安全評價方法與采礦可視化技術的研究綜述

張丕洪 馬天勇

摘 要：本文通過梳理大量的相關研究文獻，在目前的礦山安全數字化建設中，可以做到利用三維可視化技術，對礦床地質進行模擬，并將模擬出的礦井環境安全參數或設備工況參數實時傳遞給監測系統進行動態監測。將三維可視化技術引入到安全評價科學技術中，建立一個長效互通機制，結合可視化模型與傳統安全評價方法，可使得對地質環境危險程度的評價更加科學。

關鍵詞：采礦；安全評價；可視化；文獻

傳統的礦山開采安全評價程序是通過現場勘察收集地質環境資料，采用安全分析方法，進行危險因素辨識與分析，確定評價單元，之后選定評價方法對礦山開采可能造成的地質環境的危險程度做出定性或定量評判。但是由于殘礦形態各異、賦存的地質環境復雜，采用傳統地方法難以全面、準確掌握影響開采的不安全因素和重大危險源，不能客觀地評價殘礦體開采的安全性，更不能針對性地采取合理地安全防范措施。

可視化技術通過計算機三維顯示技術，將隱蔽不可見的礦體形態與環境直觀、清晰地展現出來，這有利于全面了解和掌握礦體的開采條件，合理地評判礦體開采的安全性。

一、傳統系統安全評價研究與應用現狀

系統安全評價方法從定性方法到定量方法，再到模糊評價方法，灰色綜合評價，經歷了一個由粗放到精細的演變過程。在系統分析方法的研究中，如今世界上系統安全分析方法已有數十種，其中廣泛采用的方法有安全檢查表（SCL）、事故樹分析（FTA）、故障類型影響分析（FMEA）、事件樹分析（ETA）、危險與可操作性研究（HAZOP）、預先危險性分析（PHA）、作業條件危險性評價（LEC）等。在系統安全評價的研究中，比較成功的是美國道化學公司（DOW）和英國帝國化學公司（ICI）的火災、爆炸、毒性指數的安全評價方法。

近十多年來，礦業在安全評價領域引入數學方法和計算機技術，使得礦山安全評價得到進一步的發展。以模糊數學為基礎的安全評價方法的提出拓展了原有系統評價方法的種類，我國礦山中已展開研究的方法有模糊綜合評判方法、灰色預測綜合評價方法、礦山工程安全評價法等。以計算機程序設計、人工神經網絡技術，三維可視化技術為基礎的安全評價得到了一定的發展。

有學者將人工神經網絡技術應用于礦山安全評價，如陳魏利用人工神經網絡設計出煤礦綜合安全評價模型對義馬煤業集團公司下屬耿村、常村等礦進行評價。還有學者進行計算機輔助安全評價技術的研究，開發安全評價軟件，如劉坤設計并開發了非煤露天礦安全評價的計算機輔助系統，形成了定性的安全評價模塊、半定量的安全評價模塊和定量的安全評價等三大模塊。

二、采礦可視化技術研究與應用

20世紀90年代中期，如蓋爾施泰因所預期的：數據庫技術、三維圖像處理技術（包括軟件和硬件技術）飛速發展和逐漸成熟，為礦山可視化技術注入新的活力。我國對計算機輔助地質建模技術作出了大量的研究和應用。具有代表性的研究成果有：具有交互式三維圖形處理功能的地質建模和可從事地下采礦設計的系統。如：一些礦山企業通過引進國外先進的軟件技術進行生產管理，如：梅山鐵礦以Mapgis為信息管理平臺，Surpac為三維模型平臺，涵蓋從地質樣品數據錄入到回采出礦管理整個采礦生產過程的集地質、測量、采礦管理于一體的數字化采礦管理系統。還有一些企業對引進的軟件進行二次開發，也出現了有價值的開發產品，如山東黃金礦業的新城金礦于2007年引進加拿大Gemcom公司的Surpac礦業軟件，還利用該軟件的打印繪圖模塊實現生產過程中各種圖件的自動化繪制及打印。

近十年來，計算機仿真模擬技術在礦山領域開始大量研究和應用，將可視化技術帶入新時代。其中，虛擬仿真技術在礦山安全工程方面取得了大量研究成果。國外學者利用VR 技術開發出逼真的、人機交互式的、三維的、動態礦業空間環境，可實現采礦作業的動態風險評價、安全培訓、實時監控等。

三、采礦可視化技術在礦山安全領域的研究與應用

近二十多年來，計算機輔助建模技術在國內安全科學技術領域已有大量研究和應用，用以加強安全生產監控，以達到減少安全事故的目的。大量學者和科研機構對生產過程控制與調度，生產安全方面的技術進行廣泛研究，自主開發出適合我國礦山情況的數字礦山整體控制系統。研究成果顯著的研究機構有中南大學數字礦山研究中心，其開發的DIMINE數字采礦軟件系統平臺和礦山三維調度指揮系統以“防患于未然”為原則，成功建立了安全避險“六大系統”，包括綜合通訊控制平臺、人員定位系統、通訊聯絡系統、監測監控系統、視頻監控系統、綜合軟件平臺等。

其中，將仿真模擬技術應用于安全科學領域，國外學者已作出了大量研究和應用。美國礦業通過采用計算機仿真模擬、虛擬現實技術，預測采礦過程中由于操作失誤、控制系統故障或設備故障等非正常原因導致的危險事故，以及故障在流程中傳播的不利后果，并將采礦工藝和安全控制融合在一起，發揮各自的長處，這樣就增強了對安全隱患的預見性，大幅度減少煤礦挖掘中的意外險情，同時還可以設定干擾，以確定最佳的安全控制方案和救援預案。

通過將符號定向圖法（SDG）引入危險與可操作性分析（HAZOP），美國在計算機輔助安全評價方面做出了積極的探索，實現了計算機輔助安全評價技術的飛躍。例如，普渡大學智能過程系統實驗室開發完成了HAZOPExpert 軟件，經過在多項石油化工裝置安全評價中應用，以及與人工評價結果對照，表明自動評價比較簡單、易行，其評價思路與人工評價具有很好的一致性，不但效率高、速度快，而且評價結論的完備性更好。國內，仿真技術的研究與應用較早，發展迅速。隨著安全科學技術特別是安全系統科學的發展成熟，安全模擬與安全仿真學已成為其重要學科分支。隨著信息技術和計算機技術的發展，仿真技術在礦山安全評價、安全監測、安全控制與安全訓練等多領域多層面，正在或即將發揮著越來越大的作用。

參考文獻：

[1] 曲芳，徐文娟，李廣錄.礦車自重及其重心位置對礦車運行特性的影響分析[J].煤礦機械，2009（04）.