大直徑鉆孔救援提升裝備研究進(jìn)展

顧海榮，單增海，王龍鵬，邵 濤，鄒祖杰，高子渝

(1.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.徐工集團(tuán)徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004；3.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

大直徑鉆孔救援是礦山災(zāi)害事故應(yīng)急救援中的一種有效方法[1]。大直徑鉆孔救援提升裝備的作用是在大直徑救援井成井后，將被困人員通過大直徑救援井安全、可靠、快速地提升至地面。

早在2002 年美國賓夕法尼亞州奎溪煤礦透水事故鉆孔救援(簡稱，奎溪救援)中，救援人員就利用鋼管制造了外徑610 mm 的簡易提升艙，通過直徑660 mm的大直徑救援井，將9 名被困礦工從73 m 深處提升至地面[2]。2010 年，智利圣何塞銅礦塌陷事故鉆孔救援(簡稱，智利救援)中，救援人員使用智利海軍和美國國家航天航空局聯(lián)合研制的外徑540 mm 的“鳳凰號(hào)”提升艙，通過直徑660 mm 的大直徑救援井，將33 名被困礦工從約700 m 深處提升至地面[2]。我國工程機(jī)械企業(yè)在汲取智利救援經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了SAC300T 救援起重機(jī)和SYLRC-550M 型提升艙[3]，參加了我國首例大直徑鉆孔救援-2015 年“12.25”山東平邑石膏礦垮塌事故救援(簡稱，平邑救援)，但受大直徑救援井成孔直徑和提升艙通過性能的限制，救援過程中未能使用提升艙，后改用安全繩通過直徑565 mm 的大直徑救援井，將4 名被困礦工從220 m 深處提升至地面。2015 年，中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司研制的MK5200QJY40 型礦用救援提升車和提升艙在山西省晉城市沁秀煤業(yè)有限公司坪上礦進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，通過直徑630 mm 的大直徑救援井，將試驗(yàn)人員從293 m 深處安全提升至地面，最大救援提升深度可達(dá)900 m[4]。2021 年，長安大學(xué)、徐州重型機(jī)械有限公司、中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司共同研制的地面應(yīng)急救援成套提升裝備[5]，在寧夏寧煤集團(tuán)梅花井煤礦成功開展了示范試驗(yàn)。黃志凌、王超等設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式提升系統(tǒng)，將提升絞車、井架、井口設(shè)施、控制臺(tái)、救援提升艙等設(shè)備集成在一輛載重汽車上，在山西王家?guī)X煤礦進(jìn)行了動(dòng)物提升試驗(yàn)[6]。此外，冀中能源石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)了JT-40Y 救援提升系統(tǒng)和JYC-54 提升艙。太原理工大學(xué)與山西省煤炭地質(zhì)115 勘查院聯(lián)合研制了垂直救援提升系統(tǒng)，包括礦井救援機(jī)動(dòng)車、組裝式提升井架平臺(tái)和提升艙[7]。

隨著大直徑鉆孔救援技術(shù)得到行業(yè)的認(rèn)可，大直徑鉆孔救援提升裝備也取得了長足發(fā)展。國外提出了大直徑鉆孔救援提升裝備的需求并首先進(jìn)行了應(yīng)用，但我國在大直徑鉆孔救援提升裝備研發(fā)領(lǐng)域的投入更多，系統(tǒng)集成化和救援提升過程信息化方面的研究處于領(lǐng)先水平，且技術(shù)路線多樣。本文基于國內(nèi)外文獻(xiàn)分析，結(jié)合國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“地面應(yīng)急救援井安全提升裝備”的研制過程，從救援提升平臺(tái)、救援提升艙和提升過程信息化系統(tǒng)3 個(gè)方面分析大直徑鉆孔救援提升裝備相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)，為大直徑鉆孔救援提升裝備的深入研究提供借鑒。

1 大直徑鉆孔救援提升平臺(tái)

提升平臺(tái)是救援提升裝備的主體，其作用是將被困人員可靠、穩(wěn)定地提升至地面。國內(nèi)外有報(bào)道的救援提升平臺(tái)型式見表1[3-4,8-9]。

表1 國內(nèi)外典型救援提升平臺(tái)型式Table 1 Typical rescue hoisting platform in the world

按照結(jié)構(gòu)形式，救援提升平臺(tái)可分為：龍門架和卷揚(yáng)提升機(jī)式(圖1a)、隨車起重機(jī)集成井架和卷揚(yáng)提升機(jī)式(圖1b)、隨車起重機(jī)起重臂直接提升式(圖1c)和全地面起重機(jī)起重臂直接提升式(圖1d)。

