Hệ thống tự động điều khiển và kiểm soát quá trình thông gió mỏ hầm lò

 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
45
HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH 
THÔNG GIÓ MỎ HẦM LÒ
TS. Nguyễn Minh Phiên
ThS. Hoàng Quang Hợp
ThS. Thiều Đình Thành, ThS Phạm Hữu Hải
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
Biên tập: ThS. Phạm Chân Chính
Tóm tắt: 
Với mục tiêu giảm chi phí điện năng cho hệ thống thông gió mỏ, góp phần tăng năng suất lao động 
và nâng cao hiệu quả trong khai thác khoáng sản. Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ kiểm soát tự 
động các quá trình thông gió được coi là tất yếu trong thời điểm hiện tại. Với thực trạng các mỏ hầm 
lò hiện nay, để áp dụng một hệ thống hiện đại có mức độ tự động hóa cao sẽ là mục tiêu khó khăn thiếu 
thực tế. Do vậy, cần từng bước rà soát, đánh giá các điều kiện kỹ thuật mỏ để nghiên cứu ứng dụng từng 
phần, bán tự động hệ thống thông gió, sau đó cần có lộ trình cụ thể để tự động hóa toàn phần các quá 
trình thông gió mỏ hầm lò.
1. Đặt vấn đề
Trong khai thác than hầm lò, công tác thông gió 
đóng vai trò rất quan trọng. Ngoài việc cung cấp đủ 
lượng không khí cần thiết cho công nhân làm việc, 
giảm nhiệt độ, giảm hàm lượng bụi, cải thiện điều 
kiện vi khí hậu, thông gió trong mỏ hầm lò còn có 
tác dụng hoà loãng khí mê tan cũng như các loại 
khí độc hại khác xuống dưới giới hạn cho phép 
nhằm ngăn ngừa cháy nổ mỏ. Trong một mỏ hầm 
lò điển hình, chi phí điện năng dành cho hệ thống 
thông gió chiếm tới 1/3 tổng năng lượng điện tiêu 
thụ. Việc giảm chi phí sản xuất được coi là mục 
tiêu của bất kỳ doanh nghiệp khai thác khoáng sản 
nào nhằm nâng cao hiệu quả kinh doanh sản xuất 
của đơn vị. 
Hệ thống tự động điều khiển thông gió hay 
thông gió theo nhu cầu (Ventilation on demand –
VOD) là một giải pháp tối ưu hiện nay cho phép giải 
quyết nhiệm vụ này. Khái niệm “Thông gió theo 
nhu cầu” là thực hiện thông gió trong mỏ hầm lò 
ở một thời điểm cụ thể, điều khiển gió từ nơi có 
nhu cầu thấp tới những nơi có nhu cầu cao, việc 
này dẫn tới cho phép giảm chi phí thông gió của 
hệ thống thông gió mỏ. Phương pháp dường như 
có vẻ đơn giản, tuy nhiên thuật toán điều khiển các 
thiết bị của hệ thống rất phức tạp, cần phải tính tới 
hoạt động của rất nhiều thành phần trong đó như: 
quạt gió chính, cửa gió, quạt cục bộ, các cảm biến 
kiểm soát khí và luồng gió nhằm thống kê, đánh 
giá tình trạng lưu lượng gió, không khí mỏ, với các 
chế độ kiểm soát và quan trắc liên tục môi trường 
làm việc trong hầm mỏ. Từ đó, hệ thống sẽ đưa ra 
cảnh báo, điều khiển tự động các thành phần đảm 
bảo tối ưu luồng gió trong mỏ hầm lò.
Mục tiêu chính của hệ thống thông gió là duy trì 
môi trường không khí thích hợp cho công nhân và 
thiết bị làm việc. Để giải quyết vấn đề này, cần đưa 
không khí sạch vào khu vực làm việc và nhanh 
chóng đưa các khí độc hại, bụi theo gió bẩn ra 
khỏi môi trường làm việc. Để làm giảm chi phí cho 
thông gió, có thể lựa chọn thông gió chọn lọc hay 
lựa chọn đối tượng để thông gió, cho phép tập 
trung phần lớn dòng không khí chính đến khu vực 
phát hiện hay phát sinh nhu cầu thông gió và giảm 
hoặc đưa một lượng không khí vừa đủ vào khu 
vực không làm việc. Hệ thống thông gió làm việc 
chỉ cần duy trì một lượng gió sạch vừa đủ cho nhu 
cầu hòa loãng khí độc tạo ra một môi trường tiêu 
chuẩn theo quy định an toàn sẽ là tiết kiệm nhất. 
