矿山钻孔救援多源信息探测技术研究与应用

郑学召，孙梓峪，郭 军，张 铎，陈 刚，何芹健

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.国家矿山救援西安研究中心，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 信息网络中心，陕西 西安 710054；4.淄矿集团矿山救护大队正通中队，陕西 咸阳 713600)

我国煤炭赋存条件复杂[1]，且浅部煤层开采殆尽，煤矿生产向深部转移[2-3]，多数矿区采深已大于800 m[4]，矿井巷道所处地质条件复杂[5-6]，面临的冒顶、地压、透水事故比例升高[7]，致使煤矿生产工作面临严峻挑战，矿山事故救援难度增大[8]。快速，精准高效的救援技术成为事故发生初期减轻事故严重程度的关键一环[9]。

在矿山救援领域，目前常采用水平救援的方式进行人员营救，救援人员需携带救生设备前往灾区现场对巷道进行疏通和人员搜救[10]，当开采深度较深，巷道坍塌较为严重时，救援人员疏通危险系数高，效率低。对此矿山钻孔垂直救援技术应运而生，在救援初期往灾区施工小直径钻孔，放入探测设备判定有无生命存在，当确认被困人员位置后采取大直径钻孔作业对人员进行救援[11]。在此过程中，钻孔探测器对灾区环境中的温度、气体和人体生命等多源信息的探测十分重要。

目前国内钻孔信息探测的研究较少，多数使用集成度较低、探测手段单一、无法同时满足多种探测需求的探测技术，如红外[12]、光纤传感[13]、微震监测[14]等救援技术；国外钻孔探测技术起源于石油勘探领域[15]，研发了基于光学探测原理的钻孔窥探系统。这些技术在其专攻领域内表现良好，能够实现灾区环境、现场视频、声音的监测，但是对于复杂的矿山救援环境适应性较低[16]，难以做到钻孔内长距离、多源信息的实时采集和传输。如采用拾震传感器进行人员探测时，通常会将其多点布置于地面、钻孔通道壁中，对井下被困人员所发出各类求救行为引起的震动(呼喊、敲击)信号进行监测，以此判断是否存在生命。但是当矿井深度过深，声音能量逸散严重，并且这种采集信息的方式属于被动采集，当被困人员受伤或无法主动发出求救信号时，该技术难以发挥效用；所使用的基于光纤的视频探测器集视音频探测于一体，能够探测废墟下人员声音图像，但在事故发生后的钻孔通道中无法满足本质安全化及防水防爆的需求，并且该设备的探杆长度往往在5～10 m，而钻孔深度往往可达几百上千米，当距离过长时难以操控，信息长距离实时传输难度大，安全可靠性难以保证[17]。

由此可知，现有救援设备在进行钻孔通道诊断、生命信息及环境信息采集中手段单一，以多源信息探测技术为手段进行生命探测的技术应用较少，易导致所采集信息的可靠性不足。其次矿山钻孔救援的钻孔深度往往可达几百米以上，现有技术无法满足在恶劣环境下钻孔内信息长距离实时传输和井上井下通信等功能于一体的实际需求。此外在钻探过程中经常会遇到坍塌阻隔，这些技术均无法实现穿透探测，设备自身安全性和稳定性难以保障，处于易燃易爆环境或者透水环境中容易损坏。

综上，在灾区信息探测和事故抢险救援过程中亟需快速确定钻探过程中钻孔通道孔壁的实时状态、被困人员位置及生命状态，了解区域环境信息(温度、气体、灾情态势等)，重构实时通信网络，实现被困人员和地面救援指挥部之间实时双向视音频通信。拟采用的多源信息(视音频、雷达)探测技术实现多源信息实时获取的同时，能够适应不同的现场复杂条件，使获取信息的方式更加多样与可靠。因此，如何快速实现钻孔救援过程灾区多源信息的实时探测，为救援提供可靠信息，避免伤亡进一步扩大，已成为煤矿重特大事故高效救援的科学难题。

