句法視角下礦山地下空間結(jié)構(gòu)研究與優(yōu)化

李雯靜 陳曼麗 任大軍

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430081)

隨著智慧礦山建設(shè)的全面推進,以及礦山開采深度持續(xù)下降,人類逐步將對礦山空間的認知拓展到了地下[1]。礦山地下空間主要是指在礦區(qū)地表以下為了開采的需要所構(gòu)成的空間,是地下空間的組成部分[2]。隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)等新興技術(shù)的高速發(fā)展,以“3S”技術(shù)為基礎(chǔ)的研究范圍與領(lǐng)域趨于多元化,利用GIS技術(shù)研究地下空間的表達方式、分析其結(jié)構(gòu)規(guī)律等逐漸成為研究熱點[3-6]。

1984年倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)的比爾·希列爾(Bill Hillier)等人共同創(chuàng)立了一套研究空間組構(gòu)的理論——空間句法理論[7],經(jīng)過30余年的發(fā)展,該理論被廣泛應(yīng)用[8]。在宏觀層面上,空間句法被應(yīng)用于城鄉(xiāng)空間形態(tài)研究[9-10]、城市土地利用分析[11]、城鄉(xiāng)公共空間分析[12]以及城鄉(xiāng)歷史空間保護[13]等方面,涵蓋了城市的宏觀尺度、中觀尺度與微觀尺度研究[14]。在微觀層面上,空間句法在風(fēng)景園林分析與改造[15]、商業(yè)建筑[16]等公共空間結(jié)構(gòu)分析方面應(yīng)用廣泛[17],對公共空間的研究不僅包含地上的商場[18]、學(xué)校[19]、圖書館[20]等建筑,還將分析視角延伸到了城市地下空間[21],如地下步行街[22]、地鐵場站[23]等。馮嘉瑜[18]利用空間句法理論結(jié)合人流數(shù)據(jù)對深圳市萬象天地的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能分布進行量化分析,研究了人流分布的特點,有助于提升空間質(zhì)量。ASKARIZAD等[20]將空間句法應(yīng)用于評估半開放空間對公共圖書館的社交作用,通過分析消除圖書館中的半開放空間前后的整合度等指標(biāo)變化,發(fā)現(xiàn)半開放空間對公共圖書館的社交能力有積極影響。張桂如[21]通過對句法變量與空間特征之間的相互影響關(guān)系及人的行為軌跡進行量化分析,對地下豪布斯卡空間的使用效率進行了評價,并通過分析影響句法參數(shù)的因素,提出地下豪布斯卡優(yōu)化方案,改善了地下空間的使用效率及空間體驗。這些研究驗證了空間句法被用來分析空間組構(gòu)與功能之間關(guān)系的可行性,礦山地下空間作為地下空間的組成部分,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境惡劣,且受地質(zhì)構(gòu)造、礦體埋藏等條件制約,近年來對其空間組構(gòu)與布局規(guī)律的相關(guān)研究鮮有成果問世。

礦山地下空間開采工程通常耗資巨大,且具有不可逆性,因此,要用可持續(xù)發(fā)展的眼光建設(shè)和優(yōu)化空間組構(gòu),在前期對礦山地下空間設(shè)計做詳盡的分析論證,能有效提高工作效率和空間利用率,節(jié)約成本,充分利用礦產(chǎn)資源。盡管在地下礦山中,礦石的巖性和采礦工藝在巷道掘進、塑造工作空間中起著重要作用,但仍然不能忽視礦山地下空間本身的規(guī)律性和主體性作用。對礦山地下空間進行研究,能夠深入了解其組構(gòu)機理,分析拓撲結(jié)構(gòu)的內(nèi)在邏輯特性以及功能性,掌握其分布規(guī)律,為礦山開采基建階段的空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃以及后期的空間優(yōu)化輔助決策提供可靠依據(jù);同時對礦山的空間結(jié)構(gòu)以及空間單元之間的關(guān)系進行分析研究,能夠為礦山智慧化建設(shè)提供參考。

1 空間句法

空間是為了滿足人類需求的產(chǎn)物,是完全被動的[14]。礦山地下空間是為了滿足人們對礦山的開采需求而形成的,其中,井巷工程及其內(nèi)部的生產(chǎn)系統(tǒng)是與采礦活動聯(lián)系最密切的空間要素?？臻g句法作為一種可以對不同空間尺度的網(wǎng)絡(luò)對象進行量化分析的工具,能夠揭示空間形式與空間功能之間存在的相關(guān)性及其邏輯特性,空間布局形式對其使用功能與人類活動具有影響。

