《煤田地质与勘探》“矿山灾害生命保障应急救援”

《煤田地质与勘探》“矿山灾害生命保障应急救援” | 专题

来源：煤田地质与勘探

矿山发生重大灾害事故时，会导致井筒、巷道破坏，人员被困井下。目前，应急救援主要有井下和地面两种方式：井下具备施工条件时，构建穿过坍塌段的大直径救援通道，是最直接的救援方式。被困人员距离安全出口较远或有二次灾害发生的危险，短时间内难以形成井下救援通道时，地面钻孔应急救援成为解救更多生命的有效手段，通过构建小直径生命保障孔进行人员搜寻、信息联络、给养输送，通过构建大直径钻孔实现人员升井脱困。开展上述救援通道所需的技术与装备研发是时下的热点和难点。现整理出“矿山灾害生命保障应急救援”相关成果，供大家参考学习。

行业视野: 安全
类别; 70个
关键词; 61位
专家; 15篇
论文; 2314IP
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救援钻孔用双钻头扭矩自平衡钻进系统理论与实验

作者(Author)：高科, 张聪, 赵研, 李旭, 闻育民, 吕晓姝, 谢晓波

摘要：快速安全构建应急救援通道是在矿山事故发生后解救井下被困人员的有效方法，常规救援井钻进技术主要有潜孔锤冲击钻进技术和复合钻进技术，存在钻机结构庞大、钻进工艺复杂、对地层扰动大和中靶率低等不足，尤其在破碎地层易产生二次事故，很难有效满足救援要求。为确保救援钻孔的地层适应性和孔壁稳定性，提出了双钻头扭矩自平衡钻进方法，建立了双钻头逆向驱动数学模型，通过独立逆向驱动内外2个钻头实现双钻头的同步逆向回转碎岩，上部钻具主要受简单的轴向拉压力作用，对井壁产生的扰动微弱。同时，双钻头交替给进互相扶正，可有效防止孔斜，实现精确中靶。双钻头扭矩自平衡钻进系统主要包括近钻头驱动局部扭力闭式自平衡、内外钻头钻压调节和钻具传压隔扭3大部分。依据该系统的功能需求，设计了钻具整体结构系统，并利用有限元分析软件对内钻头传扭轴、调压丝杆和传压隔扭轴承座等关键部件进行强度校核与优化，研制了一套双钻头扭矩自平衡钻进系统功能样机。对整套系统双钻头同步回转、交替给进、系统密封和自动控制等进行一系列测试和调控检测，并开展针对软、中硬和硬3种不同岩性岩石的室内钻进试验，结果表明：该系统对孔壁和岩心的扰动小、中靶率高，在不同岩性地层均具有较高的钻进速度，验证了双钻头在近钻头驱动下扭矩自平衡的可行性，为矿山灾害生命保障救援通道的快速安全构建提供了一种安全高效的方法。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

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矿山钻孔救援多源信息探测技术研究与应用

作者(Author)：郑学召, 孙梓峪, 郭军, 张铎, 陈刚, 何芹健

摘要：矿山钻孔救援是一种新型救援技术，在其救援过程中为快速准确获取钻孔通道信息、被困人员位置距离、灾区气体环境特征，实现井下被困人员与井上救援指挥人员的双向视音频通信，采用多源信息融合、双码流网络视频服务、边缘计算、本安型电路控制及超宽带雷达等技术方法进行理论攻关和技术研发，提出2个关键技术：灾区多种传感器数据实时采集与传输技术、隐蔽空间生命信息探测技术，前者能够实现钻孔救援过程中多源信息的实时探测与呈递，而后者能够实现障碍物后的人员生命信息探测和定位。在此基础上进行样机试制和现场试验，研发出矿山钻孔救援多源信息探测系列设备：大容量便携式本安电源、超宽带雷达探测系统(可穿透障碍物探测生命)、钻孔救援多源信息(视音频、温度、气体环境参数)探测系统，运用该套设备参与山东平邑石膏矿、山东笏山金矿事故救援，均成功探测到被困人员，检测了钻孔通道信息和井下环境信息；在新疆丰源救援事故中对井下涌水、气体环境进行了实时监测，避免了救援人员的二次伤亡。系统包括潜水、视音频环境监测钻孔探测器、基于双绞线的钻孔通信线轮盘、系统监测终端。成果的研发与应用能够为长距离钻孔内多源信息探测提供一定的装备支撑和技术借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

