矿山生命信息探测仪在事故救援中的应用

文 虎，唐 瑞，刘名阳，王 虎，张 铎，郑学召，樊世星，程小蛟，金永飞

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.国家矿山应急救援西安研究中心，陕西 西安 710054；3.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

矿井空间受限、巷道复杂、障碍物多，火灾及瓦斯爆炸等热动力灾害后，井下供电及通信系统严重破坏甚至瘫痪[1-2]，地面与井下人员的信息沟通往往会被中断，地面人员难以及时、动态地掌握井下遇险人员的分布情况和所在的具体位置，难以准确掌握井下灾区的真实情况和发展趋势[3-4]。因此，救援工作地开展就存在盲目性，制定的方案就缺乏针对性，往往错过许多最佳的救援时机，导致被困人员死亡[5]。

传统的矿井救援通过打通堵塞巷道接近被困人员，当巷道严重堵塞时，需要花费大量的时间，救援的成功率并不是很高[6]。近年来，矿井垂直救援技术广泛应用于多起事故救援，通过施工小直径钻孔搜寻井下被困人员并作为维生通道，确定被困人员位置及身体状况后，通过施工大直径钻孔将被困人员提升至地面。在垂直救援过程中，先进的钻孔探测装置显得尤为重要，可准确监测钻孔和井下巷道真实情况，对制定科学、有效的救援方案至关重要[7-9]。

国外钻孔探测装备最先应用于油气勘探领域，并逐步形成钻孔电视光学成像系统[10]。我国钻孔探测装备兴起于管道及钻孔故障探查[11-12]。国内的救援通信装备主要为有线声能电话及KTE5 型矿山救援可视化指挥装置等[13]，但同时不具备视频监控、语音对讲及井下环境监测功能，无法满足矿井垂直救援的迫切需要。

针对垂直救援可视化程度低、难以动态掌握井下环境等问题，井孔声像探测装置具备视/音频功能，但该装置不具备救援全过程的视/音频回放功能[14]；将探测机器人通过小直径钻孔下放至井下，用于采集井下图像及环境参数信息，但机器人形状不规则、体积较大，容易堵塞维生钻孔，且对防水要求较高，无法保证可靠运行[15-16]。由西安科技大学研发的生命信息钻孔探测系统[17-21]，可将探测到的关键信息通过通信兼提升电缆传输至救援指挥中心，具备视/音频、关键环境参数的动态监测功能，并实时存储探测信息，通过终端显示和回放，为制定科学、有效的救援方案重要参考依据，并成功应用于山东省临沂市平邑县万庄石膏矿坍塌事故及山东省栖霞市笏山金矿爆炸事故救援中，为探测钻孔孔壁的涌水、坍塌，以及井下被困人员情况发挥了重大作用。为此，在介绍生命信息钻孔探测系统原理的基础上，对生命信息探测仪在山东省临沂市平邑县万庄石膏矿坍塌事故及山东省栖霞市笏山金矿爆炸事故救援中的实际应用效果进行分析，为今后矿井钻孔救援通信装备的升级提供参考资料。

1 生命信息探测仪原理与特点

1.1 系统组成

生命信息钻孔探测系统连接图如图1。生命信息钻孔探测系统主要由4 部分组成：生命信息探测器、高强度传输线缆、线轮盘、系统专用笔记本电脑。该系统引入通信技术、网络技术、图像处理及多媒体技术，将探测到多媒体信息实时上传至地面救援指挥部和国家局矿山救援指挥中心，实现救灾通讯可视化、救灾指挥专家化、事故分析科学化信息传递网络化。

图1 生命信息钻孔探测系统连接图Fig.1 Connection diagram of the vital information drilling detection system

