顧海榮，單增海，王龍鵬，邵 濤，鄒祖杰，高子渝

(1.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064；2.徐工集團徐州重型機械有限公司，江蘇 徐州 221004；3.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

大直徑鉆孔救援是礦山災害事故應急救援中的一種有效方法[1]。大直徑鉆孔救援提升裝備的作用是在大直徑救援井成井后，將被困人員通過大直徑救援井安全、可靠、快速地提升至地面。

早在2002 年美國賓夕法尼亞州奎溪煤礦透水事故鉆孔救援(簡稱，奎溪救援)中，救援人員就利用鋼管制造了外徑610 mm 的簡易提升艙，通過直徑660 mm的大直徑救援井，將9 名被困礦工從73 m 深處提升至地面[2]。2010 年，智利圣何塞銅礦塌陷事故鉆孔救援(簡稱，智利救援)中，救援人員使用智利海軍和美國國家航天航空局聯合研制的外徑540 mm 的“鳳凰號”提升艙，通過直徑660 mm 的大直徑救援井，將33 名被困礦工從約700 m 深處提升至地面[2]。我國工程機械企業(yè)在汲取智利救援經驗的基礎上，研制了SAC300T 救援起重機和SYLRC-550M 型提升艙[3]，參加了我國首例大直徑鉆孔救援-2015 年“12.25”山東平邑石膏礦垮塌事故救援(簡稱，平邑救援)，但受大直徑救援井成孔直徑和提升艙通過性能的限制，救援過程中未能使用提升艙，后改用安全繩通過直徑565 mm 的大直徑救援井，將4 名被困礦工從220 m 深處提升至地面。2015 年，中煤科工西安研究院(集團)有限公司研制的MK5200QJY40 型礦用救援提升車和提升艙在山西省晉城市沁秀煤業(yè)有限公司坪上礦進行現場工業(yè)性試驗，通過直徑630 mm 的大直徑救援井，將試驗人員從293 m 深處安全提升至地面，最大救援提升深度可達900 m[4]。2021 年，長安大學、徐州重型機械有限公司、中煤科工西安研究院(集團)有限公司共同研制的地面應急救援成套提升裝備[5]，在寧夏寧煤集團梅花井煤礦成功開展了示范試驗。黃志凌、王超等設計了可移動式提升系統，將提升絞車、井架、井口設施、控制臺、救援提升艙等設備集成在一輛載重汽車上，在山西王家?guī)X煤礦進行了動物提升試驗[6]。此外，冀中能源石家莊煤礦機械有限責任公司研發(fā)了JT-40Y 救援提升系統和JYC-54 提升艙。太原理工大學與山西省煤炭地質115 勘查院聯合研制了垂直救援提升系統，包括礦井救援機動車、組裝式提升井架平臺和提升艙[7]。

隨著大直徑鉆孔救援技術得到行業(yè)的認可，大直徑鉆孔救援提升裝備也取得了長足發(fā)展。國外提出了大直徑鉆孔救援提升裝備的需求并首先進行了應用，但我國在大直徑鉆孔救援提升裝備研發(fā)領域的投入更多，系統集成化和救援提升過程信息化方面的研究處于領先水平，且技術路線多樣。本文基于國內外文獻分析，結合國家重點研發(fā)計劃課題“地面應急救援井安全提升裝備”的研制過程，從救援提升平臺、救援提升艙和提升過程信息化系統3 個方面分析大直徑鉆孔救援提升裝備相關技術的研究現狀及特點，為大直徑鉆孔救援提升裝備的深入研究提供借鑒。

1 大直徑鉆孔救援提升平臺

提升平臺是救援提升裝備的主體，其作用是將被困人員可靠、穩(wěn)定地提升至地面。國內外有報道的救援提升平臺型式見表1[3-4,8-9]。

表1 國內外典型救援提升平臺型式Table 1 Typical rescue hoisting platform in the world

按照結構形式，救援提升平臺可分為：龍門架和卷揚提升機式(圖1a)、隨車起重機集成井架和卷揚提升機式(圖1b)、隨車起重機起重臂直接提升式(圖1c)和全地面起重機起重臂直接提升式(圖1d)。

