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1、1 引言1.1我国煤炭工业背景1.1.1我国煤炭工业发展状况煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。我国煤炭资源丰富，煤炭资源分布面积约60多万平方公里，占国土面积的6%。根据第三次全国煤炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量5.57万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一。已查明资源中精查资源量仅占25%，详查资源仅占17%。探明储量达到10202亿吨。其中可开采储量1891亿吨，占18%，人均占有量仅145吨，低于世界平均水平。国务院制订的能源中长期发展规划纲要（2004-2020）（草案）指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全
2、面发展的战略”。鉴于我国“多煤、贫油、少气（天然气）”的特点，在今后一段相当长的时间内，能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占70%左右。煤炭占我国一次能源生产的70%以上，在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用。根据我国全面建设小康社会的需求，煤炭消费的趋势将有明显上升。在煤炭消费用户的构成中，电力、冶金、建材、化工4个行业煤炭消费量占煤炭消费总量从1990年的50%提高到2004年的84%，其中电力占51.8%，冶金11.64%，化工10.5%，建材10.06%。电力用煤的消费量从1990年占27%提高到2004年的51%，将近增长一倍。 我国煤炭资源分布广泛但不均匀。全国除
3、上海外，其他省(区)、市均有探明储量。从地区分布看，储量主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、云南、贵州、河南和安徽，七省储量占全国储量的81.8%，分布呈现出“北多南少”、“西多东少”的特点。进入21世纪，我国煤炭工业快速发展，2000年全国产煤9.9亿吨，2001年产煤11.04亿吨，2002年13.8亿吨，2003年16.67亿吨。2004年全国产煤19.56亿吨，占全国一次性能源生产总量的74.3%，当年煤炭销售量为18.91亿吨，占全国一次性能源消费总量的65%，均居世界第一位。2005年煤炭产量达21亿左右，创历史最高水平。全行业实现整体盈利，生产力水平显著提高，产业结构调整取得重大进
4、展。一些企业开始跨地区、跨行业的产业联合，煤、电、化、路、港、航产业链开始形成，形成了一批在国内领先、在国际上具有一定竞争力的大集团，如神华集团、山西焦煤集团、兖州矿业集团等。我国煤炭产量急剧上升，得到了全世界的关注。1.1.2我国煤矿安全现状我国的煤炭产量居全世界第一位，年产量占全世界煤炭产量的37左右 ，但煤矿事故频发，发生数和死亡人数分别占我国工矿商贸企业事故起数和死亡人数的2691和4026，占世界煤矿死亡人数近80。近年来，国家对煤矿事故高度重视，加大了监控力度，煤矿事故大大下降，全国煤炭百万吨死亡率从2002年的494下降到2O07年的1485；死亡人数从2001年的5670人降至
5、2007年3786人。 但煤矿事故仍然频繁发生，2001年到2005年间，全国煤矿共发生一次死亡39人的重大事故1 398起，平均每年发生280起，占全国各类重大事故的l1 ；发生一次死亡l029人特大事故214起，平均每年发生43起，占全国各类特大事故的36；发生一次死亡30人以上特别重大事故42起，平均每年发生8起，占全国各类特别重大事故的58。煤炭百万吨死亡率仍远远超过其他国家。2005年我国煤炭百万吨死亡率为2836，是美国(百万吨死率为00405)的70倍，南非(百万吨死亡率为01668)的17倍，波兰(百万吨死率为02837)的10倍，印度和俄罗斯(百万吨死率为0405)的7倍。在
6、煤矿事故中，瓦斯、水害和顶板事故最为常见。在全国煤矿一次死亡3人以上的事故中，瓦斯事故居第一位，水害事故居第二位；顶板事故总量占全国煤矿事故起数的50以上，死亡人数居第二位。瓦斯事故对煤炭企业安全生产影响最大，其发生率和引起的死亡人数都占相当大的比重。2007年全国煤矿共发生瓦斯事故272起，死亡l 084人，其中死亡人数超过l0人以上的重特大瓦斯事故22起，死亡人数达460人。瓦斯事故造成百人以上死亡的情况也累见是鲜：2000年9月27日，贵州木冲沟煤矿瓦斯事故死亡l62人；2004年10月20日郑州大平煤矿瓦斯事故死亡l48人；2005年2月14日阜新孙家湾煤矿瓦斯事故死亡214；2007
7、年洪洞新窑煤矿瓦斯事故死亡l05人。1.1.3瓦斯爆炸的危害 瓦斯爆炸的危害主要有三点： （1）爆炸瞬间形成的冲击波 速度大于音速，压力可达几十个大气压。危害：人员创伤、巷道毁坏、冒顶、设备翻到破坏、摧毁矿井通风设施等。 作用范围几千米，甚至冲出地面。 （2）火焰波 速度从每秒几米到100m/s至音速以上。温度达2000以上。造成人体皮肤、呼吸器官等烧伤，烧坏电气设备、可引燃井巷中的可燃物。作用范围较小，一般为几十米到几百米。 （3）大气成份的变化 瓦斯爆炸后，空气中氧浓度下降，燃烧生成大量的CO2和H2O，以及不完全反应产生的CO。作用范围与爆炸后通风系统状况有关，可波及下风侧的生产区域。瓦
8、斯爆炸后，空气中的CO会造成井下人员一氧化碳中毒。一氧化碳中毒是含碳物质燃烧不完全时的产物经呼吸道吸入引起中毒。中毒机理是一氧化碳与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高200300倍，所以一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。对全身的组织细胞均有毒性作用，尤其对大脑皮质的影响最为严重。当人们意识到已发生一氧化碳中毒时，往往已为时已晚。因为支配人体运动的大脑皮质最先受到麻痹损害，使人无法实现有目的的自主运动。可手脚已不听使唤。所以，一氧化碳中毒者往往无法进行有效的自救。医学研究表明空气中CO浓度高于0.02%时，人在其中停留23小时，前头