49

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基于改进A*算法的煤矿救援机器人路径规划

作者(Author)：姜媛媛, 丰雪艳

摘要：路径规划是煤矿救援机器人研究的重要内容之一。针对灾后煤矿环境非结构化的特点，以及传统A*算法规划的路径长度非最短、拐弯次数多和平滑度较差等问题，提出一种基于改进A*算法的煤矿救援机器人路径规划方法。对真实环境中的地图信息进行二值化处理，构建栅格地图；判断当前点与目标点的相对位置，利用改进A*算法进行路径规划，得到一条从当前点到目标点的路径；利用Douglas-Peucker（D−P）算法提取路径上的关键节点，采用三次样条插值函数对关键节点进行拟合，完成对路径的平滑处理。改进A*算法将传统A*算法的8邻域搜索扩展为有目的性的13邻域搜索，在进行路径搜索时，先对当前点和目标点的位置关系进行判断，从而减少路径节点，减小路径长度，提升路径平滑度。Matlab仿真结果表明：与8邻域A*算法、24邻域A*算法、48邻域A*算法相比，改进A*算法在路径长度、拐弯次数、平滑度等方面有一定优化，更适用于煤矿救援机器人路径规划；与Fuzzy算法相比，改进A*算法路径规划所用时间更短，规划的路径长度更短，拐弯次数更少。

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工矿自动化

2023年第08期

207

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双钻头自平衡钻进系统用多通道连续缆管设计

作者(Author)：赵研, 艾红欣, 高科, 张丛珊, 吕晓姝, 谢晓波

摘要：为解决矿山灾害钻孔救援过程中地面钻机对地下钻头“长臂管辖”式驱动导致的钻进效率低、对孔壁扰动大和起下钻辅助时间长等问题，提出了无钻机双钻头仿生自平衡连续缆管钻进技术，而多功能连续缆管设计是该技术的重点和难点之一。为此，根据自平衡钻进系统的需求，从功能、结构、参数三大方面对多通道连续缆管进行设计。为实现连续钻进，多通道缆管需要同时具备泥浆循环、电能与信号传输和电磁屏蔽等功能，此外，还要具有足够强度和良好的弹性。对缆管的铠装缆线外径、内管与外管内外径参数进行设计并计算钻井液环空上返流速，计算结果表明缆管内外管直径参数设计满足最低上返流速要求。采用理论计算与数值模拟相结合的方法对缆管的关键部件进行受力分析，对外管抗拉压弯强度及外管壁抗挤压强度等进行强度校核。结果表明：多通道连续缆管结构设计合理，性能可靠，能够满足无钻机双钻头仿生自平衡钻进系统的技术要求，为矿山灾害无钻机双钻头仿生自平衡钻孔救援工作提供一种安全可靠、快速机动的多通道连续缆管技术和方法。

