quanh trục, đóng ngắt tiếp điểm từ Thay đổi điện trở dây Platinum khi luồng khí làm mát Đo độ trễ thời gian truyền sóng siêu âm theo chiều gió Cánh quạt quay ngắt chùm tia hồng ngoại thu/phát
Độ nhạy & Dải đo Thấp, dải đo hạn chế Rất cao, dải đo rộng Rất cao, đáp ứng nhanh Cao, ổn định từ $0,3 \div 20\text{ m/s}$
Ảnh hưởng của bụi Dễ kẹt trục cơ khí Bụi bám làm hỏng dây nhiệt, sai số cực lớn Bụi tán xạ sóng âm gây mất tín hiệu Cánh quạt chống bám bụi tốt, bảo trì đơn giản
Ảnh hưởng của độ ẩm Trung bình Độ ẩm cao ($100%$) làm thay đổi khả năng tản nhiệt Độ ẩm làm thay đổi vận tốc truyền âm Hầu như không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm cao
Tính ứng dụng trong mỏ Không phù hợp Không khả thi trong lò ẩm bụi Phức tạp, chi phí cao Lựa chọn tối ưu nhất cho thiết bị cầm tay

Kết luận kỹ thuật: Phương pháp đếm xung quang hồng ngoại được nhóm tác giả lựa chọn làm nền tảng. Khi luồng không khí thổi qua, cánh quạt quay quanh trục với tốc độ tỷ lệ tuyến tính với vận tốc gió. Các cánh quạt liên tục đóng/ngắt chùm tia hồng ngoại giữa mắt phát (LED IR) và mắt thu (Phototransistor). Tần số chuỗi xung sinh ra được đưa về vi điều khiển để tính toán chính xác giá trị vận tốc gió tức thời, cực đại ($MAX$) và trung bình ($AVG$).

                                                        Chuỗi xung tần số f

2. Thiết kế cấu trúc phần cứng và tích hợp đa cảm biến

Thiết bị VIELINA-ĐG01 được thiết kế dạng module hóa cao:

  • Khối cảm biến gió: Cụm cánh quạt và cặp thu phát quang hồng ngoại bước sóng $\lambda_p = 950\text{ nm}$, góc nhạy $\pm 37^\circ$, tần số cắt $110\text{ kHz}$.
  • Khối cảm biến vi khí hậu: Tích hợp IC thông minh Sensirion SHT15 sử dụng công nghệ CMOSens, cho phép đo đồng thời nhiệt độ và độ ẩm tương đối với tín hiệu đầu ra số hóa $I^2C$, độ ổn định cao, chống đọng sương.
  • Khối xử lý trung tâm (CPU): Vi điều khiển kiến trúc RISC công suất thấp, đảm nhiệm việc đếm xung tần số cao, chuyển đổi ADC, xử lý bù sai số phi tuyến, điều khiển hiển thị và quét bàn phím.
  • Khối hiển thị & Giao tiếp: Màn hình tinh thể lỏng LCD $8 \times 2$ ký tự, tích hợp IC thời gian thực (RTC) và bộ nhớ EEPROM lưu trữ dữ liệu đo theo ca làm việc; cổng truyền thông RS-232 kết nối máy tính trích xuất báo cáo.

3. Thiết kế an toàn tia lửa (Intrinsic Safety) theo tiêu chuẩn TCVN 7079:2000

Do làm việc trong môi trường Mỏ nhóm I (nguy hiểm về khí cháy và bụi nổ), mạch điện của VIELINA-ĐG01 được thiết kế triệt để theo tiêu chuẩn TCVN 7079-2000:

  • Giới hạn năng lượng phóng điện dưới mức năng lượng tối thiểu có thể kích nổ hỗn hợp khí mêtan - không khí ($W_{min} \le 0,28\text{ mJ}$).
  • Nguồn cấp sử dụng pin sạc Ni-MH $3,6\text{ V}$, tích hợp IC nâng áp tự động MAX710 lên $5\text{ V}$ ổn định cho toàn mạch. Dòng làm việc toàn mạch cực thấp ($\sim 50\text{ mA}$).
  • Toàn bộ các tụ điện, cuộn cảm trong mạch được tính toán hạn chế điện dung/điện cảm ký sinh, kết hợp diode Zener và điện trở hạn dòng bảo vệ kép, đảm bảo ngay cả khi xảy ra ngắn mạch linh kiện cũng không phát sinh tia lửa điện có hại.