1.1 空間尺度劃分與空間分割

同一空間在不同角度下有不同的描述方法,從認知觀點出發(fā),空間有大尺度與小尺度之分,個體可以對小尺度空間定點感知,而大尺度空間無法從某一點來感知整體。因此,大尺度空間可以說是小尺度空間的集合,對整體空間的認知分析可以從小尺度空間計算著手?？臻g句法基于這一理論基礎(chǔ),將大尺度的研究對象分割為有限數(shù)目的小尺度研究空間,通過對小尺度空間分析映射出對大尺度空間的理解[24]。

不同尺度的空間都包含空間物體和自由空間兩部分,自由空間具有任意可達性,即在自由空間內(nèi),個體從任一點出發(fā)都能到達其它任何點,空間句法理論以圖論為基礎(chǔ),側(cè)重對自由空間的表示。根據(jù)自由空間所呈現(xiàn)的線性、非線性情形,空間句法有3種空間分割方法,分別為軸線方法(線性)、凸多邊形方法(非線性)、視區(qū)分割法(非線性)。礦山地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巷道網(wǎng)絡(luò)較為密集(圖1(a)),對于密集分布的建筑及建筑群體,用最少且最長的軸線繪制,更能保留其空間特征屬性,因此采用軸線方法對其進行空間分割(圖1(b)),用軸線代替礦山地下空間巷道走向(圖1(d));根據(jù)可視性判斷其空間關(guān)系,進而形成礦山地下小尺度空間的連接圖(圖1(c)),搭建巷道空間單元間的拓撲關(guān)系,圖的結(jié)點即為分割的各單元,結(jié)點的連接與否取決于各分割單元之間是否相交或相連。

圖1 地下礦山空間分割與軸線模型構(gòu)建示意Fig.1 Schematic of the establishement of space division and axis model of underground mine

1.2 礦山地下空間形態(tài)分析變量

空間句法是一種空間理論分析方法,由一套分析、定量和描述工具組成,主要包含連接值、控制值、平均深度值、整合度和可理解度5個形態(tài)變量,用以量化建成空間的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征[8]。

(1)連接值。巷道空間單元的連接值高低,反映了該巷道空間單元的滲透性優(yōu)劣程度。巷道空間單元的連接值越高,其滲透性越好,即與其他空間單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系更為密切,通達性也越好;反之,通達性越差。對于空間單元i(節(jié)點i)而言,相應(yīng)的巷道空間連接值Ci為與單元i相交的其他巷道空間單元的數(shù)量總和k,反映了該巷道空間單元在全局拓撲網(wǎng)絡(luò)中的連通能力。

(2)控制值。控制值是該巷道單元對與之相交的巷道單元之間控制能力的度量,在數(shù)值上,控制值即為連接值的倒數(shù)。在礦山地下空間中,相互連接的巷道空間單元越多,巷道空間單元被分到的權(quán)重越小,則該巷道空間單元對其他相連空間單元的控制能力越弱?？刂浦涤嬎愎綖?/p>

式中,C′i為巷道空間單元i的控制值;k表示與第i個巷道空間單元相連的節(jié)點數(shù)。

(3)平均深度值。深度值是指從一個巷道空間單元到另一個巷道空間單元的最短拓撲距離,空間句法理論更關(guān)注空間單元之間的拓撲關(guān)系,因此本研究最短距離表達的是從一個巷道空間單元到另一個巷道空間單元需要轉(zhuǎn)換的次數(shù)。同一空間系統(tǒng)中,不同的參照空間背景同一巷道空間單元的深度值不同,因此單一研究某空間單元的深度值無實質(zhì)意義,應(yīng)將其進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,取平均深度值[25],計算公式為

式中,MDi為巷道空間單元i的平均深度值;dij為巷道空間單元i與單元j之間的拓撲距離;n為礦山地下空間的巷道空間單元總數(shù)?？梢?平均深度值是指在礦山地下空間中某巷道空間單元到其他所有巷道空間單元的最小拓撲步數(shù)總和與其他巷道空間單元數(shù)的比值。深度值MDi越大,說明該巷道空間單元越難到達。

