目前礦山災害已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點，如何加強礦山災害預警與應急救援工作，把礦山災害的不良影響與損失減少到最低程度，這不僅是礦山企業(yè)面臨的重大問題，也是社會和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，建立適應社會主義市場經(jīng)濟體制要求的礦山災害預警系統(tǒng)，進一步加強災害救助技術(shù)的研究與開發(fā)是保障礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，對國家的穩(wěn)定發(fā)展，建立和諧社會具有特殊的意義。 

現(xiàn)有的礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)在一定程度上起到了減少事故發(fā)生的效果，但總的來說還存在很多不成熟不完善的地方，特別是現(xiàn)有礦山安全保障系統(tǒng)的預警功能不強，基本上停留在報警而不是預警這樣的一個水平上，雖然各種災害因子的監(jiān)測和預報技術(shù)也有一定程度上的應用，到目前為止還沒有形成成熟的技術(shù)，沒有成為一個完整預警系統(tǒng)的一部分。因此搭建新型的礦山預警救助技術(shù)平臺，融合現(xiàn)有礦山安全監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，建立完善成熟的礦山危險因子檢測、預警技術(shù)以及先進的安全生產(chǎn)管理技術(shù)依然是亟待解決的問題。 

礦山災害預警與救助新技術(shù)體系的設(shè)計目標是為我國礦山安全生產(chǎn)建立一套既兼容現(xiàn)有設(shè)備又能提升性能的預警、應急及災后救助新技術(shù)體系。主要包括災害因子監(jiān)測技術(shù)體系、災害預警信息管理系統(tǒng)、災害搜索救援新技術(shù)體系、礦山通訊新技術(shù)四大部分，另外還有新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)將以RFID+GIS作為基礎(chǔ)平臺，將各部分統(tǒng)一管理起來(如圖1所示)。 

1 礦山災害因素探測技術(shù)體系   

礦山災害因素主要包含以下兩類：一類是由于地質(zhì)災害引起的礦山災害，如地震、洪水、泥石流等引發(fā)的礦山災害；另一類是與礦山生產(chǎn)條件相關(guān)的重大事故引起的災害，在礦山開采過程中，隨著開采和掘進工作面的推進，采場、頂?shù)装濉鷰r、地表都在發(fā)生相應變化，礦山壓力、礦井瓦斯、礦井涌水等屬于主要危險因素。目前，能夠用于礦山災害因素探測技術(shù)體系包括： 
(1)TSP(TST)及地質(zhì)雷達超前預報技術(shù)。利用長隧道地震探測技術(shù)結(jié)合探地雷達電磁探測技術(shù)對采掘工作面前方進行超前監(jiān)測、預測、預報。 
(2)礦山開采區(qū)定點應力監(jiān)測與塌陷區(qū)評估技術(shù)研究。利用現(xiàn)代電子、通信技術(shù)，結(jié)合物理實驗，開發(fā)用于定點應力實時監(jiān)控的設(shè)施，做到低成本、能傳輸、易監(jiān)控。 
(3)多種地下水探測與監(jiān)控技術(shù)。在現(xiàn)有探測地下水儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，采取動態(tài)(如跟隨掘進或開采過程的監(jiān)控)和靜態(tài)(在主要坑道固定埋設(shè)探測儀器)方式，設(shè)計和研發(fā)新型的地下水探測與檢測技術(shù)系統(tǒng)。力爭使礦山開采過程中的水害問題得到很好改善。 
(4)礦區(qū)地表形變及地質(zhì)災害監(jiān)測與評價。利用遙感技術(shù)，通過GPS、衛(wèi)星圖像、雷達數(shù)據(jù)、合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)等對礦區(qū)地質(zhì)作用，如：開采和挖掘、地下水運動、洪澇災害以及其他應力或因素造成的地表坍塌、變形等進行監(jiān)測與評價。 
(5)礦山開采過程中瓦斯?jié)舛瓤焖贆z測技術(shù)。利用電子技術(shù)與化學檢測技術(shù)結(jié)合，重點研制低成本、便捷、高效、可記錄的瓦斯?jié)舛瓤焖贆z測與報警技術(shù)。 

