地理信息系統(tǒng)在煤礦開(kāi)采事故中的應(yīng)用

劉東亮

摘?要：一直以來(lái)，煤礦安全事故是困擾煤炭綠色、安全、高效開(kāi)采的首要問(wèn)題。地球信息系統(tǒng)將地球科學(xué)與信息學(xué)、圖像學(xué)等融合在一起，可以用來(lái)構(gòu)建煤礦資源分布圖、地下開(kāi)采空間構(gòu)造圖以及反應(yīng)煤炭開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通常被用于評(píng)估和監(jiān)測(cè)采礦活動(dòng)造成的環(huán)境影響。本文構(gòu)建了面向煤礦開(kāi)采事故預(yù)防及處置的地球信息系統(tǒng)模型，該模型在煤礦事故發(fā)生前可以起到預(yù)測(cè)預(yù)警的作用;在煤礦事故發(fā)生過(guò)程中可以規(guī)劃逃生路線;在煤礦事故發(fā)生后可以指導(dǎo)救援工作開(kāi)展;在煤礦事故結(jié)束后可以協(xié)助分析事故原因等，地球信息系統(tǒng)在煤礦開(kāi)采事故中能夠發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：煤礦;開(kāi)采事故;地球信息系統(tǒng);模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TB???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.16.107

長(zhǎng)期以來(lái)，如何保證安全生產(chǎn)、杜絕安全事故的發(fā)生一直是煤礦開(kāi)采的首要問(wèn)題，尤其對(duì)于地下煤礦開(kāi)采。煤礦開(kāi)采事故能夠直接導(dǎo)致人員的傷亡、機(jī)器和設(shè)備的損壞以及生產(chǎn)停滯等災(zāi)難性問(wèn)題，給煤礦企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。盡管當(dāng)今煤礦開(kāi)采技術(shù)在不斷提高，安全防護(hù)工作也不斷加強(qiáng)，但煤礦安全事故仍然時(shí)有發(fā)生。這表明煤礦安全事故的預(yù)測(cè)和防范仍然是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。煤礦開(kāi)采時(shí)，地下礦井環(huán)境由于其特殊性質(zhì)，涉及開(kāi)采人員、機(jī)械設(shè)備、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等大量相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。有效地采集、處理和分析這些數(shù)據(jù)對(duì)于降低與煤炭開(kāi)采事故相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。迄今，雖然很多煤礦企業(yè)已經(jīng)建立了信息管理和安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)仍?xún)H限于提供煤礦地圖的顯示和查詢(xún)等較為基礎(chǔ)的功能;并且，其他以現(xiàn)場(chǎng)傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏用戶(hù)友好和交互的界面，難以運(yùn)用，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)處理不足和顯示現(xiàn)實(shí)模型的表現(xiàn)能力不足。動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的表觀信息和內(nèi)在信息，因此，需要一個(gè)新的管理系統(tǒng)在視覺(jué)上表現(xiàn)良好的地圖上使用，并與現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理分析，使得數(shù)據(jù)分析更加方便、快捷、準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防和及時(shí)處理煤礦開(kāi)采事故的目的。

地球信息系統(tǒng)（geographic?information?system，GIS）是創(chuàng)建、管理、分析和映射所有類(lèi)型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。GIS將數(shù)據(jù)與地圖連接在一起，將位置數(shù)據(jù)與所有類(lèi)型的描述信息集成在一起，為用于科學(xué)研究和幾乎所有行業(yè)的繪圖和分析奠定了基礎(chǔ)。GIS幫助用戶(hù)理解工作模式、關(guān)系和地理環(huán)境、提高溝通效率以及做出更好地管理決策。目前，GIS的應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域中，幾乎每個(gè)領(lǐng)域都在使用GIS開(kāi)展全球范圍內(nèi)的通信交流、執(zhí)行分析、共享信息和解決復(fù)雜問(wèn)題等。GIS通過(guò)允許使用空間參考數(shù)據(jù)來(lái)促進(jìn)地下安全監(jiān)測(cè)，其中系統(tǒng)通過(guò)其數(shù)據(jù)庫(kù)和管理工具、處理和分析工具以及特色顯示工具發(fā)揮作用。這些處理和分析工具將用于監(jiān)測(cè)礦山安全環(huán)境和指導(dǎo)煤礦開(kāi)采事故預(yù)防與處理。本文以GIS為主體，將其與現(xiàn)場(chǎng)傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相集成，建立高效的GIS應(yīng)用模型，并對(duì)其使用范圍進(jìn)行詳細(xì)的探討研究。