救援提升平臺(tái)由承載運(yùn)輸系統(tǒng)、提升支持系統(tǒng)和卷揚(yáng)提升系統(tǒng)3 部分組成。

1.1 承載運(yùn)輸系統(tǒng)

大直徑鉆孔救援的偶發(fā)性和地點(diǎn)的隨機(jī)性，使得救援提升裝備總是在事故發(fā)生后運(yùn)輸至救援現(xiàn)場。根據(jù)運(yùn)輸方式的不同，救援提升裝備可分為固定式和移動(dòng)式兩類。

1)固定式救援提升裝備

直至智利圣何塞銅礦鉆孔救援，世界范圍內(nèi)都沒有專門針對(duì)大直徑鉆孔救援工況設(shè)計(jì)的提升裝備。救援中采用的是針對(duì)礦井等固定位置設(shè)計(jì)的提升裝備或簡易提升裝備，使用隨車起重機(jī)(或卡車和起重機(jī)組合)運(yùn)輸至現(xiàn)場，待大直徑救援井成井后，再進(jìn)行安裝、提升。受救援提升裝備安裝時(shí)間的影響，會(huì)耽誤一定的救援時(shí)間。

2)移動(dòng)式救援提升裝備

智利圣何塞銅礦救援之后，國內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)針對(duì)救援過程中提升設(shè)備存在的不足，研制了移動(dòng)式救援提升平臺(tái)，將提升支持系統(tǒng)、卷揚(yáng)提升系統(tǒng)和救援提升艙等整套提升裝備集成在自行式底盤車上，到達(dá)現(xiàn)場后，僅需要簡單地調(diào)整，就可以投入救援提升[3]。

國內(nèi)礦山應(yīng)急救援單位延續(xù)了移動(dòng)式救援提升平臺(tái)的發(fā)展道路，促進(jìn)了移動(dòng)式救援提升平臺(tái)的快速發(fā)展。移動(dòng)式救援提升平臺(tái)主要有3 種技術(shù)路線：一是將井架和大容繩量卷揚(yáng)提升系統(tǒng)集成到隨車起重機(jī)上[6]，如圖1b 所示；二是改造升級(jí)隨車起重機(jī)的卷揚(yáng)提升系統(tǒng)[10]，如圖1c 所示；三是改造升級(jí)全地面起重機(jī)卷揚(yáng)提升系統(tǒng)[3]，如圖1d 所示。

圖1 救援提升平臺(tái)典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of rescue lifting platform

礦井應(yīng)急救援現(xiàn)場的道路和場地一般為臨時(shí)性建筑，狹窄、坡度大、附著能力差，甚至未進(jìn)行地面固化。相對(duì)于一般的運(yùn)輸卡車和隨車起重機(jī)底盤，全輪驅(qū)動(dòng)、全輪轉(zhuǎn)向的全地面起重機(jī)底盤用作承載運(yùn)輸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)，具有更好的通過性能，道路、場地的適應(yīng)能力強(qiáng)[11]，是未來移動(dòng)式救援提升裝備的重要發(fā)展方向。全地面起重機(jī)底盤動(dòng)力系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 全地面起重機(jī)底盤動(dòng)力系統(tǒng)Fig.2 Power system of all-terrain crane chassis

1.2 提升支持系統(tǒng)

提升支持系統(tǒng)的作用是為卷揚(yáng)提升系統(tǒng)提供一個(gè)高位天輪，使提升點(diǎn)處于大直徑救援井中心位置的正上方，實(shí)現(xiàn)豎直提升。提升支持系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)為門式起重機(jī)的龍門架、鉆井平臺(tái)的井架、隨車起重機(jī)的起重臂和全地面起重機(jī)的起重臂。

1)門架式提升支持系統(tǒng)

龍門架用作提升支持系統(tǒng)時(shí)，提升艙離開井口后，通過天輪沿龍門架的橫向移動(dòng)，安放于可靠的位置，進(jìn)行人員的進(jìn)出；井架提升支持系統(tǒng)通過框架鎖緊機(jī)構(gòu)將提升艙固定在底部與通道齊平的高度，進(jìn)行人員的進(jìn)出。提升過程中，門架式提升支持系統(tǒng)高位天輪的位置一般不會(huì)偏擺，能夠較好地保持垂直提升性能。但現(xiàn)場安裝時(shí)，為保證龍門架或井架天輪提升點(diǎn)與救援井中心對(duì)齊，需要對(duì)龍門架或井架位置進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。且龍門架或井架式提升支持系統(tǒng)必須安放在大直徑救援井的正上方，安裝前需要清空大直徑救援井周邊的障礙物，必要時(shí)還需對(duì)場地進(jìn)行硬化，以保證基礎(chǔ)穩(wěn)定。對(duì)大直徑鉆孔救援的鉆孔和提升過程的快速銜接有一定的影響。