救援提升平臺由承載運輸系統、提升支持系統和卷揚提升系統3 部分組成。

1.1 承載運輸系統

大直徑鉆孔救援的偶發(fā)性和地點的隨機性，使得救援提升裝備總是在事故發(fā)生后運輸至救援現場。根據運輸方式的不同，救援提升裝備可分為固定式和移動式兩類。

1)固定式救援提升裝備

直至智利圣何塞銅礦鉆孔救援，世界范圍內都沒有專門針對大直徑鉆孔救援工況設計的提升裝備。救援中采用的是針對礦井等固定位置設計的提升裝備或簡易提升裝備，使用隨車起重機(或卡車和起重機組合)運輸至現場，待大直徑救援井成井后，再進行安裝、提升。受救援提升裝備安裝時間的影響，會耽誤一定的救援時間。

2)移動式救援提升裝備

智利圣何塞銅礦救援之后，國內工程機械企業(yè)針對救援過程中提升設備存在的不足，研制了移動式救援提升平臺，將提升支持系統、卷揚提升系統和救援提升艙等整套提升裝備集成在自行式底盤車上，到達現場后，僅需要簡單地調整，就可以投入救援提升[3]。

國內礦山應急救援單位延續(xù)了移動式救援提升平臺的發(fā)展道路，促進了移動式救援提升平臺的快速發(fā)展。移動式救援提升平臺主要有3 種技術路線：一是將井架和大容繩量卷揚提升系統集成到隨車起重機上[6]，如圖1b 所示；二是改造升級隨車起重機的卷揚提升系統[10]，如圖1c 所示；三是改造升級全地面起重機卷揚提升系統[3]，如圖1d 所示。

圖1 救援提升平臺典型結構Fig.1 Typical structure of rescue lifting platform

礦井應急救援現場的道路和場地一般為臨時性建筑，狹窄、坡度大、附著能力差，甚至未進行地面固化。相對于一般的運輸卡車和隨車起重機底盤，全輪驅動、全輪轉向的全地面起重機底盤用作承載運輸系統，轉彎半徑小、爬坡能力強，具有更好的通過性能，道路、場地的適應能力強[11]，是未來移動式救援提升裝備的重要發(fā)展方向。全地面起重機底盤動力系統如圖2所示。

圖2 全地面起重機底盤動力系統Fig.2 Power system of all-terrain crane chassis

1.2 提升支持系統

提升支持系統的作用是為卷揚提升系統提供一個高位天輪，使提升點處于大直徑救援井中心位置的正上方，實現豎直提升。提升支持系統的典型結構為門式起重機的龍門架、鉆井平臺的井架、隨車起重機的起重臂和全地面起重機的起重臂。

1)門架式提升支持系統

龍門架用作提升支持系統時，提升艙離開井口后，通過天輪沿龍門架的橫向移動，安放于可靠的位置，進行人員的進出；井架提升支持系統通過框架鎖緊機構將提升艙固定在底部與通道齊平的高度，進行人員的進出。提升過程中，門架式提升支持系統高位天輪的位置一般不會偏擺，能夠較好地保持垂直提升性能。但現場安裝時，為保證龍門架或井架天輪提升點與救援井中心對齊，需要對龍門架或井架位置進行精細調整。且龍門架或井架式提升支持系統必須安放在大直徑救援井的正上方，安裝前需要清空大直徑救援井周邊的障礙物，必要時還需對場地進行硬化，以保證基礎穩(wěn)定。對大直徑鉆孔救援的鉆孔和提升過程的快速銜接有一定的影響。

2)起重臂式提升支持系統與變幅補償技術

以起重臂作為提升支持系統，提升點可以很方便大范圍調整，容易實現提升點與救援井中心對齊，以及人員的進出。必要時起重臂還可以跨越障礙物進行救援提升，無需等待鉆孔設備清場，加快了救援進程。

但起重臂屬于懸臂結構，剛度冗余量不足時，起吊過程中起重臂會出現大的彎曲變形，引起起吊點橫向晃動[12-14]，這種晃動會傳遞給提升艙，不利于提升艙進入大直徑救援井，或是導致提升艙撞擊大直徑救援井的井壁，如圖3 所示，影響救援提升過程的平順性。

