礦山鉆孔救援多源信息探測技術研究與應用

2022-12-12 14:06:08鄭學召孫梓峪何芹健

煤田地質與勘探 2022年11期

鄭學召，孫梓峪，郭軍，張鐸，陳剛，何芹健

(1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安 710054；2.國家礦山救援西安研究中心，陜西西安 710054；3.西安科技大學信息網絡中心，陜西西安 710054；4.淄礦集團礦山救護大隊正通中隊，陜西咸陽 713600)

我國煤炭賦存條件復雜[1]，且淺部煤層開采殆盡，煤礦生產向深部轉移[2-3]，多數礦區采深已大于800 m[4]，礦井巷道所處地質條件復雜[5-6]，面臨的冒頂、地壓、透水事故比例升高[7]，致使煤礦生產工作面臨嚴峻挑戰，礦山事故救援難度增大[8]。快速，精準高效的救援技術成為事故發生初期減輕事故嚴重程度的關鍵一環[9]。

在礦山救援領域，目前常采用水平救援的方式進行人員營救，救援人員需攜帶救生設備前往災區現場對巷道進行疏通和人員搜救[10]，當開采深度較深，巷道坍塌較為嚴重時，救援人員疏通危險系數高，效率低。對此礦山鉆孔垂直救援技術應運而生，在救援初期往災區施工小直徑鉆孔，放入探測設備判定有無生命存在，當確認被困人員位置后采取大直徑鉆孔作業對人員進行救援[11]。在此過程中，鉆孔探測器對災區環境中的溫度、氣體和人體生命等多源信息的探測十分重要。

目前國內鉆孔信息探測的研究較少，多數使用集成度較低、探測手段單一、無法同時滿足多種探測需求的探測技術，如紅外[12]、光纖傳感[13]、微震監測[14]等救援技術；國外鉆孔探測技術起源于石油勘探領域[15]，研發了基于光學探測原理的鉆孔窺探系統。這些技術在其專攻領域內表現良好，能夠實現災區環境、現場視頻、聲音的監測，但是對于復雜的礦山救援環境適應性較低[16]，難以做到鉆孔內長距離、多源信息的實時采集和傳輸。如采用拾震傳感器進行人員探測時，通常會將其多點布置于地面、鉆孔通道壁中，對井下被困人員所發出各類求救行為引起的震動(呼喊、敲擊)信號進行監測，以此判斷是否存在生命。但是當礦井深度過深，聲音能量逸散嚴重，并且這種采集信息的方式屬于被動采集，當被困人員受傷或無法主動發出求救信號時，該技術難以發揮效用；所使用的基于光纖的視頻探測器集視音頻探測于一體，能夠探測廢墟下人員聲音圖像，但在事故發生后的鉆孔通道中無法滿足本質安全化及防水防爆的需求，并且該設備的探桿長度往往在5～10 m，而鉆孔深度往往可達幾百上千米，當距離過長時難以操控，信息長距離實時傳輸難度大，安全可靠性難以保證[17]。

由此可知，現有救援設備在進行鉆孔通道診斷、生命信息及環境信息采集中手段單一，以多源信息探測技術為手段進行生命探測的技術應用較少，易導致所采集信息的可靠性不足。其次礦山鉆孔救援的鉆孔深度往往可達幾百米以上，現有技術無法滿足在惡劣環境下鉆孔內信息長距離實時傳輸和井上井下通信等功能于一體的實際需求。此外在鉆探過程中經常會遇到坍塌阻隔，這些技術均無法實現穿透探測，設備自身安全性和穩定性難以保障，處于易燃易爆環境或者透水環境中容易損壞。

綜上，在災區信息探測和事故搶險救援過程中亟需快速確定鉆探過程中鉆孔通道孔壁的實時狀態、被困人員位置及生命狀態，了解區域環境信息(溫度、氣體、災情態勢等)，重構實時通信網絡，實現被困人員和地面救援指揮部之間實時雙向視音頻通信。擬采用的多源信息(視音頻、雷達)探測技術實現多源信息實時獲取的同時，能夠適應不同的現場復雜條件，使獲取信息的方式更加多樣與可靠。因此，如何快速實現鉆孔救援過程災區多源信息的實時探測，為救援提供可靠信息，避免傷亡進一步擴大，已成為煤礦重特大事故高效救援的科學難題。

