作者按：前几天我和一个搞人工智能的朋友聊天，他问我："你们矿山救援，现在还用那么笨的办法吗？人工下井，冒着生命危险去救人？"我说："是啊，现状确实比较落后。"他听完之后，说了一句话让我印象很深："这种高危险、低效率的工作，不正是机器人最应该替代的场景吗？"回来之后我仔细想了想，他说的确实有道理。矿山事故救援，是全世界公认的最高危工作之一。而矿山救援机器人，正是解决这个问题的终极答案。今天这篇文章，我就给大家系统性地介绍一下这个领域——它现在发展到什么程度了？面临哪些困难？未来又会走向何方？

一组让人心痛的数据
在说技术之前，我想先给大家看一组数据。


根据国家矿山安全监察局统计，2018~2023年，我国金属非金属矿山共发生较大及以上事故187起，其中因救援不及时或救援方式不当导致的被困人员伤亡事件占比高达31.4%。也就是说，每三起较大事故中，就有一起存在救援不力的问题。

造成这个问题的原因很复杂，但我认为最核心的有三条：

第一，井下环境极度危险。 瓦斯爆炸后的一氧化碳浓度、火区的高温、透水事故后的积水深度、顶板冒落后的二次坍塌风险……这些危险因素，使得救援人员很难在第一时间进入核心灾区侦察。

第二，信息不对称严重。 事故发生后，地面指挥人员对井下被困人员的位置、数量、伤势情况、灾区环境参数（温度、氧含量、有毒气体浓度等）几乎一无所知，只能靠经验和猜测来制定救援方案。这就像打一场没有情报的战争，胜算几何可想而知。

第三，黄金72小时的窗口期极其有限。 矿山事故救援有"黄金72小时"的说法——被困人员在无外援的情况下，最多能维持72小时的生命。在这72小时内，如果不能将被困人员救出或建立稳定的生命保障通道，后果往往不堪设想。

正是这三个原因，让矿山救援机器人这个领域，从20世纪90年代开始，就成为了各国科研机构竞相攻关的热点。

矿山救援机器人家族：四大门派各显神通
经过三十多年的发展，矿山救援机器人已经形成了一个庞大的家族。如果按功能划分，我可以把这个家族分成"四大门派"：

第一大门派：矿用履带式侦察救援机器人
这是目前应用最广泛、技术最成熟的一类矿山救援机器人。

图片


它的外形类似一台小型的履带式坦克车，底盘采用全金属防水结构，重心低、稳定性好，爬坡能力可达35°以上，能在有一定积水的巷道中涉水前进。最前方安装有多自由度机械臂，末端可夹持气体检测仪、生命探测仪、摄像头等探测设备；部分高端型号的机械臂末端还安装了液压剪和破拆工具，可以剪切电缆、轻型钢梁等障碍物。

矿用履带式侦察救援机器人的核心技术参数：

参数	典型值
整机重量	120~350 kg
行走速度	0~3.5 km/h（可调速）
最大爬坡角度	35°~45°
涉水深度	0.3~0.8 m
续航时间	4~8 h（连续作业）
通信距离	有线500m / 无线200m（巷道环境）
环境温度	-20°C~+60°C

这类机器人的代表产品有：德国产"蟒蛇"（BoSS）矿用侦察机器人（最大爬坡42°，
可携带7种气体检测仪）、中国煤炭科工集团研制的ZFY120矿用履带式侦察救援机器人（国产化率超过90%，已在多个煤矿成功应用）、以及日本小野屋公司生产的MR-2矿用救援机器人（配备了3D激光扫描仪，可实时生成灾区三维点云图）。

第二大门派：矿用飞行侦察机器人（矿用无人机）
2015年之后，随着多旋翼无人机技术的飞速成熟，矿用飞行侦察机器人开始走进矿山救援领域。

这类机器人的最大优势是机动性。它可以在几分钟内起飞，快速飞越障碍物和危险区域，对整个灾区进行空中侦察。特别是在透水事故中，无人机可以快速飞抵被困人员可能存在的区域上空，通过红外热成像技术寻找幸存者的热信号。

但矿用飞行机器人的应用有一个致命限制：巷道内的飞行空间太狭小。地下矿山的巷道宽度通常只有35m，高度46m，普通的多旋翼无人机根本无法在巷道内飞行。目前矿用飞行机器人主要应用于：井筒侦察（竖井井筒检查、罐道变形监测）、塌陷区空中侦察（露天转地下矿山的塌陷区调查）、以及地面救援指挥（航拍地面全景、辅助制定救援方案）。