(4)整合度。整合度是用來衡量某巷道空間單元與其他空間單元之間的離散程度,有全局整合度和局部整合度之分。全局整合度表示某巷道空間單元在整個礦山地下空間系統(tǒng)中的離散程度,局部整合度即為某巷道空間單元在幾個拓撲距離內(nèi)的離散程度。整合度計算公式為

式中,Ii為巷道空間單元i的整合度;當(dāng)計算全局整合度時,n表示礦山地下空間單元總數(shù);計算局部整合度時,n表示距離該巷道空間單元幾個拓撲距離內(nèi)的空間單元總數(shù)。整合度越高,說明到達該巷道空間單元越便捷,當(dāng)?shù)V山地下空間系統(tǒng)的全局整合度值越高時,說明礦山地下空間布局越緊湊,工作人員更容易到達。

(5)可理解度?？衫斫舛纫卜Q作智能度,是用來橫向?qū)Ρ瓤臻g可識別性的依據(jù),反映局部與整體空間結(jié)構(gòu)的耦合程度。其計算公式為

式中,R2為可理解度;為所有巷道單元空間連接度均值;為所有巷道單元空間整合度均值。可理解度即為空間單元能夠被用戶理解的程度,即用戶從局部空間出發(fā)能夠推斷出整體空間結(jié)構(gòu)的能力,表達了局部空間變量與整體空間變量的相關(guān)性。當(dāng)可理解度較高時,說明用戶更容易從礦山地下空間的局部空間了解到整體布局。

2 礦山地下空間結(jié)構(gòu)特征量化分析

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1.1 研究區(qū)概況

本研究以國內(nèi)某地下金屬礦山的東區(qū)礦段為例進行分析。該礦段主要呈NW—SE向分布,將該區(qū)分為3個部分(圖2),西北方向為區(qū)域Ⅰ,中部為區(qū)域Ⅱ,東南方向為區(qū)域Ⅲ,巷道集中分布在中部區(qū)域Ⅱ,主運輸階段巷道呈“通道”狀組合,其他分支巷道集中在主運輸巷道周圍,交錯分布。該礦段共有38個監(jiān)控位置,主要分布在巷道交叉口、溜井、變電硐室、避險硐室附近。在不同的巷道空間單元分布有開停傳感器、風(fēng)速傳感器、O2/CO/CO2傳感器等。

圖2 某地下礦礦段平面分布Fig.2 Plan distribution of the ore block of an underground mine

2.1.2 巷道空間拓撲單元劃分與軸線模型構(gòu)建

地下礦山巷道是指埋藏在地下的礦體之間鉆鑿出的各種通路,井下巷道主要分為探礦巷道、生產(chǎn)巷道和采礦巷道三大類,主要用于行人、通風(fēng)、排水等,保證地下礦山開采正常運作[2]。在空間句法中,軸線代表著觀察者的視線在行進過程中能到達的最遠處[16],工作人員在地下礦山的空間動線以巷道為主要路徑,從巷道內(nèi)穿越,人的視點也位于巷道空間內(nèi)部。在巷道掘進過程中,由于礦區(qū)地形、地質(zhì)構(gòu)造、礦體埋藏條件、巖石性質(zhì)及水文地質(zhì)條件等制約,視線無法像在其它建筑物內(nèi)部一樣形成筆直的通路。因此在劃分巷道拓撲空間單元時,需要在在遵循軸線數(shù)量最少且最長、保留完整巷道空間拓撲關(guān)系原則的同時,考慮巷道偏轉(zhuǎn)角度的影響,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度超過一定范圍,對觀察者來說無疑加深了空間的視覺深度。如圖3所示,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為0°或10°時,在觀測區(qū)內(nèi)所觀測到的巷道空間單元的其他位置視覺深度相同,可用一個軸線來代替;當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為45°時,從觀測區(qū)內(nèi)到巷道連接角后的深度值是不同的,需用兩條軸線表示。在保證全局拓撲空間結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上,結(jié)合巷道自身特性,以巷道始端為觀測區(qū),當(dāng)巷道從始端到末端具有相同的視線深度時,通常情況下該巷道可以被視為一個空間單元。當(dāng)以巷道始端為觀測區(qū),視線無法直接到達末端時,說明其具有不同的視線深度,通常在巷道連接角處隔開,將其視為兩個或者多個巷道空間單元(圖3)。