針對上述礦山鉆孔救援過程中：災區多種傳感器數據實時采集與傳輸困難、無法進行隱蔽空間生命信息探測、缺乏配套礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備的難題，研究團隊采用理論研究、室內實驗、技術攻關與樣機研制、現場工業試驗相結合的方法，最終研制“礦山鉆孔救援多源信息探測技術以及配套系列裝備”。該套裝備由鉆孔救援多源信息探測系統、超寬帶雷達探測系統以及所搭載的大容量便攜式本安電源構成，旨在實現鉆孔救援過程中多源信息的實時探測，為地面救援指揮人員的救援決策提供依據。

1 災區多種傳感器數據實時采集與傳輸技術

數據融合即信息融合，將井下探測用的多種傳感器所測得信息進行數據層融合，稱為多源信息融合[18]，采取這種方式獲得的信息更為全面，能夠應對井下救援過程中對不同信息獲取的需求，提高探測設備的探測廣度與所采集信息的可靠度，繼而提高探測精度與探測性能[19]。

本套系統主要是采用多源信息融合探測的方式實現井下信息的同步采集與傳輸。首先是硬件級融合，將視音頻、紅外攝像儀、環境參數等傳感器模塊進行硬件集成和電路設計，將之搭載于鉆孔探測器；將搭載于探測器上的視音頻、環境參數等傳感器所采集的信號經過A/D 轉換芯片轉換成數字信號，通過H.265 與卷積編碼處理和QPSK 調制(四相相移調制，利用信號4 種不同相位差表征數字信息，屬于數字調制的一種方法，能夠提升信號的信噪比和頻帶利用率)后利用可編程邏輯門陣列(FPGA)對多源信息的數字信號再次進行壓縮編碼，實現數據級融合；為將壓縮編碼后的信息從井下鉆孔中傳送至地面終端設備，所牽拉探測器的雙絞線遵從SDSL 網絡傳輸協議，將被壓縮編碼的數字信號傳送至地面控制中心后，進行數據信息的解碼調制以及時間戳的同步，以實現傳輸級的融合，后將信息利用解碼播放模塊對多源信息分類解碼得到原始信息，通過RJ45 接入電腦終端于軟件上的不同分區進行同步顯示，最終實現對井下多源信息的監測監控(圖1)。

圖1 災區異質傳感器數據實時感知與傳輸技術模型Fig.1 Real time data transmission model and multiple sensors in disaster area

采用雙碼流網絡視頻服務技術和邊緣計算方法，解決了多視頻流同步遠程傳輸帶寬受限的難題。雙碼流網絡視頻服務技術中，高碼率的碼流用于本地高清存儲，可作為救災后的復盤資料；低碼率的碼流可以減輕帶寬壓力，提高圖像信息的加載流暢度，滿足現場救援過程中對于信息即時性的需求；而邊緣計算方法于靠近數據源頭的邊緣側發起計算任務，相當于將云端計算能力延伸至靠近終端的邊緣節點，避免了傳統云計算模式下時延高的缺點，能夠滿足救援現場視音頻等信息的遠程實時共享。

為實現鉆孔通道內信息長距離實時傳輸，采用數字網傳器能夠將網絡信號轉換為差分數字信號的特點，將其通過雙絞線與前端鉆孔探測器相連接，繼而傳輸網絡信號，其傳輸距離最大可達4 km，可提供60～80 Mb/s 的帶寬，并兼容TCP/IP 協議，能夠滿足礦山鉆孔救援過程中鉆孔探測器的視音頻等多源信息的實時長距離傳輸。

采用以上方法突破了現有探測裝備信息獲取方式單一、可靠性低的局限性。解決了鉆孔救援過程中長距離鉆孔通道信息、多源信息(視音頻、環境參數、雷達信號)的采集與可靠傳輸難題，為災后救援過程中現場不同信息的同步采集和監測提供保障。

