3. Методы и средства обнаружения пострадавших при авариях
На сегодняшний день нет возможности полностью предотвратить взрывы и обрушения в шахтах, так как внезапность взрыва может быть обусловлена выделением газа метана, а также наличием взрывчатой угольной пыли. При подземных авариях в шахтах, которые сопровождаются обрушениями горных пород, очень часто возникает ситуация, когда подземный персонал шахты сосредотачивается в пределах изолированных участков выработок за завалами или попадает непосредственно в завалы пород. В этих условиях эффективность работ по ликвидации последствий подземных аварий могла бы быть существенно повышена, если бы в распоряжении горноспасательных подразделений находились поисково-информационные средства для осуществления контакта с потерпевшими за завалами и для определения места расположения людей, которые попали непосредственно в зону завалов. Средства определения локализации потерпевших в завалах содействовали бы спасению жизни многим из них, а также снижению экономических затрат связанных с ликвидацией последствий подземных аварий.
В настоящее время существуют средства поиска людей под завалами, но их работа значительно осложнена наличием горных пород на пути распространения радиоволн. Это приводит к значительным потерям энергии сигнала от передатчика. Поэтому дальность обнаружения объектов поиска существенно ограничена.
В Севастопольском Национальном техническом университете разработан метод определения дальности при поисково-спасательных операциях и система поиска людей под завалами в шахтах с использованием проникающих свойств переменного магнитного поля низкой частоты.
Поисковая система обеспечивает требуемую дальность обнаружения и способна локализовать каждого человека из рабочего персонала, находящегося в потенциально опасной зоне или под завалом. Она работает в длинноволновом диапазоне. На сегодняшний день длинные волны (ДВ) используются для подземной радиосвязи, так как они могут проникать в горную породу на десятки метров. В этом диапазоне радиоволн для всех видов земной поверхности ток проводимости существенно преобладают над током смещения, благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Важным свойством длинных волн является то, что такие сигналы не испытывают чрезмерного поглощения энергии электромагнитного поля проводящим слоем пород.
Поисковая система представляет собой радиолокационную систему с активным ответчиком. Пассивный ответчик не обладает необходимой энергетикой в условиях сильного затухания электромагнитного поля. Активный же приемоответчик на выходе дает мощный сигнал, необходимый для обеспечения требуемой дальности связи. Приемоответчик или «маячок» размещается непосредственно на объекте поиска. Для идентификации объекта «маячок» формирует сигнал с уникальной частотой. Для одновременного приема сигналов от нескольких «маячков», их частоты должны быть отличными друг от друга. Питание «маячка» осуществляется от аккумулятора головного светильника. Не исключено автономное питание «маячка» с периодической подзарядкой от основного аккумулятора, так как может возникнуть ситуация, когда аккумулятор светильника полностью разрядится.
Поисковая система включает в себя несколько «маячков» по числу шахтеров, работающих в забое и три поисковых устройств, которые осуществляют поиск по принятым сигналам от «маячков». Каждое поисковое устройство производит селекцию принятых сигналов по частоте, а по уровню этих сигналов определяет дальность до объекта поиска. Зная три расстояния до объекта поиска, измеренные из трех разных точек и решив тригонометрическую задачу, можно определить координаты каждого радиомаяка.
Поисковая система работает следующим образом. Поисковое устройство генерирует короткий импульс большой мощности, который принимается магнитной антенной «маячка», далее усиливается и активизирует приемоответчик. Каждый «маячок» периодически, в течение определенного времени генерирует и излучает в пространство свой уникальный сигнал. Этот сигнал принимается антенной катушкой поискового устройства, которая настраивается на максимум принимаемого сигнала путем поворота ее в азимутальной плоскости. Принятый сигнал является результатом действия исключительно магнитных сил и численно равен ЭДС индукции, наведенной в приемной катушке. По уровню этого сигнала можно судить о расстоянии до объекта поиска. Зная расстояния от «маячка» до каждого поискового устройства можно определить координаты его нахождения под завалом.
