礦山災(zāi)害預(yù)警與救助新技術(shù)體系

目前礦山災(zāi)害已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，如何加強(qiáng)礦山災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)急救援工作，把礦山災(zāi)害的不良影響與損失減少到最低程度，這不僅是礦山企業(yè)面臨的重大問(wèn)題，也是社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。因此，建立適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制要求的礦山災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)一步加強(qiáng)災(zāi)害救助技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)是保障礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)家的穩(wěn)定發(fā)展，建立和諧社會(huì)具有特殊的意義。 

現(xiàn)有的礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)在一定程度上起到了減少事故發(fā)生的效果，但總的來(lái)說(shuō)還存在很多不成熟不完善的地方，特別是現(xiàn)有礦山安全保障系統(tǒng)的預(yù)警功能不強(qiáng)，基本上停留在報(bào)警而不是預(yù)警這樣的一個(gè)水平上，雖然各種災(zāi)害因子的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)也有一定程度上的應(yīng)用，到目前為止還沒(méi)有形成成熟的技術(shù)，沒(méi)有成為一個(gè)完整預(yù)警系統(tǒng)的一部分。因此搭建新型的礦山預(yù)警救助技術(shù)平臺(tái)，融合現(xiàn)有礦山安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立完善成熟的礦山危險(xiǎn)因子檢測(cè)、預(yù)警技術(shù)以及先進(jìn)的安全生產(chǎn)管理技術(shù)依然是亟待解決的問(wèn)題。 

礦山災(zāi)害預(yù)警與救助新技術(shù)體系的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為我國(guó)礦山安全生產(chǎn)建立一套既兼容現(xiàn)有設(shè)備又能提升性能的預(yù)警、應(yīng)急及災(zāi)后救助新技術(shù)體系。主要包括災(zāi)害因子監(jiān)測(cè)技術(shù)體系、災(zāi)害預(yù)警信息管理系統(tǒng)、災(zāi)害搜索救援新技術(shù)體系、礦山通訊新技術(shù)四大部分，另外還有新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)將以RFID+GIS作為基礎(chǔ)平臺(tái)，將各部分統(tǒng)一管理起來(lái)(如圖1所示)。 

1 礦山災(zāi)害因素探測(cè)技術(shù)體系   

礦山災(zāi)害因素主要包含以下兩類：一類是由于地質(zhì)災(zāi)害引起的礦山災(zāi)害，如地震、洪水、泥石流等引發(fā)的礦山災(zāi)害；另一類是與礦山生產(chǎn)條件相關(guān)的重大事故引起的災(zāi)害，在礦山開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采和掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)、頂?shù)装?、圍巖、地表都在發(fā)生相應(yīng)變化，礦山壓力、礦井瓦斯、礦井涌水等屬于主要危險(xiǎn)因素。目前，能夠用于礦山災(zāi)害因素探測(cè)技術(shù)體系包括： 
(1)TSP(TST)及地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技術(shù)。利用長(zhǎng)隧道地震探測(cè)技術(shù)結(jié)合探地雷達(dá)電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)采掘工作面前方進(jìn)行超前監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。 
(2)礦山開(kāi)采區(qū)定點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)與塌陷區(qū)評(píng)估技術(shù)研究。利用現(xiàn)代電子、通信技術(shù)，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)用于定點(diǎn)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)施，做到低成本、能傳輸、易監(jiān)控。 
(3)多種地下水探測(cè)與監(jiān)控技術(shù)。在現(xiàn)有探測(cè)地下水儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，采取動(dòng)態(tài)(如跟隨掘進(jìn)或開(kāi)采過(guò)程的監(jiān)控)和靜態(tài)(在主要坑道固定埋設(shè)探測(cè)儀器)方式，設(shè)計(jì)和研發(fā)新型的地下水探測(cè)與檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)。力爭(zhēng)使礦山開(kāi)采過(guò)程中的水害問(wèn)題得到很好改善。 
(4)礦區(qū)地表形變及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。利用遙感技術(shù)，通過(guò)GPS、衛(wèi)星圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)等對(duì)礦區(qū)地質(zhì)作用，如：開(kāi)采和挖掘、地下水運(yùn)動(dòng)、洪澇災(zāi)害以及其他應(yīng)力或因素造成的地表坍塌、變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。 
(5)礦山開(kāi)采過(guò)程中瓦斯?jié)舛瓤焖贆z測(cè)技術(shù)。利用電子技術(shù)與化學(xué)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，重點(diǎn)研制低成本、便捷、高效、可記錄的瓦斯?jié)舛瓤焖贆z測(cè)與報(bào)警技術(shù)。 