2)起重臂式提升支持系統(tǒng)與變幅補(bǔ)償技術(shù)

以起重臂作為提升支持系統(tǒng)，提升點(diǎn)可以很方便大范圍調(diào)整，容易實(shí)現(xiàn)提升點(diǎn)與救援井中心對(duì)齊，以及人員的進(jìn)出。必要時(shí)起重臂還可以跨越障礙物進(jìn)行救援提升，無需等待鉆孔設(shè)備清場，加快了救援進(jìn)程。

但起重臂屬于懸臂結(jié)構(gòu)，剛度冗余量不足時(shí)，起吊過程中起重臂會(huì)出現(xiàn)大的彎曲變形，引起起吊點(diǎn)橫向晃動(dòng)[12-14]，這種晃動(dòng)會(huì)傳遞給提升艙，不利于提升艙進(jìn)入大直徑救援井，或是導(dǎo)致提升艙撞擊大直徑救援井的井壁，如圖3 所示，影響救援提升過程的平順性。

圖3 起吊時(shí)物體的晃動(dòng)Fig.3 Swaying of objects during lifting

減小起重臂起吊點(diǎn)橫向晃動(dòng)的措施：

一是采用起重臂變幅補(bǔ)償技術(shù)，通過調(diào)整變幅角度，及時(shí)抵消因起重力變化導(dǎo)致起重臂變形引起的起吊點(diǎn)晃動(dòng)[12-13]，如圖4 所示。二是采用剛度冗余量足夠大的起重臂，減小起吊時(shí)起重臂的變形量。如徐工集團(tuán)和三一重工研制的基于全地面起重機(jī)的救援提升設(shè)備，額定起重力均為30 t，而救援提升負(fù)荷質(zhì)量約為1 t(包括提升艙質(zhì)量和乘坐人員質(zhì)量)，救援提升過程中起吊點(diǎn)晃動(dòng)幅值小，平順性好。

圖4 吊臂變形的變幅補(bǔ)償控制Fig.4 Amplitude compensation control of boom deformation

1.3 卷揚(yáng)提升系統(tǒng)

隨著礦產(chǎn)資源開采向深度方向發(fā)展，大直徑鉆孔救援的深度會(huì)超過800 m，但救援提升的質(zhì)量較輕。礦井立井提升機(jī)的鋼絲繩纏繞型式有多繩摩擦式、單繩纏繞式和多繩纏繞式[15-16]，受大直徑救援井直徑的限制，現(xiàn)有的大直徑鉆孔救援提升裝備均采用了單繩多層纏繞式卷揚(yáng)提升機(jī)[8]。

常規(guī)起重機(jī)的卷揚(yáng)系統(tǒng)多為單繩纏繞式，但提升深度不能滿足要求[17]。以起重機(jī)為基礎(chǔ)研制移動(dòng)式救援提升裝備時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)大容繩量的卷揚(yáng)提升系統(tǒng)，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局以滿足穩(wěn)定性要求。液壓系統(tǒng)[18]、制動(dòng)系統(tǒng)[19-20]的可靠性設(shè)計(jì)也要考慮救援提升工況長時(shí)間連續(xù)收放鋼絲繩的需求。

單繩多層纏繞卷揚(yáng)系統(tǒng)鋼絲繩收放過程中換層時(shí)，卷揚(yáng)半徑會(huì)發(fā)生變化，如圖5 所示。

圖5 卷揚(yáng)半徑變化對(duì)提升速度的影響Fig.5 Influence of winch radius variation on lifting speed

鋼絲繩收放長度的計(jì)算公式：

式中：L為鋼絲繩的下放長度；Li為纏滿第i層的鋼絲繩長度；n為纏繞的層數(shù)；Ln為最外圈鋼絲繩的纏繞長度；Nd為纏滿一層時(shí)鋼絲繩的纏繞圈數(shù)；Nm為鋼絲繩纏繞的總?cè)?shù)。

