矿山灾害预警与救助新技术体系

目前矿山灾害已经成为社会关注的焦点，如何加强矿山灾害预警与应急救援工作，把矿山灾害的不良影响与损失减少到最低程度，这不仅是矿山企业面临的重大问题，也是社会和国民经济可持续发展的重大问题。因此，建立适应社会主义市场经济体制要求的矿山灾害预警系统，进一步加强灾害救助技术的研究与开发是保障矿山安全生产的基础，对国家的稳定发展，建立和谐社会具有特殊的意义。 

现有的矿山安全监控系统在一定程度上起到了减少事故发生的效果，但总的来说还存在很多不成熟不完善的地方，特别是现有矿山安全保障系统的预警功能不强，基本上停留在报警而不是预警这样的一个水平上，虽然各种灾害因子的监测和预报技术也有一定程度上的应用，到目前为止还没有形成成熟的技术，没有成为一个完整预警系统的一部分。因此搭建新型的矿山预警救助技术平台，融合现有矿山安全监控监测系统，建立完善成熟的矿山危险因子检测、预警技术以及先进的安全生产管理技术依然是亟待解决的问题。 

矿山灾害预警与救助新技术体系的设计目标是为我国矿山安全生产建立一套既兼容现有设备又能提升性能的预警、应急及灾后救助新技术体系。主要包括灾害因子监测技术体系、灾害预警信息管理系统、灾害搜索救援新技术体系、矿山通讯新技术四大部分，另外还有新型矿山安全监控系统。整个系统将以RFID+GIS作为基础平台，将各部分统一管理起来(如图1所示)。 

1 矿山灾害因素探测技术体系   

矿山灾害因素主要包含以下两类：一类是由于地质灾害引起的矿山灾害，如地震、洪水、泥石流等引发的矿山灾害；另一类是与矿山生产条件相关的重大事故引起的灾害，在矿山开采过程中，随着开采和掘进工作面的推进，采场、顶底板、围岩、地表都在发生相应变化，矿山压力、矿井瓦斯、矿井涌水等属于主要危险因素。目前，能够用于矿山灾害因素探测技术体系包括： 
(1)TSP(TST)及地质雷达超前预报技术。利用长隧道地震探测技术结合探地雷达电磁探测技术对采掘工作面前方进行超前监测、预测、预报。 
(2)矿山开采区定点应力监测与塌陷区评估技术研究。利用现代电子、通信技术，结合物理实验，开发用于定点应力实时监控的设施，做到低成本、能传输、易监控。 
(3)多种地下水探测与监控技术。在现有探测地下水仪器设备的基础上，采取动态(如跟随掘进或开采过程的监控)和静态(在主要坑道固定埋设探测仪器)方式，设计和研发新型的地下水探测与检测技术系统。力争使矿山开采过程中的水害问题得到很好改善。 
(4)矿区地表形变及地质灾害监测与评价。利用遥感技术，通过GPS、卫星图像、雷达数据、合成孔径雷达干涉测量技术等对矿区地质作用，如：开采和挖掘、地下水运动、洪涝灾害以及其他应力或因素造成的地表坍塌、变形等进行监测与评价。 
(5)矿山开采过程中瓦斯浓度快速检测技术。利用电子技术与化学检测技术结合，重点研制低成本、便捷、高效、可记录的瓦斯浓度快速检测与报警技术。 

目前，物探技术在井下灾害超前预报方面的主要技术是：TSP地震波探测技术、TEM瞬变电磁探测技术、直流电法等技术。现实状况是三种主要探测方式的单独使用都不能很好地解释井下小区域的精细地质情况，只有将三种探测方法结合起来，配合矿区开采前期的大尺度物探资料才能更加合理地解释地质异常。 

2 矿山灾害预警信息管理系统 

高效的矿山灾害管理系统是矿山安全中一个重要的环节，它能够预防大多数的井下人为事故的发生，并在很大程度上能够实现灾害因子的可视化，监测井下灾害因子的变化，根据各灾害因子测量值综合分析灾害发生的可能性，给出相应灾害预警等级等功能。同时在灾害发生之后能够为救援工作提供大量的灾前资料以指导救援行动。 

现有的矿山预警管理系统对井下人员的管理明显不足，对井下情况的掌握基本上依靠打电话讯问和有限的摄像机所得来的视频信息等初级手段。另外，现有管理系统预警功能的不完善导致预警管理系统成了报警管理系统，在灾害发生之后才给出报警，不能体现矿山安全系统“预防为主，防治结合”的指导原则。新型矿山安全预警管理技术平台将在井下人员及设备管理、井下重要参数的可视化技术、矿井管理电子地图管理、整合众多监测仪器功能实施灾害预测预报方面进行重大改进。 