目前，物探技術(shù)在井下災害超前預報方面的主要技術(shù)是：TSP地震波探測技術(shù)、TEM瞬變電磁探測技術(shù)、直流電法等技術(shù)。現(xiàn)實狀況是三種主要探測方式的單獨使用都不能很好地解釋井下小區(qū)域的精細地質(zhì)情況，只有將三種探測方法結(jié)合起來，配合礦區(qū)開采前期的大尺度物探資料才能更加合理地解釋地質(zhì)異常。 

2 礦山災害預警信息管理系統(tǒng) 

高效的礦山災害管理系統(tǒng)是礦山安全中一個重要的環(huán)節(jié)，它能夠預防大多數(shù)的井下人為事故的發(fā)生，并在很大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)災害因子的可視化，監(jiān)測井下災害因子的變化，根據(jù)各災害因子測量值綜合分析災害發(fā)生的可能性，給出相應災害預警等級等功能。同時在災害發(fā)生之后能夠為救援工作提供大量的災前資料以指導救援行動。 

現(xiàn)有的礦山預警管理系統(tǒng)對井下人員的管理明顯不足，對井下情況的掌握基本上依靠打電話訊問和有限的攝像機所得來的視頻信息等初級手段。另外，現(xiàn)有管理系統(tǒng)預警功能的不完善導致預警管理系統(tǒng)成了報警管理系統(tǒng)，在災害發(fā)生之后才給出報警，不能體現(xiàn)礦山安全系統(tǒng)“預防為主，防治結(jié)合”的指導原則。新型礦山安全預警管理技術(shù)平臺將在井下人員及設(shè)備管理、井下重要參數(shù)的可視化技術(shù)、礦井管理電子地圖管理、整合眾多監(jiān)測儀器功能實施災害預測預報方面進行重大改進。 

災害預警管理系統(tǒng)包括前端數(shù)據(jù)采集、信號傳輸通道、綜合預警算法研究、聯(lián)動控制及信息發(fā)布。 

整個預警管理系統(tǒng)的核心骨架RFID+GIS結(jié)合現(xiàn)有礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)和井下通訊系統(tǒng)搭建(如圖2所示)。 

近年來RFID(射頻識別技術(shù))的出現(xiàn)為井下安全生產(chǎn)管理以及災后救援行動提供了一套全新的思路。RFID的定位識別功能、信息攜帶傳遞等功能使得井下人員分布、考勤管理、移動車輛管理、重要設(shè)備物資管理、災后人員的快速搜救等成為可能。 

RFID可以監(jiān)測人員分布也可以監(jiān)測人員及車輛的移動情況一RFID技術(shù)具有動態(tài)管理能力。 

目前，國內(nèi)已經(jīng)有一些單位開始在井下試用RFID管理考勤系統(tǒng)，但是還存在兩個方面的問題：首先是功能開發(fā)不完善，基本停留在考勤和人員查詢功能上，沒有將RFID作為一個平臺來使用；其次是沒有與現(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來，不能形成一個完整的系統(tǒng)，缺乏宏觀的管理功能。 

GIS地理信息系統(tǒng)是以地理信息為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它具有強大的空間管理和分析功能，并提供強大的可視化功能。GIS系統(tǒng)的優(yōu)勢在于靜態(tài)管理和可視化技術(shù)，利用它我們可以在礦山開采過程中形成一個可視化的電子地圖，形象直觀地進行礦山生產(chǎn)管理。我國礦山生產(chǎn)管理研究中GIS的概念早有提出，然而在沒有與其他相關(guān)技術(shù)融合的情況下，GIS技術(shù)并沒有在礦山生產(chǎn)管理中取得很大的成功，因為它是靜態(tài)的，缺乏了動態(tài)管理、監(jiān)測功能。 

將RFID的動態(tài)監(jiān)測技術(shù)與GIS的靜態(tài)管理技術(shù)相結(jié)合，整個礦山安全管理系統(tǒng)性能將會提升到一個新的水平。RFID技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合的災害預警救援技術(shù)平臺總結(jié)如下：①實現(xiàn)危險因子實時監(jiān)測及可視化；②管理井下人員分布、人員經(jīng)過路徑查詢、車輛跟蹤、重要物品及設(shè)備管理；③利用空間分析功能，為災后井下人員疏散提供最佳路徑分析；④利用移動式RFID技術(shù)進行生命搜救；⑤ 自動統(tǒng)計每日煤產(chǎn)量；⑥結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)重要設(shè)備運行參數(shù)可視化。 