1.3.1 繩槽結(jié)構(gòu)對(duì)提升速度穩(wěn)定性的影響研究

由于卷揚(yáng)半徑的變化，鋼絲繩換層時(shí)提升速度會(huì)發(fā)生跳變，卷揚(yáng)系統(tǒng)中卷揚(yáng)滾筒轉(zhuǎn)速、卷揚(yáng)滾筒非對(duì)稱角、卷揚(yáng)滾筒折線區(qū)圓心角、鋼絲繩直徑、密度等參數(shù)都會(huì)影響卷揚(yáng)滾筒振動(dòng)加速度幅值[21-22]，且采用對(duì)稱式折線繩槽進(jìn)行層間過渡時(shí)，鋼絲繩動(dòng)張力大于非對(duì)稱折線繩槽[23]。鋼絲繩換層時(shí)的速度跳變會(huì)對(duì)卷揚(yáng)提升系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和鋼絲繩壽命產(chǎn)生不良影響。

基于新的礦井提升機(jī)多層纏繞機(jī)理與層間過渡設(shè)計(jì)理論[22,24-26]，卷揚(yáng)滾筒一般采用如圖6 所示的非對(duì)稱雙折線繩槽。

圖6 卷揚(yáng)滾筒非對(duì)稱雙折線繩槽展開Fig.6 Expansion diagram of double folding rope groove of winch drum

1.3.2 卷揚(yáng)系統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)研究

大直徑救援井深度大，提升艙下放過程中，卷揚(yáng)系統(tǒng)處于長時(shí)間連續(xù)“制動(dòng)狀態(tài)”，與摩擦式卷揚(yáng)系統(tǒng)相比，單繩纏繞式卷揚(yáng)系統(tǒng)下放過程中，制動(dòng)系統(tǒng)需要提供更多的制動(dòng)能量，可靠性要求更高。

電驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)系統(tǒng)的制動(dòng)采用機(jī)械制動(dòng)器，提升艙下降過程中，可以通過監(jiān)測制動(dòng)器的溫度并進(jìn)行控制，防止制動(dòng)元件因溫度過高而失效[27]；采用分布式超級(jí)電容組吸收卷揚(yáng)提升系統(tǒng)的再生制動(dòng)能量，并在牽引工況合理釋放，可以提高能量的利用效率[28]，也可以有效減小制動(dòng)裝置的發(fā)熱問題。采用增壓制動(dòng)裝置及制動(dòng)力檢測裝置，可以解決使用過程中閘瓦磨損后制動(dòng)力矩不足的問題[19]；采用基于比例方向閥和蓄能器的主副兩個(gè)獨(dú)立的液壓恒減速制動(dòng)通道，在主液壓恒減速制動(dòng)通道失效時(shí)，自動(dòng)切換至副液壓恒減速制動(dòng)通道，可以提高制動(dòng)的可靠性[29]。

液壓驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)系統(tǒng)的制動(dòng)力來自液壓馬達(dá)，需要針對(duì)液壓馬達(dá)的持續(xù)制動(dòng)工況設(shè)計(jì)大功率的液壓油散熱器，并監(jiān)測液壓油溫度；也可以在液壓馬達(dá)與卷揚(yáng)滾筒之間設(shè)計(jì)離合器，提升艙下降過程中，斷開液壓馬達(dá)的動(dòng)力，通過機(jī)械制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。

1.3.3 提升鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)技術(shù)

卷揚(yáng)滾筒收放鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。雖然鋼絲繩與提升艙之間安裝有滑環(huán)，但由于提升艙的質(zhì)量與鋼絲繩的額定提升力相比非常小，且提升艙與井壁之間缺乏阻尼，提升過程中提升艙有明顯的旋轉(zhuǎn)，因此大直徑鉆孔救援提升裝備宜采用抗旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鋼絲繩[30-31]，減緩提升過程中提升艙的轉(zhuǎn)動(dòng)。

提升鋼絲繩最大扭轉(zhuǎn)角總是位于鋼絲繩中部，運(yùn)行過程中等價(jià)于旋轉(zhuǎn)力作用于鋼絲繩中部，提升鋼絲繩上部出現(xiàn)松捻，單位扭轉(zhuǎn)角為負(fù)值，下部出現(xiàn)緊捻，單位扭轉(zhuǎn)角為正值[32]。組繩股數(shù)、捻法、捻法組合形式、繩股捻距倍數(shù)、承受載荷大小及特殊工藝的使用等因素都會(huì)對(duì)鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生較大程度的影響。對(duì)單層股鋼絲繩，應(yīng)減少組繩股數(shù)，如采用3 股或4 股結(jié)構(gòu)，且鋼絲繩捻法必須為交互捻，同時(shí)要采取縮小股捻距(捻距倍數(shù))而增大繩捻距(捻距倍數(shù))工藝措施；另外，對(duì)整繩壓實(shí)也可改善鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能。對(duì)多層股鋼絲繩，應(yīng)采取增加外層繩股數(shù)、提高內(nèi)層繩金屬填充系數(shù)、合理搭配內(nèi)外層繩捻法、增加或減少內(nèi)外層繩(股)捻距(捻距倍數(shù))等措施改善鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能[33]。