Phát hiện chính và Kết quả kỹ thuật (Key Findings)

Qua quá trình chế tạo mẫu và tiến hành kiểm định tại phòng thử nghiệm khí động học cũng như môi trường thực địa mỏ Than Khe Chàm, đề tài đã ghi nhận các kết quả vượt bậc:

1. Hoàn thiện thiết bị mẫu VIELINA-ĐG01 đạt chuẩn công nghiệp mỏ

Thiết bị hoàn chỉnh có kết cấu cơ khí vỏ nhựa ABS chịu va đập cao, độ kín khít chống ẩm và bụi xâm nhập tốt. Giao diện trực quan với 3 nút chức năng, hiển thị số rõ ràng trên màn hình LCD, khối lượng nhẹ dễ dàng cầm tay hoặc đeo bên hông trong suốt ca làm việc 8 tiếng của công nhân thông gió mỏ.

2. Thông số kỹ thuật đo lường đạt độ chính xác cao

Kết quả kiểm chuẩn khí động học trong ống khí tiêu chuẩn cho thấy:

  • Tốc độ gió: Dải đo từ $0,3\text{ m/s} \div 20,0\text{ m/s}$. Sai số đo đạt mức $\pm 3%$ giá trị đọc (hoặc $\pm 0,1\text{ m/s}$), hoàn toàn tương đương với các dòng máy nhập khẩu cao cấp của Nhật Bản (TEP-1000) và vượt trội so với máy cơ khí Trung Quốc.
  • Nhiệt độ môi trường: Đo chính xác trong khoảng $0 \div 60^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0,5^\circ\text{C}$.
  • Độ ẩm tương đối: Dải đo $0 \div 98%\text{ RH}$, sai số $\pm 2,5%$, không xảy ra hiện tượng "trôi" điểm 0 khi làm việc liên tục trong hầm lò có độ ẩm bão hòa.

3. Vận hành tin cậy trong môi trường thực địa khắc nghiệt

Tại các đường lò phân gió và gương lò khấu của Công ty Than Khe Chàm:

  • Cụm cảm biến hồng ngoại hoạt động trơn tru, không bị kẹt bụi than hay ngưng tụ sương mù làm sai lệch kết quả.
  • Thuật toán lọc nhiễu số giúp ổn định số đo khi luồng gió trong lò có dao động xoáy cục bộ.
  • Chức năng tự động lưu trữ dữ liệu thời gian thực giúp giám sát viên ghi lại đầy đủ lịch sử thông gió tại các vị trí lò cụt nguy hiểm.

Đóng góp khoa học và Giá trị thực tiễn (Scientific & Practical Contributions)

1. Đóng góp về mặt học thuật và kỹ thuật đo lường

  • Làm chủ thiết kế hệ thống nhúng chuyên dụng: Đề tài đã làm chủ trọn vẹn quy trình từ thiết kế nguyên lý, lập trình vi điều khiển xử lý tín hiệu cảm biến quang điện tử đến chế tạo mạch in chống cháy nổ.
  • Tích hợp đa chỉ số vi khí hậu: Không chỉ dừng lại ở đo tốc độ gió đơn thuần, thiết bị đã tích hợp đồng thời các tham số nhiệt độ, độ ẩm và thời gian thực, cung cấp bức tranh toàn diện về môi trường làm việc của thợ mỏ.

2. Giá trị kinh tế và tự chủ công nghệ

  • Giảm chi phí đầu tư thiết bị: Giá thành chế tạo của VIELINA-ĐG01 chỉ bằng khoảng $40% \div 50%$ so với các thiết bị đo điện tử nhập ngoại cùng phân khúc từ Nhật hay Châu Âu.
  • Chủ động bảo trì, bảo dưỡng: Việc tự chủ thiết kế phần cứng và phần mềm giúp các đơn vị khai thác trong nước chủ động hoàn toàn trong công tác kiểm định định kỳ, hiệu chuẩn, nâng cấp và thay thế linh kiện mà không phải chờ đợi linh kiện từ nước ngoài.
                    GIÁ TRỊ CỐT LÕI CỦA ĐỀ TÀI

Đối tượng thụ hưởng và Phạm vi ứng dụng (Target Audience & Applications)

