我國礦山應(yīng)急救援技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢

李磊 霍中剛

前言

礦山應(yīng)急救援體系建設(shè)是我國礦山安全生產(chǎn)的重要保障，是倡導(dǎo) “以人為本”的科學(xué)發(fā)展理念。國內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)和科研人員也投入了大量精力深入研究礦山應(yīng)急救援領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和裝備[1-2]。美國、南非、智利等國家上世紀(jì)已經(jīng)推廣建立了緊急避難硐室，同時(shí)美國研發(fā)了一種名為“Great Escape”的新型救援管道，遇難人員可以通過管道求生。澳大利亞研發(fā)一種移動(dòng)過渡站，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)避難。國內(nèi)金龍哲[3]率先對(duì)移動(dòng)式救生艙的安全性能開展了深入研究，取得了豐碩成果。孫繼平[4-5]提出了適合煤礦井下逃生的自救器接力自救法，創(chuàng)造性地豐富了緊急避險(xiǎn)體系建設(shè)。李磊[6-8]調(diào)研了神東礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境和開采條件，提出適合大型現(xiàn)代化礦井的“接力站+長時(shí)壓縮氧自救器+逃生鉆孔”的自主逃生模式。赤文林[9]對(duì)礦井垂直提升救援裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬。王志堅(jiān)[10]總結(jié)分析了智利圣何塞銅礦事故救援案例的經(jīng)過和主要因素，提出了鉆孔救援的基本概念。

雖然近幾年我國對(duì)礦山應(yīng)急救援的理論和技術(shù)的研究有了很大發(fā)展，當(dāng)前的避險(xiǎn)設(shè)施建設(shè)還存在很多問題：1）永久避難硐室在我國礦山基本全覆蓋，但只能被動(dòng)等待救援，不能積極自主逃生；2）可移動(dòng)式救生艙空間小，防護(hù)時(shí)間短，同時(shí)需要布設(shè)數(shù)量多；3）應(yīng)急救援和自主逃生理論體系和配套裝備還處于初步探索階段。

由此可見，建設(shè)適應(yīng)我國國情發(fā)展的應(yīng)急救援體系迫在眉睫。十三屆全國人大一次會(huì)議對(duì)國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案中提出成立“應(yīng)急管理部”，這一舉措積極推動(dòng)了我國現(xiàn)代化應(yīng)急救援體系的建立，也極大鼓勵(lì)了科研機(jī)構(gòu)在救援和避險(xiǎn)協(xié)同作用領(lǐng)域進(jìn)行深入探索。

1 應(yīng)急救援模式

應(yīng)急救援模式是針對(duì)災(zāi)害的現(xiàn)狀和特征，通過救援隊(duì)伍、裝備器材、輔助醫(yī)療等技術(shù)和裝備有效實(shí)現(xiàn)井下被困人員安全、快速獲救的行為。根據(jù)救援起點(diǎn)不同，分為井下推進(jìn)救援模式、地面鉆孔救援模式、井上下聯(lián)合救援模式（為前兩種模式綜合）。

1.1 井下推進(jìn)救援模式

井下推進(jìn)模式是以井口為起點(diǎn)，沿著巷道逐步向被困人員地點(diǎn)水平和垂深雙向推進(jìn)實(shí)施救援。巷道保持較完整穩(wěn)定條件下，救援隊(duì)伍利用先進(jìn)裝備，對(duì)受災(zāi)地點(diǎn)全方位及時(shí)恢復(fù)通風(fēng)、加強(qiáng)排水、破拆清障。逐步檢測環(huán)境、排查險(xiǎn)情，在保證救援通道安全且滿足深入救援的條件下到達(dá)被困地點(diǎn)，采取急救措施。如圖1。

圖1 井口推進(jìn)救援模式

圖2 地面鉆孔救援模式

該模式一般適用于透水、火災(zāi)事故，除特殊地質(zhì)條件外（老窯內(nèi)積聚的有害氣體隨透水涌出或沖擊地壓誘發(fā)瓦斯大量涌出），該類災(zāi)害產(chǎn)生有毒有害氣體較少，次生災(zāi)害發(fā)生概率較小或能有效控制，通過大型排水設(shè)備、破拆設(shè)備可以快速到達(dá)被困地點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)救援。

2010年3月28日，王家?guī)X煤礦發(fā)生小窯老空水透水事故，造成153人被困。事故發(fā)生后，立即采取了抽調(diào)大功率排水泵排水、平峒打孔導(dǎo)水等全方位救援方案。歷時(shí)近10 d，水位下降15 m后，被淹沒的回風(fēng)大巷頂板露出，115人成功獲救。

但災(zāi)害發(fā)生條件極其復(fù)雜同時(shí)易誘發(fā)二次災(zāi)變的礦井，需要對(duì)災(zāi)后環(huán)境進(jìn)行科學(xué)論證后確定安全可靠的救援模式：如吉林省“3.29”八寶煤礦瓦斯二次爆炸造成救援人員傷亡的事例，反映了我國礦山應(yīng)急管理意識(shí)薄弱的普遍現(xiàn)象，也警示了科學(xué)合理、因地制宜地進(jìn)行應(yīng)急救援決策的重要性。