圖3 起吊時物體的晃動Fig.3 Swaying of objects during lifting

減小起重臂起吊點橫向晃動的措施：

一是采用起重臂變幅補償技術，通過調整變幅角度，及時抵消因起重力變化導致起重臂變形引起的起吊點晃動[12-13]，如圖4 所示。二是采用剛度冗余量足夠大的起重臂，減小起吊時起重臂的變形量。如徐工集團和三一重工研制的基于全地面起重機的救援提升設備，額定起重力均為30 t，而救援提升負荷質量約為1 t(包括提升艙質量和乘坐人員質量)，救援提升過程中起吊點晃動幅值小，平順性好。

圖4 吊臂變形的變幅補償控制Fig.4 Amplitude compensation control of boom deformation

1.3 卷揚提升系統

隨著礦產資源開采向深度方向發(fā)展，大直徑鉆孔救援的深度會超過800 m，但救援提升的質量較輕。礦井立井提升機的鋼絲繩纏繞型式有多繩摩擦式、單繩纏繞式和多繩纏繞式[15-16]，受大直徑救援井直徑的限制，現有的大直徑鉆孔救援提升裝備均采用了單繩多層纏繞式卷揚提升機[8]。

常規(guī)起重機的卷揚系統多為單繩纏繞式，但提升深度不能滿足要求[17]。以起重機為基礎研制移動式救援提升裝備時，需要重新設計大容繩量的卷揚提升系統，并優(yōu)化結構布局以滿足穩(wěn)定性要求。液壓系統[18]、制動系統[19-20]的可靠性設計也要考慮救援提升工況長時間連續(xù)收放鋼絲繩的需求。

單繩多層纏繞卷揚系統鋼絲繩收放過程中換層時，卷揚半徑會發(fā)生變化，如圖5 所示。

圖5 卷揚半徑變化對提升速度的影響Fig.5 Influence of winch radius variation on lifting speed

鋼絲繩收放長度的計算公式：

式中：L為鋼絲繩的下放長度；Li為纏滿第i層的鋼絲繩長度；n為纏繞的層數；Ln為最外圈鋼絲繩的纏繞長度；Nd為纏滿一層時鋼絲繩的纏繞圈數；Nm為鋼絲繩纏繞的總圈數。

1.3.1 繩槽結構對提升速度穩(wěn)定性的影響研究

由于卷揚半徑的變化，鋼絲繩換層時提升速度會發(fā)生跳變，卷揚系統中卷揚滾筒轉速、卷揚滾筒非對稱角、卷揚滾筒折線區(qū)圓心角、鋼絲繩直徑、密度等參數都會影響卷揚滾筒振動加速度幅值[21-22]，且采用對稱式折線繩槽進行層間過渡時，鋼絲繩動張力大于非對稱折線繩槽[23]。鋼絲繩換層時的速度跳變會對卷揚提升系統的運行穩(wěn)定性和鋼絲繩壽命產生不良影響。

基于新的礦井提升機多層纏繞機理與層間過渡設計理論[22,24-26]，卷揚滾筒一般采用如圖6 所示的非對稱雙折線繩槽。

圖6 卷揚滾筒非對稱雙折線繩槽展開Fig.6 Expansion diagram of double folding rope groove of winch drum

1.3.2 卷揚系統制動技術研究

大直徑救援井深度大，提升艙下放過程中，卷揚系統處于長時間連續(xù)“制動狀態(tài)”，與摩擦式卷揚系統相比，單繩纏繞式卷揚系統下放過程中，制動系統需要提供更多的制動能量，可靠性要求更高。

電驅動卷揚系統的制動采用機械制動器，提升艙下降過程中，可以通過監(jiān)測制動器的溫度并進行控制，防止制動元件因溫度過高而失效[27]；采用分布式超級電容組吸收卷揚提升系統的再生制動能量，并在牽引工況合理釋放，可以提高能量的利用效率[28]，也可以有效減小制動裝置的發(fā)熱問題。采用增壓制動裝置及制動力檢測裝置，可以解決使用過程中閘瓦磨損后制動力矩不足的問題[19]；采用基于比例方向閥和蓄能器的主副兩個獨立的液壓恒減速制動通道，在主液壓恒減速制動通道失效時，自動切換至副液壓恒減速制動通道，可以提高制動的可靠性[29]。

液壓驅動卷揚系統的制動力來自液壓馬達，需要針對液壓馬達的持續(xù)制動工況設計大功率的液壓油散熱器，并監(jiān)測液壓油溫度；也可以在液壓馬達與卷揚滾筒之間設計離合器，提升艙下降過程中，斷開液壓馬達的動力，通過機械制動器進行制動。

