礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭學(xué)召，孫梓峪，郭 軍，張 鐸，陳 剛，何芹健

(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)家礦山救援西安研究中心，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，陜西 西安 710054；4.淄礦集團(tuán)礦山救護(hù)大隊(duì)正通中隊(duì)，陜西 咸陽(yáng) 713600)

我國(guó)煤炭賦存條件復(fù)雜[1]，且淺部煤層開(kāi)采殆盡，煤礦生產(chǎn)向深部轉(zhuǎn)移[2-3]，多數(shù)礦區(qū)采深已大于800 m[4]，礦井巷道所處地質(zhì)條件復(fù)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(chǎn)工作面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，礦山事故救援難度增大[8]?？焖伲珳?zhǔn)高效的救援技術(shù)成為事故發(fā)生初期減輕事故嚴(yán)重程度的關(guān)鍵一環(huán)[9]。

在礦山救援領(lǐng)域，目前常采用水平救援的方式進(jìn)行人員營(yíng)救，救援人員需攜帶救生設(shè)備前往災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巷道進(jìn)行疏通和人員搜救[10]，當(dāng)開(kāi)采深度較深，巷道坍塌較為嚴(yán)重時(shí)，救援人員疏通危險(xiǎn)系數(shù)高，效率低。對(duì)此礦山鉆孔垂直救援技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在救援初期往災(zāi)區(qū)施工小直徑鉆孔，放入探測(cè)設(shè)備判定有無(wú)生命存在，當(dāng)確認(rèn)被困人員位置后采取大直徑鉆孔作業(yè)對(duì)人員進(jìn)行救援[11]。在此過(guò)程中，鉆孔探測(cè)器對(duì)災(zāi)區(qū)環(huán)境中的溫度、氣體和人體生命等多源信息的探測(cè)十分重要。

目前國(guó)內(nèi)鉆孔信息探測(cè)的研究較少，多數(shù)使用集成度較低、探測(cè)手段單一、無(wú)法同時(shí)滿足多種探測(cè)需求的探測(cè)技術(shù)，如紅外[12]、光纖傳感[13]、微震監(jiān)測(cè)[14]等救援技術(shù)；國(guó)外鉆孔探測(cè)技術(shù)起源于石油勘探領(lǐng)域[15]，研發(fā)了基于光學(xué)探測(cè)原理的鉆孔窺探系統(tǒng)。這些技術(shù)在其專(zhuān)攻領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)區(qū)環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)視頻、聲音的監(jiān)測(cè)，但是對(duì)于復(fù)雜的礦山救援環(huán)境適應(yīng)性較低[16]，難以做到鉆孔內(nèi)長(zhǎng)距離、多源信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸。如采用拾震傳感器進(jìn)行人員探測(cè)時(shí)，通常會(huì)將其多點(diǎn)布置于地面、鉆孔通道壁中，對(duì)井下被困人員所發(fā)出各類(lèi)求救行為引起的震動(dòng)(呼喊、敲擊)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此判斷是否存在生命。但是當(dāng)?shù)V井深度過(guò)深，聲音能量逸散嚴(yán)重，并且這種采集信息的方式屬于被動(dòng)采集，當(dāng)被困人員受傷或無(wú)法主動(dòng)發(fā)出求救信號(hào)時(shí)，該技術(shù)難以發(fā)揮效用；所使用的基于光纖的視頻探測(cè)器集視音頻探測(cè)于一體，能夠探測(cè)廢墟下人員聲音圖像，但在事故發(fā)生后的鉆孔通道中無(wú)法滿足本質(zhì)安全化及防水防爆的需求，并且該設(shè)備的探桿長(zhǎng)度往往在5～10 m，而鉆孔深度往往可達(dá)幾百上千米，當(dāng)距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)難以操控，信息長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸難度大，安全可靠性難以保證[17]。

由此可知，現(xiàn)有救援設(shè)備在進(jìn)行鉆孔通道診斷、生命信息及環(huán)境信息采集中手段單一，以多源信息探測(cè)技術(shù)為手段進(jìn)行生命探測(cè)的技術(shù)應(yīng)用較少，易導(dǎo)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(dá)幾百米以上，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿足在惡劣環(huán)境下鉆孔內(nèi)信息長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸和井上井下通信等功能于一體的實(shí)際需求。此外在鉆探過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到坍塌阻隔，這些技術(shù)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)穿透探測(cè)，設(shè)備自身安全性和穩(wěn)定性難以保障，處于易燃易爆環(huán)境或者透水環(huán)境中容易損壞。

