文 虎，唐 瑞，劉名陽(yáng)，王 虎，張 鐸，鄭學(xué)召，樊世星，程小蛟，金永飛

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國(guó)家礦山應(yīng)急救援西安研究中心，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

礦井空間受限、巷道復(fù)雜、障礙物多，火災(zāi)及瓦斯爆炸等熱動(dòng)力災(zāi)害后，井下供電及通信系統(tǒng)嚴(yán)重破壞甚至癱瘓[1-2]，地面與井下人員的信息溝通往往會(huì)被中斷，地面人員難以及時(shí)、動(dòng)態(tài)地掌握井下遇險(xiǎn)人員的分布情況和所在的具體位置，難以準(zhǔn)確掌握井下災(zāi)區(qū)的真實(shí)情況和發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。因此，救援工作地開(kāi)展就存在盲目性，制定的方案就缺乏針對(duì)性，往往錯(cuò)過(guò)許多最佳的救援時(shí)機(jī)，導(dǎo)致被困人員死亡[5]。

傳統(tǒng)的礦井救援通過(guò)打通堵塞巷道接近被困人員，當(dāng)巷道嚴(yán)重堵塞時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，救援的成功率并不是很高[6]。近年來(lái)，礦井垂直救援技術(shù)廣泛應(yīng)用于多起事故救援，通過(guò)施工小直徑鉆孔搜尋井下被困人員并作為維生通道，確定被困人員位置及身體狀況后，通過(guò)施工大直徑鉆孔將被困人員提升至地面。在垂直救援過(guò)程中，先進(jìn)的鉆孔探測(cè)裝置顯得尤為重要，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鉆孔和井下巷道真實(shí)情況，對(duì)制定科學(xué)、有效的救援方案至關(guān)重要[7-9]。

國(guó)外鉆孔探測(cè)裝備最先應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域，并逐步形成鉆孔電視光學(xué)成像系統(tǒng)[10]。我國(guó)鉆孔探測(cè)裝備興起于管道及鉆孔故障探查[11-12]。國(guó)內(nèi)的救援通信裝備主要為有線(xiàn)聲能電話(huà)及KTE5 型礦山救援可視化指揮裝置等[13]，但同時(shí)不具備視頻監(jiān)控、語(yǔ)音對(duì)講及井下環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，無(wú)法滿(mǎn)足礦井垂直救援的迫切需要。

針對(duì)垂直救援可視化程度低、難以動(dòng)態(tài)掌握井下環(huán)境等問(wèn)題，井孔聲像探測(cè)裝置具備視/音頻功能，但該裝置不具備救援全過(guò)程的視/音頻回放功能[14]；將探測(cè)機(jī)器人通過(guò)小直徑鉆孔下放至井下，用于采集井下圖像及環(huán)境參數(shù)信息，但機(jī)器人形狀不規(guī)則、體積較大，容易堵塞維生鉆孔，且對(duì)防水要求較高，無(wú)法保證可靠運(yùn)行[15-16]。由西安科技大學(xué)研發(fā)的生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)[17-21]，可將探測(cè)到的關(guān)鍵信息通過(guò)通信兼提升電纜傳輸至救援指揮中心，具備視/音頻、關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)探測(cè)信息，通過(guò)終端顯示和回放，為制定科學(xué)、有效的救援方案重要參考依據(jù)，并成功應(yīng)用于山東省臨沂市平邑縣萬(wàn)莊石膏礦坍塌事故及山東省棲霞市笏山金礦爆炸事故救援中，為探測(cè)鉆孔孔壁的涌水、坍塌，以及井下被困人員情況發(fā)揮了重大作用。為此，在介紹生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)生命信息探測(cè)儀在山東省臨沂市平邑縣萬(wàn)莊石膏礦坍塌事故及山東省棲霞市笏山金礦爆炸事故救援中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，為今后礦井鉆孔救援通信裝備的升級(jí)提供參考資料。