Nhờ khả năng quan trắc và phân tích tình trạng 
không khí mỏ đạt hiệu suất cao, cho phép tăng 
năng suất công tác mỏ và tiết kiệm chi phí thông 
gió mỏ.
2. Lịch sử phát triển của hệ thống VOD
Từ nhu cầu thực tế này, năm 1986, một công ty 
của Canada có tên gọi là SimSmart bắt đầu phát 
triển một hệ thống công nghệ quản lý thông gió do 
hải quân Mỹ đặt hàng. Danh sách các nhiệm vụ 
của hệ thống là khá lớn, hệ thống phải mô phỏng 
và thực hiện công tác kiểm soát chất lỏng và không 
khí trên tàu ngầm cho các quá trình hoạt động của 
hệ thống sưởi, hệ thống thông gió và điều hòa 
46 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
không khí, trong đó có tính đến khả năng làm việc 
các hệ thống điện sẵn có. Do vậy, yêu cầu cần sử 
dụng các thiết bị hiện đại cùng phần mềm quản lý 
để kiểm soát quá trình đó. Hệ thống này đã đáp 
ứng được hầu hết các yêu cầu của đối tác. Tuy 
nhiên, không dừng tại đây, đến năm 2006 công 
ty này bắt đầu nghiên cứu áp dụng thử nghiệm 
hệ thống này vào điều kiện trong không gian hầm 
mỏ, tại các mỏ than và các doanh nghiệp khai 
thác quặng để giám sát điều khiển hệ thống thông 
gió. Với sự tham gia trực tiếp của các chuyên gia 
khai thác mỏ, vào cuối năm 2006 hệ thống này 
đã được nghiên cứu áp dụng thành công và cấp 
bằng sáng chế công nghệ đầu tiên về kiểm soát tự 
động các quá trình thông gió mỏ và có tên gọi là 
SmartEXEC (kiểm soát năng lượng thông minh).
3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống VOD
Hệ thống sử dụng OPC (phần mềm chung cho 
phép các phần mềm dùng với các thiết bị phần 
cứng của các hãng khác nhau), sử dụng chuyển 
đổi dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào đó tới bất kỳ một 
chương trình ứng dụng khác mà không làm lẫn 
đường truyền của các thiết bị điều khiển thành 
phần. OPC kết nối các thiết bị thông tin liên lạc và 
kiểm soát nên công nghệ này có thể dễ dàng tích 
hợp vào các hệ thống thông gió. Các thành phần 
kiểm soát của hệ thống có thể kết nối trực tiếp 
thông qua hệ thống điều khiển PLC (thiết bị điều 
khiển lập trình, thiết kế chuyên dùng trong ngành 
công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ 
đơn giản đến phức tạp). Khi các kết nối được thiết 
lập giữa các thành phần thiết bị, hệ thống phần 
mềm bắt đầu theo dõi và quản lý từng phần của 
các khu vực khai thác trong hầm mỏ. Khi thay đổi 
số lượng các thành phần quản lý của hệ thống 
thông gió thì có thể đưa dữ liệu vào để thiết lập 
thay đổi trong chương trình. Các thông số mới 
được đưa vào một cách trực tiếp bởi người điều 
hành hệ thống. Khi cơ sở dữ liệu đã được cập nhật 
đầy đủ phần cứng, phần mềm hệ thống sẽ tái lập 
hoạt động kiểm soát và ghi lại sự thay đổi cơ sở 
hạ tầng của hệ thống điều khiển. Một trong những 
vấn đề tối ưu hóa hệ thống điều khiển thông gió tự 
động đó là sự thay đổi liên tục trong điều kiện làm 
việc dưới lòng đất. Các hệ thống điều khiển phải 
kiểm soát, giám sát chất lượng và lưu lượng của 
không khí cho tất cả các khu vực khai thác, các 
vị trí hoạt động của máy móc và thiết bị trong mỏ.