1?GIS在煤礦開(kāi)采事故的應(yīng)用意義

GIS已成為監(jiān)測(cè)和規(guī)劃礦產(chǎn)資源的地下開(kāi)采非常有效的工具，特別是具有重大安全隱患礦產(chǎn)資源的開(kāi)采。GIS因具有可視化和集成各種數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能，已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)礦產(chǎn)資源勘探和開(kāi)采。GIS不僅用于監(jiān)測(cè)，還可用于當(dāng)安全事故發(fā)生時(shí)指導(dǎo)應(yīng)急疏散，即根據(jù)不同的場(chǎng)景為礦井內(nèi)的各個(gè)位置或區(qū)域規(guī)劃最有效的逃生路線。另外，GIS可通過(guò)地質(zhì)條件和水文條件等預(yù)測(cè)可能發(fā)生沉降、坍塌等安全事故的發(fā)生，分析可能發(fā)生危險(xiǎn)的潛在區(qū)域，從而制定減輕這些威脅的計(jì)劃。煤炭資源多蘊(yùn)藏在地下，儲(chǔ)存環(huán)境復(fù)雜。利用GIS技術(shù)可以構(gòu)建礦區(qū)資源圖，包含了煤礦賦存的地理位置、分布儲(chǔ)量和詳細(xì)結(jié)構(gòu)等信息，為煤礦安全的開(kāi)采提供規(guī)劃參考。使用GIS繪制的動(dòng)態(tài)礦區(qū)結(jié)構(gòu)圖，可以快速記錄和處理煤炭開(kāi)采的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算模擬，可以及時(shí)預(yù)測(cè)煤炭開(kāi)采安全事故發(fā)生的可能性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭開(kāi)采作業(yè)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。GIS技術(shù)還可以檢測(cè)礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從結(jié)構(gòu)力學(xué)等角度分析煤層結(jié)構(gòu)之間的變化情況和應(yīng)力分布情況，為煤礦開(kāi)采中的安全防護(hù)工作提供指導(dǎo)，為煤礦企業(yè)安全高效地生產(chǎn)提供有效保障。

2?基于GIS的煤礦開(kāi)采事故應(yīng)用模型的構(gòu)建

以煤炭開(kāi)采事故為主體，以GIS為工具構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下安全應(yīng)用模型包括標(biāo)準(zhǔn)的地圖查看選項(xiàng)和直觀界面的功能。應(yīng)用模型應(yīng)包括客戶(hù)端模塊、服務(wù)器模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊三部分組成，三個(gè)模塊相互連接、相互集成形成了一個(gè)有機(jī)的整體，如圖1所示。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊由硬件設(shè)備、GIS軟件和數(shù)據(jù)采集構(gòu)成，其中GIS軟件是指在GIS系統(tǒng)中專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)庫(kù)管理的軟件;數(shù)據(jù)采集由測(cè)繪人員和布置在現(xiàn)場(chǎng)中的傳感器系統(tǒng)完成?？蛻?hù)端模塊是面相用戶(hù)的模塊，具有可視化和交互功能，服務(wù)器模塊可以完成用戶(hù)數(shù)據(jù)的調(diào)取分析和生成指導(dǎo)性決策。

3?GIS在煤礦開(kāi)采事故中的具體應(yīng)用

3.1?煤礦通風(fēng)管理

煤礦井下通風(fēng)對(duì)于保證采礦人員的身體健康和預(yù)防安全事故的發(fā)生都具有重要意義，確保煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行成本是不可忽視的，通常為了降低運(yùn)行成本會(huì)不斷地調(diào)整風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以提供最佳的通風(fēng)量。使用GIS對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算可燃?xì)怏w濃度和通風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，讓GIS能夠自動(dòng)地根據(jù)井下可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)情況，不斷調(diào)整通風(fēng)量，從而保證井下開(kāi)采安全的同時(shí)降低運(yùn)行費(fèi)用。另外，GIS還用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄空氣的濃度分布值，將這些數(shù)值作為數(shù)據(jù)庫(kù)的源數(shù)據(jù)，用于推測(cè)和模擬緊急狀態(tài)下空氣濃度分布的變化情況?；贕IS的通風(fēng)管理功能還可以擴(kuò)展用于監(jiān)測(cè)其它有毒氣體等。