圖3 巷道拓撲單元劃分示意Fig.3 Schematic of the division of roadway topological units

本研究基于空間句法,構(gòu)建礦山地下空間巷道軸線模型,將該礦段分割為913個巷道拓撲空間單元?？紤]巷道實體間的拓撲關(guān)系以及巷道自身特性,搭建空間單元之間的拓撲連接關(guān)系,利用Depthmap空間結(jié)構(gòu)分析軟件進行相關(guān)量化分析,計算特征指數(shù)。

2.2 礦山地下空間全局形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能特征分析

該礦山地下空間系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)特征指數(shù)用全局整合度(式(3))來表示,量化分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:該礦山地下空間全局整合度最高值為1.152 4,整體偏低,說明該礦段整體可達性較低,巷道空間單元之間的關(guān)聯(lián)程度不高。從整體上看,該礦段巷道空間單元中心性較強,區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ巷道空間單元分布較為稀疏,中部區(qū)域Ⅱ分布較為密集,主要原因是區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ是近年來主要的采掘工作區(qū),巷道空間尚未完全建設(shè)完畢,正處于開發(fā)擴建階段,而中部區(qū)域Ⅱ礦石已基本開采完畢。全局整合度高的巷道空間單元主要分布在區(qū)域Ⅱ,且大多為該空間系統(tǒng)的主要開拓巷道,用以實現(xiàn)礦石采掘與運輸、人員流動以及通風(fēng)排風(fēng)等功能,是該礦段空間交互最為活躍的區(qū)域。

圖4 礦山地下空間全局整合度分布Fig.4 Distribution of the global integration of mine underground space

在空間形態(tài)結(jié)構(gòu)研究中,整合度最高的區(qū)域被視為空間整合度核心。該礦山地下空間共由913個巷道空間單元構(gòu)成,選取整合度值前5%的巷道空間單元作為整合度核心,包括45條軸線,具體如圖5所示。由圖5可知:該礦山地下空間整合度核心較為連續(xù),與2014年基建巷平面結(jié)構(gòu)高度一致,說明該礦山地下空間核心結(jié)構(gòu)在2014年已初步搭建完畢。隨后的礦石開采與巷道掘進工作大多基于2014年基建巷向其內(nèi)部延伸和外部擴展,整體形成了礦山地下空間的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。

圖5 礦山地下空間整合度核心對比Fig.5 Comparison of the core of integration degree of mine underground space

基于空間句法理論,對該礦山地下空間的全局分布特征研究表明,2014年已建成礦山地下空間的主體架構(gòu),且該礦山地下空間系統(tǒng)巷道空間單元呈聚集性分布,整合度核心區(qū)域是礦石搬運的主要場所和礦工移動的關(guān)鍵巷道,也是連接采掘面與主井、副井的樞紐,在礦山地下空間擴展和工程推進過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但從全局來看空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巷道空間單元通達性較差,聯(lián)系程度較低,主要是因為地下空間不同于地上空間,人為設(shè)計和主導(dǎo)能力較差,特別是礦山地下空間,其本身較為閉塞,且該空間主要是為礦石開采、運輸活動而構(gòu)建的,受巖體走向、地形以及地質(zhì)構(gòu)造等因素干擾嚴重。

2.3 礦山地下空間局部形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能特征分析

本研究采用局部整合度、平均深度、控制度、連接度和選擇度參數(shù)表示礦山地下空間系統(tǒng)中的局部結(jié)構(gòu)特征,如圖6所示。由于礦山地下空間是礦石開采的主要工作空間,通常情況下礦工作業(yè)時活動范圍相對固定,因此,選擇3個拓撲距離(R=3)觀察該空間系統(tǒng)的局部整合度(圖6(a)),局部整合度最大值為2.8722,最小值為0.333 3。局部整合度核心(圖6(a)中加粗軸線)相對于全局整合度核心連續(xù)性不強,主要聚集在區(qū)域Ⅱ的主要開拓巷道,在區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ內(nèi)主要分布在礦塊與礦塊之間的主要運輸巷道。這些整合度高的巷道空間單元與選擇度高的巷道空間單元(圖6(b))基本重合,是整個礦山地下空間內(nèi)部礦工活動較為頻繁的位置。但主井位置選擇度值為0,是選擇度最低的巷道空間單元之一,說明連通主井的巷道空間單元對空間系統(tǒng)內(nèi)部的人流、車流吸引能力較弱,總體看來分布較為離散,無法形成集中性高的可達性巷道空間網(wǎng)絡(luò)。圖6(c)顯示,該礦山地下空間整體連接度較低,連接值高的位置主要是在各礦塊內(nèi)部,而作為主要運輸巷道的整合度核心連接值相對較低,說明主要運輸巷道圍合而成的內(nèi)部空間滲透性較好,有利于將礦塊內(nèi)部開采的礦石運至主要運輸巷道,確保將礦石安全、高效地運至地表。