Dựa trên 20 năm kinh nghiệm trong quá trình 
xây dựng và phát triển hệ thống, công ty Simsmart 
đã phát triển hai phương pháp điều khiển hệ thống 
thông gió tự động khác nhau tùy thuộc theo quy 
mô và mục tiêu sản xuất cụ thể của doanh nghiệp 
mỏ. Hệ thống SmartEXEC có thể tính đến những 
thay đổi thực tế trình trạng không khí môi trường 
trong khu vực khai thác và quản lý dòng không 
khí chung cung cấp cho mỏ, hoặc cũng có thể sử 
dụng một lựa chọn mở rộng các yếu tố khác như: 
chiều sâu khai thác, nhiệt độ, chất lượng không 
khí, sự có mặt của công nhân và thiết bị trong một 
khu vực khai thác cụ thể để khoanh vùng quản lý.
Ngoài việc kiểm soát các luồng không khí, hệ 
thống có khả năng đảm bảo tối ưu hóa năng lượng 
ở mức cao nhất. Hệ thống sử dụng một phần mềm 
máy tính để hiển thị, giám sát, phân tích và điều 
khiển quá trình thông gió. Đây được coi là bộ não 
của hệ thống, có thể cài đặt tự động điều chỉnh 
hoặc hỗ trợ cho nhân viên hệ thống điều khiển 
các thành phần còn lại làm việc chính xác. Hoạt 
động của phần mềm này dựa trên số lượng lớn 
các thông tin từ các cảm biến tại tất cả các vị trí 
sản xuất, đưa ra các cảnh báo về hàm lượng khí, 
vận tốc gió, lưu lượng gió thực tế. Từ đó sẽ tự 
động hoặc bán tự động điều khiển hệ thống cửa 
gió, quạt gió chính, quạt gió cục bộ, để tăng lưu 
lượng gió hoặc giảm tùy theo nhu cầu thực tế của 
các hộ tiêu thụ. Ngoài ra, phần mềm này cũng giúp 
ích cho các kỹ sư trong việc tính toán thông gió 
mỏ, kiểm tra và xác minh các thông số có phù hợp 
với quy định an toàn hay không.
Việc gia tăng các hộ tiêu thụ gió không nhất 
thiết phải tăng công suất của hệ thống thông gió. 
Bởi vì trong một số trường hợp có thể là phân phối 
lại vừa đủ trong các khu vực làm việc hiện tại với 
luồng không khí sẵn có, với phần mềm mô phỏng 
các quá trình thông gió sẽ cho thấy các nguồn dự 
trữ gió để tối ưu hóa các luồng gió cho hệ thống 
thông gió. Một thách thức phải đối mặt với công 
ty Simsmart, là tạo ra một sản phẩm có thể được 
sử dụng tại các mỏ có quy mô bất kỳ và có thể áp 
dụng tại bất kỳ giai đoạn phát triển và sản xuất của 
doanh nghiệp. Để giải quyết vấn đề này, chương 
trình SmartEXEC có tới các cấp độ khác nhau 
(bảng 1), mỗi cấp độ trong số đó có những lợi thế 
riêng của nó và có thể được sử dụng tùy thuộc vào 
quy mô sản xuất từng mỏ và các yêu cầu về an 
toàn và tiết kiệm năng lượng.
4. Kết luận
Hiện nay, công nghệ kiểm soát tự động các 
quá trình thông gió và thông gió theo nhu cầu đang 
 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
47
48 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
phát triển mạnh mẽ, tại các nước có ngành công 
nghiệp khai thác than phát triển đã và đang nghiên 
cứu áp dụng các hệ thống thông gió tự động (hoặc 
bán tự động) dựa trên nguyên lý kiểm soát và 
phân phối gió theo nhu cầu.