1 生命信息探測(cè)儀原理與特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成

生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)連接圖如圖1。生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)主要由4 部分組成：生命信息探測(cè)器、高強(qiáng)度傳輸線(xiàn)纜、線(xiàn)輪盤(pán)、系統(tǒng)專(zhuān)用筆記本電腦。該系統(tǒng)引入通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理及多媒體技術(shù)，將探測(cè)到多媒體信息實(shí)時(shí)上傳至地面救援指揮部和國(guó)家局礦山救援指揮中心，實(shí)現(xiàn)救災(zāi)通訊可視化、救災(zāi)指揮專(zhuān)家化、事故分析科學(xué)化信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化。

圖1 生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)連接圖Fig.1 Connection diagram of the vital information drilling detection system

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of overall system design

探測(cè)器利用自身攜帶的井下本安型紅外攝像儀及多參數(shù)傳感器自動(dòng)采集井下事故現(xiàn)場(chǎng)圖像、環(huán)境參數(shù)，并將采集到的圖像、環(huán)境氣體參數(shù)連同耳麥中的音頻信號(hào)一起發(fā)送到OFDM 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。視/音頻、環(huán)境參數(shù)合成壓縮模塊首先將模擬的音頻、視頻信號(hào)、環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后采用H.264 壓縮編碼，QPSK 調(diào)制、卷積編碼等處理后傳輸至OFDM 發(fā)送模塊與無(wú)線(xiàn)射頻將數(shù)據(jù)發(fā)出。地面接收端基站集成了OFDM 接收模塊與射頻接收模塊，接收模塊與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB 接口連接。

系統(tǒng)采用SDSL 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將發(fā)送與接收模塊之間的最大傳輸距離增加至4 km。采集模塊將采集到的多媒體信息經(jīng)過(guò)調(diào)制，將信號(hào)傳輸至SDSL 模塊，通過(guò)礦用專(zhuān)用線(xiàn)纜傳輸?shù)降孛?。地面接收端基站中的SDSL 模塊將數(shù)字信號(hào)再調(diào)制成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，SDSL 線(xiàn)路接入模塊解碼提供1 個(gè)RJ45 用戶(hù)端接口，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)將視頻和音頻信息展示給救援人員。

2 關(guān)鍵參數(shù)

1）幾何尺寸。由于垂直救援鉆孔施工難度大，為保證救援效率，先通過(guò)施工小直徑鉆孔確定被困人員位置，建立通信和給養(yǎng)通道，為保證生命通道暢通，生命信息探測(cè)器要求小型化，結(jié)合鉆孔施工和通信可靠性要求，確定探測(cè)器直徑為80 mm，長(zhǎng)度為480 mm；通信線(xiàn)輪盤(pán)直徑為440 mm，高度為610 mm。

2）通訊方式及電磁波頻段。生命信息探測(cè)器為本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，可以采集低照度環(huán)境下的圖像、音頻及環(huán)境參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)調(diào)制后通過(guò)線(xiàn)纜輸出至地面雙路無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸控制輪盤(pán)，傳輸速率大于1.5 Mbps，并具備低照度下自動(dòng)補(bǔ)光功能；線(xiàn)輪盤(pán)為一般兼本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，具有將生命信息探測(cè)器探測(cè)到的圖像、聲音及環(huán)境參數(shù)信號(hào)傳輸至地面筆記本電腦的功能，并有通信指示功能，中心頻率為（2.44±0.05）GHz，發(fā)射功率在不含天線(xiàn)情況下為-20～15 dBm。探測(cè)器與線(xiàn)輪盤(pán)之間通過(guò)通信兼提升纜線(xiàn)連接，線(xiàn)輪盤(pán)與筆記本電腦之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸多媒體信號(hào)。