1.3.3 提升鋼絲繩抗旋轉技術

卷揚滾筒收放鋼絲繩時，鋼絲繩會發(fā)生扭轉。雖然鋼絲繩與提升艙之間安裝有滑環(huán)，但由于提升艙的質量與鋼絲繩的額定提升力相比非常小，且提升艙與井壁之間缺乏阻尼，提升過程中提升艙有明顯的旋轉，因此大直徑鉆孔救援提升裝備宜采用抗旋轉結構的鋼絲繩[30-31]，減緩提升過程中提升艙的轉動。

提升鋼絲繩最大扭轉角總是位于鋼絲繩中部，運行過程中等價于旋轉力作用于鋼絲繩中部，提升鋼絲繩上部出現松捻，單位扭轉角為負值，下部出現緊捻，單位扭轉角為正值[32]。組繩股數、捻法、捻法組合形式、繩股捻距倍數、承受載荷大小及特殊工藝的使用等因素都會對鋼絲繩抗旋轉性能產生較大程度的影響。對單層股鋼絲繩，應減少組繩股數，如采用3 股或4 股結構，且鋼絲繩捻法必須為交互捻，同時要采取縮小股捻距(捻距倍數)而增大繩捻距(捻距倍數)工藝措施；另外，對整繩壓實也可改善鋼絲繩抗旋轉性能。對多層股鋼絲繩，應采取增加外層繩股數、提高內層繩金屬填充系數、合理搭配內外層繩捻法、增加或減少內外層繩(股)捻距(捻距倍數)等措施改善鋼絲繩抗旋轉性能[33]。

1.3.4 鋼絲繩缺陷監(jiān)測技術

提升鋼絲繩的可靠性是安全救援提升的基礎，鋼絲繩缺陷實時監(jiān)測技術是保障安全救援提升的重要措施。鋼絲繩缺陷檢測方法有：

1)漏磁檢測法

沿鋼絲繩360°周向環(huán)型均勻排布漏磁檢測傳感系統和數據采集系統，通過ICEEMD(改進完備集成經驗模式分解)-WTF(小波閾值濾波)-WF(維納濾波)方法多級降噪，去除鋼絲繩缺陷信號股波噪聲和隨機噪聲，保留缺陷信號特征，基于DE-BP 神經網絡的鋼絲繩缺陷精確化識別模型，對鋼絲繩缺陷進行識別[34]。

2)磁探傷檢測法

基于聚磁原理的多霍爾元件陣列檢測方法，對鋼絲繩進行無漏檢測，通過小波包-稀疏表示方法對鋼絲繩損傷信號進行預處理，采用PSO-SVM 鋼絲繩斷絲信號定量識別模型對鋼絲繩的缺陷進行精確識別[35]。

3)聲發(fā)射檢測法

依據鋼絲繩載荷變化情況下的聲發(fā)射特性，建立鋼絲繩缺陷檢測系統，應用經驗模式分解方法結合支持向量機對鋼絲繩聲發(fā)射信號的模式進行識別[36]。

4)圖像檢測法

采用基于DSP 的圖像采集、以太網傳輸、井口實時監(jiān)測的鋼絲繩表面缺陷監(jiān)測方法，對提升機鋼絲繩運行過程中的直徑變化、斷絲等表面缺陷進行監(jiān)測[37]。

2 救援提升艙

常見的人員起吊裝置有單吊索、雙吊索、擔架和吊籃，如圖7 所示。

圖7 典型人員起吊方式Fig.7 Typical lifting method of personnel

研究表明，單吊索的起吊方式會增加呼吸系統的負擔，對受傷人員有不良影響[38-39]。但大直徑救援井的最小控制直徑約600 mm，雙吊索、擔架和吊籃均無法使用。從有記錄的大直徑鉆孔救援過程可以看出，提升艙是首選的人員起吊裝置，其主要作用是在提升過程中保護人員安全。

山東平邑救援中，受大直徑救援井成井直徑的限制，提升艙也未能使用，后改用安全繩進行人員提升。因此，提升艙在滿足人員提升要求[6]的情況下，其通過性能對于救援提升過程中的人員保護具有決定性作用。國內外典型提升艙型號與參數見表2。