目前，物探技術(shù)在井下災(zāi)害超前預(yù)報(bào)方面的主要技術(shù)是：TSP地震波探測(cè)技術(shù)、TEM瞬變電磁探測(cè)技術(shù)、直流電法等技術(shù)?，F(xiàn)實(shí)狀況是三種主要探測(cè)方式的單獨(dú)使用都不能很好地解釋井下小區(qū)域的精細(xì)地質(zhì)情況，只有將三種探測(cè)方法結(jié)合起來(lái)，配合礦區(qū)開(kāi)采前期的大尺度物探資料才能更加合理地解釋地質(zhì)異常。 

2 礦山災(zāi)害預(yù)警信息管理系統(tǒng) 

高效的礦山災(zāi)害管理系統(tǒng)是礦山安全中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它能夠預(yù)防大多數(shù)的井下人為事故的發(fā)生，并在很大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)害因子的可視化，監(jiān)測(cè)井下災(zāi)害因子的變化，根據(jù)各災(zāi)害因子測(cè)量值綜合分析災(zāi)害發(fā)生的可能性，給出相應(yīng)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)等功能。同時(shí)在災(zāi)害發(fā)生之后能夠?yàn)榫仍ぷ魈峁┐罅康臑?zāi)前資料以指導(dǎo)救援行動(dòng)。 

現(xiàn)有的礦山預(yù)警管理系統(tǒng)對(duì)井下人員的管理明顯不足，對(duì)井下情況的掌握基本上依靠打電話訊問(wèn)和有限的攝像機(jī)所得來(lái)的視頻信息等初級(jí)手段。另外，現(xiàn)有管理系統(tǒng)預(yù)警功能的不完善導(dǎo)致預(yù)警管理系統(tǒng)成了報(bào)警管理系統(tǒng)，在災(zāi)害發(fā)生之后才給出報(bào)警，不能體現(xiàn)礦山安全系統(tǒng)“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的指導(dǎo)原則。新型礦山安全預(yù)警管理技術(shù)平臺(tái)將在井下人員及設(shè)備管理、井下重要參數(shù)的可視化技術(shù)、礦井管理電子地圖管理、整合眾多監(jiān)測(cè)儀器功能實(shí)施災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面進(jìn)行重大改進(jìn)。 

災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)包括前端數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸通道、綜合預(yù)警算法研究、聯(lián)動(dòng)控制及信息發(fā)布。 

整個(gè)預(yù)警管理系統(tǒng)的核心骨架RFID+GIS結(jié)合現(xiàn)有礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)和井下通訊系統(tǒng)搭建(如圖2所示)。 

近年來(lái)RFID(射頻識(shí)別技術(shù))的出現(xiàn)為井下安全生產(chǎn)管理以及災(zāi)后救援行動(dòng)提供了一套全新的思路。RFID的定位識(shí)別功能、信息攜帶傳遞等功能使得井下人員分布、考勤管理、移動(dòng)車(chē)輛管理、重要設(shè)備物資管理、災(zāi)后人員的快速搜救等成為可能。 

RFID可以監(jiān)測(cè)人員分布也可以監(jiān)測(cè)人員及車(chē)輛的移動(dòng)情況一RFID技術(shù)具有動(dòng)態(tài)管理能力。 