针对上述矿山钻孔救援过程中：灾区多种传感器数据实时采集与传输困难、无法进行隐蔽空间生命信息探测、缺乏配套矿山钻孔救援多源信息探测系列装备的难题，研究团队采用理论研究、室内实验、技术攻关与样机研制、现场工业试验相结合的方法，最终研制“矿山钻孔救援多源信息探测技术以及配套系列装备”。该套装备由钻孔救援多源信息探测系统、超宽带雷达探测系统以及所搭载的大容量便携式本安电源构成，旨在实现钻孔救援过程中多源信息的实时探测，为地面救援指挥人员的救援决策提供依据。

1 灾区多种传感器数据实时采集与传输技术

数据融合即信息融合，将井下探测用的多种传感器所测得信息进行数据层融合，称为多源信息融合[18]，采取这种方式获得的信息更为全面，能够应对井下救援过程中对不同信息获取的需求，提高探测设备的探测广度与所采集信息的可靠度，继而提高探测精度与探测性能[19]。

本套系统主要是采用多源信息融合探测的方式实现井下信息的同步采集与传输。首先是硬件级融合，将视音频、红外摄像仪、环境参数等传感器模块进行硬件集成和电路设计，将之搭载于钻孔探测器；将搭载于探测器上的视音频、环境参数等传感器所采集的信号经过A/D 转换芯片转换成数字信号，通过H.265 与卷积编码处理和QPSK 调制(四相相移调制，利用信号4 种不同相位差表征数字信息，属于数字调制的一种方法，能够提升信号的信噪比和频带利用率)后利用可编程逻辑门阵列(FPGA)对多源信息的数字信号再次进行压缩编码，实现数据级融合；为将压缩编码后的信息从井下钻孔中传送至地面终端设备，所牵拉探测器的双绞线遵从SDSL 网络传输协议，将被压缩编码的数字信号传送至地面控制中心后，进行数据信息的解码调制以及时间戳的同步，以实现传输级的融合，后将信息利用解码播放模块对多源信息分类解码得到原始信息，通过RJ45 接入电脑终端于软件上的不同分区进行同步显示，最终实现对井下多源信息的监测监控(图1)。

图1 灾区异质传感器数据实时感知与传输技术模型Fig.1 Real time data transmission model and multiple sensors in disaster area

采用双码流网络视频服务技术和边缘计算方法，解决了多视频流同步远程传输带宽受限的难题。双码流网络视频服务技术中，高码率的码流用于本地高清存储，可作为救灾后的复盘资料；低码率的码流可以减轻带宽压力，提高图像信息的加载流畅度，满足现场救援过程中对于信息即时性的需求；而边缘计算方法于靠近数据源头的边缘侧发起计算任务，相当于将云端计算能力延伸至靠近终端的边缘节点，避免了传统云计算模式下时延高的缺点，能够满足救援现场视音频等信息的远程实时共享。

为实现钻孔通道内信息长距离实时传输，采用数字网传器能够将网络信号转换为差分数字信号的特点，将其通过双绞线与前端钻孔探测器相连接，继而传输网络信号，其传输距离最大可达4 km，可提供60～80 Mb/s 的带宽，并兼容TCP/IP 协议，能够满足矿山钻孔救援过程中钻孔探测器的视音频等多源信息的实时长距离传输。

采用以上方法突破了现有探测装备信息获取方式单一、可靠性低的局限性。解决了钻孔救援过程中长距离钻孔通道信息、多源信息(视音频、环境参数、雷达信号)的采集与可靠传输难题，为灾后救援过程中现场不同信息的同步采集和监测提供保障。

2 隐蔽空间生命信息探测技术

矿山钻孔救援技术在2015 年山东平邑石膏矿[20]与2021 年山东笏山金矿等事故救援中均得到应用[21]。但是在救援过程中发现目前的救援技术仍存在2 个问题，一是幸存人员往往受困于障碍物之后，当钻进至预期巷道中，巷道中发生坍塌[22]；二是在钻孔施工过程中产生偏移，距离预期位置有一定的距离，在此情况下重新进行钻孔施工需要时间，为了提高救援效率，需要对该区域范围是否存在生命做出准确判断，以往的视音频探测、红外探测等手段无法实现对障碍物后的生命探测，亟需一种可透过障碍物进行生命探测的设备进行探测[23]。超宽带雷达通过发射可穿透除金属以外物质的高频电磁波进行目标位置状态探测，对发射后所接收到的回波进行分析处理，继而获取视音频无法直接探测到的处于隐蔽空间中的生命体信息及位置距离，实现非接触式测量[24]，该技术应用情况如图2 所示。钻孔施工完成之后，将超宽带雷达放入钻孔通道，下达灾区预定位置后便能对周围障碍物后幸存人员进行穿透式探测和定位。