3.2?逃生路線分析

合理的逃生路線在煤礦開(kāi)采事故發(fā)生后指導(dǎo)人員及時(shí)逃生中非常重要。對(duì)于一些大型的煤礦，由于常年地下開(kāi)采所形成的巷道網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜。將這些巷道網(wǎng)絡(luò)以圖像等模型數(shù)據(jù)的形式提前集成到GIS中，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，GIS可以根據(jù)巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速分析和規(guī)劃逃生路線，爭(zhēng)取逃生時(shí)間。另外，在緊急情況發(fā)生時(shí)，可以將巷道的風(fēng)速、各部分的氧氣量作為重要因素添加到模型算法中，這些因素對(duì)安全路線的規(guī)劃排序起到重要作用。災(zāi)害發(fā)生時(shí)，逃生路線的規(guī)劃不僅受到逃生起點(diǎn)的影響，還受到逃生時(shí)間的影響。例如，雖然有的逃生路線相對(duì)比較短，但是發(fā)生二次災(zāi)害的可能性極大，因此GIS在推薦逃生路線時(shí)，必須備用路線可供選擇與參考;并且在人員逃生過(guò)程中，對(duì)于逃生路線前方的具體事故情況，給予及時(shí)更新和匯報(bào)。

3.3?救援通道規(guī)劃

當(dāng)煤礦安全事故發(fā)生后，及時(shí)展開(kāi)救援工作對(duì)減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失具有重要作用。當(dāng)安全事故發(fā)生后，因在第一時(shí)間了解事故發(fā)生的地點(diǎn)和現(xiàn)狀。利用GIS技術(shù)搭建的煤礦巷道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加上現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳回的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就可以確定事故發(fā)生的位置和當(dāng)前的現(xiàn)狀，并可利用GIS規(guī)劃出一條或者多條救援通道。另外，GIS還可承擔(dān)分析救援實(shí)施過(guò)程中地下環(huán)境的詳細(xì)情況和二次事故發(fā)生的可能性。對(duì)于事故發(fā)生后，地下環(huán)境中的氧氣濃度、溫度、可燃?xì)怏w濃度、有毒氣體濃度等都能夠有全面了解，并在此情況下，才能實(shí)施救援行動(dòng)。GIS在建設(shè)時(shí)就可以與一些傳感器集成，當(dāng)?shù)V井巷道坍塌時(shí)，GIS仍能根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)計(jì)算模擬井下的詳細(xì)情況，指導(dǎo)救援通道的規(guī)劃和預(yù)測(cè)救援過(guò)程中的突發(fā)情況，從而指導(dǎo)救援隊(duì)伍做好提前預(yù)防。

3.4?事故原因分析

煤炭開(kāi)采事故原因分析是對(duì)事故發(fā)生具體原因進(jìn)行詳細(xì)研究，總結(jié)對(duì)策，為煤炭安全開(kāi)采提供決策指導(dǎo)。煤礦安全事故的類(lèi)型有多種，如頂板事故、瓦斯事故、透水事故等。在事故發(fā)生后，可以利用GIS根據(jù)煤礦所處的地理?xiàng)l件、地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、防護(hù)條件等展開(kāi)事故原因調(diào)查。GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中有煤礦的地理與地質(zhì)條件，還有在安全生產(chǎn)中實(shí)時(shí)記錄的參數(shù)條件，另外針對(duì)事故預(yù)警預(yù)報(bào)傳感器傳回的條件，可以利用這些條件對(duì)事故原因做一個(gè)全面地、綜合地分析，找到事故發(fā)生原因，并根據(jù)原因制定具體的實(shí)施對(duì)策，包括災(zāi)后恢復(fù)對(duì)策等。GIS也可以監(jiān)督日常管理工作的開(kāi)展，記錄日常安全管理方面運(yùn)行的數(shù)據(jù)，從管理、技術(shù)等各方面查明事故原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

4?結(jié)論

煤礦安全是采礦業(yè)的重中之重，煤礦開(kāi)采事故仍然時(shí)有發(fā)生。煤礦安全事故往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，包括人員的傷亡、重大的經(jīng)濟(jì)損失等。因此，煤礦開(kāi)采事故監(jiān)督的任何措施對(duì)于推進(jìn)安全監(jiān)測(cè)和安全維護(hù)都至關(guān)重要。GIS建設(shè)的煤礦資源與分布圖以及在開(kāi)采過(guò)程中記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有重要作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。以數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、客戶(hù)端模塊和服務(wù)器模塊構(gòu)建的GIS在煤炭開(kāi)采事故中的應(yīng)用模型可以應(yīng)用于煤礦通風(fēng)管理、逃生路線分析、救援通道規(guī)劃和事故原因分析。GIS在煤礦開(kāi)采事故發(fā)生前、發(fā)生中和結(jié)束后發(fā)揮著預(yù)測(cè)、報(bào)警、指導(dǎo)、規(guī)劃、分析等作用，在煤礦安全事故中具有無(wú)法替代的作用。只有做好安全事故的預(yù)防和處置，才能讓煤炭資源在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程中發(fā)揮愈加重要的作用。

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