李磊 霍中剛

前言

礦山應急救援體系建設是我國礦山安全生產(chǎn)的重要保障，是倡導 “以人為本”的科學發(fā)展理念。國內(nèi)外諸多機構和科研人員也投入了大量精力深入研究礦山應急救援領域的關鍵技術和裝備[1-2]。美國、南非、智利等國家上世紀已經(jīng)推廣建立了緊急避難硐室，同時美國研發(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)一種移動過渡站，可以實現(xiàn)短時避難。國內(nèi)金龍哲[3]率先對移動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體系建設。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+長時壓縮氧自救器+逃生鉆孔”的自主逃生模式。赤文林[9]對礦井垂直提升救援裝置進行了數(shù)值模擬。王志堅[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。

雖然近幾年我國對礦山應急救援的理論和技術的研究有了很大發(fā)展，當前的避險設施建設還存在很多問題：1）永久避難硐室在我國礦山基本全覆蓋，但只能被動等待救援，不能積極自主逃生；2）可移動式救生艙空間小，防護時間短，同時需要布設數(shù)量多；3）應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，建設適應我國國情發(fā)展的應急救援體系迫在眉睫。十三屆全國人大一次會議對國務院機構改革方案中提出成立“應急管理部”，這一舉措積極推動了我國現(xiàn)代化應急救援體系的建立，也極大鼓勵了科研機構在救援和避險協(xié)同作用領域進行深入探索。

1 應急救援模式

應急救援模式是針對災害的現(xiàn)狀和特征，通過救援隊伍、裝備器材、輔助醫(yī)療等技術和裝備有效實現(xiàn)井下被困人員安全、快速獲救的行為。根據(jù)救援起點不同，分為井下推進救援模式、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 井下推進救援模式

井下推進模式是以井口為起點，沿著巷道逐步向被困人員地點水平和垂深雙向推進實施救援。巷道保持較完整穩(wěn)定條件下，救援隊伍利用先進裝備，對受災地點全方位及時恢復通風、加強排水、破拆清障。逐步檢測環(huán)境、排查險情，在保證救援通道安全且滿足深入救援的條件下到達被困地點，采取急救措施。如圖1。

圖1 井口推進救援模式

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），該類災害產(chǎn)生有毒有害氣體較少，次生災害發(fā)生概率較小或能有效控制，通過大型排水設備、破拆設備可以快速到達被困地點從而實現(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、平峒打孔導水等全方位救援方案。歷時近10 d，水位下降15 m后，被淹沒的回風大巷頂板露出，115人成功獲救。

但災害發(fā)生條件極其復雜同時易誘發(fā)二次災變的礦井，需要對災后環(huán)境進行科學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，反映了我國礦山應急管理意識薄弱的普遍現(xiàn)象，也警示了科學合理、因地制宜地進行應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，向被困人員埋深方向進行垂直鉆孔施工，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。災害造成井下避災路線受阻，同時造成井下巷道嚴重破壞，短時期內(nèi)難以通過人工修復，進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。救援隊伍采用大直徑鉆機正向施工鉆孔，通過起重機將井下被困人員全部垂直起吊升井。

但該模式對技術裝備的穩(wěn)定性、可靠性要求較高，需要深井透地探測、快速鉆孔成井、安全垂直提升等關鍵技術和裝備進行支撐，目前我國在此領域投入應用的案例較少，同時缺少不同工況、不同地質(zhì)條件下的工業(yè)性試驗，對我國礦山應急救援體系建設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)合救援模式是對上述井下推進救援模式和地面鉆孔救援模式的一種綜合，現(xiàn)場救援專家組隊根據(jù)井下被困人員現(xiàn)狀、災變環(huán)境、地質(zhì)水文、救援條件等多因素進行評估，對于短時期內(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，配套多種技術保障措施和裝備，該模式在我國礦山應急救援中普遍成功應用。

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。救援專家組通過評估，確定了如下方案：1）以最大強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。在及時打通救援通道，抽排井下積水的同時，神東救護隊采取了積極搜救措施，先后從主運大巷數(shù)次進入，采用救生艇等設備將被困人員全部艱難運出。

此次救援采用了井上下聯(lián)合救援模式，同時結(jié)合救援現(xiàn)場實際，迅速制定了加大井下排水，減少井下補給水量，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

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

2.1 救援提升系統(tǒng)