綜上，在災(zāi)區(qū)信息探測(cè)和事故搶險(xiǎn)救援過(guò)程中亟需快速確定鉆探過(guò)程中鉆孔通道孔壁的實(shí)時(shí)狀態(tài)、被困人員位置及生命狀態(tài)，了解區(qū)域環(huán)境信息(溫度、氣體、災(zāi)情態(tài)勢(shì)等)，重構(gòu)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)被困人員和地面救援指揮部之間實(shí)時(shí)雙向視音頻通信。擬采用的多源信息(視音頻、雷達(dá))探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源信息實(shí)時(shí)獲取的同時(shí)，能夠適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)復(fù)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(shí)現(xiàn)鉆孔救援過(guò)程災(zāi)區(qū)多源信息的實(shí)時(shí)探測(cè)，為救援提供可靠信息，避免傷亡進(jìn)一步擴(kuò)大，已成為煤礦重特大事故高效救援的科學(xué)難題。

針對(duì)上述礦山鉆孔救援過(guò)程中：災(zāi)區(qū)多種傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸困難、無(wú)法進(jìn)行隱蔽空間生命信息探測(cè)、缺乏配套礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備的難題，研究團(tuán)隊(duì)采用理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)攻關(guān)與樣機(jī)研制、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，最終研制“礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)技術(shù)以及配套系列裝備”。該套裝備由鉆孔救援多源信息探測(cè)系統(tǒng)、超寬帶雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)以及所搭載的大容量便攜式本安電源構(gòu)成，旨在實(shí)現(xiàn)鉆孔救援過(guò)程中多源信息的實(shí)時(shí)探測(cè)，為地面救援指揮人員的救援決策提供依據(jù)。

1 災(zāi)區(qū)多種傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)融合即信息融合，將井下探測(cè)用的多種傳感器所測(cè)得信息進(jìn)行數(shù)據(jù)層融合，稱(chēng)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(yīng)對(duì)井下救援過(guò)程中對(duì)不同信息獲取的需求，提高探測(cè)設(shè)備的探測(cè)廣度與所采集信息的可靠度，繼而提高探測(cè)精度與探測(cè)性能[19]。

本套系統(tǒng)主要是采用多源信息融合探測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)井下信息的同步采集與傳輸。首先是硬件級(jí)融合，將視音頻、紅外攝像儀、環(huán)境參數(shù)等傳感器模塊進(jìn)行硬件集成和電路設(shè)計(jì)，將之搭載于鉆孔探測(cè)器；將搭載于探測(cè)器上的視音頻、環(huán)境參數(shù)等傳感器所采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)H.265 與卷積編碼處理和QPSK 調(diào)制(四相相移調(diào)制，利用信號(hào)4 種不同相位差表征數(shù)字信息，屬于數(shù)字調(diào)制的一種方法，能夠提升信號(hào)的信噪比和頻帶利用率)后利用可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)對(duì)多源信息的數(shù)字信號(hào)再次進(jìn)行壓縮編碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級(jí)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(shè)備，所牽拉探測(cè)器的雙絞線遵從SDSL 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將被壓縮編碼的數(shù)字信號(hào)傳送至地面控制中心后，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的解碼調(diào)制以及時(shí)間戳的同步，以實(shí)現(xiàn)傳輸級(jí)的融合，后將信息利用解碼播放模塊對(duì)多源信息分類(lèi)解碼得到原始信息，通過(guò)RJ45 接入電腦終端于軟件上的不同分區(qū)進(jìn)行同步顯示，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)井下多源信息的監(jiān)測(cè)監(jiān)控(圖1)。

圖1 災(zāi)區(qū)異質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知與傳輸技術(shù)模型Fig.1 Real time data transmission model and multiple sensors in disaster area

采用雙碼流網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)技術(shù)和邊緣計(jì)算方法，解決了多視頻流同步遠(yuǎn)程傳輸帶寬受限的難題。雙碼流網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)技術(shù)中，高碼率的碼流用于本地高清存儲(chǔ)，可作為救災(zāi)后的復(fù)盤(pán)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(xiàn)場(chǎng)救援過(guò)程中對(duì)于信息即時(shí)性的需求；而邊緣計(jì)算方法于靠近數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)發(fā)起計(jì)算任務(wù)，相當(dāng)于將云端計(jì)算能力延伸至靠近終端的邊緣節(jié)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)云計(jì)算模式下時(shí)延高的缺點(diǎn)，能夠滿足救援現(xiàn)場(chǎng)視音頻等信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)共享。