3 礦山災害搜索救援新技術(shù)體系 

目前我國的礦山災害救援設(shè)備依然停留在一個較低的水平上，一旦發(fā)生嚴重安全事故，人員傷亡巨大，巷道破壞嚴重，救援工作難度很大，這對救援技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求。為了對被困人員實施高效有序的救援，除了要確保緊急救援隊伍反應迅速、機動性高和突擊性強之外，同樣重要的是要配備必要的高新救助技術(shù)設(shè)備，先進的救助技術(shù)與裝備，這是提高救助成功率、最大限度減輕人員傷亡的技術(shù)保障。 

“十五”期間，在“十五”科技攻關(guān)項目資助下我國研制成功了聲波／振動生命探測器、熱成像生命探測器、光學生命探測器這三種生命探測儀。這三種生命探測儀的研制成功大大的提高了我國災害救助裝備的技術(shù)水平，現(xiàn)階段已經(jīng)進入使用推廣階段。通過改進使其具備防爆、耐腐蝕、本質(zhì)安全等井下特殊要求，三種生命探測儀完全可以從現(xiàn)在的地震災害救援領(lǐng)域移植到礦山災害救援領(lǐng)域上來。 

繼三種生命搜索儀之后，近年來災害救援技術(shù)和裝備如搜救機器人搜救技術(shù)、新型低頻電磁探生儀、超寬帶電磁探測等都取得了一定成果。同時，通過引進與分析美國的DKL生命搜索技術(shù)和PED(Personal Emergency Device) 人緊急裝置系統(tǒng)等設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)新型的人體低頻靜電場探測技術(shù)和礦井指揮管理技術(shù)也開始進入人們的研究視野。 

在救助技術(shù)及策略方面我們可以借鑒已有的地震災害救助技術(shù)及策略，進一步總結(jié)出適合礦山災害救助的新型科學的救助體系： 
(1)超寬帶探測技術(shù)。利用超寬帶電磁場的特征，通過超寬帶電磁波的散射，反射信號的處理、解釋、識別等研究，完成信號的實時處理與成像方法研究，進而建立判別有效信號及確定探測目標體的有效位置的處理方法。 
(2)救援機器人技術(shù)。復雜危險的災害現(xiàn)場給救援工作人員及幸存者帶來了巨大的安全威脅，也會阻礙救援工作快速有效地進行。使用救援機器人進行輔助搜救是解決這一難題的有效手段。解決救援機器人搜救策略及救援機器人本身適應災害環(huán)境等問題是救援機器人研究的重點。 
(3)低頻電磁波探測技術(shù)。人體心臟每跳動一次將發(fā)出一種30赫茲以下超低頻電波，該電磁波將在人體周圍360度擴展形成超低頻非均勻電磁場。心臟的超低頻電磁場可以很容易穿透鋼筋混凝土凝墻，鋼板，木板，水以及其它反射吸收高頻信號的障礙物。通過測量這個微弱的磁場則可以實現(xiàn)對被困人員的定位和救助。 
(4)人體氣味探測技術(shù)。搜救犬雖是目前對人體氣味進行搜索的最有用的工具，然而其較短的有效工作時間(20—30Min)以及對人員經(jīng)驗的依賴性都促使我們?nèi)ラ_發(fā)能夠在一定程度上代替搜救犬工作的電子鼻。 
(5)PED緊急救援指揮系統(tǒng)。PED(Personal Emergency Device)系統(tǒng)是一種超低頻的能夠穿透大地的應急呼叫、控制以及爆破作業(yè)系統(tǒng)，將超低頻(ULF，Ultra Low Frequency)與高能量傳輸系統(tǒng)結(jié)合使得PED信號能夠穿透幾百米的巖石層。礦下任何地方的人員通過安裝在頭盔上的小型天線便可以收到信號，PED是一種相當有效的緊急通訊系統(tǒng)，它不僅能夠向礦下人員發(fā)出危險警告，而且能夠發(fā)布具體的危險信息如：火災發(fā)生地在哪里，選擇哪一條撤退路線等。 

生命搜索救助技術(shù)的體系框圖如圖3所示。 

4 礦山新型通訊技術(shù) 