1.3.4 鋼絲繩缺陷監(jiān)測技術(shù)

提升鋼絲繩的可靠性是安全救援提升的基礎(chǔ)，鋼絲繩缺陷實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)是保障安全救援提升的重要措施。鋼絲繩缺陷檢測方法有：

1)漏磁檢測法

沿鋼絲繩360°周向環(huán)型均勻排布漏磁檢測傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過ICEEMD(改進(jìn)完備集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?-WTF(小波閾值濾波)-WF(維納濾波)方法多級(jí)降噪，去除鋼絲繩缺陷信號(hào)股波噪聲和隨機(jī)噪聲，保留缺陷信號(hào)特征，基于DE-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼絲繩缺陷精確化識(shí)別模型，對(duì)鋼絲繩缺陷進(jìn)行識(shí)別[34]。

2)磁探傷檢測法

基于聚磁原理的多霍爾元件陣列檢測方法，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行無漏檢測，通過小波包-稀疏表示方法對(duì)鋼絲繩損傷信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，采用PSO-SVM 鋼絲繩斷絲信號(hào)定量識(shí)別模型對(duì)鋼絲繩的缺陷進(jìn)行精確識(shí)別[35]。

3)聲發(fā)射檢測法

依據(jù)鋼絲繩載荷變化情況下的聲發(fā)射特性，建立鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ńY(jié)合支持向量機(jī)對(duì)鋼絲繩聲發(fā)射信號(hào)的模式進(jìn)行識(shí)別[36]。

4)圖像檢測法

采用基于DSP 的圖像采集、以太網(wǎng)傳輸、井口實(shí)時(shí)監(jiān)測的鋼絲繩表面缺陷監(jiān)測方法，對(duì)提升機(jī)鋼絲繩運(yùn)行過程中的直徑變化、斷絲等表面缺陷進(jìn)行監(jiān)測[37]。

2 救援提升艙

常見的人員起吊裝置有單吊索、雙吊索、擔(dān)架和吊籃，如圖7 所示。

圖7 典型人員起吊方式Fig.7 Typical lifting method of personnel

研究表明，單吊索的起吊方式會(huì)增加呼吸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，對(duì)受傷人員有不良影響[38-39]。但大直徑救援井的最小控制直徑約600 mm，雙吊索、擔(dān)架和吊籃均無法使用。從有記錄的大直徑鉆孔救援過程可以看出，提升艙是首選的人員起吊裝置，其主要作用是在提升過程中保護(hù)人員安全。

山東平邑救援中，受大直徑救援井成井直徑的限制，提升艙也未能使用，后改用安全繩進(jìn)行人員提升。因此，提升艙在滿足人員提升要求[6]的情況下，其通過性能對(duì)于救援提升過程中的人員保護(hù)具有決定性作用。國內(nèi)外典型提升艙型號(hào)與參數(shù)見表2。

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出：大直徑鉆孔救援中使用的提升艙，艙體直徑約550 mm，高度約4 000 mm，滿足內(nèi)徑600 mm 井筒的通過需求和人員提升需求。

表2 國內(nèi)外典型提升艙型號(hào)與參數(shù)Table 2 Typical models and parameters of lifting capsules

2.1 救援提升艙結(jié)構(gòu)

智利圣何塞銅礦鉆孔救援中使用了“鳳凰號(hào)”提升艙，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 智利救援“鳳凰號(hào)”提升艙Fig.8 Fenix capsule adopted in emergency rescue in Chile mine disaster

現(xiàn)代救援提升艙的結(jié)構(gòu)大多參照了“鳳凰號(hào)”的設(shè)計(jì)，功能更加完善。中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司研制的救援提升艙結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司提升艙艙體布局Fig.9 Layout of lifting capsuce designed by CCTEG

提升艙中部為載人艙，上端設(shè)置有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，方便提升艙進(jìn)入井筒；艙體上部和下部設(shè)計(jì)有緩沖滾輪，減小提升艙與井筒的撞擊和摩擦；提升艙內(nèi)裝有緩降裝置，底部設(shè)計(jì)有脫開裝置，在提升艙與井筒之間發(fā)生卡滯無法繼續(xù)提升時(shí)，艙內(nèi)人員可以降至救援井底部，等待重新救援。艙體內(nèi)外還設(shè)計(jì)有攝像頭、環(huán)境參數(shù)檢測裝置和語音通信裝置，能夠通過通信系統(tǒng)將信號(hào)傳輸至救援提升平臺(tái)[10]。