為實(shí)現(xiàn)鉆孔通道內(nèi)信息長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸，采用數(shù)字網(wǎng)傳器能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分?jǐn)?shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，將其通過(guò)雙絞線與前端鉆孔探測(cè)器相連接，繼而傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，其傳輸距離最大可達(dá)4 km，可提供60～80 Mb/s 的帶寬，并兼容TCP/IP 協(xié)議，能夠滿足礦山鉆孔救援過(guò)程中鉆孔探測(cè)器的視音頻等多源信息的實(shí)時(shí)長(zhǎng)距離傳輸。

采用以上方法突破了現(xiàn)有探測(cè)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(guò)程中長(zhǎng)距離鉆孔通道信息、多源信息(視音頻、環(huán)境參數(shù)、雷達(dá)信號(hào))的采集與可靠傳輸難題，為災(zāi)后救援過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)不同信息的同步采集和監(jiān)測(cè)提供保障。

2 隱蔽空間生命信息探測(cè)技術(shù)

礦山鉆孔救援技術(shù)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(yīng)用[21]。但是在救援過(guò)程中發(fā)現(xiàn)目前的救援技術(shù)仍存在2 個(gè)問(wèn)題，一是幸存人員往往受困于障礙物之后，當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)期巷道中，巷道中發(fā)生坍塌[22]；二是在鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生偏移，距離預(yù)期位置有一定的距離，在此情況下重新進(jìn)行鉆孔施工需要時(shí)間，為了提高救援效率，需要對(duì)該區(qū)域范圍是否存在生命做出準(zhǔn)確判斷，以往的視音頻探測(cè)、紅外探測(cè)等手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物后的生命探測(cè)，亟需一種可透過(guò)障礙物進(jìn)行生命探測(cè)的設(shè)備進(jìn)行探測(cè)[23]。超寬帶雷達(dá)通過(guò)發(fā)射可穿透除金屬以外物質(zhì)的高頻電磁波進(jìn)行目標(biāo)位置狀態(tài)探測(cè)，對(duì)發(fā)射后所接收到的回波進(jìn)行分析處理，繼而獲取視音頻無(wú)法直接探測(cè)到的處于隱蔽空間中的生命體信息及位置距離，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量[24]，該技術(shù)應(yīng)用情況如圖2 所示。鉆孔施工完成之后，將超寬帶雷達(dá)放入鉆孔通道，下達(dá)災(zāi)區(qū)預(yù)定位置后便能對(duì)周?chē)系K物后幸存人員進(jìn)行穿透式探測(cè)和定位。

圖2 超寬帶雷達(dá)在礦井救援中的應(yīng)用Fig.2 Application of UWB radar in mine rescue

利用礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)與介電譜測(cè)試系統(tǒng)研究超寬帶雷達(dá)發(fā)射頻率于100 MHz～1.0 GHz 范圍之內(nèi)，在不同變質(zhì)程度煤(褐煤、長(zhǎng)焰煤、貧瘦煤)中的傳輸衰減情況，根據(jù)衰減幅度以及峰值變化得出不同變質(zhì)程度煤與雷達(dá)波衰減程度之間的關(guān)系，以及煤介電常數(shù)、電導(dǎo)率、頻率與煤變質(zhì)程度的關(guān)系(圖3-圖5)：

圖3 褐煤介電常數(shù)、電導(dǎo)率與雷達(dá)頻率的關(guān)系Fig.3 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of lignite

圖4 長(zhǎng)焰煤介電常數(shù)、電導(dǎo)率與雷達(dá)頻率的關(guān)系Fig.4 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of long flame coal

圖5 貧瘦煤介電常數(shù)、電導(dǎo)率與雷達(dá)頻率的關(guān)系Fig.5 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of lean coal

(1)煤體介電常數(shù)隨雷達(dá)波發(fā)射頻率的增加，呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)，電導(dǎo)率隨頻率增加呈增大趨勢(shì)(貧瘦煤先減小后增大，總體仍呈現(xiàn)為增大趨勢(shì))；煤樣損耗角正切值與測(cè)試頻率之間無(wú)線性相關(guān)關(guān)系[25]。

