我国矿山应急救援技术研究现状与趋势

李磊 霍中刚

前言

矿山应急救援体系建设是我国矿山安全生产的重要保障，是倡导 “以人为本”的科学发展理念。国内外诸多机构和科研人员也投入了大量精力深入研究矿山应急救援领域的关键技术和装备[1-2]。美国、南非、智利等国家上世纪已经推广建立了紧急避难硐室，同时美国研发了一种名为“Great Escape”的新型救援管道，遇难人员可以通过管道求生。澳大利亚研发一种移动过渡站，可以实现短时避难。国内金龙哲[3]率先对移动式救生舱的安全性能开展了深入研究，取得了丰硕成果。孙继平[4-5]提出了适合煤矿井下逃生的自救器接力自救法，创造性地丰富了紧急避险体系建设。李磊[6-8]调研了神东矿区地质环境和开采条件，提出适合大型现代化矿井的“接力站+长时压缩氧自救器+逃生钻孔”的自主逃生模式。赤文林[9]对矿井垂直提升救援装置进行了数值模拟。王志坚[10]总结分析了智利圣何塞铜矿事故救援案例的经过和主要因素，提出了钻孔救援的基本概念。

虽然近几年我国对矿山应急救援的理论和技术的研究有了很大发展，当前的避险设施建设还存在很多问题：1）永久避难硐室在我国矿山基本全覆盖，但只能被动等待救援，不能积极自主逃生；2）可移动式救生舱空间小，防护时间短，同时需要布设数量多；3）应急救援和自主逃生理论体系和配套装备还处于初步探索阶段。

由此可见，建设适应我国国情发展的应急救援体系迫在眉睫。十三届全国人大一次会议对国务院机构改革方案中提出成立“应急管理部”，这一举措积极推动了我国现代化应急救援体系的建立，也极大鼓励了科研机构在救援和避险协同作用领域进行深入探索。

1 应急救援模式

应急救援模式是针对灾害的现状和特征，通过救援队伍、装备器材、辅助医疗等技术和装备有效实现井下被困人员安全、快速获救的行为。根据救援起点不同，分为井下推进救援模式、地面钻孔救援模式、井上下联合救援模式（为前两种模式综合）。

1.1 井下推进救援模式

井下推进模式是以井口为起点，沿着巷道逐步向被困人员地点水平和垂深双向推进实施救援。巷道保持较完整稳定条件下，救援队伍利用先进装备，对受灾地点全方位及时恢复通风、加强排水、破拆清障。逐步检测环境、排查险情，在保证救援通道安全且满足深入救援的条件下到达被困地点，采取急救措施。如图1。

图1 井口推进救援模式

图2 地面钻孔救援模式

该模式一般适用于透水、火灾事故，除特殊地质条件外（老窑内积聚的有害气体随透水涌出或冲击地压诱发瓦斯大量涌出），该类灾害产生有毒有害气体较少，次生灾害发生概率较小或能有效控制，通过大型排水设备、破拆设备可以快速到达被困地点从而实现救援。

2010年3月28日，王家岭煤矿发生小窑老空水透水事故，造成153人被困。事故发生后，立即采取了抽调大功率排水泵排水、平峒打孔导水等全方位救援方案。历时近10 d，水位下降15 m后，被淹没的回风大巷顶板露出，115人成功获救。

但灾害发生条件极其复杂同时易诱发二次灾变的矿井，需要对灾后环境进行科学论证后确定安全可靠的救援模式：如吉林省“3.29”八宝煤矿瓦斯二次爆炸造成救援人员伤亡的事例，反映了我国矿山应急管理意识薄弱的普遍现象，也警示了科学合理、因地制宜地进行应急救援决策的重要性。

1.2 地面钻孔救援模式

地面钻孔救援模式是以地表探测定位为起点，向被困人员埋深方向进行垂直钻孔施工，快速形成物资供给孔和人员救援孔，从而将被困人员安全提升，如图2。

该模式一般适用于矿山所发生的冲击地压、塌方事故。灾害造成井下避灾路线受阻，同时造成井下巷道严重破坏，短时期内难以通过人工修复，进而采取地面钻孔救援是一种高效、安全的救援模式。

2015年12月25日山东平邑某石膏矿区发生采空区坍塌，井下作业的29名矿工被困。救援队伍采用大直径钻机正向施工钻孔，通过起重机将井下被困人员全部垂直起吊升井。

但该模式对技术装备的稳定性、可靠性要求较高，需要深井透地探测、快速钻孔成井、安全垂直提升等关键技术和装备进行支撑，目前我国在此领域投入应用的案例较少，同时缺少不同工况、不同地质条件下的工业性试验，对我国矿山应急救援体系建设和装备制造提出了全新的挑战。

1.3 井上下联合救援模式

井上下联合救援模式是对上述井下推进救援模式和地面钻孔救援模式的一种综合，现场救援专家组队根据井下被困人员现状、灾变环境、地质水文、救援条件等多因素进行评估，对于短时期内难以采取单一模式快速取得救援成效的局面，通常采取井上下联合救援模式，配套多种技术保障措施和装备，该模式在我国矿山应急救援中普遍成功应用。

