Khai thác mỏ và xây dựng công trình ngầm xác định đường kính ống gió tối ưu trên cơ sở giải tích hóa đặc tính thiết bị thông gió

34 
34 
T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 37, 01/2012, tr.34-38 
KHAI THÁC MỎ & XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM (trang 34-54) 
XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG KÍNH ỐNG GIÓ TỐI ƯU 
TRÊN CƠ SỞ GIẢI TÍCH HÓA ĐẶC TÍNH THIẾT BỊ THÔNG GIÓ 
ĐẶNG VŨ CHÍ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất 
NGUYỄN HỮU HÒA, Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội 
ĐOÀN SỸ THANH, ĐỖ VĂN QUYẾT, Công ty than Mạo Khê (Vinacomin) 
Tóm tắt: Để thông gió khi đào các công trình ngầm hoặc các đường lò ở mỏ trên thực tế 
thường sử dụng các quạt cục bộ và đường ống dẫn gió. Quạt gió được lựa chọn trên cơ sở 
các thông số về lưu lượng gió, hạ áp yêu cầu quạt cần tạo ra. Các trị số này phụ thuộc vào 
chủng loại cũng như các thông số của đường ống dẫn gió. Vấn đề đặt ra là cần xác định 
đường kính ống gió hợp lý về cả phương diện kinh tế và kỹ thuật đảm bảo thông gió khi đào 
đường lò. 
1. Đặt vấn đề 
Khi đào các công trình ngầm thường sử 
dụng quạt cục bộ và đường ống dẫn gió để thực 
hiện thông gió. Ở các đường lò có khí bụi nổ 
phương pháp thông gió đẩy chiếm ưu thế. Ở các 
mỏ hầm lò nước ta, các quạt gió cục bộ được sử 
dụng rất đa dạng và thường được nhập từ Trung 
Quốc. Cùng với quạt, ống gió đóng vai trò quan 
trọng trong hệ thống thông gió cục bộ. Phụ 
thuộc vào phương pháp thông gió cũng như 
điều kiện thực tế, có thể sử dụng các loại ống 
mềm, ống cứng và ống mềm có xương cứng 
(loại này thực tế chưa sử dụng ở nước ta). Về 
mặt định lượng, lựa chọn ống gió dựa trên 2 cơ 
sở: 1) về phương diện kinh tế, ống gió có đường 
kính càng nhỏ càng giảm chi phí thông gió. 
2) về mặt kỹ thuật, đường kính ống gió phải đủ 
lớn để đảm bảo không khí chuyển dịch trong 
đường ống với tốc độ không vượt quá 12m/s. 
Các cơ sở nêu trên chỉ mang tính chất nguyên 
tắc và định hướng chung; còn việc xác định, lựa 
chọn đường ống gió chưa được chú trọng cũng 
như nghiên cứu đúng mức. 
Trong các mỏ than hầm lò vùng Quảng 
Ninh, đơn giá loại ống gió bình thường dao 
động trên dưới 100 ngàn đ/m. Rõ ràng rằng, để 
phục vụ thông gió khi đào 500m đường lò, chi 
phí cho ống gió cao hơn nhiều so với khấu hao 
thiết bị quạt gió. Ngoài ra, kích thước và chất 
lượng đường ống gió còn ảnh hưởng đến chi phí 
điện năng cho quạt cục bộ. Do vậy, việc lựa 
chọn ống gió phù hợp giữ vai trò quan trọng 
nhằm đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật 
cũng như nâng cao hiệu quả thông gió khi đào 
các đường lò. Dưới đây sẽ đề cập đến phương 
pháp tối ưu hóa đường kính ống gió phục vụ 
thông gió theo các sơ đồ thực tế khác nhau. 
2. Sơ đồ và thiết bị thông gió khi đào các 
đường lò 
Sơ đồ thông gió: Khi đào các đường lò 
cũng như các công trình ngầm khác thường sử 
dụng các quạt gió cục bộ và ống dẫn gió. Với 
góc độ quan điểm về thông gió có thể chia 
thành 2 nhóm: nhóm 1: quạt cục bộ làm việc 
với ống gió có chiều dài cố định và nhóm 2: 
thông gió với chiều dài ống gió thay đổi theo 
mức độ tiến gương lò chuẩn bị. 
- Nhóm 1 trên thực tế áp dụng để thông gió 
cho các đường lò, buồng hầm cụt. Ở mỏ khai 
thác hầm lò khi đào các đường lò chuẩn bị cho 
hệ thống khai thác liền gương (hình 1) có thể 
coi quạt cục bộ làm việc với đường ống gió có 
chiều dài không đổi, nếu gương lò đang đào 
đảm bảo vượt trước gương lò chợ một khoảng 
cách nhất định. Đường ống gió có chiều dài 
L= L1+ L2- L3 không đổi và trong trường hợp 
này đường kính ống gió được lựa chọn đơn 
giản, phụ thuộc vào lưu lượng gió cần đưa tới 
gương lò đang đào. 
- Nhóm 2 quạt cục bộ làm việc với đường 
ống gió có chiều dài thay đổi liên tục. Đây là 
trường hợp phổ biến khi thi công các đường lò 
mở vỉa và chuẩn bị ở các mỏ than hầm lò 
Quảng Ninh. Các đoạn ống gió được ghép nối 
2 
2 
