Những bộ phận thiết yếu bạn phải cân nhắc khi chọn cáp khai thác là gì?

Tại sao việc lựa chọn cáp khai thác lại đòi hỏi nhiều hơn kỹ thuật cáp tiêu chuẩn

Môi trường khai thác mỏ là một trong những môi trường đòi hỏi khắt khe nhất về điện và máy móc trên trái đất. Các mỏ dưới lòng đất, các hoạt động khai thác lộ thiên và các nhà máy xử lý bề mặt đều đặt ra các điều kiện có thể phá hủy các dây cáp thông thường trong vòng vài tháng — hoặc gây ra những sự cố thảm khốc gây nguy hiểm đến tính mạng. Cáp khai thác là một loại cáp điện và cáp điều khiển chuyên dụng được thiết kế để chịu đựng sự lạm dụng cơ học liên tục, môi trường dễ cháy nổ, tiếp xúc với nước và bùn, sự thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt và uốn cong liên tục khi chịu tải. Lựa chọn đúng có nghĩa là hiểu rõ từng lớp trong kết cấu của cáp và mỗi bộ phận đóng góp như thế nào vào sự an toàn và tuổi thọ sử dụng. Các phần sau đây chia nhỏ các thành phần quan trọng phải được đánh giá trước khi chỉ định bất kỳ cáp khai thác nào.

Vật liệu và kết cấu dây dẫn

Dây dẫn là lõi điện của bất kỳ loại cáp nào và trong các ứng dụng khai thác mỏ, kết cấu của nó ảnh hưởng trực tiếp đến cả hiệu suất và độ bền. Đồng là vật liệu dẫn tiêu chuẩn cho cáp khai thác vì tính dẫn điện, tính linh hoạt và khả năng chống cứng vượt trội khi uốn cong nhiều lần - một đặc tính mà nhôm không thể sánh được ở các mặt cắt ngang tương đương. Tuy nhiên, cách bện đồng cũng quan trọng không kém.

Cáp khai thác thường sử dụng các dây dẫn được bện mịn hoặc bện bằng dây thừng, giúp phân phối ứng suất cơ học trên nhiều dây riêng lẻ thay vì tập trung vào một số dây lớn. Điều này cải thiện đáng kể tuổi thọ mỏi trong các ứng dụng cáp cuộn, kéo hoặc cáp dây hoa trong đó cáp được cuộn và tháo nhiều lần trong suốt thời gian sử dụng của nó. Mặt cắt ngang của dây dẫn cũng phải được chọn có tính đến độ sụt áp và khả năng dòng điện sự cố, có tính đến đoạn cáp thường rất dài giữa nguồn điện trên mặt đất và thiết bị ngầm.

Các thông số dây dẫn chính cần xác định:

• Cấp độ tinh khiết của đồng - cường độ cứng điện phân (ETP) hoặc đồng không có oxy để có độ dẫn điện tối đa
• Lớp mắc kẹt - Lớp 5 hoặc Lớp 6 cho các ứng dụng linh hoạt theo IEC 60228
• Thiếc - dây dẫn bọc thiếc chống ăn mòn trong môi trường ngầm có độ ẩm cao
• Diện tích mặt cắt ngang - có kích thước theo tải thực tế, nhiệt độ môi trường và điện áp rơi cho phép

Hệ thống cách điện và hiệu suất điện môi

Lớp cách điện bao quanh mỗi dây dẫn và phải duy trì độ bền điện môi đáng tin cậy trong suốt thời gian sử dụng được đo bằng số năm sử dụng khắc nghiệt. Trong cáp khai thác mỏ, cao su EPDM (ethylene propylene diene monome) là vật liệu cách nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất vì nó mang lại sự kết hợp vượt trội giữa tính linh hoạt ở nhiệt độ thấp, độ bền điện môi cao, khả năng chống ẩm và ozon tuyệt vời cũng như hiệu suất nhiệt tốt lên đến 90°C liên tục.

EPR (cao su ethylene propylene) là một chất thay thế có liên quan chặt chẽ với các đặc tính tương tự. Cả hai vật liệu đều giữ được tính linh hoạt thấp hơn nhiều so với điểm đóng băng - một đặc tính quan trọng đối với cáp được sử dụng trong các hoạt động trên bề mặt có khí hậu lạnh hoặc các khu vực ngầm được làm lạnh. Polyetylen liên kết ngang (XLPE) đôi khi được sử dụng cho cáp cấp liệu khai thác điện áp cao hơn, nơi yêu cầu mức nhiệt trên 90°C, nhưng nhìn chung nó kém linh hoạt hơn EPDM và ít phù hợp hơn với các ứng dụng uốn liên tục.