2 隱蔽空間生命信息探測技術

礦山鉆孔救援技術在2015 年山東平邑石膏礦[20]與2021 年山東笏山金礦等事故救援中均得到應用[21]。但是在救援過程中發現目前的救援技術仍存在2 個問題，一是幸存人員往往受困于障礙物之后，當鉆進至預期巷道中，巷道中發生坍塌[22]；二是在鉆孔施工過程中產生偏移，距離預期位置有一定的距離，在此情況下重新進行鉆孔施工需要時間，為了提高救援效率，需要對該區域范圍是否存在生命做出準確判斷，以往的視音頻探測、紅外探測等手段無法實現對障礙物后的生命探測，亟需一種可透過障礙物進行生命探測的設備進行探測[23]。超寬帶雷達通過發射可穿透除金屬以外物質的高頻電磁波進行目標位置狀態探測，對發射后所接收到的回波進行分析處理，繼而獲取視音頻無法直接探測到的處于隱蔽空間中的生命體信息及位置距離，實現非接觸式測量[24]，該技術應用情況如圖2 所示。鉆孔施工完成之后，將超寬帶雷達放入鉆孔通道，下達災區預定位置后便能對周圍障礙物后幸存人員進行穿透式探測和定位。

圖2 超寬帶雷達在礦井救援中的應用Fig.2 Application of UWB radar in mine rescue

利用礦用射頻信號衰減系統與介電譜測試系統研究超寬帶雷達發射頻率于100 MHz～1.0 GHz 范圍之內，在不同變質程度煤(褐煤、長焰煤、貧瘦煤)中的傳輸衰減情況，根據衰減幅度以及峰值變化得出不同變質程度煤與雷達波衰減程度之間的關系，以及煤介電常數、電導率、頻率與煤變質程度的關系(圖3-圖5)：

圖3 褐煤介電常數、電導率與雷達頻率的關系Fig.3 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of lignite

圖4 長焰煤介電常數、電導率與雷達頻率的關系Fig.4 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of long flame coal

圖5 貧瘦煤介電常數、電導率與雷達頻率的關系Fig.5 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of lean coal

(1)煤體介電常數隨雷達波發射頻率的增加，呈先減小后增大再減小的趨勢，電導率隨頻率增加呈增大趨勢(貧瘦煤先減小后增大，總體仍呈現為增大趨勢)；煤樣損耗角正切值與測試頻率之間無線性相關關系[25]。

(2)隨變質程度的增加煤體電阻率依次減小，褐煤、長焰煤、貧瘦煤；隨煤體變質程度增加，超寬帶雷達波在其中傳播衰減程度越低，隨著煤體厚度的增加，傳播衰減程度越大[26]。

通過Maxwell's 方程以及FDTD 有限差分方程進行公式推導，得到超寬帶雷達波在經過各類物質界面的反射系數與折射系數的函數及其在煤中傳播衰減系數[27]計算公式：

式中：Tij為折射系數；Rij為反射系數；i、j為不同介質；a為煤體中超寬帶雷達波在傳播衰減系數；?為所穿透介質的介電常數；f為雷達波頻率；ρ為所穿透介質的電阻率。

證明影響回波特征的折射系數Tij、反射系數Rij大小與所穿透物質自身介電常數?相關；雷達波在煤中的傳播衰減系數與雷達波自身頻率相關之外還與所穿透介質的電阻率ρ和介電常數?等參數相關。通過以上基礎實驗研究(煤電性參數與頻率、煤變質程度與衰減程度、反射折射系數以及傳播衰減系數的研究)能夠為超寬帶雷達波在人員探測等后續研究中提供基礎理論支撐。

為研究生命信息與探測距離的關系，在陜西省神木市新能源神木分公司煤倉開展了超寬帶雷達波穿透煤樣的生命信息探測試驗。分析了超寬帶雷達在不同厚度與不同距離下褐煤、長焰煤、貧瘦煤中傳播過程，并進行了生命信息識別誤差的變化規律研究，對所得誤差值進行分析，得出在以上不同場景下超寬帶雷達進行生命信息識別的有效區域和范圍：當褐煤、長焰煤、貧瘦煤的厚度分別為0.45、0.85、1.20、2.40、3.60 m，人員在煤體后距離范圍為0～20 m 時，隨著煤體厚度的增加以及人員與煤體距離的增大，探測效果持續降低。但是在同等條件(煤厚和人員距離煤體的距離范圍一致)下，貧瘦煤探測效果最強、長焰煤次之、褐煤最弱。當3 種煤體厚度均為3.60 m，人員距離煤體20 m 時，3 種煤體的極限探測誤差為：貧瘦煤為1.33 m左右，長焰煤為1.52 m左右；褐煤為1.90 m 左右(圖6)，當實驗距離大于上述條件時，設備依舊能夠探測到生命存在，但是誤差將會持續增大，不利于精準定位。此次實驗再次印證了隨著厚度增加，煤變質程度的降低使得雷達波衰減幅度過大，會導致探測誤差增大的結果，如褐煤變質程度最低，電導率最大，衰減幅度最大，探測誤差大于長焰煤和貧瘦煤。