«Маячок» представляет собой приемопередатчик, который по принятому сигналу запроса от поискового устройства формирует и передает гармонический низкочастотный сигнал, по уровню которого на приемной стороне определяется его местоположение. Исходя из выполняемых задач, «маячок» имеет магнитную антенну, приемный и передающий тракт; а также устройство управления в виде микроконтроллера (МК). Необходимость применения МК для обработки сигналов приемной части (ПЧ) «маячка» и управления передающей частью (ПДЧ) объясняется достаточной сложностью выполняемых им логических функций. Принцип действия «маячка» представлен структурной схемой на рис.1.
«Маячок» включает в себя: магнитную антенну МА, устройство ограничения УО, избирательный усилитель ИУ, пороговый детектор ПД, микроконтроллер МК, формирователь сигнала ФС и усилитель мощности УМ. И – индикатор.
Рис.1. Структурная схема «маячка»
Сигнал поискового устройства, принятый магнитной антенной, поступает через устройство ограничения на интегральный усилитель, в котором усиливается до необходимого уровня. Пороговый детектор срабатывает на этот сигнал и формирует управляющий сигнал для микроконтроллера. Получив команду от порогового детектора, микроконтроллер включает формирователь сигнала, который генерирует сигнал определенной частоты. Этот сигнал усиливается усилителем мощности и поступает на вход магнитной антенны. Устройство ограничения необходимо для того, чтобы излучаемый сигнал антенной «маячка» не попадал обратно на вход «маячка». Индикатор предназначен для оповещения шахтеров о том, что их ищут. Упрощенная структурная схема поискового устройства изображена на рис.2.
Рис. 2. Структурная схема поискового устройства
Поисковое устройство состоит из следующих блоков: ЗГ – задающий генератор, УМ – усилитель мощности, МА1 – магнитная антенна, предназначенная для излучения пускового импульса. МК – микроконтроллер, ИУ – избирательный усилитель, И – индикаторное устройство и МА2 – магнитная антенна, предназначенная для приема сигнала от «маячка». Задающий генератор формирует зондирующий радиочастотный импульс. В усилителе мощности этот сигнал усиливается до нужного уровня. В МА1 этот сигнал создает магнитное поле, которое воздействует на «маячок». По полученному сигналу «маячок» генерирует ответный сигнал, который принимается МА2. Принятый сигнал усиливается в ИУ и анализируется с помощью микроконтроллера. Результаты обработки и вычисления выводится на индикатор. Антенна «маячка», как и антенна поискового устройства, представляет собой катушку с ферритовым сердечником. В технической литературе такие антенны принято называть магнитными ферритовыми антеннами, и они относится к классу рамочных антенн. Так как дальность связи ограничивается ста метрами, а рабочая длина волны составляет несколько километров, то можно считать рабочую дистанцию поисковой системы ближней или индуктивной зоной излучения антенны. В ближней зоне излучения передающей антенны всегда преобладает магнитная компонента электромагнитного поля, и которая не претерпевает существенного затухания в горных породах, поэтому наиболее удачным является применение именно этого класса антенн в качестве передающих. С другой стороны, магнитные антенны более восприимчивы к переменному магнитному полю. Электрическая составляющая поля в ближней зоне мала и к тому же ослаблена проводящим слоем горных пород, поэтому при зондировании переменного магнитного поля ею можно пренебречь. Это объясняет использование магнитных ферритовых антенн в качестве принимающих.
Для определения координат объекта поиска и направления поиска необходимо использовать три поисковых устройства, разнесенных на определенное расстояние. Каждое поисковое устройство определяет расстояния до «маячка» и, решая, таким образом, тригонометрическую задачу, определяется направление поиска и координаты объекта поиска.
В целях обеспечения быстрого и эффективного поиска горнорабочих, застигнутых обрушением горных выработок по заказу ГВГСС разрабатан комплекс средств поиска пострадавших в завалах "Пеленг" (рис.3).
Комплекс состоит из блока излучения (БИ), представляющего собой автоматически запускаемый по определенному алгоритму импульсный радиопередатчик, встраиваемый в шахтный индивидуальный светильник, и носимого приемника сигналов (ПС), используемого горноспасателями.
Ориентировочное местонахождение пострадавшего определяется по ориентации приемника на завал с нескольких точек контроля.
Рис.3. Поиск горняков в завале комплексом средств "Пеленг"