(2)隨變質(zhì)程度的增加煤體電阻率依次減小，褐煤、長(zhǎng)焰煤、貧瘦煤；隨煤體變質(zhì)程度增加，超寬帶雷達(dá)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(guò)Maxwell's 方程以及FDTD 有限差分方程進(jìn)行公式推導(dǎo)，得到超寬帶雷達(dá)波在經(jīng)過(guò)各類(lèi)物質(zhì)界面的反射系數(shù)與折射系數(shù)的函數(shù)及其在煤中傳播衰減系數(shù)[27]計(jì)算公式：

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

證明影響回波特征的折射系數(shù)Tij、反射系數(shù)Rij大小與所穿透物質(zhì)自身介電常數(shù)?相關(guān)；雷達(dá)波在煤中的傳播衰減系數(shù)與雷達(dá)波自身頻率相關(guān)之外還與所穿透介質(zhì)的電阻率ρ和介電常數(shù)?等參數(shù)相關(guān)。通過(guò)以上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究(煤電性參數(shù)與頻率、煤變質(zhì)程度與衰減程度、反射折射系數(shù)以及傳播衰減系數(shù)的研究)能夠?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)波在人員探測(cè)等后續(xù)研究中提供基礎(chǔ)理論支撐。

為研究生命信息與探測(cè)距離的關(guān)系，在陜西省神木市新能源神木分公司煤倉(cāng)開(kāi)展了超寬帶雷達(dá)波穿透煤樣的生命信息探測(cè)試驗(yàn)。分析了超寬帶雷達(dá)在不同厚度與不同距離下褐煤、長(zhǎng)焰煤、貧瘦煤中傳播過(guò)程，并進(jìn)行了生命信息識(shí)別誤差的變化規(guī)律研究，對(duì)所得誤差值進(jìn)行分析，得出在以上不同場(chǎng)景下超寬帶雷達(dá)進(jìn)行生命信息識(shí)別的有效區(qū)域和范圍：當(dāng)褐煤、長(zhǎng)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(shí)，隨著煤體厚度的增加以及人員與煤體距離的增大，探測(cè)效果持續(xù)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(cè)效果最強(qiáng)、長(zhǎng)焰煤次之、褐煤最弱。當(dāng)3 種煤體厚度均為3.60 m，人員距離煤體20 m 時(shí)，3 種煤體的極限探測(cè)誤差為：貧瘦煤為1.33 m左右，長(zhǎng)焰煤為1.52 m左右；褐煤為1.90 m 左右(圖6)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)距離大于上述條件時(shí)，設(shè)備依舊能夠探測(cè)到生命存在，但是誤差將會(huì)持續(xù)增大，不利于精準(zhǔn)定位。此次實(shí)驗(yàn)再次印證了隨著厚度增加，煤變質(zhì)程度的降低使得雷達(dá)波衰減幅度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)誤差增大的結(jié)果，如褐煤變質(zhì)程度最低，電導(dǎo)率最大，衰減幅度最大，探測(cè)誤差大于長(zhǎng)焰煤和貧瘦煤。

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

超寬帶雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)配套軟件(圖7)，實(shí)現(xiàn)了穿透障礙物 進(jìn)行人員精準(zhǔn)定位的目標(biāo)，能夠方便救援人員進(jìn)行指揮決策，有效穿透探測(cè)距離可達(dá)20 m，克服了以往利用聲光原理無(wú)法穿透探測(cè)生命的難題。

圖7 超寬帶雷達(dá)探測(cè)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(cè)系列裝備

面對(duì)礦山應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)緊迫的需求，為及時(shí)了解井下被困人員生命、環(huán)境信息；為災(zāi)區(qū)、地面指揮中心、國(guó)家或省市應(yīng)急管理部門(mén)等多級(jí)協(xié)同救災(zāi)指揮決策體系的形成提供技術(shù)支持，在上述2 種技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)相關(guān)系列裝備。