9、部会轻微的头痛。当浓度大于0.04%时，人在其中停留12小时，前头痛、呕吐。2.53.5小时，有后头痛。当浓度大于0.08%时，人在其中停留45分钟，会头痛、眩晕、呕吐。停留2小时就会意识不清。当浓度大于0.16% 时，人在其中停留20分钟，会头痛、眩晕、呕吐。停留2小时就会死亡。当浓度大于0.32% 时，人在其中停留510分钟，会头痛、眩晕。停留30分钟就会死亡。当浓度大于0.64% 时，人在其中停留12分钟，会头痛、眩晕。停留1530分钟就会死亡。当浓度大于1.28% 时人在其中停留13分钟就会死亡。然而瓦斯爆炸后，CO的浓度一般也达到0.4%以上。因此，CO中毒死亡是井下人员伤亡的主要因
10、素之一。 1.2国内外救援车辆的发展现状救援车辆也称救援机器人，它是为救援而采取先进科学技术研制的机器人。救援机器人的种类有很多，如煤矿救援机器人，地震救灾机器人，军用战地救援机器人，消防救灾机器人，山地救援机器人等1.2.1煤矿用救援机器人煤矿救灾机器人需要在矿井发生灾害时完成环境探测和营救任务。由于技术和矿井环境等原因，可将矿井救灾机器人做成搜救机器人和营救机器人两种专门用途的救灾机器人。 (1)搜救机器人 所谓搜救机器人则是进行灾害环境和遇险人员探测，并为伤员提供一定救助的机器人，这种机器人不需要做成很大就能够满足功能上的要求。该种机器人身上一般携带多种类型传感器。先于抢险人员进入井下，
11、发挥自身的越障功能到达矿井深处。探测井下爆炸事故破坏后的环境和人员情况。为救灾指挥人员提供重要的现场灾害信息。同时，搜救机器人上携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具，以协助被困人员实施自救和逃生。 例如蛇形机器人，它具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。 (2)营救机器人 该种机器人需要将受伤矿工转移到安全地方，需要有足够的力量，因此其体积、尺寸不可能太小。目前矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于矿井灾害环
12、境探测机器人。1.2.2地震救灾机器人该种机器人国内国外研制的比较多，例如2010年7月中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室就研制出了空中搜索探测机器人、废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人，在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。 空中搜索探测机器人能够实现昼间低空灾情侦察、夜间被困人员搜索、投放救灾物资、喷洒防疫药品等功能。废墟洞穴搜救可变形机器人能够实现地震灾后幸存者搜索与辅助救援应用。废墟表面搜救机器人能够对假设的内部情况不明的危险区域进行侦测。通过音频、视频、有害气体探测等多种技术手段实现对生命迹象和废墟内部威胁进行判断
13、。 1.2.3军用战地救援机器人为减少战争中士兵在战场的伤亡数量，如图1.1所示为美国研制的战地用救援机器人，可用于军事搜索和营救任务，其水压臂可以托起重达400磅（比全副武装的伞兵还要重）的受伤战士，且在承载重物时依然移动平缓，这样能避免给受伤士兵增加痛苦。它的双手是两把平平的“铲子”，能够“铲起”躺在地上的伤兵。研发者说，下一代机器人将在双手的灵活性上有所改进，从而“铲”得更温柔一些。机器人的双腿和双脚都装有履带，从而能在崎岖道路或楼梯上自如行驶。它的臀部、膝盖和脚部还有轮子。在平滑地面上，它可以转换到两个轮子的行驶模式，行动更加快捷。它还能灵活地转换多种姿势，以适应不同路况。图1.1 为
14、了使机器人在转换姿势时保持稳定，研发人员给机器人装备了测速仪和陀螺仪，以监控身体移动，并探测身体是否失去平衡。电脑控制的发动机能够随机调整下肢动作，防止它跌倒。目前，这种机器人还需要进行遥控，但一种自动视觉系统正在计划中，不久即可派上用场，到时候这种机器人能够自行其事。1.2.4消防救灾机器人消防机器人主要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中从事火场侦察、化学危险品 探测、灭火、排烟、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏、反恐防暴等特种消防作业。如图1.2中的机器人是我国首台智能消防机器人，它可在五百度高温环境下自主连续作 图1.2业， 遥控操
15、作可达二百米， 爬坡最大角度四十五度， 具有防水、防爆功能。另外， 它还配备了红外线热像仪、远红外摄像头、测温仪、可燃气体探测仪等先进侦察器材， 并安装了视频传输平台， 可在高温、浓烟、有毒等人员无法进入的恶劣、危险环境下进行侦察。并将现场采集到的图象及现场温度、可燃气体、有毒气体浓度等相关信息数据及时向外传输， 为救援决策提供依据。1.3问题的提出当煤矿井下发生瓦斯爆炸之后，井下氧气含量迅速下降，空气中弥漫着大量的有毒气体，因此必须进行长达数小时乃至几天的主井强制送风作业，同时井下环境异常凶险，井下呈现出非常复杂的非结构化环境，各种碎片散落堆积、并可能伴有积水、淤泥等；矿井入口变得狭小、空间
16、有限，矿井下面充满爆炸腐蚀性气体到处充满碎片和不稳定结构，缺少照明通讯困难。更为危险的是，爆炸发生之后很可能再发生二次爆炸，因此次生事故极易发生。在以往事故中伤亡人员有相当一部分是救护人员，如2004年6月15日，陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡 ；2005年1月8日，渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职嘲；2006年8月23日，六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡，2人重伤，1人轻伤。因此抢险人员一般难以在第一时间进入，