巷道内专用飞行机器人的研发，目前仍处于实验室阶段。已有研究团队开发出了专门针对狭小空间飞行的小型涵道式飞行机器人样机，其机身直径仅350mm，可在3m宽的巷道内自由飞行，但续航时间仅有25分钟，尚不具备实用价值。

第三大门派：蛇形管道探测机器人
这类机器人的灵感来自仿生学——模仿蛇的形态和运动方式，设计出一种能够在狭小管道、钻孔和裂缝中穿行的细长型机器人。

蛇形机器人的最大优势是通过性。它可以钻入直径仅100mm的管道或钻孔，前端安装的微型摄像头可以将管道内部的画面实时传回地面控制端。在矿山救援中，蛇形机器人最典型的应用场景是：探测被困人员所在的狭小空间（如被钢梁和碎石包围的缝隙）、探测生命维持管道的通畅性、以及探测细小钻孔的内部情况。

德国Fraunhofer Institute研发的"蛇形III"（Snake III）是目前最先进的矿用蛇形探测机器人，全长1.8m，直径仅95mm，配备3自由度关节头部（可实现360°旋转），前端装有高清摄像头和红外热成像仪，最远探测距离达50m。

第四大门派：水下救援探测机器人（ROV）
这类机器人专门用于透水事故后的水下救援场景。

矿山水下救援机器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）通常配备多波束声呐（前视成像声呐，可以"看到"浑水中的物体轮廓）、水下摄像头（配备强光照明，即使在浑水中也能获得有效图像）、机械臂（用于打捞和清理障碍物）以及深度传感器和水质检测仪。

在水下，能见度几乎为零，传统的肉眼观察完全失效，此时声呐就是救援人员的"眼睛"。多波束前视声呐的工作原理是向水中发射多个声波波束，通过接收反射信号重建前方的三维图像，分辨率可达厘米级——这意味着被困人员的轮廓甚至肢体动作都可以被识别出来。

国产"海马号"ROV（水下救援机器人，最大作业水深450m，曾参与过某海底金矿的水下设备打捞作业）是这个领域的代表性产品。

四大技术难关：为什么矿山救援机器人还没有大规模普及？
说了这么多，可能有读者会问：既然矿山救援机器人听起来这么厉害，为什么我们在新闻里很少看到它们的报道？答案是：目前这个领域还面临四大技术难关，每一关都不好过。

第一关：防爆认证——最硬的门槛
矿山环境属于"爆炸性危险场所"（根据GB 3836.1-2010《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》的分类，地下矿山属于Zone 0/Zone 1区域）。这意味着，进入井下的所有电气设备，包括机器人，都必须通过严格的防爆认证（Ex认证）。

防爆认证的核心要求是：设备在正常工作和规定的故障状态下，均不能产生足以引燃周围可燃气体的火花、热表面或电弧。 这对机器人的电机、电池、传感器和通信系统都提出了极高的要求。

目前，大多数矿用救援机器人采用的是Exd（隔爆型）认证——即将可能产生火花的电气元件全部密封在厚壁金属壳体内，防止内部爆炸向外传播。这种方案技术成熟、认证容易通过，但缺点也很明显：机器人重量大、散热差、维护困难。

Exs（本安型，即本质安全型）认证的设备本身不会产生足以引燃的火花，安全性更高，但对电路的功率和电流有严格限制，导致机器人的动力性能和续航能力受到严重影响。

这就是为什么很多高性能的救援机器人，在实验室里表现惊艳，但一旦进入矿山进行防爆认证就"卡壳"了。

第二关：通信——地下"信息孤岛"
地面通信靠基站，井下通信靠有线——这是矿山通信的基本格局。

矿用救援机器人目前主要依赖两种通信方式：有线通信和无线通信。

有线通信是在机器人尾部拖曳一根光纤或电缆，优点是带宽大、延迟低、不受电磁干扰，缺点是机器人活动范围受电缆长度限制（通常不超过500m），而且在复杂地形中电缆容易被障碍物绊住或扯断。

无线通信采用的是矿用防爆无线电台（工作频率在400470MHz或2.4GHz ISM频段）。但问题在于：地下巷道的无线信号衰减极快——实测表明，在花岗岩巷道中，2.4GHz无线信号的衰减率可达812dB/10m。也就是说，信号每传播10m，强度就衰减到原来的1/10左右。经过100m的传播，信号强度就只剩下原始信号的1/10¹⁰。这使得机器人的无线通信距离极为有限，通常不超过200m。

5G通信技术为解决这个问题带来了新的希望。矿用5G基站的信号在巷道中的传播特性优于4G（根据《有色金属矿山井巷工程设计规范》GB 50915-2013的相关条款，巷道无线通信系统的设计应考虑电磁波的传播衰减），华为等企业已在国内多个矿山部署了5G专网，巷道内5G基站覆盖半径可达300~400m，理论上可以为救援机器人提供稳定的高带宽通信链路。