tiếp theo tiến độ đào đường lò. Tuy nhiên, tùy 
thuộc vào điều kiện thực tế và chất lượng ống 
gió, các đoạn ống gió này có thể không thay đổi 
trong suốt quá trình sử dụng, ví dụ đối với ống 
kim loại hoặc ống chất lượng tốt, độ bền cao 
Ngoài ra, do điều kiện thi công không thuận lợi, 
thời gian đào đường lò tương đối lâu và tuổi thọ 
ống gió nhỏ, cho nên sau một thời gian cần tiến 
hành thay thế một số đoạn ống gió (thường sử 
dụng các đoạn ống gió dài hơn). 
Hình 1. Sơ đồ thông gió khi đào lò chuẩn bị áp dụng hệ thống khai thác liền gương 
Hình 2. Sơ đồ thông gió cục bộ khi chiều dài ống gió thay đổi theo tiến độ gương lò chuẩn bị 
Thiết bị thông gió. Ở các mỏ hầm lò nước 
ta đang sử dụng các loại quạt với sơ đồ khí 
động học cũ như Prokhodka-500-2m, 
SVM- 5m, SVM- 6m và mới hơn như seri 
VME-5, VME-6 do Nga sản xuất. Từ kể từ khi 
thành lập Tổng Công ty than Việt Nam, nay là 
Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt 
Nam, các mỏ đã trang bị thêm nhiều loại quạt 
Trung Quốc như YBT-52-2, YBT-62-2, YBT-
11, 22, 30, DKJ(a) và seri SDF với công suất 
khác nhau. Đặc biệt, gần đây đã sử dụng các 
loại quạt đa cấp như 2BKJ- No.6,3/30x2, 
DBKJ- No.7,5/55x2 và seri FBD phục vụ cho 
công tác thông gió khi đào đường lò có khí bụi 
nổ và chiều dài lớn. 
Hiện tại ở các mỏ khi đào các đường lò 
thường sử dụng ống gió mềm loại ống vải tráng 
cao su hoặc nhựa PE. Đường kính ống gió 
thường dao động 0,6 0,8m, ít khi đạt tới 1m; 
tại các đường lò tiết diện nhỏ sử dụng các ống 
gió 0,4-0,5m. Các đoạn ống gió thường có 
chiều dài từ 10 đến 50m; do tỷ lệ đào các đường 
lò dài tăng lên rõ rệt, cho nên xu hướng sử dụng 
các đoạn đường ống có chiều dài lớn và đã xuất 
hiện các đoạn ống gió trên 50m. Nhìn chung, 
ống gió đang sử dụng có chất lượng không cao, 
cho nên thời gian sử dụng ngắn dưới 12 tháng 
và độ cách gió thấp. 
3. Công suất động cơ và chi phí điện năng 
cho quạt gió cục bộ 
 Đặc tính khí động học của mỗi một quạt 
gió được đặc trưng bởi các đường cong thể hiện 
mối quan hệ giữa hạ áp (h), hiệu suất () và 
công suất (N) với lưu lượng quạt tạo ra (Q). 
Trong nhiều trường hợp, các quạt gió không 
được cung cấp kèm theo đầy đủ các loại đường 
đặc tính. Ví dụ, trong tài liệu kỹ thuật của các 
quạt YBT-52-2, YBT-62-2 và YBT-11, 22 và 
30 [2] sử dụng phổ biến ở các mỏ than hầm lò 
Quảng Ninh thiếu đường đặc tính công suất. Sử 
Ống gió 
Quạt 
Q 
L2 L3 
L1 
Ống gió 
Quạt 
2 
2 
dụng kết quả tính toán theo công thức 
N=h.Q/102 có thể xây dựng đường đặc tính 
công suất của quạt gió như trên hình 2 minh họa 
đường đặc tính công suất của quạt YBT-22. 
Chế độ công tác (Qq, hq) phụ thuộc vào sức cản 
thực tế Rt của đường ống gió. Như vậy, dựa vào 
đường đặc tính h= f(Q) của quạt gió ứng với 
mỗi cặp trị số (hq, Qq) có thể xác định giá trị sức 
cản thực tế Rt của ống gió. Từ đây có thể xây 
dựng các đường đặc tính quạt gió trong mối phụ 
thuộc vào sức cản Rt (k). Đây là cơ sở để xác 
định mối phụ thuộc tương quan N= F(Rt) trên 
hình 3, biểu diễn mối quan hệ này đối với quạt 
gió YBT-22. Ứng dụng chương trình Excel có 
thể biểu diễn mối quan hệ này bởi phương trình 
N= a.Rt+ b hoặc N= a.Rt2+ b.Rt+ c, tùy theo giá 
trị R2 của hệ số tương quan phương trình nội 
suy. 
Hình 2. Mối phụ thuộc N= f(Q) của quạt gió YBT-22 
N= F(Rt)
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Rt, km
N kW
Hình 3. Mối phụ thuộc N= f(Rt) của quạt gió YBT-22 
Cơ sở giải tích hóa thông số công suất cho 
phép xác định chi phí điện năng cho quạt gió 
theo biểu thức: Ge= 24T.(a.Rt+ b).Ce , trong đó 
T- thời gian đào toàn bộ chiều dài đường lò 
(ngày); Ce- đơn giá điện năng (đ/kW.h). Biểu 
diễn sức cản Rt qua các thông số liên quan đến 
ống gió
tb
t 5
L
R =6,48α
D
 [1], khi đó chi phí điện 
năng cho quạt gió tính theo biểu thức: 
N= F(Q) 
2 
4 
6 
8 
1
1
1
1
1
3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6 
N kW 
Q, m3/s 
2 
2 
tb
e e5
6,48α.L
G = .a+b .24T.C
p.D
 