Độ dày cách điện phải phù hợp với định mức điện áp của mạch điện. Các tiêu chuẩn cáp khai thác mỏ — bao gồm các yêu cầu của MSHA (Cục Quản lý An toàn và Sức khỏe Mỏ) ở Hoa Kỳ, AS/NZS 2802 ở Úc và IEC 60502 trên phạm vi quốc tế — chỉ định độ dày cách điện tối thiểu cho từng loại điện áp. Việc chỉ định mức cách điện được định mức cao hơn điện áp mạch thực tế sẽ mang lại giới hạn an toàn bổ sung và giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Dây dẫn nối đất và kiểm tra mặt đất

Việc nối đất thích hợp trong cáp khai thác không phải là tùy chọn - đó là yêu cầu an toàn tính mạng. Các quy định khai thác ở hầu hết mọi khu vực pháp lý đều yêu cầu cáp di động và cáp kéo cung cấp thiết bị di động phải bao gồm các dây dẫn nối đất chuyên dụng cung cấp đường trở về có trở kháng thấp cho dòng điện sự cố. Điều này đảm bảo rằng nếu xảy ra lỗi pha-đất, rơle bảo vệ hoặc cầu chì sẽ hoạt động đủ nhanh để ngăn chặn điện áp chạm gây chết người tồn tại trên khung thiết bị.

Nhiều thiết kế cáp khai thác cũng kết hợp một dây dẫn kiểm tra mặt đất hoặc dây dẫn thí điểm - một dây dẫn bổ sung nhỏ được hệ thống giám sát tính liên tục của mặt đất (GCM) sử dụng để xác minh rằng đường nối đất còn nguyên vẹn trước và trong khi vận hành. Nếu dây dẫn nối đất bị đứt, GCM sẽ ngắt điện mạch trước khi thiết bị có thể được sử dụng. Tính năng này là bắt buộc đối với cáp kéo trên máy khai thác liên tục, xe đưa đón và các thiết bị mặt khác theo nhiều tiêu chuẩn khai thác than và đá cứng dưới lòng đất.

Bố trí dây dẫn nối đất thường thấy trong cáp khai thác:

• Dây dẫn đất đối xứng: Ba dây dẫn nối đất được bố trí đối xứng xung quanh lõi nguồn, mang lại trở kháng cân bằng và tính đối xứng cơ học cho các ứng dụng quay cuộn
• Mặt bằng lắp ráp đơn: Một dây dẫn nối đất lớn hơn ở giữa cáp hoặc lớp ngoài - đơn giản hơn nhưng kém cân bằng hơn khi uốn
• Phi công kiểm tra mặt đất: Một dây dẫn cách điện có đường kính nhỏ chỉ được sử dụng cho mạch giám sát tính liên tục

Vật liệu vỏ bọc và bảo vệ cơ học

Lớp vỏ bên ngoài là tuyến phòng thủ chính của cáp chống lại sự lạm dụng vật lý của môi trường khai thác mỏ. Nó phải chống lại việc cắt, mài mòn, nghiền nát, nhiễm dầu, tấn công hóa học và bức xạ UV - thường là đồng thời. Việc lựa chọn hợp chất vỏ bọc có tác động lớn hơn đến tuổi thọ sử dụng tại hiện trường so với hầu hết các biến số thiết kế khác.

Ngoài việc lựa chọn vật liệu, độ dày vỏ bọc là một thông số quan trọng. Lớp vỏ dày hơn giúp bảo vệ cơ học tốt hơn nhưng lại tăng thêm trọng lượng và giảm tính linh hoạt. Sự cân bằng tối ưu phụ thuộc vào các mối nguy hiểm cơ học cụ thể của quá trình lắp đặt - cáp được kéo trên mặt đá cần vỏ bọc dày hơn, cứng hơn so với vỏ treo trong hệ thống dây cáp.

Tuân thủ khả năng chống cháy và chống cháy nổ

Cháy nổ là rủi ro thảm khốc nhất trong khai thác hầm lò. Cả các mỏ than (nơi khí metan và bụi than tạo ra bầu không khí dễ nổ) và một số mỏ đá cứng (nơi khí nổ đọng lại) đều yêu cầu cáp không truyền lửa nếu bị đốt cháy. Đây là yêu cầu pháp lý không thể thương lượng, không phải là ưu tiên về hiệu suất.