Trong bối cảnh chi phí sản xuất tăng cao, tồn 
Hình 1. Giao diện cơ bản của phần mềm quản lý SmartEXEC
Bảng 1. Các cấp độ kiểm soát của hệ thống
Các 
cấp độ 
thực 
hiện
Mô tả cấp độ kiểm soát
Kiểm soát 
thông 
thường 
(đo lường 
vật lý)
Kiểm soát dựa trên mô 
hình (các phép đo được 
tính toán dựa trên các 
thông số thực: áp suất, 
nhiệt độ, sức cản không khí 
theo chiều sâu khai thác)
Cấp 
độ 1
Kiểm soát thủ công: phần mềm cho phép điều 
khiển từ xa trên mặt bằng mỏ các thiết bị như 
bật/tắt quạt, cài đặt tốc độ, đóng mở cửa gió, 
điều chỉnh cửa sổ gió.
Tiêu 
chuẩn Tùy chọn
Cấp 
độ 2
Lập kế hoạch kiểm soát: căn cứ trên thời gian, 
ngưỡng tín hiệu và đặc biệt là nhu cầu gió trong 
từng thời điểm (sau nổ mìn, hàm lượng khí tăng 
cao, trong thời gian gương lò hoạt động hoặc 
ngừng hoạt động).
Tiêu 
chuẩn Tùy chọn
Cấp 
độ 3
Tự động kiểm soát lưu lượng gió, hàm lượng khí 
và nhiệt độ.
Tiêu 
chuẩn Tùy chọn
Cấp 
độ 4
Kiểm soát lưu lượng thông qua tính toán nhu cầu 
thông gió.
Tiêu 
chuẩn Tùy chọn
Cấp 
độ 5
Tối ưu hóa kiểm soát dòng không khí phân phối 
cũng như năng lượng điện tiêu thụ cho quạt gió 
chính.
Tiêu 
chuẩn Tùy chọn
 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
49
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống khi thực hiện các cấp độ kiểm soát và điều khiển 
khác nhau
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc và các thành phần của hệ thống
50 KHCNM SỐ 2/2021 * AN TOÀN MỎ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
kho lớn, cần nghiên cứu các giải pháp góp phần 
giảm giá thành sản phẩm than. Theo kế hoạch sản 
xuất của TKV, sản lượng than hầm lò sẽ tăng lên 
và chiếm khoảng 80% tổng sản lượng vào năm 
2030. Để đạt được mục tiêu đề ra, ngoài việc triển 
khai áp dụng đồng bộ dây chuyền hiện đại trong 
khai thác than nhằm nâng cao hiệu quả trong khai 
thác kinh doanh, việc nghiên cứu ứng dụng công 
nghệ kiểm soát tự động các quá trình thông gió và 
thông gió theo nhu cầu tại các mỏ than hầm lò là 
một giải pháp khả quan, góp phần tiết giảm chi phí 
điện năng cho hệ thống thông gió, giúp giảm nhân 
công trong công tác thông gió - kiểm soát khí mỏ, 
giảm giá thành khai thác và nâng cao năng suất 
lao động. 
Tài liệu tham khảo:
[1]. Круглов Ю. В. Научные основы построения 
оптимальных систем автоматического 
управления проветриванием подземных 
рудников. // Стратегия и процессы освоения 
георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии 
Горного института УрО РАН по результатам 
НИР в 2009 г. — Пермь. — 2010.— С. 151 — 
162.
[2]. Гитис Ю.Л. Шахтная вентиляция. 
Автоматическая система управления и 
контроль за заходами.// издательство «Горная 
книга» - 2012.- C.280-282.
[3]. Website:
contractors/ventilation/simsmart
[4]. In full control, Sara Perno. Mining Magazine, 
July/August 2011, p. 59—61.
The automatic control and monitoring system 
for the underground mine ventilation 
Dr. Nguyen Minh Phien, MSc. Hoang Quang Hop, MSc. Thieu Dinh Thanh
MSc. Pham Huu Hai - Vinacomin – Instiute of Mining Science and Technology
Abstract:
For the purpose of decrease in electricity costs for the mine ventilation system and increase in the 
labor productivity and improvement of the mineral mining efficiency. The research on and application 
of the automatic control for the ventilation processes are considered indispensable at the present time. 
In consideration of the current status of underground mines, it will be a difficult and unrealistic goal 
to apply a modern system with a high degree of automation. Therefore, it is necessary to step by step 
review and evaluate the technical conditions of the mine to study and apply the partial and semi-auto 
ventilation system, then a specific roadmap for the whole automation of underground mine ventilation 
processes.