图2 超宽带雷达在矿井救援中的应用Fig.2 Application of UWB radar in mine rescue

利用矿用射频信号衰减系统与介电谱测试系统研究超宽带雷达发射频率于100 MHz～1.0 GHz 范围之内，在不同变质程度煤(褐煤、长焰煤、贫瘦煤)中的传输衰减情况，根据衰减幅度以及峰值变化得出不同变质程度煤与雷达波衰减程度之间的关系，以及煤介电常数、电导率、频率与煤变质程度的关系(图3-图5)：

图3 褐煤介电常数、电导率与雷达频率的关系Fig.3 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of lignite

图4 长焰煤介电常数、电导率与雷达频率的关系Fig.4 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of long flame coal

图5 贫瘦煤介电常数、电导率与雷达频率的关系Fig.5 Relationship between dielectric constant,conductivity,and radar frequency of lean coal

(1)煤体介电常数随雷达波发射频率的增加，呈先减小后增大再减小的趋势，电导率随频率增加呈增大趋势(贫瘦煤先减小后增大，总体仍呈现为增大趋势)；煤样损耗角正切值与测试频率之间无线性相关关系[25]。

(2)随变质程度的增加煤体电阻率依次减小，褐煤、长焰煤、贫瘦煤；随煤体变质程度增加，超宽带雷达波在其中传播衰减程度越低，随着煤体厚度的增加，传播衰减程度越大[26]。

通过Maxwell's 方程以及FDTD 有限差分方程进行公式推导，得到超宽带雷达波在经过各类物质界面的反射系数与折射系数的函数及其在煤中传播衰减系数[27]计算公式：

式中：Tij为折射系数；Rij为反射系数；i、j为不同介质；a为煤体中超宽带雷达波在传播衰减系数；ɛ为所穿透介质的介电常数；f为雷达波频率；ρ为所穿透介质的电阻率。

证明影响回波特征的折射系数Tij、反射系数Rij大小与所穿透物质自身介电常数ɛ相关；雷达波在煤中的传播衰减系数与雷达波自身频率相关之外还与所穿透介质的电阻率ρ和介电常数ɛ等参数相关。通过以上基础实验研究(煤电性参数与频率、煤变质程度与衰减程度、反射折射系数以及传播衰减系数的研究)能够为超宽带雷达波在人员探测等后续研究中提供基础理论支撑。

为研究生命信息与探测距离的关系，在陕西省神木市新能源神木分公司煤仓开展了超宽带雷达波穿透煤样的生命信息探测试验。分析了超宽带雷达在不同厚度与不同距离下褐煤、长焰煤、贫瘦煤中传播过程，并进行了生命信息识别误差的变化规律研究，对所得误差值进行分析，得出在以上不同场景下超宽带雷达进行生命信息识别的有效区域和范围：当褐煤、长焰煤、贫瘦煤的厚度分别为0.45、0.85、1.20、2.40、3.60 m，人员在煤体后距离范围为0～20 m 时，随着煤体厚度的增加以及人员与煤体距离的增大，探测效果持续降低。但是在同等条件(煤厚和人员距离煤体的距离范围一致)下，贫瘦煤探测效果最强、长焰煤次之、褐煤最弱。当3 种煤体厚度均为3.60 m，人员距离煤体20 m 时，3 种煤体的极限探测误差为：贫瘦煤为1.33 m左右，长焰煤为1.52 m左右；褐煤为1.90 m 左右(图6)，当实验距离大于上述条件时，设备依旧能够探测到生命存在，但是误差将会持续增大，不利于精准定位。此次实验再次印证了随着厚度增加，煤变质程度的降低使得雷达波衰减幅度过大，会导致探测误差增大的结果，如褐煤变质程度最低，电导率最大，衰减幅度最大，探测误差大于长焰煤和贫瘦煤。