1.2 系统工作原理

系统总体设计原理图如图2。

图2 系统总体设计原理图Fig.2 Schematic diagram of overall system design

探测器利用自身携带的井下本安型红外摄像仪及多参数传感器自动采集井下事故现场图像、环境参数，并将采集到的图像、环境气体参数连同耳麦中的音频信号一起发送到OFDM 无线传输模块。视/音频、环境参数合成压缩模块首先将模拟的音频、视频信号、环境参数转换成数字信号，然后采用H.264 压缩编码，QPSK 调制、卷积编码等处理后传输至OFDM 发送模块与无线射频将数据发出。地面接收端基站集成了OFDM 接收模块与射频接收模块，接收模块与计算机通过USB 接口连接。

系统采用SDSL 网络协议，将发送与接收模块之间的最大传输距离增加至4 km。采集模块将采集到的多媒体信息经过调制，将信号传输至SDSL 模块，通过矿用专用线缆传输到地面。地面接收端基站中的SDSL 模块将数字信号再调制成网络信号，SDSL 线路接入模块解码提供1 个RJ45 用户端接口，最后通过计算机将视频和音频信息展示给救援人员。

2 关键参数

1）几何尺寸。由于垂直救援钻孔施工难度大，为保证救援效率，先通过施工小直径钻孔确定被困人员位置，建立通信和给养通道，为保证生命通道畅通，生命信息探测器要求小型化，结合钻孔施工和通信可靠性要求，确定探测器直径为80 mm，长度为480 mm；通信线轮盘直径为440 mm，高度为610 mm。

2）通讯方式及电磁波频段。生命信息探测器为本质安全型设计，可以采集低照度环境下的图像、音频及环境参数，将其转化为数字信号调制后通过线缆输出至地面双路无线信号传输控制轮盘，传输速率大于1.5 Mbps，并具备低照度下自动补光功能；线轮盘为一般兼本质安全型设计，具有将生命信息探测器探测到的图像、声音及环境参数信号传输至地面笔记本电脑的功能，并有通信指示功能，中心频率为（2.44±0.05）GHz，发射功率在不含天线情况下为-20～15 dBm。探测器与线轮盘之间通过通信兼提升缆线连接，线轮盘与笔记本电脑之间通过无线传输多媒体信号。

3）摄像头清晰度及探测范围。井下发生灾害后，供电系统往往处于瘫痪状态，为保证探测器在全黑环境中探测距离尽量远，摄像头采用红外补光方式增大探测距离，探测器最低照度小于0.2 lux，水平清晰度大于350 线，灰度等级大于7 级，探测半径大于10 m。

4）运行时间。探测器根据本质安全型相关标准设计，并符合煤矿MA ia 等级，连续工作时间大于8 h；线轮盘为一般兼本质设计，运行时间大于10 h，并支持防爆手机、平板电脑等终端设备接入。

3 现场应用

3.1 平邑石膏矿坍塌事故救援中的应用

2015 年12 月25 日，山东省临沂市平邑县万庄石膏矿区发生坍塌事故，造成玉荣石膏矿29 名矿工被困。在山东省临沂市平邑县万庄石膏矿区“12.25”坍塌事故救援指挥部的统一领导下，专家组采用团队自主研制开发的“生命信息钻孔探测系统”成功发现4 名被困人员并与其进行了视/音频沟通，及时掌握了4 名被困人员的身体状况。在后续救援中，专家组利用该探测系统对井下巷道情况、救生钻孔施工情况、套管变形情况等多种信息进行了探测。

3.1.1 应用探测系统搜寻被困人员

2015 年12 月30 日8 时，原定第4 条生命通道中的2 号钻孔与4 号矿井的井底车场东侧巷道贯通，平邑石膏矿钻孔探测布置图如图3。

图3 平邑石膏矿钻孔探测布置图Fig.3 Borehole detection layout of Pingyi gypsum mine

在生命信息钻孔探测系统首次下放过程中，因钻孔套管内存在淤泥，下放受阻。经过短暂清管后，再次下放设备，并于10 时55 分下放至井下巷道位置，发现4 名被困矿工。通过该系统，救援人员清楚地与被困人员进行了实时的音、视频沟通，掌握了被困人员的身体状况和井下灾区情况。救援人员利用生命信息探测系统探测到井下被困人员，并进行语音对讲。