2017年4月19日凌晨，榆林市神木县大柳塔镇板定梁塔煤矿井下发生透水事故，6人被困井下。救援专家组通过评估，确定了如下方案：1）以最大强度抽排井下和采坑积水，以尽可能快的速度排放巷道积水，降低水位，为救援人员入井施救赢得宝贵时间；2）地面施工救援钻孔，为受困人员输送氧气，提供食物和照明等生存必需品。在及时打通救援通道，抽排井下积水的同时，神东救护队采取了积极搜救措施，先后从主运大巷数次进入，采用救生艇等设备将被困人员全部艰难运出。

此次救援采用了井上下联合救援模式，同时结合救援现场实际，迅速制定了加大井下排水，减少井下补给水量，封堵供给水源，施工救援钻孔，探明井下生存条件等救援措施。在黄金72小时之内救援出6名被困人员，并在救援过程中没有发生次生事故，成为我国矿山救援史上又一经典案例。

2 地面钻孔救援技术

通过地面大直径钻机正向钻进形成能够满足人员通过的井筒，这是成功实现被困人员安全提升的关键环节。形成救援通道以后，利用地面垂直提升技术将被困人员依次安全提升，是救援成功的最后一道技术关卡。

2.1 救援提升系统

我国救援提升系统研发相对起步较慢，近几年在国家安全生产形势及政策导向下开始了自主研发。中国煤炭科工集团参考国内外产品的技术优势，同时结合我国矿山环境条件进行了正向研发，成功研制出具有自主知识产权的车载式救援提升系统，如图3。

图3 车载式救援提升体系

系统由救援舱、汽车底盘、车架、臂架、转台、动力系统、提升系统、操作系统和信号传输系统等组成。动力系统、提升系统、操作系统和信号传输系统安装在转台上，转台固定在车架上可360°旋转。臂架铰接在转台上，臂架头部安装有滑轮，通过钢丝绳和提升系统可以将救援舱输送到井下救援位置，救援舱内安装有视频监控和气体检测设备，保障救援人员的生命安全。详细技术参数见表1。

表1 救援提升系统技术参数表

2.2 环境实时监测系统

当前因为长距离传输，视频音频信号无法保障实时传递，地面操作人员难以实时监控井下环境，从而影响救援效率。因此对钢丝绳内置铠装电缆，同时提升舱内设置环境监测、音视频及照明系统。信号系统由PLC信号、网络视频、网络对讲机、交换机、网络信号放大器、网络信号滑环、信号电缆等部分组成。交换机接收PLC、网络视频、网络音频、多功能气体检测仪信号，再将信号传输给网络信号放大器，网络信号放大器通过网络信号滑环及电缆将各种信号往地面控制台传输。如图4。

图4 环境实时监测系统

2.3 提升舱安全控制系统

图5 提升舱结构

由于提升舱空间有限，因此要考虑在有限的空间内集成安全保护装置，以实现安全救援。研究救援钻机成孔条件、钻进时效、人员体征等因素。舱内布局设备舱、人员舱、防旋装置、缓冲装置、导向滚轮、环境监控系统、音视频系统、照明系统、供氧系统、缓降系统等，如图5。

救援舱内将工作中收集到的信号（舱内视频、多参量气体监测、音频、光电开关等信号）通过电控箱转化后经由钢丝绳内部的电缆传输到地面的转台操作系统。当救援舱底部接近地面时，通过光电开关产生信号，减缓提升系统钢丝绳的下放速度。当救援舱沿着井筒下放到巷道地板时，通过缓冲器作用，减缓着地时间，救援舱缓冲器压缩至一定距离后，触底开关产生信号，关闭提升系统钢丝绳的下放功能，防止救援舱过度下放而倾翻。

地面钻孔救援技术及装备作为完善矿山应急救援体系，健全矿山应急救援预案机制的关键，是推动智慧矿山建设发展的主攻方向，可以有效地控制井下灾变环境进一步恶化，及时解救被困人员，最大限度地减少人员伤亡及财产损失。

3 矿山应急救援技术发展趋势

随着我国矿山开采逐步进入深部，高温、高压、高地应力及采动应力的扰动极易诱发复合动力灾害，如冲击地压诱发突出、透水造成有害气体涌出、瓦斯突出积聚爆炸等，复杂的灾变环境对我国矿山救援技术和装备提出了新的挑战。如何井下灾变环境三维虚拟成像，如何救援因素识别与智能决策，如何深部透地精准人员定位，如何井下顶管水平救援，如何快速大直径钻孔成井，如何灾后心理辅助医疗等技术及装备，是需要广大企事业单位和科研人员不断深入思考的关键科学问题。

矿山应急救援是复杂的技术体系，是根据地质环境、物资条件、人力水平的不同而变化的动态系统，因此有必要借助“互联网+”和“智能制造”的思维，进一步将组织管理、关键技术、核心装备及灾后保障等多学科构成一个协同体系。

4 结语

我国矿山应急救援体系建设虽然起步较晚，但是经过不断探索与实践逐步取得了一些成绩，对我国矿山应急救援定三种模式：井下推进救援模式、地面钻孔救援模式、井上下联合救援模式。其中地面钻孔提升救援技术作为完善矿山应急救援体系，健全矿山应急救援预案机制的一种创新，正逐步在矿山救援中占据关键部分。还需要对其中的环境实时监测和提升舱安全控制保障技术进一步实践，以求不断在救援装备的信息化、自动化方面进一步完善。

当前矿山应急救援装备技术和装备属于多学科交叉领域，还需要进一步政策倾斜并加大科研人才培养，以推动我国应急救援水平不断可持续发展。