图6 三种3.60 m 厚煤样生命信息探测效果Fig.6 Personnel detection effect of three kinds of coal samples with thickness of 3.60 m

超宽带雷达探测系统配套软件(图7)，实现了穿透障碍物 进行人员精准定位的目标，能够方便救援人员进行指挥决策，有效穿透探测距离可达20 m，克服了以往利用声光原理无法穿透探测生命的难题。

图7 超宽带雷达探测器软件界面Fig.7 UWB radar detector software interface

3 矿山钻孔救援多源信息探测系列装备

面对矿山应急救援现场紧迫的需求，为及时了解井下被困人员生命、环境信息；为灾区、地面指挥中心、国家或省市应急管理部门等多级协同救灾指挥决策体系的形成提供技术支持，在上述2 种技术基础上研发相关系列装备。

(1)针对在矿井事故中通常存在的易燃易爆的灾害环境，井下所使用电子设备安全的现实需求，根据放电形式及安全火花电路控制理论，采用双重多级限压、限流技术，减少输出端储能元件容量以及机械隔离、电气隔离、本安电路设计等方法，将标称电压1.2 V 的镍氢电池采用九串二并(输出电压为12 V，容量为8 Ah)连接方式作为大容量便携式本安电源，并设计了电源专用保护IC 主控芯片(图8)，能够实现电池组的过充电、过放电、过电流、短路的全方位保护，利用火花试验对所设计电路进行了安全性检验，将故障电路的短路关断时间降低到160 ns 以下、火花能量降低到40 μJ 以下，满足了救援设备在危险环境中的使用要求。

图8 电源保护电路原理与实物Fig.8 Principle and object of power protection circuit

(2)在钻孔救援过程中，为了探明钻探过程中钻孔通道实时信息、井下灾区环境信息、被困人员生命信息[28]，研发了集红外摄像、气体检测、视音频、超宽带雷达穿透探测等技术于一体，适用于井下多灾害场景的钻孔救援多源信息探测系列装备，并开发出配套的系统监测界面(图9-图10)。

图9 矿山钻孔救援多源信息探测系列装备Fig.9 Multi source information detection series equipment for mine rescue drilling

图10 矿山钻孔救援多源信息探测系统监测界面Fig.10 Mine drilling rescue multi-source information detection system monitoring interface

矿山钻孔救援多源信息探测系列装备由钻孔救援多源信息探测系统(其中包括潜水、视音频环境监测钻孔探测器、基于双绞线的钻孔通信装置线轮盘、系统监测终端)和超宽雷达探测系统组成。救援过程中，通过可实现长距离信息实时传输的双绞线(一根承重一根信息传输)牵拉探测器，将探测器置于钻孔之中直达灾区核心，实现灾区生命探测与环境参数、钻孔通道信息的采集报送，而所采集信息通过双绞线传输于地面线轮盘的信息处理模块，随后线轮盘可通过RJ45/或无线接入电脑终端，最终于软件上的不同分区进行同步显示，如图10 中的视音频实时监测、环境参数、雷达探测、红外探测等不同分区能够直观地将探测信息实时反馈于地面指挥人员，最终实现对井下多源信息的监测监控，继而为地面救援指挥人员的决策提供第一手资料。该系列装备具体有以下功能：

(1)对各种类型救生钻孔通道(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)的诊断：钻孔堵塞、孔壁坍塌和涌水、孔底淤泥和积水、钻孔套管底端状况等，为钻孔故障排除与快速钻进提供视频资料，如图11 所示。

图11 某事故现场钻孔环境信息监测Fig.11 Monitoring of drilling environment information at an accident site