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煤田地质与勘探

2023年第04期

189

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钻孔救援连续缆管储放设备研制

作者(Author)：高科, 牛鑫, 赵研, 秦小琳, 吕晓姝, 谢晓波

摘要：双钻头仿生自平衡连续钻进技术具有无需钻机、钻进速度快和对井壁扰动小等优点，是构建矿山灾害保障救援通道的潜在关键技术之一。该技术中的连续缆管由于内置有电源、信号和排屑等通道，要求在储放过程中不能出现像现有滚筒式绞车储存连续管时存在的互咬、挤压和设置动静导电滑环等情况，故需研制与之匹配的专用连续缆管地面储放设备。依据双钻头自平衡钻进技术的需求和连续管滚筒式绞车储存技术存在的不足，提出了连续缆管套筒式储存和夹持式输送原理，构建了连续缆管套筒式储存和输送模型，并应用有限元分析软件对连续缆管的夹持输送过程进行模拟分析。依据双钻头仿生自平衡钻进系统对连续缆管的性能要求，确定了整机尺寸参数，并对整机的运行参数进行了计算，建立了适用于连续缆管外径为50.8 mm、井眼深度小于1 016.8 m、场地面积小于50 m2钻井工况的钻孔救援连续缆管储放设备三维模型。最后，研发了与本设备匹配的电控系统，并对加工组装好的整机进行了连续缆管夹持输送、储放设备运行、连续缆管储放等机电一体化联调与试验。结果表明：连续缆管储放设备运行平稳，在连续缆管存储和输送过程中，无互咬和锁死现象，没有动静导电滑环，能够满足双钻头仿生自平衡钻进系统的技术需求，为钻孔救援双钻头自平衡连续钻进提供了必要的装备支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

115

73
基于模糊粒子群算法的钻杆运移装置控制系统研究

作者(Author)：张宁, 刘祺, 邵俊杰, 常江华, 罗鹏平, 邹祖杰

摘要：在大直径救援井施工起下钻作业中，钻杆运移装置用于大直径钻具输送及钻柱接续。针对钻杆运移装置定位过程中钻杆易产生振动，难以快速、准确地将钻杆举升至动力头翘起角度进行对扣的问题。首先分析了钻杆运移装置的结构特点和工作原理，利用结构关系推导了钻杆举升时的运动学模型，得出钻杆末端接头与举升油缸和运移小车运动规律的映射关系，并采用有限元方法建立了钻杆举升时的动载受力模型，得出了钻杆末端接头的振动加速度主要由举升油缸和运移小车的工作速度所决定，且各部件的工作速度主要由各自的输入流量所确定；其次引入了基于模糊粒子群优化算法的综合误差评价函数，将钻杆末端接头的转角误差和位姿误差作为输入信号，采用加权法进行计算出综合误差和加速度误差，利用梯形隶属度函数构造了模糊控制规则，得出综合误差、加速度误差与比例参数、积分参数、微分参数之间关系，完成PID的控制参数调节，实现了对钻杆末端接头的主动抑振控制；最后利用MATLAB软件搭建了数值仿真模型，以某次钻杆运移装置工作时测量数据信号为例进行仿真研究，系统综合误差只需0.9 s可将振幅衰减至峰值的10%以下，同时加速度误差仅为0.05 mm/s2，并通过现场应用试验进行了验证。试验结果表明：该钻杆运移装置的控制方法可以实现钻杆举升过程的主动抑振，定位过程中钻杆末端接头能够在短时间内进入稳态，采用模糊控制器时平均加卸单根钻杆时间约192.8 s，节约时间约60 s，整体加卸钻杆效率提高24%。研究结果为提高钻杆运移装置的整体施工作业安全性和施工效率提供了理论基础。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

202

79
基于谱聚类的救援提升车故障诊断方法

作者(Author)：李立晶, 常大帅, 李磊, 柴君飞

摘要：针对救援提升车结构复杂、工况故障数据独立性差、故障诊断难的特点，提出一种基于谱聚类的半监督支持向量机救援提升车故障诊断算法。该算法利用谱聚类的思想挖掘原始故障数据的隐藏特征信息，有效区分不同耦合程度的部件系统中故障信息的独立结构特征。首先根据原始输入数据建立故障图谱，然后通过建立拉普拉斯矩阵获取更加符合聚类假设的核函数，最后，建立半监督支持向量机模型，利用梯度下降算法求解最终分类结果。将上述算法应用于XCA30＿JY救援提升车工况故障诊断系统，通过搭建真实仿真环境，对采集到的工况数据进行分类，获取最终分类效果。为评价其性能，分别与传统支持向量机及梯度下降半监督支持向量机进行比较。实验结果表明：提出的算法对于救援提升车故障诊断具有较好的分类效果，救援提升车工况故障分类错误率降低至10.2%，可有效解决复杂工况故障诊断难题。由于本算法具备任意样本空间聚类及非凸函数优化求解能力，因此，除可广泛应用于车载故障诊断系统外，对于数据分类、模式识别等方面具有普遍的应用和指导意义。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

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