圖6 三種3.60 m 厚煤樣生命信息探測效果Fig.6 Personnel detection effect of three kinds of coal samples with thickness of 3.60 m

超寬帶雷達探測系統配套軟件(圖7)，實現了穿透障礙物進行人員精準定位的目標，能夠方便救援人員進行指揮決策，有效穿透探測距離可達20 m，克服了以往利用聲光原理無法穿透探測生命的難題。

圖7 超寬帶雷達探測器軟件界面Fig.7 UWB radar detector software interface

3 礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備

面對礦山應急救援現場緊迫的需求，為及時了解井下被困人員生命、環境信息；為災區、地面指揮中心、國家或省市應急管理部門等多級協同救災指揮決策體系的形成提供技術支持，在上述2 種技術基礎上研發相關系列裝備。

(1)針對在礦井事故中通常存在的易燃易爆的災害環境，井下所使用電子設備安全的現實需求，根據放電形式及安全火花電路控制理論，采用雙重多級限壓、限流技術，減少輸出端儲能元件容量以及機械隔離、電氣隔離、本安電路設計等方法，將標稱電壓1.2 V 的鎳氫電池采用九串二并(輸出電壓為12 V，容量為8 Ah)連接方式作為大容量便攜式本安電源，并設計了電源專用保護IC 主控芯片(圖8)，能夠實現電池組的過充電、過放電、過電流、短路的全方位保護，利用火花試驗對所設計電路進行了安全性檢驗，將故障電路的短路關斷時間降低到160 ns 以下、火花能量降低到40 μJ 以下，滿足了救援設備在危險環境中的使用要求。

圖8 電源保護電路原理與實物Fig.8 Principle and object of power protection circuit

(2)在鉆孔救援過程中，為了探明鉆探過程中鉆孔通道實時信息、井下災區環境信息、被困人員生命信息[28]，研發了集紅外攝像、氣體檢測、視音頻、超寬帶雷達穿透探測等技術于一體，適用于井下多災害場景的鉆孔救援多源信息探測系列裝備，并開發出配套的系統監測界面(圖9-圖10)。

圖9 礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備Fig.9 Multi source information detection series equipment for mine rescue drilling

圖10 礦山鉆孔救援多源信息探測系統監測界面Fig.10 Mine drilling rescue multi-source information detection system monitoring interface

礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備由鉆孔救援多源信息探測系統(其中包括潛水、視音頻環境監測鉆孔探測器、基于雙絞線的鉆孔通信裝置線輪盤、系統監測終端)和超寬雷達探測系統組成。救援過程中，通過可實現長距離信息實時傳輸的雙絞線(一根承重一根信息傳輸)牽拉探測器，將探測器置于鉆孔之中直達災區核心，實現災區生命探測與環境參數、鉆孔通道信息的采集報送，而所采集信息通過雙絞線傳輸于地面線輪盤的信息處理模塊，隨后線輪盤可通過RJ45/或無線接入電腦終端，最終于軟件上的不同分區進行同步顯示，如圖10 中的視音頻實時監測、環境參數、雷達探測、紅外探測等不同分區能夠直觀地將探測信息實時反饋于地面指揮人員，最終實現對井下多源信息的監測監控，繼而為地面救援指揮人員的決策提供第一手資料。該系列裝備具體有以下功能：

(1)對各種類型救生鉆孔通道(生命維護監測通道、生命救援通道、排水保障通道、輔助探測通道)的診斷：鉆孔堵塞、孔壁坍塌和涌水、孔底淤泥和積水、鉆孔套管底端狀況等，為鉆孔故障排除與快速鉆進提供視頻資料，如圖11 所示。

圖11 某事故現場鉆孔環境信息監測Fig.11 Monitoring of drilling environment information at an accident site