圖6 礦山地下空間局部特征指數(shù)分布Fig.6 Distribution of the local characteristic indexes of mine underground space

區(qū)域Ⅰ是近年來主要的開采區(qū)域,該區(qū)域平均深度值較高(圖6(d)),位于最末端的巷道空間單元,深度值遠遠高于其他區(qū)域。由于該區(qū)域巷道空間單元多呈“魚骨狀”和“樹枝狀”分布,故連接值(圖6(c))較高,空間滲透性較好。但由于整合度核心部分與該區(qū)域有一段距離,且開拓巷道末端為采掘工作面,不能形成一個較為完整的通路,縱觀全局,該區(qū)域控制度(圖6(e))較高,但選擇度值極低,因而該區(qū)域的空間通達性不佳。區(qū)域Ⅰ作為近年來主要的開拓巷道與采礦作業(yè)區(qū),通達性不高,工作人員與礦車難以到達該區(qū)域。一般來說,主要開拓巷道走向位置選擇與礦石搬運要求在地形條件允許的情況下,盡量節(jié)省地下運輸運用,達到最小的運輸功,顯然,現(xiàn)階段該區(qū)域并不能滿足此要求。因此,應(yīng)優(yōu)化空間單元,使該區(qū)域盡可能與主要運輸大巷相連,提高礦山地下空間整體的聚集程度。

在礦石開采、切割過程中會產(chǎn)生大量的有毒氣體,回風(fēng)巷的功能是將此類有毒氣體排出地下空間,因此回風(fēng)巷是不能行人、行車的。通過圖2中的主要運輸巷道與圖5中整合度核心分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),高整合區(qū)域與主要運輸大巷的空間位置較為一致。但是圖5中的X段巷道空間單元,雖然其全局整合度、局部整合度與選擇度值都很高,但并沒有作為主要運輸巷道,主要是因為在地下礦山基礎(chǔ)建設(shè)中,必須考慮該礦山地下空間的通風(fēng)功能。X段巷道空間單元整合度高、選擇度高,但距離主井位置相對較遠,運輸?shù)V石的車輛在盡量保證最小運輸功的情況下不會選擇穿行此段巷道空間單元,所以作為回風(fēng)巷道使用較為合理,該實例同時也驗證了該礦山地下空間單元與功能之間具有映射關(guān)系。

2.4 礦山地下空間可理解度分析

礦山地下空間可理解度可以定義為:用戶從局部空間能夠反映對整體空間的感知與理解能力?？衫斫舛雀叩目臻g系統(tǒng)會對人們對空間的認知產(chǎn)生有益的引導(dǎo),可以更為順暢地通過局部來了解整體空間;較低的可理解度則會對人們產(chǎn)生誤導(dǎo),并為尋路行為帶來障礙。

本研究利用空間句法模型對該地下金屬礦山東礦段區(qū)域進行空間可理解度分析,如圖7所示。計算結(jié)果總體呈線性分布(線性表達式為y=1.652 77x+0.336 857),通過式(4)計算得到的回歸系數(shù)R2,表示該礦山地下空間的智能度,局部與整體之間的R2越高,則空間的可理解度越高,全局與局部之間的協(xié)同程度也越高。通常情況下,R2小于0.2時,整體空間與局部空間的相關(guān)性偏低,R2為0.2～0.4時說明相關(guān)性一般,R2為0.4～0.7時說明相關(guān)性較高,R2大于0.7時,說明相關(guān)性極高。

圖7 礦山地下空間可理解度分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of comprehensibility of mine underground space