(1)針對(duì)在礦井事故中通常存在的易燃易爆的災(zāi)害環(huán)境，井下所使用電子設(shè)備安全的現(xiàn)實(shí)需求，根據(jù)放電形式及安全火花電路控制理論，采用雙重多級(jí)限壓、限流技術(shù)，減少輸出端儲(chǔ)能元件容量以及機(jī)械隔離、電氣隔離、本安電路設(shè)計(jì)等方法，將標(biāo)稱(chēng)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(shè)計(jì)了電源專(zhuān)用保護(hù)IC 主控芯片(圖8)，能夠?qū)崿F(xiàn)電池組的過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流、短路的全方位保護(hù)，利用火花試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了安全性檢驗(yàn)，將故障電路的短路關(guān)斷時(shí)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(shè)備在危險(xiǎn)環(huán)境中的使用要求。

圖8 電源保護(hù)電路原理與實(shí)物Fig.8 Principle and object of power protection circuit

(2)在鉆孔救援過(guò)程中，為了探明鉆探過(guò)程中鉆孔通道實(shí)時(shí)信息、井下災(zāi)區(qū)環(huán)境信息、被困人員生命信息[28]，研發(fā)了集紅外攝像、氣體檢測(cè)、視音頻、超寬帶雷達(dá)穿透探測(cè)等技術(shù)于一體，適用于井下多災(zāi)害場(chǎng)景的鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備，并開(kāi)發(fā)出配套的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面(圖9-圖10)。

圖9 礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)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(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(cè)系列裝備由鉆孔救援多源信息探測(cè)系統(tǒng)(其中包括潛水、視音頻環(huán)境監(jiān)測(cè)鉆孔探測(cè)器、基于雙絞線的鉆孔通信裝置線輪盤(pán)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端)和超寬雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)組成。救援過(guò)程中，通過(guò)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾p絞線(一根承重一根信息傳輸)牽拉探測(cè)器，將探測(cè)器置于鉆孔之中直達(dá)災(zāi)區(qū)核心，實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)生命探測(cè)與環(huán)境參數(shù)、鉆孔通道信息的采集報(bào)送，而所采集信息通過(guò)雙絞線傳輸于地面線輪盤(pán)的信息處理模塊，隨后線輪盤(pán)可通過(guò)RJ45/或無(wú)線接入電腦終端，最終于軟件上的不同分區(qū)進(jìn)行同步顯示，如圖10 中的視音頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、環(huán)境參數(shù)、雷達(dá)探測(cè)、紅外探測(cè)等不同分區(qū)能夠直觀地將探測(cè)信息實(shí)時(shí)反饋于地面指揮人員，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)井下多源信息的監(jiān)測(cè)監(jiān)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(duì)各種類(lèi)型救生鉆孔通道(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)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(jìn)提供視頻資料，如圖11 所示。

圖11 某事故現(xiàn)場(chǎng)鉆孔環(huán)境信息監(jiān)測(cè)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(lián)絡(luò)井下被困人員，持續(xù)喊話、燈光導(dǎo)引、視音頻通信、運(yùn)送維生物資、監(jiān)測(cè)被困人員身體和精神狀態(tài)。

(3)多源信息數(shù)據(jù)在鉆孔內(nèi)有線傳輸距離不小于1 km，續(xù)航時(shí)間可達(dá)12 h；當(dāng)被困人員被坍塌體阻擋也可采用超寬帶雷達(dá)進(jìn)行穿透式探測(cè)(穿透探測(cè)距離可達(dá)20 m)。

(4)井下巷道和空間的生存環(huán)境探測(cè)：巷道支護(hù)、設(shè)備設(shè)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(huán)境參數(shù)情況。