目前，艙體上的滾輪是按照緩沖撞擊的目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，大直徑救援井直徑超過600 mm 后，大多數(shù)情況下滾輪不與井壁接觸，無法減緩收放過程中提升艙的旋轉(zhuǎn)。

2.2 柔性救援提升艙

滿足人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的提升艙總長一般會(huì)超過4 m[6]，外徑550 mm 的提升艙從直徑600 mm 的大直徑救援井中通過時(shí)，允許大直徑救援井中心線的最小彎曲半徑為72 m。因此，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的提升艙對(duì)于大直徑救援井的成孔直徑和垂直度要求較高。

提升艙的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是在設(shè)備艙與人員艙之間增加鉸接擺動(dòng)結(jié)構(gòu)。上下艙體之間擺動(dòng)2°后，可以將允許的大直徑救援井中心線的最小彎曲半徑縮小至43 m，顯著提升了提升艙的通過性能，也降低了對(duì)大直徑救援井成孔垂直度的要求，如圖10 所示。

圖10 鉸接結(jié)構(gòu)對(duì)提升艙通過能力的影響效果Fig.10 Effect diagram of hinged structure on passing capacity of lifting capsule

在柔性提升艙基礎(chǔ)上，開展人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)人體和艙載設(shè)備的外形，采用剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提升艙局部可控的變形，還可以進(jìn)一步提高通過性能。

3 多信息融合的救援提升過程重構(gòu)系統(tǒng)

救援提升過程信息是救援科學(xué)操作和決策的基礎(chǔ)，大直徑鉆孔救援提升裝備的發(fā)展也越來越注重井下、井上一體化救援提升過程模型重構(gòu)系統(tǒng)的研究。數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字礦山領(lǐng)域的應(yīng)用[40]，對(duì)大直徑鉆孔救援提升過程模型重構(gòu)系統(tǒng)的研制具有指導(dǎo)意義。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“地面應(yīng)急救援井安全提升裝備”研制的大直徑鉆孔救援提升裝備，將大直徑救援井的信息、井上信息(提升速度、提升深度、提升力等)、提升艙的信息(艙內(nèi)人員信息、環(huán)境參數(shù)信息和井筒參數(shù)信息)融合在一起，通過顯示器展示給操作人員，如圖11 所示。

圖11 救援提升裝備信息融合Fig.11 Information fusion diagram of rescue lifting equipment

救援操作可以在駕駛室內(nèi)進(jìn)行，為了獲得更好的視野，還可以在井口處通過平板電腦同步顯示救援提升信息，通過遙控器進(jìn)行救援操作，未來救援提升信息還可以在指揮中心同步展示。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：提升艙與提升平臺(tái)的通信技術(shù)、救援井參數(shù)檢測與模型重構(gòu)技術(shù)。

3.1 提升艙與提升平臺(tái)之間的通信技術(shù)

大直徑救援井成孔后，為了提高救援井的穩(wěn)定性，一般會(huì)下金屬套管護(hù)壁。提升過程中提升艙和地面提升平臺(tái)之間的通信屬于典型的超細(xì)長、屏蔽孔內(nèi)信號(hào)傳輸問題。且提升艙在井筒內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)及晃動(dòng)時(shí)，容易與井壁發(fā)生碰撞，無線和加中繼的無線傳輸方式不能滿足要求，有線傳輸是目前大直徑鉆孔救援提升過程中信號(hào)傳輸?shù)闹饕绞絒41-44]。

基于雙絞線的長距離通信方式有485 總線通信技術(shù)、xDSL 通信技術(shù)等，其中xDSL 通信技術(shù)，傳輸速率更高，可以滿足救援提升過程中多路視頻、語音和數(shù)據(jù)的傳輸要求，傳輸距離也可以覆蓋目前大多數(shù)大直徑鉆孔救援深度需求，見表3。

表3 xDSL 通信技術(shù)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of xDSL communication technology

奎溪煤礦透水事故救援中，為了將提升艙內(nèi)的信號(hào)傳輸至地面，救援人員將通信電纜與鋼絲繩同步平行下放，當(dāng)提升艙相對(duì)鋼絲繩發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，通信電纜與鋼絲繩之間容易發(fā)生纏繞。

最新設(shè)計(jì)的提升鋼絲繩除了滿足載重提升和抗旋轉(zhuǎn)基本功能以外，另一個(gè)重要功能是承擔(dān)提升艙和提升車之間的信號(hào)傳輸：一種方法是在鋼絲繩內(nèi)嵌入通信電纜[45]，另一種方法是采用多芯的鎧裝電纜作為提升鋼絲繩[6]，如圖12 所示。