Cáp khai thác để sử dụng dưới lòng đất phải vượt qua các bài kiểm tra lan truyền ngọn lửa được tiêu chuẩn hóa. Tại Hoa Kỳ, MSHA yêu cầu phải tuân thủ thử nghiệm khả năng chống cháy 30 CFR Phần 18. Các tiêu chuẩn quốc tế bao gồm IEC 60332-3 về khả năng lan truyền ngọn lửa trên bó cáp và IEC 60754 về hàm lượng halogen trong khí đốt. Cáp được sử dụng trong các mỏ khí đốt cũng phải đáp ứng các yêu cầu chống tĩnh điện cụ thể để ngăn chặn tia lửa điện tạo ra do điện ma sát của vỏ bọc làm cháy khí mê-tan.

Khi đánh giá khả năng chống cháy, cũng cần xem xét lượng khói và khí độc thải ra trong quá trình đốt cháy. Trong một khu vực hạn chế dưới lòng đất, khói dày đặc hoặc khói độc từ dây cáp đang cháy có thể khiến thợ mỏ mất khả năng hoạt động trước khi họ có thể sơ tán. Các hợp chất vỏ bọc không halogen (LSZH) ít khói ngày càng được chỉ định cho các ứng dụng khai thác ngầm vì lý do này, ngay cả khi không được quy định rõ ràng.

Tính linh hoạt và bán kính uốn cong cho các ứng dụng động

Nhiều loại cáp khai thác không phải là hệ thống lắp đặt cố định — chúng phải uốn cong liên tục trong mỗi ca làm việc. Dây cáp kéo dành cho máy khai thác liên tục và xe đưa đón được kéo, cuộn và duỗi thẳng hàng trăm lần mỗi ngày. Quấn cáp trên cuộn cáp trên xẻng và dây kéo thậm chí còn quay vòng thường xuyên hơn. Thiết kế cáp phải đáp ứng yêu cầu này mà không làm dây dẫn bị mỏi, nứt lớp cách điện hoặc bong lớp vỏ.

Bán kính uốn cong tối thiểu - thường được biểu thị bằng bội số của đường kính tổng thể của cáp - xác định đường cong chặt nhất mà cáp có thể chịu đựng mà không bị hư hỏng. Đối với các ứng dụng quay vòng, bán kính uốn cong động trong quá trình vận hành phải duy trì trên mức tối thiểu này ở tất cả các vị trí quay vòng. Các thiết kế cáp dành cho cuộn dây sử dụng hình học bện, chiều dài dây và vật liệu độn chuyên dụng để phân bổ ứng suất uốn đồng đều nhất có thể trên mặt cắt ngang. Việc chỉ sử dụng cáp kéo tiêu chuẩn trong ứng dụng cuộn dây là một sai lầm phổ biến và tốn kém dẫn đến hỏng hóc sớm.

Đánh giá điện áp, tuân thủ tiêu chuẩn và chứng nhận

Mỗi cáp khai thác phải có mức điện áp phù hợp hoặc vượt quá mức định mức điện áp được xác định rõ ràng - mạch mà nó sẽ phục vụ. Hệ thống điện khai thác thường hoạt động ở mức 600V, 1000V, 3,3kV, 6,6kV và 11kV tùy thuộc vào loại thiết bị và quốc gia. Sử dụng cáp có định mức điện áp không phù hợp là một mối nguy hiểm nghiêm trọng về an toàn, trong khi thông số kỹ thuật quá cao sẽ làm tăng thêm chi phí và trọng lượng không cần thiết.

Ngoài định mức điện áp, hãy xác nhận rằng cáp có tất cả các chứng nhận bắt buộc của bên thứ ba đối với quyền sử dụng. Sự chấp thuận của MSHA là bắt buộc đối với cáp kéo và cáp di động tại các mỏ ở Hoa Kỳ. Các mỏ của Úc yêu cầu phải tuân thủ AS/NZS 2802 và các quy định khai thác của tiểu bang. Các hoạt động ở Châu Âu phải đáp ứng các yêu cầu ATEX hoặc IECEx hiện hành đối với cáp được sử dụng trong môi trường có khả năng gây nổ. Những chứng nhận này không phải là thủ tục hành chính — chúng xác nhận rằng cáp đã được kiểm tra và xác minh độc lập để đáp ứng mức hiệu suất an toàn mà tiêu chuẩn yêu cầu. Mua cáp không được chứng nhận để giảm chi phí là một rủi ro mà không nhà điều hành mỏ có trách nhiệm nào nên chấp nhận.