3）攝像頭清晰度及探測(cè)范圍。井下發(fā)生災(zāi)害后，供電系統(tǒng)往往處于癱瘓狀態(tài)，為保證探測(cè)器在全黑環(huán)境中探測(cè)距離盡量遠(yuǎn)，攝像頭采用紅外補(bǔ)光方式增大探測(cè)距離，探測(cè)器最低照度小于0.2 lux，水平清晰度大于350 線(xiàn)，灰度等級(jí)大于7 級(jí)，探測(cè)半徑大于10 m。

4）運(yùn)行時(shí)間。探測(cè)器根據(jù)本質(zhì)安全型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并符合煤礦MA ia 等級(jí)，連續(xù)工作時(shí)間大于8 h；線(xiàn)輪盤(pán)為一般兼本質(zhì)設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)間大于10 h，并支持防爆手機(jī)、平板電腦等終端設(shè)備接入。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 平邑石膏礦坍塌事故救援中的應(yīng)用

2015 年12 月25 日，山東省臨沂市平邑縣萬(wàn)莊石膏礦區(qū)發(fā)生坍塌事故，造成玉榮石膏礦29 名礦工被困。在山東省臨沂市平邑縣萬(wàn)莊石膏礦區(qū)“12.25”坍塌事故救援指揮部的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，專(zhuān)家組采用團(tuán)隊(duì)自主研制開(kāi)發(fā)的“生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)”成功發(fā)現(xiàn)4 名被困人員并與其進(jìn)行了視/音頻溝通，及時(shí)掌握了4 名被困人員的身體狀況。在后續(xù)救援中，專(zhuān)家組利用該探測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下巷道情況、救生鉆孔施工情況、套管變形情況等多種信息進(jìn)行了探測(cè)。

3.1.1 應(yīng)用探測(cè)系統(tǒng)搜尋被困人員

2015 年12 月30 日8 時(shí)，原定第4 條生命通道中的2 號(hào)鉆孔與4 號(hào)礦井的井底車(chē)場(chǎng)東側(cè)巷道貫通，平邑石膏礦鉆孔探測(cè)布置圖如圖3。

圖3 平邑石膏礦鉆孔探測(cè)布置圖Fig.3 Borehole detection layout of Pingyi gypsum mine

在生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)首次下放過(guò)程中，因鉆孔套管內(nèi)存在淤泥，下放受阻。經(jīng)過(guò)短暫清管后，再次下放設(shè)備，并于10 時(shí)55 分下放至井下巷道位置，發(fā)現(xiàn)4 名被困礦工。通過(guò)該系統(tǒng)，救援人員清楚地與被困人員進(jìn)行了實(shí)時(shí)的音、視頻溝通，掌握了被困人員的身體狀況和井下災(zāi)區(qū)情況。救援人員利用生命信息探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到井下被困人員，并進(jìn)行語(yǔ)音對(duì)講。

3.1.2 應(yīng)用探測(cè)系統(tǒng)探查鉆孔情況

在后續(xù)救援過(guò)程中，利用生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)對(duì)鉆孔的卡鉆情況、鉆孔內(nèi)淤泥及水位情況等信息進(jìn)行了探查，及時(shí)準(zhǔn)確地得到了相關(guān)鉆孔信息，為指揮部及時(shí)調(diào)整救援方案和鉆孔施工方案提供了寶貴的資料，為大直徑鉆孔的成功貫通起到了重要作用。

1 月29 日下放生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)5號(hào)救生鉆孔，通過(guò)視頻圖像發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)有泥沙堵孔及積水，指揮部決定疏通鉆孔。

再次下放生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)探查了5 號(hào)救生鉆孔的全井筒，發(fā)現(xiàn)井筒暢通，達(dá)到了提人條件。但探測(cè)器探查到200 m 處套管末端有1 處大致3～5 cm 的卷邊變形，指揮部決定采用消防安全繩索提人，4 名被困礦工最終通過(guò)大直徑鉆孔安全提升至地面。