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些單位開(kāi)始在井下試用RFID管理考勤系統(tǒng)，但是還存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：首先是功能開(kāi)發(fā)不完善，基本停留在考勤和人員查詢功能上，沒(méi)有將RFID作為一個(gè)平臺(tái)來(lái)使用；其次是沒(méi)有與現(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，不能形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，缺乏宏觀的管理功能。 

GIS地理信息系統(tǒng)是以地理信息為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，它具有強(qiáng)大的空間管理和分析功能，并提供強(qiáng)大的可視化功能。GIS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于靜態(tài)管理和可視化技術(shù)，利用它我們可以在礦山開(kāi)采過(guò)程中形成一個(gè)可視化的電子地圖，形象直觀地進(jìn)行礦山生產(chǎn)管理。我國(guó)礦山生產(chǎn)管理研究中GIS的概念早有提出，然而在沒(méi)有與其他相關(guān)技術(shù)融合的情況下，GIS技術(shù)并沒(méi)有在礦山生產(chǎn)管理中取得很大的成功，因?yàn)樗庆o態(tài)的，缺乏了動(dòng)態(tài)管理、監(jiān)測(cè)功能。 

將RFID的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與GIS的靜態(tài)管理技術(shù)相結(jié)合，整個(gè)礦山安全管理系統(tǒng)性能將會(huì)提升到一個(gè)新的水平。RFID技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合的災(zāi)害預(yù)警救援技術(shù)平臺(tái)總結(jié)如下：①實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及可視化；②管理井下人員分布、人員經(jīng)過(guò)路徑查詢、車(chē)輛跟蹤、重要物品及設(shè)備管理；③利用空間分析功能，為災(zāi)后井下人員疏散提供最佳路徑分析；④利用移動(dòng)式RFID技術(shù)進(jìn)行生命搜救；⑤ 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每日煤產(chǎn)量；⑥結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可視化。 

3 礦山災(zāi)害搜索救援新技術(shù)體系 

目前我國(guó)的礦山災(zāi)害救援設(shè)備依然停留在一個(gè)較低的水平上，一旦發(fā)生嚴(yán)重安全事故，人員傷亡巨大，巷道破壞嚴(yán)重，救援工作難度很大，這對(duì)救援技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求。為了對(duì)被困人員實(shí)施高效有序的救援，除了要確保緊急救援隊(duì)伍反應(yīng)迅速、機(jī)動(dòng)性高和突擊性強(qiáng)之外，同樣重要的是要配備必要的高新救助技術(shù)設(shè)備，先進(jìn)的救助技術(shù)與裝備，這是提高救助成功率、最大限度減輕人員傷亡的技術(shù)保障。 

“十五”期間，在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目資助下我國(guó)研制成功了聲波／振動(dòng)生命探測(cè)器、熱成像生命探測(cè)器、光學(xué)生命探測(cè)器這三種生命探測(cè)儀。這三種生命探測(cè)儀的研制成功大大的提高了我國(guó)災(zāi)害救助裝備的技術(shù)水平，現(xiàn)階段已經(jīng)進(jìn)入使用推廣階段。通過(guò)改進(jìn)使其具備防爆、耐腐蝕、本質(zhì)安全等井下特殊要求，三種生命探測(cè)儀完全可以從現(xiàn)在的地震災(zāi)害救援領(lǐng)域移植到礦山災(zāi)害救援領(lǐng)域上來(lái)。 

繼三種生命搜索儀之后，近年來(lái)災(zāi)害救援技術(shù)和裝備如搜救機(jī)器人搜救技術(shù)、新型低頻電磁探生儀、超寬帶電磁探測(cè)等都取得了一定成果。同時(shí)，通過(guò)引進(jìn)與分析美國(guó)的DKL生命搜索技術(shù)和PED(Personal Emergency Device) 人緊急裝置系統(tǒng)等設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)新型的人體低頻靜電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)和礦井指揮管理技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入人們的研究視野。 

