搜救侦测通信技术论文
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根据国家安监总局2012年暨五年来全国煤矿事故分析报告和2013年对外的煤矿事故通报案例研究发现:2012年和2013年煤矿主要灾害事故现象依然突出,其中煤矿瓦斯爆炸/瓦斯突出、透水和火灾事故起数及死亡人数分别占据前三位。煤矿灾变事故发生后,矿山救护队救援侦测工作的任务主要是侦察事故类别/原因/范围、遇险人员数量和所在地,同时掌握通风、瓦斯、有毒有害气体等环境情况。而救援工作的主要目的是搜救遇险人员和侦测灾区环境,指导和制订灾害事故处置方案,从而避免发生次生事故和救援人员伤亡。近年来随着煤炭开采深度逐年增加,煤矿灾害事故救援难度加大,业界对搜救侦测技术与装备的性能和安全可靠性提出了严峻挑战,如续航工作时间长、平均无故障时间短、通信带宽速率高和通信侦测距离远,以及安全防爆等级高的搜救侦测技术装备匮乏等问题[7]。
2煤矿搜救侦测通信方法与技术
煤矿基本搜救侦测通信联络方法主要有两种:一是地面钻孔构建救生通道搜救和透地通信联络法;二是救护队员直接入井搜救和宽带应急通信联络法。
2.1地面钻孔构建救生通道和透地通信联络法
利用地音仪、地震定位仪或井下人员定位系统等手段,快速准确对井下被困人员定位,确定地面钻机打钻地点,提高打钻效率。确定打钻地点后,可先钻一个小孔,与被困人员取得联系,并为被困人员输送氧气和食物,然后再钻取一个较大直径的钻孔,利用救生仓等装备解救被困人员。该方法需要用到的装备主要有生命探测仪、人员定位系统、气体检测仪、挖掘工具、破拆工具、起重设备、钻机等。另外,通信联络可用矿用透地通信系统联络法,但对于深部开采矿井,国内外透地双向通信距离和传输带宽速率目前还十分受局限,从煤矿井下试验情况反馈来看,语音通信距离在500~600m,文本通信距离在700~800m,800m以上还只能透地传输信号(beacon)而不是信息,因此透地通信适合井下窄带和慢速率通信联络。
2.2救护队员直接入井搜救和宽带应急通信联络法
采用呼喊、敲击或利用寻人仪、主动式生命探测仪等探测方法[8],判断遇险人员位置,搜寻被困或被埋压人员,与遇险人员保持联系。该方法既可利用探测和感知生物信号搜寻,又可利用感应探测机械波、声波或无线电波等信号搜寻。救护队员直接入井搜救侦测技术主要包括煤矿灾区环境侦测技术、煤矿井下生命探测与人员搜寻定位技术,以及煤矿灾区探测机器人技术。通信联络可用矿用宽带无线或光纤等通信技术,通信距离和传输带宽受限制较小,且可适合井下可视化多媒体通信联络。2.2.1、煤矿灾区环境侦测利用便携式气体检测仪对灾区现场CH4、CO、O2、H2S、CO2等气体浓度和环境参数进行检测,目的是判定灾区是否存在爆炸危险及事故类别。利用气体分析化验车或气相色谱仪进行化验分析,主要检测H2S、NOx、SO2及火灾标志性气体。使用红外线温度测定仪和风速、风向、风压等测定仪,可迅速检测灾区环境温度和通风情况,并根据探测距离,对火源点、火势等作出正确判断。2.2.2、生命探测与人员搜寻定位目前,国内外对煤矿遇险人员寻找和定位多凭经验和人体器官感觉,用呼喊、敲击等方法来判定。搜寻技术落后是制约救援效率和成功率的主要问题之一[9]。国内外学者利用光学、声学、电磁学、人体生物学、仿生学等理论进行了研究,取得了一定技术突破[10-15],但救援实战应用中还受到诸多限制。如光学探测仪只适合被测者周边有空隙的情况使用;红外探测仪适合在浓烟、大火和黑暗环境下使用,受环境温度及热源的影响严重,穿透性差,遇物阻挡失效;声波探测仪只有被测对象能够活动、敲击或呼救才能被探测到,在煤岩介质中衰减速度极快,遇水、泥土阻挡失效,在人体内传播机理复杂;激光探测则需要高压电源供电且体积大、笨重;人体搜寻仪大多只能探测遇难者;雷达生命探测仪仅适合于探测运动的活体生命。目前基于生命感知和RFID等RF信号搜救的人员定位搜索技术受到业界关注。2.2.3、灾区探测机器人/无人机为了提高救援成功率,减少救援人员自身伤亡煤矿灾区探测机器人可替代或辅助救护队员进入灾区,探测并回传井巷环境信息,为抢险救援决策提供参考依据。开发非结构环境下移动作业和救灾机器人/无人机是当今灾区探测技术研究热点之一,如美国智能系统与机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人、卡内基梅隆大学机器人研究中心开发的土拨鼠机器人、美国南佛罗里达大学研制的Simbot机器人、Remotec公司制造的V2机器人等[16-18]。这些机器人各自存在着体积大或笨重、驱动电动机功耗大、越障性能差、智能化水平低、有线遥控距离近等缺陷,离煤矿实际救援应用要求还有一定距离。目前矿用本安型便携式机器人和隔爆型灾区探测机器人已经开始面市,如图1~2所示。