灾害预警管理系统包括前端数据采集、信号传输通道、综合预警算法研究、联动控制及信息发布。 

整个预警管理系统的核心骨架RFID+GIS结合现有矿山安全监控系统和井下通讯系统搭建(如图2所示)。 

近年来RFID(射频识别技术)的出现为井下安全生产管理以及灾后救援行动提供了一套全新的思路。RFID的定位识别功能、信息携带传递等功能使得井下人员分布、考勤管理、移动车辆管理、重要设备物资管理、灾后人员的快速搜救等成为可能。 

RFID可以监测人员分布也可以监测人员及车辆的移动情况一RFID技术具有动态管理能力。 

目前，国内已经有一些单位开始在井下试用RFID管理考勤系统，但是还存在两个方面的问题：首先是功能开发不完善，基本停留在考勤和人员查询功能上，没有将RFID作为一个平台来使用；其次是没有与现有监控管理系统以及地理信息系统结合起来，不能形成一个完整的系统，缺乏宏观的管理功能。 

GIS地理信息系统是以地理信息为主要内容的数据库技术，它具有强大的空间管理和分析功能，并提供强大的可视化功能。GIS系统的优势在于静态管理和可视化技术，利用它我们可以在矿山开采过程中形成一个可视化的电子地图，形象直观地进行矿山生产管理。我国矿山生产管理研究中GIS的概念早有提出，然而在没有与其他相关技术融合的情况下，GIS技术并没有在矿山生产管理中取得很大的成功，因为它是静态的，缺乏了动态管理、监测功能。 

将RFID的动态监测技术与GIS的静态管理技术相结合，整个矿山安全管理系统性能将会提升到一个新的水平。RFID技术与GIS技术相结合的灾害预警救援技术平台总结如下：①实现危险因子实时监测及可视化；②管理井下人员分布、人员经过路径查询、车辆跟踪、重要物品及设备管理；③利用空间分析功能，为灾后井下人员疏散提供最佳路径分析；④利用移动式RFID技术进行生命搜救；⑤ 自动统计每日煤产量；⑥结合现有监控系统实现重要设备运行参数可视化。 

3 矿山灾害搜索救援新技术体系 

目前我国的矿山灾害救援设备依然停留在一个较低的水平上，一旦发生严重安全事故，人员伤亡巨大，巷道破坏严重，救援工作难度很大，这对救援技术和设备提出了更高的要求。为了对被困人员实施高效有序的救援，除了要确保紧急救援队伍反应迅速、机动性高和突击性强之外，同样重要的是要配备必要的高新救助技术设备，先进的救助技术与装备，这是提高救助成功率、最大限度减轻人员伤亡的技术保障。 

“十五”期间，在“十五”科技攻关项目资助下我国研制成功了声波／振动生命探测器、热成像生命探测器、光学生命探测器这三种生命探测仪。这三种生命探测仪的研制成功大大的提高了我国灾害救助装备的技术水平，现阶段已经进入使用推广阶段。通过改进使其具备防爆、耐腐蚀、本质安全等井下特殊要求，三种生命探测仪完全可以从现在的地震灾害救援领域移植到矿山灾害救援领域上来。 

继三种生命搜索仪之后，近年来灾害救援技术和装备如搜救机器人搜救技术、新型低频电磁探生仪、超宽带电磁探测等都取得了一定成果。同时，通过引进与分析美国的DKL生命搜索技术和PED(Personal Emergency Device) 人紧急装置系统等设备，其关键技术新型的人体低频静电场探测技术和矿井指挥管理技术也开始进入人们的研究视野。 

在救助技术及策略方面我们可以借鉴已有的地震灾害救助技术及策略，进一步总结出适合矿山灾害救助的新型科学的救助体系： 
(1)超宽带探测技术。利用超宽带电磁场的特征，通过超宽带电磁波的散射，反射信号的处理、解释、识别等研究，完成信号的实时处理与成像方法研究，进而建立判别有效信号及确定探测目标体的有效位置的处理方法。 
(2)救援机器人技术。复杂危险的灾害现场给救援工作人员及幸存者带来了巨大的安全威胁，也会阻碍救援工作快速有效地进行。使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。解决救援机器人搜救策略及救援机器人本身适应灾害环境等问题是救援机器人研究的重点。 
(3)低频电磁波探测技术。人体心脏每跳动一次将发出一种30赫兹以下超低频电波，该电磁波将在人体周围360度扩展形成超低频非均匀电磁场。心脏的超低频电磁场可以很容易穿透钢筋混凝土凝墙，钢板，木板，水以及其它反射吸收高频信号的障碍物。通过测量这个微弱的磁场则可以实现对被困人员的定位和救助。 
(4)人体气味探测技术。搜救犬虽是目前对人体气味进行搜索的最有用的工具，然而其较短的有效工作时间(20—30Min)以及对人员经验的依赖性都促使我们去开发能够在一定程度上代替搜救犬工作的电子鼻。 
(5)PED紧急救援指挥系统。PED(Personal Emergency Device)系统是一种超低频的能够穿透大地的应急呼叫、控制以及爆破作业系统，将超低频(ULF，Ultra Low Frequency)与高能量传输系统结合使得PED信号能够穿透几百米的岩石层。矿下任何地方的人员通过安装在头盔上的小型天线便可以收到信号，PED是一种相当有效的紧急通讯系统，它不仅能够向矿下人员发出危险警告，而且能够发布具体的危险信息如：火灾发生地在哪里，选择哪一条撤退路线等。 