通過計算得出該礦段整體呈網(wǎng)絡(luò)狀的空間布局,R2為0.192 6,局部礦山地下空間與整體空間擬合效果較差,整體空間可理解度較低,流線的選擇具有多樣性,難以從局部空間形態(tài)感知該礦段平硐整體分布,空間導(dǎo)向性較弱,進一步反映了由于采礦工藝、礦區(qū)地形、礦床勘探程度、地質(zhì)構(gòu)造、礦體埋藏條件以及礦石巖性等多種因素的作用,形成了變化多樣、與復(fù)雜地質(zhì)條件相融合的巷道空間網(wǎng)絡(luò)。

3 礦山地下空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

在礦山開采前期的規(guī)劃準(zhǔn)備階段,設(shè)計的原則是盡可能使空間結(jié)構(gòu)簡單,盡可能降低掘進費用和運礦車輛的運輸功。在安全避險系統(tǒng)環(huán)境搭建階段,合理的系統(tǒng)布置要顧及空間結(jié)構(gòu)局部特征。在后期地下礦巷道擴建改造階段,新建巷道空間單元要與已有的空間單元實現(xiàn)合理過渡,以使主要巷道仍然保留其使用價值。對空間結(jié)構(gòu)規(guī)律性與功能性的優(yōu)化研究[8],需貫穿礦山開采、運維的各個階段。根據(jù)上述計算分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該礦山地下空間結(jié)構(gòu)特征決定了巷道空間單元功能分布,整合度核心聚集在區(qū)域Ⅱ,應(yīng)加強區(qū)域Ⅱ的安全生產(chǎn)“八大系統(tǒng)”和安全避險“六大系統(tǒng)”建設(shè)。此外,現(xiàn)階段該礦山地下空間的主要工作面(區(qū)域Ⅰ)通達性指標(biāo)不佳,需要提高該局部空間與整體空間的聯(lián)系。

3.1 優(yōu)化安全避險系統(tǒng)功能布局

在完整的礦山地下空間中,每個巷道空間單元都可以被視作獨立的個體。當(dāng)每個巷道段都被視作中心時,由于不同的巷道空間單元所能輻射到的區(qū)域和控制的范圍不盡相同,造成了巷道段整合度的差異性。對單獨的巷道空間單元來說,整合度代表著該段巷道作為井下工作人員運動目的地的潛力。當(dāng)每個巷道段被視作運動路徑時,不同的空間單元被選擇性穿越的機會不同,故巷道空間單元的選擇度反映了該階段被用作井下礦石運輸、工作人員通行的潛力。因此,建立合理完善的安全避險系統(tǒng),首當(dāng)其沖要保證高整合度、高選擇度巷道空間單元的安全。對于本研究區(qū)域來說,即要完善該礦段中部區(qū)域Ⅱ主要開拓巷道的設(shè)施,除了在巷道掘進過程中對這些巷道進行加固以及后期重點維護之外,安全生產(chǎn)與安全避險系統(tǒng)也要合理布置,保證其設(shè)施的完備,提高地下安全開采水平。選擇度、連接度較高的區(qū)域主要集中在該空間中部區(qū)域Ⅱ,這更加說明了該區(qū)域是整個空間生產(chǎn)運作的腹地,是礦車與用戶通行的樞紐,是連接其他巷道空間單元的便捷通道,同時也是地下礦山安全生產(chǎn)“八大系統(tǒng)”和安全避險“六大系統(tǒng)”安裝設(shè)置的中心區(qū)域。

3.2 設(shè)置巷道封堵,優(yōu)化空間格局

通常情況下,一座礦山的開采時限長達數(shù)十年,而部分已經(jīng)開掘完成的礦床以及巷道重復(fù)利用率很低,且大多地下礦山平硐都是呈網(wǎng)絡(luò)狀的平面分布形態(tài),礦山地下空間的導(dǎo)向?qū)哟胃休^弱。根據(jù)以上相關(guān)分析可知,現(xiàn)階段該礦山地下空間存在局部整合度核心較為離散、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可達性與滲透性較弱、主要工作面通達性較差等問題。地下金屬礦山是一個拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生產(chǎn)空間,且具有一定的封閉性,結(jié)構(gòu)不易被人感知與理解,人們在其中難以辨別方位,當(dāng)發(fā)生緊急情況時,容易造成疏散混亂,逃生難度遠高于地上建筑空間。由于礦山地下空間的不可逆性,難以對其已建成的巷道空間單元進行大幅度改造,因此可采用操作方便的巷道封堵方式,對部分廢舊巷道進行封堵,克服空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間智能度不高、主要采掘工作區(qū)結(jié)構(gòu)不夠合理的不足,有利于礦井安全、高效生產(chǎn)。