從表2 中數據可以看出：大直徑鉆孔救援中使用的提升艙，艙體直徑約550 mm，高度約4 000 mm，滿足內徑600 mm 井筒的通過需求和人員提升需求。

表2 國內外典型提升艙型號與參數Table 2 Typical models and parameters of lifting capsules

2.1 救援提升艙結構

智利圣何塞銅礦鉆孔救援中使用了“鳳凰號”提升艙，其結構如圖8 所示。

圖8 智利救援“鳳凰號”提升艙Fig.8 Fenix capsule adopted in emergency rescue in Chile mine disaster

現代救援提升艙的結構大多參照了“鳳凰號”的設計，功能更加完善。中煤科工西安研究院(集團)有限公司研制的救援提升艙結構如圖9 所示。

圖9 中煤科工西安研究院(集團)有限公司提升艙艙體布局Fig.9 Layout of lifting capsuce designed by CCTEG

提升艙中部為載人艙，上端設置有導向機構，方便提升艙進入井筒；艙體上部和下部設計有緩沖滾輪，減小提升艙與井筒的撞擊和摩擦；提升艙內裝有緩降裝置，底部設計有脫開裝置，在提升艙與井筒之間發(fā)生卡滯無法繼續(xù)提升時，艙內人員可以降至救援井底部，等待重新救援。艙體內外還設計有攝像頭、環(huán)境參數檢測裝置和語音通信裝置，能夠通過通信系統將信號傳輸至救援提升平臺[10]。

目前，艙體上的滾輪是按照緩沖撞擊的目的進行設計，大直徑救援井直徑超過600 mm 后，大多數情況下滾輪不與井壁接觸，無法減緩收放過程中提升艙的旋轉。

2.2 柔性救援提升艙

滿足人機工程學設計的提升艙總長一般會超過4 m[6]，外徑550 mm 的提升艙從直徑600 mm 的大直徑救援井中通過時，允許大直徑救援井中心線的最小彎曲半徑為72 m。因此，傳統結構的提升艙對于大直徑救援井的成孔直徑和垂直度要求較高。

提升艙的創(chuàng)新設計是在設備艙與人員艙之間增加鉸接擺動結構。上下艙體之間擺動2°后，可以將允許的大直徑救援井中心線的最小彎曲半徑縮小至43 m，顯著提升了提升艙的通過性能，也降低了對大直徑救援井成孔垂直度的要求，如圖10 所示。

圖10 鉸接結構對提升艙通過能力的影響效果Fig.10 Effect diagram of hinged structure on passing capacity of lifting capsule

在柔性提升艙基礎上，開展人機工程學設計，根據人體和艙載設備的外形，采用剛柔復合結構，實現提升艙局部可控的變形，還可以進一步提高通過性能。

3 多信息融合的救援提升過程重構系統

救援提升過程信息是救援科學操作和決策的基礎，大直徑鉆孔救援提升裝備的發(fā)展也越來越注重井下、井上一體化救援提升過程模型重構系統的研究。數字孿生技術在數字礦山領域的應用[40]，對大直徑鉆孔救援提升過程模型重構系統的研制具有指導意義。

國家重點研發(fā)計劃課題“地面應急救援井安全提升裝備”研制的大直徑鉆孔救援提升裝備，將大直徑救援井的信息、井上信息(提升速度、提升深度、提升力等)、提升艙的信息(艙內人員信息、環(huán)境參數信息和井筒參數信息)融合在一起，通過顯示器展示給操作人員，如圖11 所示。

圖11 救援提升裝備信息融合Fig.11 Information fusion diagram of rescue lifting equipment

救援操作可以在駕駛室內進行，為了獲得更好的視野，還可以在井口處通過平板電腦同步顯示救援提升信息，通過遙控器進行救援操作，未來救援提升信息還可以在指揮中心同步展示。其中的關鍵技術包括：提升艙與提升平臺的通信技術、救援井參數檢測與模型重構技術。

3.1 提升艙與提升平臺之間的通信技術

大直徑救援井成孔后，為了提高救援井的穩(wěn)定性，一般會下金屬套管護壁。提升過程中提升艙和地面提升平臺之間的通信屬于典型的超細長、屏蔽孔內信號傳輸問題。且提升艙在井筒內上下運動及晃動時，容易與井壁發(fā)生碰撞，無線和加中繼的無線傳輸方式不能滿足要求，有線傳輸是目前大直徑鉆孔救援提升過程中信號傳輸的主要方式[41-44]。