生命搜索救助技术的体系框图如图3所示。 

4 矿山新型通讯技术 

我国矿井通信目前存在的主要问题：一是缺乏可靠的、覆盖面宽的移动通信系统；二是通信系统的网络化、综合化程度不够；三是抗灾害、事故的能力差。目前通信系统以有线为主，一旦发生灾害事故，线路极易损坏，造成通信中断。矿山通讯系统包括两部分：井下通讯系统和透地通讯系统。井下通讯系统现阶段多以有线方式通讯，无线通讯方式及感应通讯方式虽有一定应用但因技术问题还没有成为井下通信的主流。目前处于研制实验阶段的井下通讯方式有：动力载波通信、感应通信(漏泄通信)、无线蜂窝(小灵通)通讯、超宽带通讯技术、低频通讯技术等。井下无线通讯目前应该重点解决定向天线研究、无源电磁中继、井下巷道电磁波吸收模型模拟的等关键技术。 

透地通讯技术是一项新出现的技术，在国外如南非等国家从2O世纪6O年带就开始了低频透地通信的相关实验，我国在此方面基本上空白，近年来随着国外低频透地通讯技术的深入研究，国外一些公司已经开发出一些商业化的透地通讯技术，其中比较著名的是澳大利亚一家公司开发的PED应急指挥系统。1999年我国山西大同煤矿也引入了这套系统。目前，我国还不具备这项技术，因此研究低频透地通讯技术对于加强我国矿山基础技术开发和打破国外技术垄断具有重要的意义。 

根据我们在地震灾害超宽带电磁波探测的研究结果来看，由于具有能量聚焦和慢衰减特性超宽带电磁波技术也必将成为透地通讯的一个重要的技术选择。 

5 矿山安全监控技术体系 

我国现有安全监控体系对我国矿山安全生产起到了一定的重要作用，但与国际上发达国家对比差别较大，如①相互问不兼容，智能程度低；②主要采集灾害危险因素和信息量及其所带设备数量少，信息传送速度慢，报警查询速度慢；( 控制功能弱，或者基本不具备远程控制和智能控制等功能。因此，新型矿山安全监控系统的研制与开发十分重要。 

(1)新型矿山安全监控系统的特点。新型矿山安全监控系统将基于网络，实现矿山安全监控的数字化、网络化、智能化。提高信息传送速度，增强交互功能，增加所带设备数量，增强监控系统的控制功能，实现远程监控。应急联动控制中心站结合网络智能执行终端将实现预警信息下自动实施报警联动功能。 

(2)新型矿山安全监控系统拟采用的技术。①数字视频网络传输技术：根据具体情况采用TCP／IP协议或者UDP协议进行传输；②应急联动中心站：应急联动中心站接收前端检测探头的数字信息和远程控制主机的指令执行数字图像的通道切换，报警联动信息的发出等。 

(3)新型矿山安全监控系统的主要技术难点。数字图像的高效压缩与传输技术和应急联动中心的联动技术。根据矿山安全监控图像要求的特点，使用低码流的图像压缩编码方法，在不严重影响效果的情况下可适当降低图像视频质量，以最大限度地降低对网络带宽的要求。 

作者简介：王绪本(1956一)汉族，安徽阜阳人，博士，教授，博士生导师，成都理工大学研究生院常务副院长、教育部(四川省)地球探测与住处技术重点实验室主任，四川省地质学会物探专业委员会主任，四川省地震学会地震灾害防治专业委员副主任，中国地球物理学会理事、地球电磁专业委员会副主任，美国SEG委员，四川省有突出贡献优秀专家，享受国务院政府特殊津贴，成都市政协委员，重点致力于地球探测与信息技术学科专业领域，主要研究方向包括电磁探测、灾害搜索技术与救助理论等，已出版专著2部，公开发表学术论文50余篇，有12篇论文被SCI、EI、ISTP检索。