在救助技術(shù)及策略方面我們可以借鑒已有的地震災(zāi)害救助技術(shù)及策略，進(jìn)一步總結(jié)出適合礦山災(zāi)害救助的新型科學(xué)的救助體系： 
(1)超寬帶探測(cè)技術(shù)。利用超寬帶電磁場(chǎng)的特征，通過(guò)超寬帶電磁波的散射，反射信號(hào)的處理、解釋、識(shí)別等研究，完成信號(hào)的實(shí)時(shí)處理與成像方法研究，進(jìn)而建立判別有效信號(hào)及確定探測(cè)目標(biāo)體的有效位置的處理方法。 
(2)救援機(jī)器人技術(shù)。復(fù)雜危險(xiǎn)的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)給救援工作人員及幸存者帶來(lái)了巨大的安全威脅，也會(huì)阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。使用救援機(jī)器人進(jìn)行輔助搜救是解決這一難題的有效手段。解決救援機(jī)器人搜救策略及救援機(jī)器人本身適應(yīng)災(zāi)害環(huán)境等問(wèn)題是救援機(jī)器人研究的重點(diǎn)。 
(3)低頻電磁波探測(cè)技術(shù)。人體心臟每跳動(dòng)一次將發(fā)出一種30赫茲以下超低頻電波，該電磁波將在人體周?chē)?60度擴(kuò)展形成超低頻非均勻電磁場(chǎng)。心臟的超低頻電磁場(chǎng)可以很容易穿透鋼筋混凝土凝墻，鋼板，木板，水以及其它反射吸收高頻信號(hào)的障礙物。通過(guò)測(cè)量這個(gè)微弱的磁場(chǎng)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員的定位和救助。 
(4)人體氣味探測(cè)技術(shù)。搜救犬雖是目前對(duì)人體氣味進(jìn)行搜索的最有用的工具，然而其較短的有效工作時(shí)間(20—30Min)以及對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性都促使我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)能夠在一定程度上代替搜救犬工作的電子鼻。 
(5)PED緊急救援指揮系統(tǒng)。PED(Personal Emergency Device)系統(tǒng)是一種超低頻的能夠穿透大地的應(yīng)急呼叫、控制以及爆破作業(yè)系統(tǒng)，將超低頻(ULF，Ultra Low Frequency)與高能量傳輸系統(tǒng)結(jié)合使得PED信號(hào)能夠穿透幾百米的巖石層。礦下任何地方的人員通過(guò)安裝在頭盔上的小型天線便可以收到信號(hào)，PED是一種相當(dāng)有效的緊急通訊系統(tǒng)，它不僅能夠向礦下人員發(fā)出危險(xiǎn)警告，而且能夠發(fā)布具體的危險(xiǎn)信息如：火災(zāi)發(fā)生地在哪里，選擇哪一條撤退路線等。 

生命搜索救助技術(shù)的體系框圖如圖3所示。 

4 礦山新型通訊技術(shù) 

我國(guó)礦井通信目前存在的主要問(wèn)題：一是缺乏可靠的、覆蓋面寬的移動(dòng)通信系統(tǒng)；二是通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、綜合化程度不夠；三是抗災(zāi)害、事故的能力差。目前通信系統(tǒng)以有線為主，一旦發(fā)生災(zāi)害事故，線路極易損壞，造成通信中斷。礦山通訊系統(tǒng)包括兩部分：井下通訊系統(tǒng)和透地通訊系統(tǒng)。井下通訊系統(tǒng)現(xiàn)階段多以有線方式通訊，無(wú)線通訊方式及感應(yīng)通訊方式雖有一定應(yīng)用但因技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有成為井下通信的主流。目前處于研制實(shí)驗(yàn)階段的井下通訊方式有：動(dòng)力載波通信、感應(yīng)通信(漏泄通信)、無(wú)線蜂窩(小靈通)通訊、超寬帶通訊技術(shù)、低頻通訊技術(shù)等。井下無(wú)線通訊目前應(yīng)該重點(diǎn)解決定向天線研究、無(wú)源電磁中繼、井下巷道電磁波吸收模型模擬的等關(guān)鍵技術(shù)。 