圖12 附帶通信功能的鋼絲繩斷面Fig.12 Section of wire rope with communication function

目前，兼作信號(hào)傳輸介質(zhì)的鋼絲繩用作人員提升的長期使用性能還有待驗(yàn)證，限制了救援提升裝備的多功能應(yīng)用，以及通過日常作業(yè)保持性能的穩(wěn)定。這一問題可以通過研制提升鋼絲繩快換裝置，在一般作業(yè)過程中換用普通鋼絲繩的方式得以解決。

3.2 基于提升艙的救援井參數(shù)檢測與模型重構(gòu)系統(tǒng)

救援井雖然增加了金屬套管護(hù)壁，但在地應(yīng)力的作用下，仍存在結(jié)構(gòu)蠕變的風(fēng)險(xiǎn)[46]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響提升艙的正常通過，救援井參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測與模型重構(gòu)對(duì)于指導(dǎo)救援提升具有重要作用，具體方法有接觸式、激光測距式和基于深度相機(jī)的救援井結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測與重構(gòu)技術(shù)。

3.2.1 接觸式救援井參數(shù)檢測與重構(gòu)技術(shù)

接觸式救援井參數(shù)檢測與重構(gòu)技術(shù)是在救援提升艙的底部或上部安裝接觸式多臂井徑測試儀，提升過程中檢測救援井的直徑，并繪制救援井結(jié)構(gòu)模型。

波蘭科學(xué)家將該技術(shù)用于地?zé)峋哪Ｐ椭貥?gòu)，現(xiàn)已完成了境內(nèi)大多數(shù)地?zé)峋Ｐ偷闹貥?gòu)。井筒參數(shù)測量中使用了接觸式的MIT 多臂井徑測試儀[47]，地?zé)峋Ｐ椭貥?gòu)效果如圖13 所示。多臂井徑測試儀臂的數(shù)量對(duì)于救援井模型的重構(gòu)精度具有重要影響。

圖13 基于MIT-60 檢測重構(gòu)的井筒結(jié)構(gòu)Fig.13 Wellbore structure reconstructed based on MIT-60 inspection

3.2.2 激光測距式救援井參數(shù)檢測與重構(gòu)技術(shù)

基于激光測距技術(shù)的救援井參數(shù)檢測方法是在提升艙的四周布置激光測距傳感器，取代接觸式測量臂，在提升過程中檢測救援井激光位移傳感器與井壁之間的距離，擬合出救援井筒的圓心位置和通過直徑，通過斷面切片重構(gòu)救援井的三維模型[48-49]，模型的精細(xì)程度和準(zhǔn)確性，取決于激光傳感器的布置數(shù)量。受空間位置限定，基于激光測距傳感器測量技術(shù)構(gòu)建的大直徑救援井三維模型精度不高。如圖14 所示。

圖14 基于激光位移傳感器的救援井直徑檢測方法Fig.14 Rescue well diameter detection method based on laser displacement sensor

三維激光測距傳感器的應(yīng)用，消除了空間位置對(duì)激光測距傳感器布置數(shù)量的限制，可以獲得更細(xì)密的井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)測量數(shù)據(jù)，重構(gòu)后的救援井三維模型如圖15 所示[50]。

圖15 基于三維激光傳感器的井筒三維模型Fig.15 3D wellbore model based on 3D laser sensor

3.2.3 基于深度相機(jī)的救援井結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測與重構(gòu)技術(shù)

深度相機(jī)的出現(xiàn)，為大直徑救援井結(jié)構(gòu)參數(shù)的精細(xì)檢測提供了新的解決方案。在提升艙上安裝深度相機(jī)，可以在救援提升過程中，同時(shí)獲取井筒高分辨率(1 280×720)的可見光圖像和深度圖像，通過點(diǎn)云優(yōu)化算法對(duì)救援井筒的深度點(diǎn)云模型進(jìn)行優(yōu)化，并與可見光圖像融合，可以獲得與實(shí)際大直徑救援井筒非常接近的精細(xì)三維模型，如圖16 所示。

圖16 救援井筒點(diǎn)云模型和可見光圖像融合Fig.16 Fusion of rescue wellbore point cloud model and visible image

當(dāng)需要救援的人員數(shù)量較多時(shí)，可以通過每一次救援提升過程中重構(gòu)的大直徑救援井模型的對(duì)比，預(yù)測大直徑救援井結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化趨勢。