 
 
 , (1) 
trong đó: , p - hệ số sức cản ma sát và rò gió 
của đường ống; Ltb, D - chiều dài trung bình và 
đường kính ống gió (m). 
4. Xác định đường kính tối ưu của ống gió 
Ngoài chi phí điện năng đối với động cơ 
quạt gió, để tối ưu hóa đường kính ống gió cần 
tính toán chi phí ống gió. 
Trường hợp thứ nhất, khi đường ống gió 
được lắp đặt ổn định trong suốt quá trình đào 
toàn bộ chiều dài đường lò, chi phí và khấu hao 
ống gió được xác định bằng tổng chi phí chiều 
dài ống gió đầu tiên (Lo) và chi phí đối với các 
đoạn ống gió (l1) tiếp theo: 
1 1 1
o 1 1 1 1
ô ô ô ô
m 1
o
ô
T-t T-2t T-ntT
n K . +K . +K . +....+K .
t t t t
πD.k .L L-l
= L + CD , (2)
v.t 2
 
 
 
trong đó: no - số lượng đoạn ống gió lắp đặt ban 
đầu với quạt cục bộ (no= Lo/l1); 
Lo - chiều dài ống gió khi bắt đầu đưa quạt 
vào hoạt động; 
L - tổng chiều dài các đoạn ống gió lắp đặt 
thêm kể từ khi sử dụng quạt cục bộ; 
K1 - chi phí mua 1 đoạn ống gió, đ/đoạn; 
T - thời gian đào L mét đường lò, ngày; 
n - tổng số đoạn ống gió cần ghép để thông 
gió cho L mét lò (n=L/l1 với l1 là chiều dài một 
đoạn ống gió); 
km - đơn giá vật liệu ống gió, đ/m2; 
t1 - chi phí thời gian để đào l1 mét lò, ngày; 
tô - tuổi thọ của ống gió, ngày; 
v - tiến độ đào đường lò, m/ng-đêm; 
C - ký hiệu biểu thức hằng số. 
Trường hợp thứ hai, trong quá trình thông 
gió tiến hành thay thế một số đoạn ống gió đã 
bố trí ban đầu bởi các đoạn ống gió có chiều dài 
lớn hơn. Xây dựng cụ thể các chi phí cho các 
đoạn ống gió như trên sẽ được tổng chi phí như 
sau: 
C.D = m 1o
ô
π.k .L L+l
L -Δl+ .D
v.t 2
 
 
 