  1. Các công ty khai thác than hầm lò thuộc Tập đoàn TKV: (Than Mạo Khê, Khe Chàm, Thống Nhất, Hạ Long, Vàng Danh, Nam Mẫu...) trang bị trực tiếp cho cán bộ Phòng Thông gió - Đo lường khí mỏ, quản đốc phân xưởng và đội trưởng an toàn kiểm tra đầu ca sản xuất.
  2. Các đơn vị khai thác khoáng sản & xây dựng công trình ngầm: Các dự án đào hầm giao thông, thủy điện ngầm, hầm cáp đô thị cần thiết bị kiểm tra môi trường thông gió cục bộ.
  3. Cơ quan kiểm định và thanh tra an toàn lao động: Cục An toàn Lao động, Thanh tra Sở Công Thương sử dụng làm thiết bị giám sát hiện trường.
  4. Các trường đại học & Viện nghiên cứu: Làm tài liệu giảng dạy, mô hình thực nghiệm trong đào tạo kỹ sư Khai thác Mỏ, Tự động hóa và Bảo hộ lao động (Đại học Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - IMSAT).

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện và đóng góp kỹ thuật quan trọng nhất của đề tài là gì?

Đó là việc lựa chọn thành công nguyên lý đếm xung quang hồng ngoại và thiết kế mạch điện an toàn tia lửa theo tiêu chuẩn $TCVN\ 7079:2000$. Giải pháp này khắc phục hoàn toàn nhược điểm dễ kẹt bụi của máy cơ khí và nguy cơ đọng sương sai số của phương pháp dây nhiệt, tạo ra thiết bị VIELINA-ĐG01 có độ chính xác cao và giá thành nội địa vượt trội.

2. Phương pháp đếm xung hồng ngoại có điểm gì đặc biệt so với phương pháp siêu âm và dây nhiệt?

Cảm biến dây nhiệt rất nhạy cảm với bụi bẩn và độ ẩm cao trong hầm lò (dễ bám bẩn làm sai lệch khả năng truyền nhiệt), còn sóng siêu âm lại bị tán xạ mạnh bởi nồng độ bụi than lơ lửng. Phương pháp quang đếm xung kết hợp cánh quạt vi cơ khí duy trì được sự cân bằng hoàn hảo giữa độ chính xác, độ bền cơ học và tính ổn định trong môi trường mỏ.

3. Kết quả của thiết bị có thể áp dụng rộng rãi ngoài ngành than không?

Hoàn toàn có thể. Nhờ dải đo rộng ($0,3 \div 20\text{ m/s}$) và khả năng đo nhiệt ẩm tích hợp, thiết bị có thể ứng dụng trong đo đạc khí tượng thủy văn, giám sát hệ thống thông gió tòa nhà (HVAC), nhà kính nông nghiệp công nghệ cao và các công trình ngầm dân dụng.

4. Thiết bị đã được kiểm định an toàn phòng nổ như thế nào?

Sản phẩm đã được lập hồ sơ thuyết minh kỹ thuật và tiến hành kiểm định an toàn nghiêm ngặt tại Trung tâm An toàn Mỏ, đảm bảo giới hạn năng lượng an toàn tia lửa cấp Ex ia I, đủ điều kiện pháp lý để vận hành trong môi trường mỏ có khí cháy nổ.

5. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là gì?

Hướng nghiên cứu tiếp theo là tích hợp thêm module truyền thông không dây công suất thấp (Zigbee/LoRa) để truyền trực tiếp dữ liệu tốc độ gió về hệ thống điều khiển SCADA giám sát trung tâm của mỏ than theo thời gian thực.

Kết luận (Conclusion)

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo tốc độ gió cầm tay dùng cho khai thác hầm lò phục vụ an toàn lao động" (Mã số: 189.08TD/HĐ-KHCN) do Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA) thực hiện là một công trình khoa học ứng dụng có giá trị thực tiễn to lớn. Việc chế tạo thành công thiết bị VIELINA-ĐG01 không chỉ giải quyết triệt để bài toán kiểm soát thông gió phòng chống cháy nổ khí mêtan tại các mỏ than hầm lò, mà còn nâng cao vị thế tự chủ công nghệ thiết bị đo mỏ của Việt Nam.

Trong giai đoạn tới, việc thương mại hóa sản phẩm trên quy mô công nghiệp và mở rộng kết nối mạng giám sát tự động sẽ là bước đi chiến lược, góp phần xây dựng ngành khai khoáng Việt Nam ngày càng an toàn, hiện đại và phát triển bền vững.