4 大直徑鉆孔救援提升裝備技術(shù)發(fā)展方向

4.1 多功能救援提升裝備

大直徑鉆孔救援提升裝備的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足大直徑鉆孔救援人員提升的需求。但大直徑鉆孔救援應(yīng)用場景發(fā)生概率極低，特別是內(nèi)嵌電纜通信功能的提升鋼絲繩的長期使用性能未得到驗(yàn)證，不宜用于其他用途。因此，大直徑鉆孔救援提升裝備長期處于閑置狀態(tài)，對(duì)于裝備保持作業(yè)性能不利。

在全地面起重機(jī)或是隨車起重機(jī)基礎(chǔ)上研制的大直徑鉆孔救援提升裝備，可以通過更換普通鋼絲繩的方式進(jìn)行常規(guī)吊裝，在工作中保持設(shè)備的作業(yè)性能，同時(shí)也提高了設(shè)備的利用率。

研究基于鋼絲繩內(nèi)嵌電纜通信的替代技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)大直徑鉆孔救援提升裝備多功能化的基礎(chǔ)。

4.2 仿生提升艙技術(shù)

大直徑救援井的成孔質(zhì)量對(duì)于提升艙的通過性能具有重要影響，提升艙自身的通過性能也同樣重要?，F(xiàn)有的救援提升艙多為圓筒狀，且以金屬材料制作，剛度高，大直徑救援井局部存在凸起就會(huì)影響提升艙的通過性能。

大直徑鉆孔救援提升過程中，對(duì)艙體沒有嚴(yán)格的空氣動(dòng)力學(xué)要求?？梢栽谌嵝蕴嵘摶A(chǔ)上，開展提升艙人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)人體和艙載設(shè)備的外形，采用剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提升艙局部可控的變形，提高通過性能。

4.3 救援提升過程數(shù)字孿生技術(shù)

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字礦山領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速[40]，其對(duì)于大直徑鉆孔救援提升作業(yè)同樣具有指導(dǎo)意義。未來救援提升裝備的發(fā)展應(yīng)集成數(shù)字孿生技術(shù)，并從鉆孔階段就開始介入。

(1)通過研究精準(zhǔn)檢測和建模技術(shù)，構(gòu)建大直徑救援井可視化的物理模型、可驗(yàn)證的仿真模型、可表示的邏輯模型、可計(jì)算的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)物理大直徑救援井與數(shù)字大直徑救援井孿生體之間的虛實(shí)映射、實(shí)時(shí)交互。

(2)基于物理場景與虛擬空間的信息映射關(guān)系和VR、AR 等虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)全息展現(xiàn)，突出關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)。多學(xué)科融合，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)權(quán)重，綜合評(píng)定大直徑救援井的通過性能，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而建立針對(duì)性的救援提升決策體系。

(3)構(gòu)建大直徑鉆孔救援提升裝備的孿生體，包括作業(yè)載荷模型、機(jī)電液耦合模型，可根據(jù)作業(yè)指令和載荷模型對(duì)裝備的作業(yè)過程進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)裝備健康狀態(tài)和潛在故障源的預(yù)測。

5 結(jié) 論

a.以大噸位全地面起重機(jī)為基礎(chǔ)，升級(jí)大容繩量卷揚(yáng)提升系統(tǒng)研制的大直徑鉆孔救援提升平臺(tái)，具有通過能力強(qiáng)、場地適應(yīng)性好、調(diào)整方便、提升穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，相比其他結(jié)構(gòu)形式的救援提升平臺(tái)，能夠更好地適應(yīng)大直徑鉆孔救援提升的隨機(jī)性、偶發(fā)性和快速性需求。

b.大直徑鉆孔救援提升裝備主要采用單繩纏繞式卷揚(yáng)提升系統(tǒng)，針對(duì)長時(shí)間連續(xù)收放工況下的持續(xù)制動(dòng)需求，需要提高卷揚(yáng)系統(tǒng)制動(dòng)裝置的可靠性，采用抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩減緩提升過程中提升艙的轉(zhuǎn)動(dòng)，并安裝鋼絲繩缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)防斷繩事故的發(fā)生。

c.現(xiàn)代救援提升艙的功能日益完善，提升艙的通過性能對(duì)提升過程中的人員保護(hù)具有決定性作用，柔性可彎曲的結(jié)構(gòu)能夠顯著提高提升艙的通過能力。

d.大直徑救援井信息、提升艙信息(包含環(huán)境信息和人員信息)、救援提升平臺(tái)信息是救援提升科學(xué)操作和決策的基礎(chǔ)，以現(xiàn)代通信技術(shù)、檢測技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)的救援提升過程數(shù)字孿生技術(shù)是大直徑鉆孔救援提升裝備的未來發(fā)展方向。