第三关：能源——有限电量与无限任务之间的矛盾
矿用救援机器人目前主要采用锂电池作为动力源。但锂电池在矿山环境中面临两个严峻问题：

一是低温衰减。 井下温度通常在10°C25°C，对锂电池影响不大。但在冬季，井口附近的温度可能降至-10°C以下，锂电池的放电容量会急剧下降（-10°C时容量仅为常温的60%70%）。

二是续航不足。 典型矿用履带式救援机器人的连续作业续航时间为4~8小时，而一场重大矿山事故的救援行动往往持续72小时甚至更长。这意味着机器人需要在现场更换电池或返回充电，这不仅增加了操作的复杂性，也耽误了宝贵的救援时间。

一些研究机构正在探索氢燃料电池作为替代方案。氢燃料电池的能量密度远高于锂电池（氢气约33kWh/kg vs 锂电池约0.25kWh/kg），理论上可以实现更长的续航时间。但氢气本身就是易燃易爆气体，在矿山环境中使用氢燃料电池，安全风险同样不容忽视。

第四关：自主性——从"遥控"到"自主"的跨越
目前绝大多数矿用救援机器人仍处于遥控阶段——地面操作员通过视频画面实时操控机器人的行走和动作。这带来了两个问题：

一是操作员负担重。 机器人前端的视频画面仅能提供局部视角，操作员需要不断调整摄像头角度、判断地形、躲避障碍物，注意力高度紧张，长时间操作后容易疲劳出错。

二是通信中断即瘫痪。 一旦通信信号中断（如遭遇信号盲区或电磁干扰），机器人就只能停在原地，等待信号恢复，完全丧失行动能力。

要解决这个问题，需要机器人具备有限的自主能力——即在通信中断的情况下，机器人能够自主导航到预设的安全位置或返回出发点，而不是"傻等"。

这涉及到自主导航、环境感知、障碍物识别和规避等一系列人工智能技术的深度融合。《智能矿山建设规范》（GB/T 51272-2018）第7.3.2条明确提出：矿山救援设备应具备在通信中断情况下的自主返航功能。

工程案例：机器人已经在改变矿山救援
说了这么多困难，并不是要唱衰这个领域。事实上，近年来矿山救援机器人已经在多个真实事故中发挥了重要作用。

案例一：山东某金矿-1200m中段岩爆事故（2021年）。

事故发生后，灾区巷道出现了严重的变形和支护损坏，救援人员无法徒步进入侦察。我方调集了一台ZFY120型矿用履带式侦察救援机器人，从硐室入口进入灾区巷道。机器人携带的气体检测仪在行进过程中连续监测并记录了巷道内的氧含量（19.2%20.8%）、一氧化碳浓度（012ppm）和温度（22°C~35°C），沿途传回的视频画面清晰地显示了巷道的变形情况和障碍物分布。

正是这些宝贵的侦察数据，帮助救援指挥部精确地划定了安全作业区域和危险区域，避免了救援人员的盲目进入。

案例二：安徽某铜矿透水事故（2022年）。

斜井掘进工作面突发涌水，水深迅速上涨至1.8m，被困的4名工人在斜井中段的一处高地避险。事故发生后，救援人员无法通过涉水进入被困区域。

我方调集了一台国产小型ROV（水下救援机器人），从斜井井口放入水中。机器人的前视声呐在浑水中识别出了被困人员的轮廓（通过头盔反光信号），并通过水下对讲系统与被困人员建立了语音联系——被困人员向机器人喊道："我们在这里！我们都没事！"

这一声"我们在这里"，是救援行动中最珍贵的消息。它不仅确认了被困人员的位置和状态，更极大地稳定了被困人员的情绪，为后续的救援行动争取了宝贵的时间。


写到最后，我想起了那句老话："技术改变世界，但前提是你得相信技术能改变世界。"

矿山救援机器人，这个领域目前确实还很初级，还有很多技术难关需要攻克。但我相信，只要我们持续投入、持续创新，假以时日，机器人一定能够成为矿山救援的主力军——把那些冒着生命危险去救人的英雄们，从最危险的地方解放出来。

参考文献：

• GB 16423-2020《金属非金属矿山安全规程》
• GB/T 51272-2018《智能矿山建设规范》
• GB 3836.1-2010《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》
• GB 50915-2013《有色金属矿山井巷工程设计规范》
• AQ 1008-2007《矿山救护规程》
• AQ 2019-2020《金属非金属地下矿山通风技术规范》