基于雙絞線的長距離通信方式有485 總線通信技術、xDSL 通信技術等，其中xDSL 通信技術，傳輸速率更高，可以滿足救援提升過程中多路視頻、語音和數據的傳輸要求，傳輸距離也可以覆蓋目前大多數大直徑鉆孔救援深度需求，見表3。

表3 xDSL 通信技術性能參數Table 3 Performance parameters of xDSL communication technology

奎溪煤礦透水事故救援中，為了將提升艙內的信號傳輸至地面，救援人員將通信電纜與鋼絲繩同步平行下放，當提升艙相對鋼絲繩發(fā)生旋轉時，通信電纜與鋼絲繩之間容易發(fā)生纏繞。

最新設計的提升鋼絲繩除了滿足載重提升和抗旋轉基本功能以外，另一個重要功能是承擔提升艙和提升車之間的信號傳輸：一種方法是在鋼絲繩內嵌入通信電纜[45]，另一種方法是采用多芯的鎧裝電纜作為提升鋼絲繩[6]，如圖12 所示。

圖12 附帶通信功能的鋼絲繩斷面Fig.12 Section of wire rope with communication function

目前，兼作信號傳輸介質的鋼絲繩用作人員提升的長期使用性能還有待驗證，限制了救援提升裝備的多功能應用，以及通過日常作業(yè)保持性能的穩(wěn)定。這一問題可以通過研制提升鋼絲繩快換裝置，在一般作業(yè)過程中換用普通鋼絲繩的方式得以解決。

3.2 基于提升艙的救援井參數檢測與模型重構系統

救援井雖然增加了金屬套管護壁，但在地應力的作用下，仍存在結構蠕變的風險[46]，嚴重時會影響提升艙的正常通過，救援井參數的實時檢測與模型重構對于指導救援提升具有重要作用，具體方法有接觸式、激光測距式和基于深度相機的救援井結構參數檢測與重構技術。

3.2.1 接觸式救援井參數檢測與重構技術

接觸式救援井參數檢測與重構技術是在救援提升艙的底部或上部安裝接觸式多臂井徑測試儀，提升過程中檢測救援井的直徑，并繪制救援井結構模型。

波蘭科學家將該技術用于地熱井的模型重構，現已完成了境內大多數地熱井模型的重構。井筒參數測量中使用了接觸式的MIT 多臂井徑測試儀[47]，地熱井模型重構效果如圖13 所示。多臂井徑測試儀臂的數量對于救援井模型的重構精度具有重要影響。

圖13 基于MIT-60 檢測重構的井筒結構Fig.13 Wellbore structure reconstructed based on MIT-60 inspection

3.2.2 激光測距式救援井參數檢測與重構技術

基于激光測距技術的救援井參數檢測方法是在提升艙的四周布置激光測距傳感器，取代接觸式測量臂，在提升過程中檢測救援井激光位移傳感器與井壁之間的距離，擬合出救援井筒的圓心位置和通過直徑，通過斷面切片重構救援井的三維模型[48-49]，模型的精細程度和準確性，取決于激光傳感器的布置數量。受空間位置限定，基于激光測距傳感器測量技術構建的大直徑救援井三維模型精度不高。如圖14 所示。

圖14 基于激光位移傳感器的救援井直徑檢測方法Fig.14 Rescue well diameter detection method based on laser displacement sensor

三維激光測距傳感器的應用，消除了空間位置對激光測距傳感器布置數量的限制，可以獲得更細密的井筒結構參數測量數據，重構后的救援井三維模型如圖15 所示[50]。

圖15 基于三維激光傳感器的井筒三維模型Fig.15 3D wellbore model based on 3D laser sensor

3.2.3 基于深度相機的救援井結構參數檢測與重構技術

深度相機的出現，為大直徑救援井結構參數的精細檢測提供了新的解決方案。在提升艙上安裝深度相機，可以在救援提升過程中，同時獲取井筒高分辨率(1 280×720)的可見光圖像和深度圖像，通過點云優(yōu)化算法對救援井筒的深度點云模型進行優(yōu)化，并與可見光圖像融合，可以獲得與實際大直徑救援井筒非常接近的精細三維模型，如圖16 所示。

