Phương pháp lựa chọn máy bơm nước cho các mỏ than lộ thiên sâu vùng Quảng Ninh

ThS Đỗ Ngọc Tước, KS Bùi Duy Nam - Viện Khoa học công nghệ Mỏ - Vinacomin
ThS Bùi Văn Tuyên - Trường Cao đẳng nghề CN Việt Bắc - Vinacomin

Các mỏ than lộ thiên sâu vùng Quảng Ninh gồm: Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn, Hà Tu, Núi Béo, Tây Nam Đá Mài đóng góp sản lượng than lộ thiên chính của Vinacomin. Đặc điểm chung của các mỏ là khai thác theo mùa: mùa mưa và mùa khô.

Mùa khô bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau; lượng mưa trung bình hàng tháng từ 30mm - 40 mm. Lượng bốc hơi lớn nhất xảy ra vào mùa khô từ tháng 12 đến tháng 3. Trong đó lớn nhất là 11 mm (ngày 7/3/2004).

 Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm. Các trận mưa lớn thường tập trung vào tháng 8. Trong đó lượng mưa lớn nhất trong ngày đạt 270mm (ngày 8/8/1994). Lượng mưa bình quân hàng tháng từ 400mm - 600 mm; hàng năm đạt xấp xỉ 2500mm. Từ các số liệu thống kê cho thấy trong mùa mưa, lượng bốc hơi thường có giá trị không đáng kể.

Lượng nước chảy vào mỏ cần thoát bằng bơm (Q) gồm các nguồn: nước mưa (dưới mức thoát nước tự chảy và lượng nước rò rỉ từ các mương rãnh), nước ngầm (lượng bốc hơi không đáng kể). Lượng nước Q được tính như sau:

Q = Q_m + Q_t + Q_ng  , m³/ng.đ         

Trong đó:   

Q_m - lượng nước mặt, m³/ng.đ

Q_t  - lượng nước rò rỉ và tràn qua các mương, rãnh thoát nước từ các tầng xuống đáy mỏ,  m³/ng.đ

Q_ng - lượng nước ngầm, m³/ng.đ   

Các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh có diện tích hứng nước trực tiếp (mặt mỏ) rất lớn. Từ đó, lượng mưa của trận mưa lớn nhất tại một số mỏ ở bảng 1

Bảng 1- Lượng nước chảy vào mỏ theo trận mưa lớn nhất trong ngày đêm

Theo tính toán thoát nước mỏ tại các Thiết kế mỏ, công suất máy bơm chọn theo trình tự: chọn lượng nước cần thoát 1 ngày đêm chọn lưa lượng bơm 1 giờ và chọn sơ bộ áp lực bơm, chủng loại và số máy bơm theo các công thức

- Lượng nước cần thoát bằng bơm trong một ngày đêm (Q_cb)

    Q­_cb = Q / N,  m³/ngđ           

Trong đó: Q lưu lượng nước chảy vào đáy mỏ ;

N= 5: số ngày bơm sau một trận mưa

- Chọn lưu lượng bơm 1 giờ (Q_h)

 Q_h = Q_cb / ζ.m ,  m³/giờ              

Trong đó:  m = 20: Số giờ làm việc trong 1 ng.đ;

                    z = 0,85 hiệu suất sử dụng máy bơm.

- Chọn sơ bộ áp lực máy bơm (H_sb)

     H_sb = H_hh / η,      m

(H_hh là chiều cao hình học cần bơm; h = 0,7- 0,8 hệ số sử dụng mạng dẫn).

Với phương pháp lựa chọn như trên, hầu hết các trận mưa lớn đều được bơm cưỡng bức ra khỏi mỏ trong 5 ngày. Có nghĩa là mỏ có thể khai thác ngay cả trong mùa mưa. Tuy nhiên, đặc điểm hình học của các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh là: than nằm phía dưới đáy mỏ; đất đá tập trung trên cao. Vì vậy, trong các tháng mùa mưa, đáy mỏ không xuống sâu. Nếu phương pháp tính toán trên sẽ sử dụng số lượng lớn máy bơm, chi phí đầu tư duy trì bơm nước lớn.

Các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh ngày càng xuống sâu, kích thước khai trường hạn chế, thường sử dụng công nghệ đào sâu nhiều bậc, các mỏ có kích thước khai trường lớn thường sử dụng công nghệ đào sâu đáy moong 2 cấp. Đáy thấp hoặc bậc sâu nhất sẽ là nơi tập trung bùn, nước trong mùa mưa. Thực tế, các mỏ thường khống chế một lượng nước nhất định ở đáy moong và duy trì bơm đến mức nước khống chế. Do đó cần xem xét, tính toán khâu bơm nước phù hợp hơn.