通過將整合度與選擇度較低的已開掘的部分輔助巷道進行封堵,簡化礦山地下空間的平面局部結(jié)構(gòu),同時注重主運輸階段和副運輸階段的分層分級,保留主要開拓巷道,強化整體平面空間層次,保留該礦山地下空間整體架構(gòu),提升礦山工作者在較大規(guī)模的地下礦山中對空間整體結(jié)構(gòu)的認知效率。在礦山地下空間簡化過程中,盡量保留主要階段運輸巷道,對副運輸階段巷道封堵時要保留通風(fēng)、回風(fēng)巷道等主要空間單元,以及其他安全避險措施和基礎(chǔ)設(shè)施(沉淀池等),保留2019—2020年開拓巷道基本結(jié)構(gòu),對2018年及以前的輔助巷道、掘進巷道進行封堵,保留主要開拓巷道以保證空間結(jié)構(gòu)的完整性,并提高近年來主要開拓區(qū)域的整合度,活化巷道空間。優(yōu)化后的空間分布如圖8所示,空間形態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)如表1所示。

由表1可知:優(yōu)化后的礦山地下空間全局與局部整合度、連接值、深度值并沒有明顯變化,且優(yōu)化后的選擇度最大值降低,但是整體的選擇度明顯提高,由原有的9 308.429提升到12 821.5,說明優(yōu)化后的礦山地下空間相較于優(yōu)化前具有較大的吸引力,提高了巷道空間單元的穿越功能。通過圖8(a)與圖4對比分析可知:礦山地下空間構(gòu)造被重塑,在全局整合度上,優(yōu)化后的空間在保留了原有整合度核心巷道空間單元的同時,提升了近年來正在開采的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ巷道空間單元的整合度。圖8(b)與圖6(a)對比分析可知:在局部整合度上,顯著提高了采掘區(qū)域的主要開拓巷道的局部整合度,提高了局部整合度核心的連續(xù)性,簡化了空間結(jié)構(gòu),活化了巷道空間,更有利于礦工在空間內(nèi)工作與流動,使空間分布更為合理,提高了主要開拓巷道的使用效率。

圖8 礦山地下空間優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Optimization results of mine underground space

表1 某礦山地下空間優(yōu)化前后空間形態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)Table 1 Spatial structure indexes of mine underground space before and after optimization

4 結(jié) 論

(1)分析了礦山地下空間認知與巷道功能之間的關(guān)系,以問題為導(dǎo)向總結(jié)了礦山地下空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化與提升改造的方向,并以實例加以驗證。研究表明:礦山地下空間結(jié)構(gòu)形態(tài)與巷道功能之間存在映射關(guān)系,證實了將空間句法應(yīng)用于礦山地下空間結(jié)構(gòu)分析的可行性。從宏觀至微觀視角,將空間句法理論應(yīng)用到地下金屬礦山空間結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化中。通過借鑒句法各量化分析方法分別對某地下金屬礦山東區(qū)礦段的整體空間特征以及正在開采的礦塊局部空間特征進行分析;結(jié)合全局整合度與局部整合度梳理巷道脈絡(luò),分析巷道空間單元的分布規(guī)律,強化礦山地下空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展基礎(chǔ);將軸線分析理論應(yīng)用到礦山地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化中,綜合考量當(dāng)前的空間布局特征,并據(jù)此對安全避險“六大系統(tǒng)”進行合理布置,以獲得結(jié)構(gòu)完整、布局清晰的礦山地下空間組構(gòu),從而對巷道前期的開采設(shè)計與后期的空間優(yōu)化提供直接且有效的支持和引導(dǎo)。

(2)礦山地下空間是一個龐大的三維空間系統(tǒng),但目前空間句法模型大多針對二維平面的拓撲結(jié)構(gòu)進行分析,因此本研究主要對礦山地下空間中位于同一水平面的平硐空間進行分析。通過局部和全局視角來分析空間組構(gòu)特征及規(guī)律,未來可嘗試從空間多尺度和時間多尺度視角對空間結(jié)構(gòu)進行更為細致地分析,并將分析結(jié)果應(yīng)用于地下礦山避難硐室選址與最優(yōu)認知路線規(guī)劃中,提高地下礦山開采的安全性。