 . (3) 
Chi phí điện năng cho thông gió trong 
trường hợp chiều dài đường ống thay đổi liên 
tục có thể coi như là tổng chi phí khi thông gió 
với các chiều dài đường ống chênh lệch nhau 
giá trị L/n, nhưng rò gió thay đổi ở mức độ chấp 
nhận được; tức là các đường ống dài Lo, 
Lo+ L/n, Lo+2L/n,, Lo+ L 
No.24
L
vn
Ce+ N1.24
L
vn
Ce++ Nn.24
L
vn
Ce
 (4) 
trong đó: n - số lượng đoạn ống gió với chiều 
dài cố định; N0, N1,  , Nn - công suất tiêu hao 
của quạt ở giai đoạn đầu và các giai đoạn kế 
tiếp, mỗi khi chiều dài đường ống thay đổi L/n 
(mét). 
Công suất tiêu hao cho động cơ quạt gió Ni 
phụ thuộc vào sức cản của ống gió; sau biến đổi 
biểu thức (4) có dạng: 
(aRto + b).24
L
vn
Ce + (aRt1+ b).24
L
vn
Ce++ 
(aRtn+ b).24
L
vn
Ce = 24.
L
vn
Ceb (n + 1)+ 
24
L
vn
Cea (Rto+ Rt1+  + Rt,n+1) (5) 
Số hạng đầu tiên của vế phải trong đẳng 
thức (5) là hằng số- ký hiệu là C1. Sử dụng mối 
phụ thuộc Rti = F(Lo, L/n, D) để biến đổi số 
hạng thứ 2 về dạng biểu thức chứa biến số 
đường kính ống gió D: 
24.
L
vn
Cea(Rto+ Rt1+  + Rt,n+1)= 25
C
D
Ở dạng tổng quát, hàm mục tiêu tổng chi 
phí ống gió và điện năng cho quá trình thông 
gió phục vụ công tác đào đường lò có dạng: 
F(D) = CD + C1 + 
2
5
C
D
 min (6) 
Cực tiểu hóa biểu thức (6) sẽ xác định 
đường kính tối ưu của ống gió Dtư=1,3
0,17
2C
C
 
 
 
. 
Trên cơ sở công thức này, kết quả tính toán 
đường kính tối ưu của ống gió cho một số quạt 
gió cục bộ được giới thiệu trong bảng 1. Với 
kích thước đường kính ống gió như vậy, khi nối 
với miệng đẩy của quạt gió cần sử dụng đoạn 
cút nối bằng kim loại. Các cút nối (ống loe) này 
có chiều dài tối thiểu 2m và góc mở 8- 10o để 
sức cản cục bộ đạt giá trị nhỏ nhất. 
34 
34 
Bảng1. Đường kính ống gió tối ưu đối với một số loại quạt cục bộ 
TT Loại quạt gió cục bộ Công suất 
Đường kính 
ống gió, mm 
1 Quạt 3 cấp DBKJ- No 5.6 3 động cơ (3x 11kW) 768 
2 Quạt 2 cấp DBKJ- No 6.3 2 động cơ (2x 30kW) 956 
3 
Quạt đơn cấp YBT- 30A 
và YBT 62-2 
Động cơ 30 kW 745 
4 Quạt đơn cấp YBT 62-2 Động cơ 22 kW 710 
5 Quạt đơn cấp YBT 52-2 Động cơ 11 kW 654 
5. Kết luận 
- Sử dụng phương pháp giải tích có thể xây 
dựng bổ sung đường đặc tính của quạt cũng như 
xác định chi phí điện năng đối với quạt gió cục 
bộ; 
- Đường kính của ống gió được tối ưu hóa 
trên cơ sở hàm mục tiêu chi phí điện năng đối 
với quạt cục bộ và chi phí mua sắm ống gió. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Usakov К.Z. и nnk. Thông gió cho các xí 
nghiệp mỏ: Giáo trình dành cho các trường Đại 
học Kỹ thuật. – Moskva: Nеdra, 1987, -421tr. 
[2]. Đường đặc tính của một số quạt gió cục bộ 
Trung Quốc. Tài liệu của Ban thông gió 
Vinacomin, 2010-2011. 
SUMMARY 
The determination of the optimal diameter of vent pipelines on the analysis basis 
of ventilation equipment characteristics 
Dang Vu Chi, University of Mining and Geology 
Nguyen Huu Hoa, Ministry of Labour - Invalids and Social Affairs 
Doan Sy Thanh, Do Van Quyet, Mao Khe Coal Company (Vinacomin) 
To ventilate the underground digging as well as mine roadway in fact often use the local fan 
and air pipe. The fan is selected on the basis of required air capacity and pressure. These parameters 
are dependent on the type and the size of air pipe. The question is to determine the optimal diameter 
of the ventilating pipe on the basis of economic and technical efficiency.