(5)防水性能達(dá)到IP68 等級(jí)，可滿足透水事故環(huán)境下的潛水探測(cè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在2015 年12 月25 日山東平邑石膏礦救援過(guò)程中，礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備于直徑178 mm 的2 號(hào)鉆孔中成功探測(cè)到4 名被困礦工，并與其進(jìn)行了視音頻溝通，為被困人員輸送了維生物資；在后續(xù)救援過(guò)程中，由于5 號(hào)鉆孔卡鉆，168 m 處外裸孔塌孔嚴(yán)重，利用研發(fā)設(shè)備診斷了救生鉆孔通道，對(duì)其卡鉆、鉆孔內(nèi)淤泥堆積、涌水量及水位情況進(jìn)行了探測(cè)[29]，為后續(xù)救援指揮部采取氣舉反循環(huán)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(bào)告所處巷道積水嚴(yán)重，難以繼續(xù)從2 號(hào)孔獲取維生物資，需轉(zhuǎn)移位置。翌日下午，團(tuán)隊(duì)再次于7 號(hào)鉆孔成功探測(cè)到被困人員，實(shí)現(xiàn)了物資輸送。在后續(xù)擴(kuò)孔救援中，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)使用所研發(fā)設(shè)備持續(xù)探查擴(kuò)孔通道。此次救援探測(cè)歷時(shí)30 余天，最終將4 名被困人員成功營(yíng)救，此次救援為救援指揮部提供了準(zhǔn)確信息，對(duì)成功救援起到了重要作用，這是我國(guó)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(guò)程中，22 名工人被困井下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)前往災(zāi)區(qū)救援。在救援過(guò)程中，對(duì)1 號(hào)鉆孔和3 號(hào)鉆孔實(shí)現(xiàn)了24 h 不間斷監(jiān)控，對(duì)其巷道CO、CH4等氣體的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后續(xù)將探測(cè)器更換為潛水探測(cè)器，對(duì)巷道水位、涌水量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，為專(zhuān)家組計(jì)算井下實(shí)際涌水量和水位上升速度提供了數(shù)據(jù)支撐。最終于3 號(hào)鉆孔通道5 中段成功探測(cè)到井下586 m 處被困礦工，并對(duì)礦工所處環(huán)境信息進(jìn)行了采集研判。此次救援中先后使用了6 臺(tái)鉆孔探測(cè)器，3 臺(tái)850 m 以上的線輪盤(pán)，為救援行動(dòng)的開(kāi)展和完成提供了可視化探測(cè)。

在2021 年4 月10 日新疆豐源煤礦救援過(guò)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攜帶所研發(fā)設(shè)備對(duì)1 號(hào)鉆孔的氣體環(huán)境參數(shù)、水位上升速度、漏水點(diǎn)等情況進(jìn)行探測(cè)；對(duì)4 號(hào)鉆孔的水位進(jìn)行了常態(tài)化監(jiān)測(cè)，為專(zhuān)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(guò)程中利用本文所述礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備實(shí)現(xiàn)了災(zāi)后多源信息的探測(cè)，為后續(xù)救援行動(dòng)的推進(jìn)提供了技術(shù)支持。

5 結(jié) 論

a.針對(duì)目前礦山鉆孔救援過(guò)程中對(duì)于鉆孔通道的監(jiān)測(cè)和井下被困人員及其所處環(huán)境等多源信息探測(cè)獲取的難題，提出了災(zāi)區(qū)多種傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸、隱蔽空間生命信息探測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)區(qū)環(huán)境多源生命信息可視/非可視穿透探測(cè)和傳輸；研制出配套礦山鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備，該套裝備由鉆孔救援多源信息探測(cè)系統(tǒng)、超寬帶雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)以及所搭載的大容量便攜式本安電源構(gòu)成，旨在實(shí)現(xiàn)鉆孔救援過(guò)程中多源信息(人員、環(huán)境、視音頻、雷達(dá)信號(hào))的實(shí)時(shí)探測(cè)，為地面救援指揮人員的救援決策提供依據(jù)。

b.所提出的災(zāi)區(qū)多種傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔通道和井下災(zāi)區(qū)多源信息的探測(cè)、存儲(chǔ)和長(zhǎng)距離傳輸，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)救援過(guò)程中對(duì)于探測(cè)信息的即時(shí)性、多源性、可靠性的需求；所提出的基于超寬帶技術(shù)的隱蔽空間生命信息探測(cè)技術(shù)突破了以往利用聲光原理無(wú)法穿透探測(cè)生命的難題，實(shí)現(xiàn)了穿透塌方體進(jìn)行人員精準(zhǔn)定位探測(cè)的目標(biāo)。

c.所研發(fā)的集紅外、氣體環(huán)境檢測(cè)、視音頻、超寬帶雷達(dá)穿透探測(cè)等技術(shù)于一體的鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備能夠適應(yīng)災(zāi)區(qū)易燃易爆、透水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多源信息的實(shí)時(shí)探測(cè)和報(bào)送，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)24 h 不間斷探測(cè)，克服了以往探測(cè)技術(shù)手段單一，可靠度不足的缺陷。

d.鉆孔救援多源信息探測(cè)系列裝備不僅能夠適用于礦山救援場(chǎng)景，在消防救援、城市深井救援、水文鉆探、垂直定向鉆進(jìn)等場(chǎng)景均能發(fā)揮其探測(cè)作用，擁有廣泛的應(yīng)用前景。