透地通訊技術(shù)是一項(xiàng)新出現(xiàn)的技術(shù)，在國(guó)外如南非等國(guó)家從2O世紀(jì)6O年帶就開(kāi)始了低頻透地通信的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，我國(guó)在此方面基本上空白，近年來(lái)隨著國(guó)外低頻透地通訊技術(shù)的深入研究，國(guó)外一些公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些商業(yè)化的透地通訊技術(shù)，其中比較著名的是澳大利亞一家公司開(kāi)發(fā)的PED應(yīng)急指揮系統(tǒng)。1999年我國(guó)山西大同煤礦也引入了這套系統(tǒng)。目前，我國(guó)還不具備這項(xiàng)技術(shù)，因此研究低頻透地通訊技術(shù)對(duì)于加強(qiáng)我國(guó)礦山基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)和打破國(guó)外技術(shù)壟斷具有重要的意義。 

根據(jù)我們?cè)诘卣馂?zāi)害超寬帶電磁波探測(cè)的研究結(jié)果來(lái)看，由于具有能量聚焦和慢衰減特性超寬帶電磁波技術(shù)也必將成為透地通訊的一個(gè)重要的技術(shù)選擇。 

5 礦山安全監(jiān)控技術(shù)體系 

我國(guó)現(xiàn)有安全監(jiān)控體系對(duì)我國(guó)礦山安全生產(chǎn)起到了一定的重要作用，但與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比差別較大，如①相互問(wèn)不兼容，智能程度低；②主要采集災(zāi)害危險(xiǎn)因素和信息量及其所帶設(shè)備數(shù)量少，信息傳送速度慢，報(bào)警查詢速度慢；( 控制功能弱，或者基本不具備遠(yuǎn)程控制和智能控制等功能。因此，新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)十分重要。 

(1)新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)將基于網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山安全監(jiān)控的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。提高信息傳送速度，增強(qiáng)交互功能，增加所帶設(shè)備數(shù)量，增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制中心站結(jié)合網(wǎng)絡(luò)智能執(zhí)行終端將實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息下自動(dòng)實(shí)施報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能。 

(2)新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)擬采用的技術(shù)。①數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)：根據(jù)具體情況采用TCP／IP協(xié)議或者UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸；②應(yīng)急聯(lián)動(dòng)中心站：應(yīng)急聯(lián)動(dòng)中心站接收前端檢測(cè)探頭的數(shù)字信息和遠(yuǎn)程控制主機(jī)的指令執(zhí)行數(shù)字圖像的通道切換，報(bào)警聯(lián)動(dòng)信息的發(fā)出等。 

(3)新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)。數(shù)字圖像的高效壓縮與傳輸技術(shù)和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)中心的聯(lián)動(dòng)技術(shù)。根據(jù)礦山安全監(jiān)控圖像要求的特點(diǎn)，使用低碼流的圖像壓縮編碼方法，在不嚴(yán)重影響效果的情況下可適當(dāng)降低圖像視頻質(zhì)量，以最大限度地降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。 

作者簡(jiǎn)介：王緒本(1956一)漢族，安徽阜陽(yáng)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，成都理工大學(xué)研究生院常務(wù)副院長(zhǎng)、教育部(四川省)地球探測(cè)與住處技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，四川省地質(zhì)學(xué)會(huì)物探專業(yè)委員會(huì)主任，四川省地震學(xué)會(huì)地震災(zāi)害防治專業(yè)委員副主任，中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)理事、地球電磁專業(yè)委員會(huì)副主任，美國(guó)SEG委員，四川省有突出貢獻(xiàn)優(yōu)秀專家，享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼，成都市政協(xié)委員，重點(diǎn)致力于地球探測(cè)與信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域，主要研究方向包括電磁探測(cè)、災(zāi)害搜索技術(shù)與救助理論等，已出版專著2部，公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，有12篇論文被SCI、EI、ISTP檢索。