Nội dung chính của phương án xem xét theo nguyên tắc: Tại các đáy mỏ khai thác không đồng thời hầm lò- lộ thiên có thể bơm cầm chừng trong mùa mưa và trước 1/11 hàng năm bơm cạn tới đáy mỏ để chuẩn bị mùa đào sâu mới. Các thông số cần xác định gồm:

- Xác định lượng nước chảy vào mỏ (lớn nhất) lũy tiến theo tần suất gần với thời gian tồn tại mỏ (V_max);

- Xác định lượng nước khống chế tại đáy mỏ (thường cho ngập từ 1-2 tầng) V_ni;

- Xác định lượng nước (V_b1), và số lượng máy  bơm (N₁) cần bơm trong mùa mưa;

- Xác định lượng nước (V_b2) và số lượng máy bơm (N₂) bơm trong thời gian trước 31/10 hàng năm.

Lựa chọn số máy bơm theo mục tiêu N1=N2

Trình tự xác định lượng nước Vb2 và thời gian bơm Vb2 được trình bày trên sơ đồ hình 1. Trong đó:

Trục tung thể hiện khối lượng nước chảy vào mỏ theo cộng lũy tiến V_max;

Trục hoành thể hiện thời gian. Bao gồm:

- Đoạn OO₁: thời gian nước chảy vào đáy mỏ với khối lượng V_n. Thời gian này máy bơm chưa hoạt động

Hình 1: Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa khối lượng nước khống chế tại đáy mỏ và nhu cầu bơm

- Đoạn HB thể hiện thời gian bơm trước 31/10 hàng năm. Điểm H xác định bằng phương pháp: từ C vẽ đoạn CE = 0,5(AC+ CB) = 0,5 AB (tức là 0,5 V_max). Từ E vẽ đường È song song với trục hoành cắt đường Vmax = f(T) tại F. Từ F vẽ đường FH song song với trục hoành cắt trục hoành tại H.

Như vậy T_b2 chính là thời gian cần thiết phải bơm cạn moong trước mùa khô với khối lượng bơm là 0,5V_max.

Yêu cầu lưu lượng bơm theo giờ được tính toán bằng biểu thức:

   Q_yc = 0,5.V_max  / 20. T_b2

Với chiều cao hình học cần bơm là H sẽ lựa chọn được máy bơm có thông số kỹ thuật hợp lý.

Số lượng máy bơm cần thiết hoạt dộng tại đáy mỏ xác định theo công thức:

 N₂  = 0.5 .V_max  / 20 . T_{b2 .} Q_b

Trong đó:    20 – số giờ bơm bơm trong ngày

T_b2- số ngày bơm

Q_b- năng suất giờ của máy bơm; m³/giờ

Tính toán với số liệu mỏ than Cao Sơn năm 2015 cho thấy :

Máy bơm lựa chọn có các đặc tính kỹ thuật cơ bản:

- Lưu lượng bơm: Q = 1080m³/h.

- Chiều cao dẩy: H =125 mH₂O.

- Công suất động cơ: P = 630 kW.

Với tổng lượng nước chảy vào mỏ năm 2015 là: 9.555.616 m³. Khi để ngập 01 tầng, khối lượng nước chứa tại đáy moong là: 2.200.000 m³ thì số lượng máy bơm tính toán là 2,45 chiếc (làm tròn 03 chiếc).

Trong khi đó, theo Thiết kế, lượng nước chảy vào moong V_max = 704.555 m³/ng. đ; số lượng máy bơm tính toán 05 chiếc với thông số kỹ thuật:

- Lưu lượng bơm: Q = 1080m³/h.

- Chiều cao dẩy: H =125 mH₂O.

- Công suất động cơ: P = 630 kW.

Như vậy, rõ ràng số lượng máy bơm giảm đi 02 chiếc.

Kết luận:

1. Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam khai thác theo mùa; mùa mưa đáy mỏ dừng đào sâu và lưu giữ nước mưa, nước ngầm và nước rò rỉ từ các mương thoát nước phía trên mức thoát nước tự chảy. Khối lượng nước tập trung tại đáy moong tương đối lớn khoảng 700.000 – 1.200.000 m³/ng.đ.

2. Tại các mỏ có kích thước khai trường hạn chế, nếu tính toán nhu cầu bơm theo trận mưa lớn nhất sẽ làm tăng đáng kể số lượng bơm do chưa tính đến khối lượng nước cho phép giữ lại đáy moong.

3. Sử dụng phương pháp xác định nhu cầu bơm theo nguyến tắc lưu giữ nước tại đáy moong từ 1-2 tầng, mùa mưa bơm cầm chừng, để lại bơm vào cuối mùa cho phép giảm số lượng máy bơm từ 30-40% số lượng máy bơm tính toán theo nguyên tắc bơm theo trận mưa lớn nhất.

4. Tùy thuộc điều kiện mỏ cho phép để lại nước ở đáy moong và năng lực thông qua của các công trình dẫn nước bơm cưỡng bức mà lựa chọn thời gian bơm Tb2, thông số kỹ thuật và nhu cầu máy bơm hợp lý.

(Nguồn: vinamin.vn)