1.2 地面鉆孔救援模式

地面鉆孔救援模式是以地表探測定位為起點(diǎn)，向被困人員埋深方向進(jìn)行垂直鉆孔施工，快速形成物資供給孔和人員救援孔，從而將被困人員安全提升，如圖2。

該模式一般適用于礦山所發(fā)生的沖擊地壓、塌方事故。災(zāi)害造成井下避災(zāi)路線受阻，同時(shí)造成井下巷道嚴(yán)重破壞，短時(shí)期內(nèi)難以通過人工修復(fù)，進(jìn)而采取地面鉆孔救援是一種高效、安全的救援模式。

2015年12月25日山東平邑某石膏礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)坍塌，井下作業(yè)的29名礦工被困。救援隊(duì)伍采用大直徑鉆機(jī)正向施工鉆孔，通過起重機(jī)將井下被困人員全部垂直起吊升井。

但該模式對(duì)技術(shù)裝備的穩(wěn)定性、可靠性要求較高，需要深井透地探測、快速鉆孔成井、安全垂直提升等關(guān)鍵技術(shù)和裝備進(jìn)行支撐，目前我國在此領(lǐng)域投入應(yīng)用的案例較少，同時(shí)缺少不同工況、不同地質(zhì)條件下的工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)我國礦山應(yīng)急救援體系建設(shè)和裝備制造提出了全新的挑戰(zhàn)。

1.3 井上下聯(lián)合救援模式

井上下聯(lián)合救援模式是對(duì)上述井下推進(jìn)救援模式和地面鉆孔救援模式的一種綜合，現(xiàn)場救援專家組隊(duì)根據(jù)井下被困人員現(xiàn)狀、災(zāi)變環(huán)境、地質(zhì)水文、救援條件等多因素進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于短時(shí)期內(nèi)難以采取單一模式快速取得救援成效的局面，通常采取井上下聯(lián)合救援模式，配套多種技術(shù)保障措施和裝備，該模式在我國礦山應(yīng)急救援中普遍成功應(yīng)用。

2017年4月19日凌晨，榆林市神木縣大柳塔鎮(zhèn)板定梁塔煤礦井下發(fā)生透水事故，6人被困井下。救援專家組通過評(píng)估，確定了如下方案：1）以最大強(qiáng)度抽排井下和采坑積水，以盡可能快的速度排放巷道積水，降低水位，為救援人員入井施救贏得寶貴時(shí)間；2）地面施工救援鉆孔，為受困人員輸送氧氣，提供食物和照明等生存必需品。在及時(shí)打通救援通道，抽排井下積水的同時(shí)，神東救護(hù)隊(duì)采取了積極搜救措施，先后從主運(yùn)大巷數(shù)次進(jìn)入，采用救生艇等設(shè)備將被困人員全部艱難運(yùn)出。

此次救援采用了井上下聯(lián)合救援模式，同時(shí)結(jié)合救援現(xiàn)場實(shí)際，迅速制定了加大井下排水，減少井下補(bǔ)給水量，封堵供給水源，施工救援鉆孔，探明井下生存條件等救援措施。在黃金72小時(shí)之內(nèi)救援出6名被困人員，并在救援過程中沒有發(fā)生次生事故，成為我國礦山救援史上又一經(jīng)典案例。

2 地面鉆孔救援技術(shù)

通過地面大直徑鉆機(jī)正向鉆進(jìn)形成能夠滿足人員通過的井筒，這是成功實(shí)現(xiàn)被困人員安全提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。形成救援通道以后，利用地面垂直提升技術(shù)將被困人員依次安全提升，是救援成功的最后一道技術(shù)關(guān)卡。

2.1 救援提升系統(tǒng)

我國救援提升系統(tǒng)研發(fā)相對(duì)起步較慢，近幾年在國家安全生產(chǎn)形勢及政策導(dǎo)向下開始了自主研發(fā)。中國煤炭科工集團(tuán)參考國內(nèi)外產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合我國礦山環(huán)境條件進(jìn)行了正向研發(fā)，成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車載式救援提升系統(tǒng)，如圖3。

圖3 車載式救援提升體系

系統(tǒng)由救援艙、汽車底盤、車架、臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)等組成。動(dòng)力系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)固定在車架上可360°旋轉(zhuǎn)。臂架鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)上，臂架頭部安裝有滑輪，通過鋼絲繩和提升系統(tǒng)可以將救援艙輸送到井下救援位置，救援艙內(nèi)安裝有視頻監(jiān)控和氣體檢測設(shè)備，保障救援人員的生命安全。詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 救援提升系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