圖16 救援井筒點云模型和可見光圖像融合Fig.16 Fusion of rescue wellbore point cloud model and visible image

當需要救援的人員數量較多時，可以通過每一次救援提升過程中重構的大直徑救援井模型的對比，預測大直徑救援井結構參數的變化趨勢。

4 大直徑鉆孔救援提升裝備技術發(fā)展方向

4.1 多功能救援提升裝備

大直徑鉆孔救援提升裝備的設計目標是滿足大直徑鉆孔救援人員提升的需求。但大直徑鉆孔救援應用場景發(fā)生概率極低，特別是內嵌電纜通信功能的提升鋼絲繩的長期使用性能未得到驗證，不宜用于其他用途。因此，大直徑鉆孔救援提升裝備長期處于閑置狀態(tài)，對于裝備保持作業(yè)性能不利。

在全地面起重機或是隨車起重機基礎上研制的大直徑鉆孔救援提升裝備，可以通過更換普通鋼絲繩的方式進行常規(guī)吊裝，在工作中保持設備的作業(yè)性能，同時也提高了設備的利用率。

研究基于鋼絲繩內嵌電纜通信的替代技術，是實現大直徑鉆孔救援提升裝備多功能化的基礎。

4.2 仿生提升艙技術

大直徑救援井的成孔質量對于提升艙的通過性能具有重要影響，提升艙自身的通過性能也同樣重要。現有的救援提升艙多為圓筒狀，且以金屬材料制作，剛度高，大直徑救援井局部存在凸起就會影響提升艙的通過性能。

大直徑鉆孔救援提升過程中，對艙體沒有嚴格的空氣動力學要求?？梢栽谌嵝蕴嵘摶A上，開展提升艙人機工程學設計，根據人體和艙載設備的外形，采用剛柔復合結構，實現提升艙局部可控的變形，提高通過性能。

4.3 救援提升過程數字孿生技術

近年來，數字孿生技術在數字礦山領域的應用發(fā)展迅速[40]，其對于大直徑鉆孔救援提升作業(yè)同樣具有指導意義。未來救援提升裝備的發(fā)展應集成數字孿生技術，并從鉆孔階段就開始介入。

(1)通過研究精準檢測和建模技術，構建大直徑救援井可視化的物理模型、可驗證的仿真模型、可表示的邏輯模型、可計算的數據模型，實現物理大直徑救援井與數字大直徑救援井孿生體之間的虛實映射、實時交互。

(2)基于物理場景與虛擬空間的信息映射關系和VR、AR 等虛擬技術實現全息展現，突出關鍵風險節(jié)點。多學科融合，基于監(jiān)測數據，計算數據權重，綜合評定大直徑救援井的通過性能，確定風險等級，進而建立針對性的救援提升決策體系。

(3)構建大直徑鉆孔救援提升裝備的孿生體，包括作業(yè)載荷模型、機電液耦合模型，可根據作業(yè)指令和載荷模型對裝備的作業(yè)過程進行仿真，實現裝備健康狀態(tài)和潛在故障源的預測。

5 結 論

a.以大噸位全地面起重機為基礎，升級大容繩量卷揚提升系統研制的大直徑鉆孔救援提升平臺，具有通過能力強、場地適應性好、調整方便、提升穩(wěn)定的優(yōu)點，相比其他結構形式的救援提升平臺，能夠更好地適應大直徑鉆孔救援提升的隨機性、偶發(fā)性和快速性需求。

b.大直徑鉆孔救援提升裝備主要采用單繩纏繞式卷揚提升系統，針對長時間連續(xù)收放工況下的持續(xù)制動需求，需要提高卷揚系統制動裝置的可靠性，采用抗旋轉鋼絲繩減緩提升過程中提升艙的轉動，并安裝鋼絲繩缺陷在線監(jiān)測系統，預防斷繩事故的發(fā)生。

c.現代救援提升艙的功能日益完善，提升艙的通過性能對提升過程中的人員保護具有決定性作用，柔性可彎曲的結構能夠顯著提高提升艙的通過能力。

d.大直徑救援井信息、提升艙信息(包含環(huán)境信息和人員信息)、救援提升平臺信息是救援提升科學操作和決策的基礎，以現代通信技術、檢測技術和三維重構技術為基礎的救援提升過程數字孿生技術是大直徑鉆孔救援提升裝備的未來發(fā)展方向。