(2)可以借助垂直救援鉆孔，搜尋和聯絡井下被困人員，持續喊話、燈光導引、視音頻通信、運送維生物資、監測被困人員身體和精神狀態。

(3)多源信息數據在鉆孔內有線傳輸距離不小于1 km，續航時間可達12 h；當被困人員被坍塌體阻擋也可采用超寬帶雷達進行穿透式探測(穿透探測距離可達20 m)。

(4)井下巷道和空間的生存環境探測：巷道支護、設備設施、積水和水位變化等狀況；井下空間的CO2、CO、H2S、CH4、溫度、濕度等氣體環境參數情況。

(5)防水性能達到IP68 等級，可滿足透水事故環境下的潛水探測。

4 現場應用

在2015 年12 月25 日山東平邑石膏礦救援過程中，礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備于直徑178 mm 的2 號鉆孔中成功探測到4 名被困礦工，并與其進行了視音頻溝通，為被困人員輸送了維生物資；在后續救援過程中，由于5 號鉆孔卡鉆，168 m 處外裸孔塌孔嚴重，利用研發設備診斷了救生鉆孔通道，對其卡鉆、鉆孔內淤泥堆積、涌水量及水位情況進行了探測[29]，為后續救援指揮部采取氣舉反循環的方法抽排鉆頭上堆積物提供了資料支撐。2016 年1 月7 日，井下被困礦工報告所處巷道積水嚴重，難以繼續從2 號孔獲取維生物資，需轉移位置。翌日下午，團隊再次于7 號鉆孔成功探測到被困人員，實現了物資輸送。在后續擴孔救援中，團隊繼續使用所研發設備持續探查擴孔通道。此次救援探測歷時30 余天，最終將4 名被困人員成功營救，此次救援為救援指揮部提供了準確信息，對成功救援起到了重要作用，這是我國首例、世界第三例大直徑鉆孔救援的成功案例[30]。

在2021 年1 月10 日山東笏山金礦救援過程中，22 名工人被困井下，項目團隊前往災區救援。在救援過程中，對1 號鉆孔和3 號鉆孔實現了24 h 不間斷監控，對其巷道CO、CH4等氣體的濃度進行實時監測，后續將探測器更換為潛水探測器，對巷道水位、涌水量進行了監測，為專家組計算井下實際涌水量和水位上升速度提供了數據支撐。最終于3 號鉆孔通道5 中段成功探測到井下586 m 處被困礦工，并對礦工所處環境信息進行了采集研判。此次救援中先后使用了6 臺鉆孔探測器，3 臺850 m 以上的線輪盤，為救援行動的開展和完成提供了可視化探測。

在2021 年4 月10 日新疆豐源煤礦救援過程中，項目團隊攜帶所研發設備對1 號鉆孔的氣體環境參數、水位上升速度、漏水點等情況進行探測；對4 號鉆孔的水位進行了常態化監測，為專家組提供了明確的信息，避免了救援人員的二次傷亡。

這幾次救援過程中利用本文所述礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備實現了災后多源信息的探測，為后續救援行動的推進提供了技術支持。

5 結論

a.針對目前礦山鉆孔救援過程中對于鉆孔通道的監測和井下被困人員及其所處環境等多源信息探測獲取的難題，提出了災區多種傳感器數據實時采集與傳輸、隱蔽空間生命信息探測技術，能夠實現災區環境多源生命信息可視/非可視穿透探測和傳輸；研制出配套礦山鉆孔救援多源信息探測系列裝備，該套裝備由鉆孔救援多源信息探測系統、超寬帶雷達探測系統以及所搭載的大容量便攜式本安電源構成，旨在實現鉆孔救援過程中多源信息(人員、環境、視音頻、雷達信號)的實時探測，為地面救援指揮人員的救援決策提供依據。

b.所提出的災區多種傳感器數據實時采集與傳輸技術能夠實現鉆孔通道和井下災區多源信息的探測、存儲和長距離傳輸，能夠滿足現場救援過程中對于探測信息的即時性、多源性、可靠性的需求；所提出的基于超寬帶技術的隱蔽空間生命信息探測技術突破了以往利用聲光原理無法穿透探測生命的難題，實現了穿透塌方體進行人員精準定位探測的目標。

c.所研發的集紅外、氣體環境檢測、視音頻、超寬帶雷達穿透探測等技術于一體的鉆孔救援多源信息探測系列裝備能夠適應災區易燃易爆、透水環境，實現多源信息的實時探測和報送，能夠滿足現場24 h 不間斷探測，克服了以往探測技術手段單一，可靠度不足的缺陷。