3.2 笏山金礦爆炸事故救援中的應(yīng)用

2021 年1 月10 日，山東棲霞笏山金礦發(fā)生井筒爆炸事故，礦工出入井下唯一的梯子間和罐籠嚴(yán)重?fù)p壞、無(wú)法正常運(yùn)行，通信線(xiàn)路中斷，井下22 名礦工生死不明?，F(xiàn)場(chǎng)采用垂直救援方式，笏山金礦鉆孔布置示意圖如圖4。

圖4 笏山金礦鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of drilling arrangement of Hushan gold mine

3.2.1 搜尋生命信息與探測(cè)救生鉆孔

在1 號(hào)孔使用雙視頻音頻探測(cè)器，通過(guò)探測(cè)器實(shí)時(shí)掌握井下巷道的環(huán)境情況，24 h 不停監(jiān)測(cè)，并利用設(shè)備喊話(huà)，搜尋失聯(lián)人員。

通過(guò)下放視頻音頻環(huán)境參數(shù)探測(cè)器，掌握井下氧氣、一氧化碳、甲烷、溫濕度等情況。潛水視頻探測(cè)器探測(cè)了1#鉆孔的涌水量及水位上升速度，為專(zhuān)家組提供了的參考資料，專(zhuān)家組經(jīng)過(guò)測(cè)算掌握了井下實(shí)際涌水量和水位上升速度。

3.2.2 聯(lián)絡(luò)幸存礦工

在井深586 m 處“連線(xiàn)”11 名幸存礦工，探測(cè)了3#救生鉆孔情況、井下巷道生存空間和積水狀況。救援團(tuán)隊(duì)先后運(yùn)送6 臺(tái)探測(cè)器，3 個(gè)850 m 線(xiàn)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)通信布線(xiàn)輪，多鉆孔、24 h 不間斷監(jiān)控“生命維護(hù)監(jiān)測(cè)通道、生命救援通道、排水保障通道、輔助探測(cè)通道”。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析和信息回溯研判，掌握了被困人員生理、心理和精神狀態(tài)，確定了救生鉆孔的涌水點(diǎn)和出水情況，提供了救生鉆孔堵水靶向信息，為專(zhuān)家組制定救援技術(shù)、給養(yǎng)和醫(yī)療等方案提供了可靠的井下現(xiàn)場(chǎng)一手資料，也為明確“3+1”通道救援方案提供了科學(xué)指導(dǎo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)礦井垂直救援過(guò)程中井下與地面通信困難，救援人員難以動(dòng)態(tài)掌握被困人員位置及身體狀況等關(guān)鍵信息，采用多媒體信息采集及多元信息融合傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了生命信息探測(cè)系統(tǒng)，在山東省臨沂市平邑縣萬(wàn)莊石膏礦坍塌事故及山東省棲霞市笏山金礦爆炸事故救援過(guò)程中為指揮部提供可靠的信息資料。

1）生命信息鉆孔探測(cè)系統(tǒng)具有圖像、語(yǔ)音等多媒體信號(hào)攝入、檢測(cè)、存儲(chǔ)、顯示和回放功能，可與外網(wǎng)無(wú)縫接入，實(shí)現(xiàn)多級(jí)、多地指揮部門(mén)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮，保證科學(xué)救援。

2）利用裝置可以深入救護(hù)隊(duì)員無(wú)法進(jìn)入的井下災(zāi)區(qū)，適應(yīng)高溫、潮濕等復(fù)雜環(huán)境，在無(wú)需借助井下任何通信設(shè)施和外圍網(wǎng)絡(luò)支持的條件下，可獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)工作時(shí)間大于8 h，滿(mǎn)足垂直救援探測(cè)需求。

3）可準(zhǔn)確探測(cè)井下人員生存空間以及鉆孔孔壁坍塌、鉆孔內(nèi)殘?jiān)媪?、鉆孔涌水、裸孔段孔壁的完整性、套管變形以及等關(guān)鍵信息，為鉆孔施工、人員搜尋及提升、救援方案制定等提供參考資料。