2.2 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

當(dāng)前因?yàn)殚L距離傳輸，視頻音頻信號(hào)無法保障實(shí)時(shí)傳遞，地面操作人員難以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下環(huán)境，從而影響救援效率。因此對(duì)鋼絲繩內(nèi)置鎧裝電纜，同時(shí)提升艙內(nèi)設(shè)置環(huán)境監(jiān)測、音視頻及照明系統(tǒng)。信號(hào)系統(tǒng)由PLC信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)絡(luò)對(duì)講機(jī)、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)放大器、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)滑環(huán)、信號(hào)電纜等部分組成。交換機(jī)接收PLC、網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)絡(luò)音頻、多功能氣體檢測儀信號(hào)，再將信號(hào)傳輸給網(wǎng)絡(luò)信號(hào)放大器，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)放大器通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)滑環(huán)及電纜將各種信號(hào)往地面控制臺(tái)傳輸。如圖4。

圖4 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

2.3 提升艙安全控制系統(tǒng)

圖5 提升艙結(jié)構(gòu)

由于提升艙空間有限，因此要考慮在有限的空間內(nèi)集成安全保護(hù)裝置，以實(shí)現(xiàn)安全救援。研究救援鉆機(jī)成孔條件、鉆進(jìn)時(shí)效、人員體征等因素。艙內(nèi)布局設(shè)備艙、人員艙、防旋裝置、緩沖裝置、導(dǎo)向滾輪、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、緩降系統(tǒng)等，如圖5。

救援艙內(nèi)將工作中收集到的信號(hào)（艙內(nèi)視頻、多參量氣體監(jiān)測、音頻、光電開關(guān)等信號(hào)）通過電控箱轉(zhuǎn)化后經(jīng)由鋼絲繩內(nèi)部的電纜傳輸?shù)降孛娴霓D(zhuǎn)臺(tái)操作系統(tǒng)。當(dāng)救援艙底部接近地面時(shí)，通過光電開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)，減緩提升系統(tǒng)鋼絲繩的下放速度。當(dāng)救援艙沿著井筒下放到巷道地板時(shí)，通過緩沖器作用，減緩著地時(shí)間，救援艙緩沖器壓縮至一定距離后，觸底開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)，關(guān)閉提升系統(tǒng)鋼絲繩的下放功能，防止救援艙過度下放而傾翻。

地面鉆孔救援技術(shù)及裝備作為完善礦山應(yīng)急救援體系，健全礦山應(yīng)急救援預(yù)案機(jī)制的關(guān)鍵，是推動(dòng)智慧礦山建設(shè)發(fā)展的主攻方向，可以有效地控制井下災(zāi)變環(huán)境進(jìn)一步惡化，及時(shí)解救被困人員，最大限度地減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

3 礦山應(yīng)急救援技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著我國礦山開采逐步進(jìn)入深部，高溫、高壓、高地應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力的擾動(dòng)極易誘發(fā)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害，如沖擊地壓誘發(fā)突出、透水造成有害氣體涌出、瓦斯突出積聚爆炸等，復(fù)雜的災(zāi)變環(huán)境對(duì)我國礦山救援技術(shù)和裝備提出了新的挑戰(zhàn)。如何井下災(zāi)變環(huán)境三維虛擬成像，如何救援因素識(shí)別與智能決策，如何深部透地精準(zhǔn)人員定位，如何井下頂管水平救援，如何快速大直徑鉆孔成井，如何災(zāi)后心理輔助醫(yī)療等技術(shù)及裝備，是需要廣大企事業(yè)單位和科研人員不斷深入思考的關(guān)鍵科學(xué)問題。

礦山應(yīng)急救援是復(fù)雜的技術(shù)體系，是根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、物資條件、人力水平的不同而變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因此有必要借助“互聯(lián)網(wǎng)+”和“智能制造”的思維，進(jìn)一步將組織管理、關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備及災(zāi)后保障等多學(xué)科構(gòu)成一個(gè)協(xié)同體系。

4 結(jié)語

我國礦山應(yīng)急救援體系建設(shè)雖然起步較晚，但是經(jīng)過不斷探索與實(shí)踐逐步取得了一些成績，對(duì)我國礦山應(yīng)急救援定三種模式：井下推進(jìn)救援模式、地面鉆孔救援模式、井上下聯(lián)合救援模式。其中地面鉆孔提升救援技術(shù)作為完善礦山應(yīng)急救援體系，健全礦山應(yīng)急救援預(yù)案機(jī)制的一種創(chuàng)新，正逐步在礦山救援中占據(jù)關(guān)鍵部分。還需要對(duì)其中的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測和提升艙安全控制保障技術(shù)進(jìn)一步實(shí)踐，以求不斷在救援裝備的信息化、自動(dòng)化方面進(jìn)一步完善。

當(dāng)前礦山應(yīng)急救援裝備技術(shù)和裝備屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步政策傾斜并加大科研人才培養(yǎng)，以推動(dòng)我國應(yīng)急救援水平不斷可持續(xù)發(fā)展。