(2)可以借助垂直救援钻孔，搜寻和联络井下被困人员，持续喊话、灯光导引、视音频通信、运送维生物资、监测被困人员身体和精神状态。

(3)多源信息数据在钻孔内有线传输距离不小于1 km，续航时间可达12 h；当被困人员被坍塌体阻挡也可采用超宽带雷达进行穿透式探测(穿透探测距离可达20 m)。

(4)井下巷道和空间的生存环境探测：巷道支护、设备设施、积水和水位变化等状况；井下空间的CO2、CO、H2S、CH4、温度、湿度等气体环境参数情况。

(5)防水性能达到IP68 等级，可满足透水事故环境下的潜水探测。

4 现场应用

在2015 年12 月25 日山东平邑石膏矿救援过程中，矿山钻孔救援多源信息探测系列装备于直径178 mm 的2 号钻孔中成功探测到4 名被困矿工，并与其进行了视音频沟通，为被困人员输送了维生物资；在后续救援过程中，由于5 号钻孔卡钻，168 m 处外裸孔塌孔严重，利用研发设备诊断了救生钻孔通道，对其卡钻、钻孔内淤泥堆积、涌水量及水位情况进行了探测[29]，为后续救援指挥部采取气举反循环的方法抽排钻头上堆积物提供了资料支撑。2016 年1 月7 日，井下被困矿工报告所处巷道积水严重，难以继续从2 号孔获取维生物资，需转移位置。翌日下午，团队再次于7 号钻孔成功探测到被困人员，实现了物资输送。在后续扩孔救援中，团队继续使用所研发设备持续探查扩孔通道。此次救援探测历时30 余天，最终将4 名被困人员成功营救，此次救援为救援指挥部提供了准确信息，对成功救援起到了重要作用，这是我国首例、世界第三例大直径钻孔救援的成功案例[30]。

在2021 年1 月10 日山东笏山金矿救援过程中，22 名工人被困井下，项目团队前往灾区救援。在救援过程中，对1 号钻孔和3 号钻孔实现了24 h 不间断监控，对其巷道CO、CH4等气体的浓度进行实时监测，后续将探测器更换为潜水探测器，对巷道水位、涌水量进行了监测，为专家组计算井下实际涌水量和水位上升速度提供了数据支撑。最终于3 号钻孔通道5 中段成功探测到井下586 m 处被困矿工，并对矿工所处环境信息进行了采集研判。此次救援中先后使用了6 台钻孔探测器，3 台850 m 以上的线轮盘，为救援行动的开展和完成提供了可视化探测。

在2021 年4 月10 日新疆丰源煤矿救援过程中，项目团队携带所研发设备对1 号钻孔的气体环境参数、水位上升速度、漏水点等情况进行探测；对4 号钻孔的水位进行了常态化监测，为专家组提供了明确的信息，避免了救援人员的二次伤亡。

这几次救援过程中利用本文所述矿山钻孔救援多源信息探测系列装备实现了灾后多源信息的探测，为后续救援行动的推进提供了技术支持。

5 结 论

a.针对目前矿山钻孔救援过程中对于钻孔通道的监测和井下被困人员及其所处环境等多源信息探测获取的难题，提出了灾区多种传感器数据实时采集与传输、隐蔽空间生命信息探测技术，能够实现灾区环境多源生命信息可视/非可视穿透探测和传输；研制出配套矿山钻孔救援多源信息探测系列装备，该套装备由钻孔救援多源信息探测系统、超宽带雷达探测系统以及所搭载的大容量便携式本安电源构成，旨在实现钻孔救援过程中多源信息(人员、环境、视音频、雷达信号)的实时探测，为地面救援指挥人员的救援决策提供依据。

b.所提出的灾区多种传感器数据实时采集与传输技术能够实现钻孔通道和井下灾区多源信息的探测、存储和长距离传输，能够满足现场救援过程中对于探测信息的即时性、多源性、可靠性的需求；所提出的基于超宽带技术的隐蔽空间生命信息探测技术突破了以往利用声光原理无法穿透探测生命的难题，实现了穿透塌方体进行人员精准定位探测的目标。

c.所研发的集红外、气体环境检测、视音频、超宽带雷达穿透探测等技术于一体的钻孔救援多源信息探测系列装备能够适应灾区易燃易爆、透水环境，实现多源信息的实时探测和报送，能够满足现场24 h 不间断探测，克服了以往探测技术手段单一，可靠度不足的缺陷。

d.钻孔救援多源信息探测系列装备不仅能够适用于矿山救援场景，在消防救援、城市深井救援、水文钻探、垂直定向钻进等场景均能发挥其探测作用，拥有广泛的应用前景。