我國救援提升系統(tǒng)研發(fā)相對起步較慢，近幾年在國家安全生產(chǎn)形勢及政策導向下開始了自主研發(fā)。中國煤炭科工集團參考國內(nèi)外產(chǎn)品的技術優(yōu)勢，同時結(jié)合我國礦山環(huán)境條件進行了正向研發(fā)，成功研制出具有自主知識產(chǎn)權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、動力系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)等組成。動力系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺固定在車架上可360°旋轉(zhuǎn)。臂架鉸接在轉(zhuǎn)臺上，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)控和氣體檢測設備，保障救援人員的生命安全。詳細技術參數(shù)見表1。

表1 救援提升系統(tǒng)技術參數(shù)表

2.2 環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)

當前因為長距離傳輸，視頻音頻信號無法保障實時傳遞，地面操作人員難以實時監(jiān)控井下環(huán)境，從而影響救援效率。因此對鋼絲繩內(nèi)置鎧裝電纜，同時提升艙內(nèi)設置環(huán)境監(jiān)測、音視頻及照明系統(tǒng)。信號系統(tǒng)由PLC信號、網(wǎng)絡視頻、網(wǎng)絡對講機、交換機、網(wǎng)絡信號放大器、網(wǎng)絡信號滑環(huán)、信號電纜等部分組成。交換機接收PLC、網(wǎng)絡視頻、網(wǎng)絡音頻、多功能氣體檢測儀信號，再將信號傳輸給網(wǎng)絡信號放大器，網(wǎng)絡信號放大器通過網(wǎng)絡信號滑環(huán)及電纜將各種信號往地面控制臺傳輸。如圖4。

圖4 環(huán)境實時監(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

由于提升艙空間有限，因此要考慮在有限的空間內(nèi)集成安全保護裝置，以實現(xiàn)安全救援。研究救援鉆機成孔條件、鉆進時效、人員體征等因素。艙內(nèi)布局設備艙、人員艙、防旋裝置、緩沖裝置、導向滾輪、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（艙內(nèi)視頻、多參量氣體監(jiān)測、音頻、光電開關等信號）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)臺操作系統(tǒng)。當救援艙底部接近地面時，通過光電開關產(chǎn)生信號，減緩提升系統(tǒng)鋼絲繩的下放速度。當救援艙沿著井筒下放到巷道地板時，通過緩沖器作用，減緩著地時間，救援艙緩沖器壓縮至一定距離后，觸底開關產(chǎn)生信號，關閉提升系統(tǒng)鋼絲繩的下放功能，防止救援艙過度下放而傾翻。

地面鉆孔救援技術及裝備作為完善礦山應急救援體系，健全礦山應急救援預案機制的關鍵，是推動智慧礦山建設發(fā)展的主攻方向，可以有效地控制井下災變環(huán)境進一步惡化，及時解救被困人員，最大限度地減少人員傷亡及財產(chǎn)損失。

3 礦山應急救援技術發(fā)展趨勢

隨著我國礦山開采逐步進入深部，高溫、高壓、高地應力及采動應力的擾動極易誘發(fā)復合動力災害，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，復雜的災變環(huán)境對我國礦山救援技術和裝備提出了新的挑戰(zhàn)。如何井下災變環(huán)境三維虛擬成像，如何救援因素識別與智能決策，如何深部透地精準人員定位，如何井下頂管水平救援，如何快速大直徑鉆孔成井，如何災后心理輔助醫(yī)療等技術及裝備，是需要廣大企事業(yè)單位和科研人員不斷深入思考的關鍵科學問題。

礦山應急救援是復雜的技術體系，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，進一步將組織管理、關鍵技術、核心裝備及災后保障等多學科構成一個協(xié)同體系。

4 結(jié)語

我國礦山應急救援體系建設雖然起步較晚，但是經(jīng)過不斷探索與實踐逐步取得了一些成績，對我國礦山應急救援定三種模式：井下推進救援模式、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作為完善礦山應急救援體系，健全礦山應急救援預案機制的一種創(chuàng)新，正逐步在礦山救援中占據(jù)關鍵部分。還需要對其中的環(huán)境實時監(jiān)測和提升艙安全控制保障技術進一步實踐，以求不斷在救援裝備的信息化、自動化方面進一步完善。

當前礦山應急救援裝備技術和裝備屬于多學科交叉領域，還需要進一步政策傾斜并加大科研人才培養(yǎng)，以推動我國應急救援水平不斷可持續(xù)發(fā)展。