2.3灾区远距离侦测和搜救通信联络系统
煤矿井下灾区远距离侦测和矿用应急通信系统是煤矿事故救援及通信联络的重要保障。煤矿灾区远距离侦测系统和应急救援超前侦测系统都是通过高压气瓶(或发射装置)将侦测探头发射到前方。
3煤矿搜救侦测通信技术装备研究发展趋势
3.1灾区环境检测设备
目前煤矿便携式/复合式多参数测定器或检测报警仪主要有CD3/CD4/CD5/CD6/CD7/CD8/JFY-6等类型。检测参数包括甲烷、氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫等有毒有害气体的浓度及环境的温度、湿度、压差、风速、大气压等。不同型号测定仪工作时间有长有短,组合各种参数方案不同,支持标准无线通信接口能力也不一样,检测量程和测定精度参差不齐,搜救单位配备还缺乏统一,集成风速、风压检测指标的高精度、大量程测定仪较少。
3.2生命探测与人员搜寻定位装备
如表1所示,生命探测和人员搜寻定位设备主50~100m,再利用无线信号将前方的环境参数如CH4、CO浓度等数据传回接收显示装置,若前方没有危险,救援人员前进50~100m,再重复超前探测,直至完成整个灾区侦查。目前,我国煤矿井下救援通信主要以有线电话为主,漏泄、感应、透地等移动通信也存在一定问题,难以满足全煤矿移动救灾通信要求。透地通信系统存在信道容量小、单向通信、电磁干扰大、应用范围受限制、施工难度大等问题。感应通信系统存在信道容量小、电磁干扰大、天线体积大、携带不方便等问题。漏泄通信系统存在串联中继器多、系统可靠性差等问题。高性能、高可靠性灾区远距离侦测系统和井下应急通信系统引起业界关注[19]。中煤科工集团重庆研究院有限公司应急救援研究所研制的KT121M矿用应急通信系统带宽高,通信距离远,且可以和透岩应急通信设备互联互通,非常适合井下无线宽带救灾或应急通信联络如图3所示。要分为无线电感应类、晶体共振和感应人体电荷等。由于各自技术和探测原理不同,适用范围也存在差异。
3.3煤矿灾区探测机器人/无人机
煤矿灾区探测机器人/无人机可搭载有气体、温度等传感器和摄像头,通过陆、空方式将灾区现场情况通过搜救指挥通信系统传送到各级指挥机构,是代替救援人员进入现场、避免救援人员伤亡的侦测设备之一,目前国内已经研制出轮式、履带式、蛇形机器人和四旋翼小型无人机。但由于煤矿灾区情况复杂,对机器人/无人机的越障能力、自身和负载重量、动力保障、防爆方式等有严格的要求,国内KBR矿用本安型便携式救援探测机器人(见图1)、搜救侦测无人机和KQR隔爆型灾区探测机器人(见图2)受到业界广泛关注。采用分功合力等先进技术的KBR矿用本安型探测机器人是ExiaIMa防爆等级,KQR是Exd+ibIMa防爆等级,前者灾区环境使用安全性更高,狭小空间和洞穴通过性较好,且便携和功耗低(8~9kg,几瓦)。后者是矿用隔爆型机器人,跨越沟壑和台阶能力较强,但体积大较笨重(近100kg)、电压高(12V)和功耗大(12W),井下安全可靠性较低。
3.4煤矿灾区远距离侦测、透地和宽带应急通信系统
目前,国内外煤矿灾区远距离侦测、透地和宽带应急通信系统装备主要有ZCJ5系列煤矿灾区远距离侦测系统、KT121M矿用应急通信系统和TTE系列矿用透地通信系统等应急联络装备,如图3~5所示。
3.5煤矿搜救侦测通信技术和装备研究发展趋势
矿山救援侦测技术研究热点及未来煤矿搜救侦测装备发展趋势,如图6~7所示。
4结语
结合煤矿事故救援案例及灾变条件分析,阐述了煤矿灾变条件下搜救侦测技术与装备现状、技术方法特点与适用范围,提出了未来研究和发展趋势。通过该文的综合分析,希望引起业界和相关机构广泛关注和研发技术先进、高可靠的搜救侦测技术装备,从而为提升行业应急管理水平、提高救援队伍实战能力、降低次生事故发生率、减少救援和遇险人员自身伤害提供重要保障。
作者：宋文 单位：瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 中煤科工集团重庆研究院有限公司