3.1.2 应用探测系统探查钻孔情况

在后续救援过程中，利用生命信息钻孔探测系统对钻孔的卡钻情况、钻孔内淤泥及水位情况等信息进行了探查，及时准确地得到了相关钻孔信息，为指挥部及时调整救援方案和钻孔施工方案提供了宝贵的资料，为大直径钻孔的成功贯通起到了重要作用。

1 月29 日下放生命信息钻孔探测系统探测5号救生钻孔，通过视频图像发现钻孔内有泥沙堵孔及积水，指挥部决定疏通钻孔。

再次下放生命信息钻孔探测系统探查了5 号救生钻孔的全井筒，发现井筒畅通，达到了提人条件。但探测器探查到200 m 处套管末端有1 处大致3～5 cm 的卷边变形，指挥部决定采用消防安全绳索提人，4 名被困矿工最终通过大直径钻孔安全提升至地面。

3.2 笏山金矿爆炸事故救援中的应用

2021 年1 月10 日，山东栖霞笏山金矿发生井筒爆炸事故，矿工出入井下唯一的梯子间和罐笼严重损坏、无法正常运行，通信线路中断，井下22 名矿工生死不明。现场采用垂直救援方式，笏山金矿钻孔布置示意图如图4。

图4 笏山金矿钻孔布置示意图Fig.4 Schematic diagram of drilling arrangement of Hushan gold mine

3.2.1 搜寻生命信息与探测救生钻孔

在1 号孔使用双视频音频探测器，通过探测器实时掌握井下巷道的环境情况，24 h 不停监测，并利用设备喊话，搜寻失联人员。

通过下放视频音频环境参数探测器，掌握井下氧气、一氧化碳、甲烷、温湿度等情况。潜水视频探测器探测了1#钻孔的涌水量及水位上升速度，为专家组提供了的参考资料，专家组经过测算掌握了井下实际涌水量和水位上升速度。

3.2.2 联络幸存矿工

在井深586 m 处“连线”11 名幸存矿工，探测了3#救生钻孔情况、井下巷道生存空间和积水状况。救援团队先后运送6 台探测器，3 个850 m 线长的实时通信布线轮，多钻孔、24 h 不间断监控“生命维护监测通道、生命救援通道、排水保障通道、辅助探测通道”。

通过现场实时分析和信息回溯研判，掌握了被困人员生理、心理和精神状态，确定了救生钻孔的涌水点和出水情况，提供了救生钻孔堵水靶向信息，为专家组制定救援技术、给养和医疗等方案提供了可靠的井下现场一手资料，也为明确“3+1”通道救援方案提供了科学指导。

4 结 语

针对矿井垂直救援过程中井下与地面通信困难，救援人员难以动态掌握被困人员位置及身体状况等关键信息，采用多媒体信息采集及多元信息融合传输等关键技术，研发了生命信息探测系统，在山东省临沂市平邑县万庄石膏矿坍塌事故及山东省栖霞市笏山金矿爆炸事故救援过程中为指挥部提供可靠的信息资料。

1）生命信息钻孔探测系统具有图像、语音等多媒体信号摄入、检测、存储、显示和回放功能，可与外网无缝接入，实现多级、多地指挥部门的统一协调指挥，保证科学救援。

2）利用装置可以深入救护队员无法进入的井下灾区，适应高温、潮湿等复杂环境，在无需借助井下任何通信设施和外围网络支持的条件下，可独立稳定运行，系统工作时间大于8 h，满足垂直救援探测需求。

3）可准确探测井下人员生存空间以及钻孔孔壁坍塌、钻孔内残渣存留、钻孔涌水、裸孔段孔壁的完整性、套管变形以及等关键信息，为钻孔施工、人员搜寻及提升、救援方案制定等提供参考资料。