我國礦井通信目前存在的主要問題：一是缺乏可靠的、覆蓋面寬的移動通信系統(tǒng)；二是通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、綜合化程度不夠；三是抗災害、事故的能力差。目前通信系統(tǒng)以有線為主，一旦發(fā)生災害事故，線路極易損壞，造成通信中斷。礦山通訊系統(tǒng)包括兩部分：井下通訊系統(tǒng)和透地通訊系統(tǒng)。井下通訊系統(tǒng)現(xiàn)階段多以有線方式通訊，無線通訊方式及感應通訊方式雖有一定應用但因技術(shù)問題還沒有成為井下通信的主流。目前處于研制實驗階段的井下通訊方式有：動力載波通信、感應通信(漏泄通信)、無線蜂窩(小靈通)通訊、超寬帶通訊技術(shù)、低頻通訊技術(shù)等。井下無線通訊目前應該重點解決定向天線研究、無源電磁中繼、井下巷道電磁波吸收模型模擬的等關(guān)鍵技術(shù)。 

透地通訊技術(shù)是一項新出現(xiàn)的技術(shù)，在國外如南非等國家從2O世紀6O年帶就開始了低頻透地通信的相關(guān)實驗，我國在此方面基本上空白，近年來隨著國外低頻透地通訊技術(shù)的深入研究，國外一些公司已經(jīng)開發(fā)出一些商業(yè)化的透地通訊技術(shù)，其中比較著名的是澳大利亞一家公司開發(fā)的PED應急指揮系統(tǒng)。1999年我國山西大同煤礦也引入了這套系統(tǒng)。目前，我國還不具備這項技術(shù)，因此研究低頻透地通訊技術(shù)對于加強我國礦山基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)和打破國外技術(shù)壟斷具有重要的意義。 

根據(jù)我們在地震災害超寬帶電磁波探測的研究結(jié)果來看，由于具有能量聚焦和慢衰減特性超寬帶電磁波技術(shù)也必將成為透地通訊的一個重要的技術(shù)選擇。 

5 礦山安全監(jiān)控技術(shù)體系 

我國現(xiàn)有安全監(jiān)控體系對我國礦山安全生產(chǎn)起到了一定的重要作用，但與國際上發(fā)達國家對比差別較大，如①相互問不兼容，智能程度低；②主要采集災害危險因素和信息量及其所帶設(shè)備數(shù)量少，信息傳送速度慢，報警查詢速度慢；( 控制功能弱，或者基本不具備遠程控制和智能控制等功能。因此，新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)的研制與開發(fā)十分重要。 

(1)新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點。新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)將基于網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)礦山安全監(jiān)控的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。提高信息傳送速度，增強交互功能，增加所帶設(shè)備數(shù)量，增強監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。應急聯(lián)動控制中心站結(jié)合網(wǎng)絡(luò)智能執(zhí)行終端將實現(xiàn)預警信息下自動實施報警聯(lián)動功能。 

(2)新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)擬采用的技術(shù)。①數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)：根據(jù)具體情況采用TCP／IP協(xié)議或者UDP協(xié)議進行傳輸；②應急聯(lián)動中心站：應急聯(lián)動中心站接收前端檢測探頭的數(shù)字信息和遠程控制主機的指令執(zhí)行數(shù)字圖像的通道切換，報警聯(lián)動信息的發(fā)出等。 

(3)新型礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)難點。數(shù)字圖像的高效壓縮與傳輸技術(shù)和應急聯(lián)動中心的聯(lián)動技術(shù)。根據(jù)礦山安全監(jiān)控圖像要求的特點，使用低碼流的圖像壓縮編碼方法，在不嚴重影響效果的情況下可適當降低圖像視頻質(zhì)量，以最大限度地降低對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。 

作者簡介：王緒本(1956一)漢族，安徽阜陽人，博士，教授，博士生導師，成都理工大學研究生院常務(wù)副院長、教育部(四川省)地球探測與住處技術(shù)重點實驗室主任，四川省地質(zhì)學會物探專業(yè)委員會主任，四川省地震學會地震災害防治專業(yè)委員副主任，中國地球物理學會理事、地球電磁專業(yè)委員會副主任，美國SEG委員，四川省有突出貢獻優(yōu)秀專家，享受國務(wù)院政府特殊津貼，成都市政協(xié)委員，重點致力于地球探測與信息技術(shù)學科專業(yè)領(lǐng)域，主要研究方向包括電磁探測、災害搜索技術(shù)與救助理論等，已出版專著2部，公開發(fā)表學術(shù)論文50余篇，有12篇論文被SCI、EI、ISTP檢索。