地理信息系統在煤礦開采事故中的應用

劉東亮

摘?要：一直以來，煤礦安全事故是困擾煤炭綠色、安全、高效開采的首要問題。地球信息系統將地球科學與信息學、圖像學等融合在一起，可以用來構建煤礦資源分布圖、地下開采空間構造圖以及反應煤炭開采過程中動態監測的實時數據系統，通常被用于評估和監測采礦活動造成的環境影響。本文構建了面向煤礦開采事故預防及處置的地球信息系統模型，該模型在煤礦事故發生前可以起到預測預警的作用;在煤礦事故發生過程中可以規劃逃生路線;在煤礦事故發生后可以指導救援工作開展;在煤礦事故結束后可以協助分析事故原因等，地球信息系統在煤礦開采事故中能夠發揮重要作用。

關鍵詞：煤礦;開采事故;地球信息系統;模型

中圖分類號：TB???文獻標識碼：A????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.16.107

長期以來，如何保證安全生產、杜絕安全事故的發生一直是煤礦開采的首要問題，尤其對于地下煤礦開采。煤礦開采事故能夠直接導致人員的傷亡、機器和設備的損壞以及生產停滯等災難性問題，給煤礦企業造成了巨大的經濟損失。盡管當今煤礦開采技術在不斷提高，安全防護工作也不斷加強，但煤礦安全事故仍然時有發生。這表明煤礦安全事故的預測和防范仍然是非常關鍵的問題。煤礦開采時，地下礦井環境由于其特殊性質，涉及開采人員、機械設備、礦井通風網絡等大量相互關聯的數據。有效地采集、處理和分析這些數據對于降低與煤炭開采事故相關的風險至關重要。迄今，雖然很多煤礦企業已經建立了信息管理和安全生產監控系統，但這些系統仍僅限于提供煤礦地圖的顯示和查詢等較為基礎的功能;并且，其他以現場傳感器組成的監測系統缺乏用戶友好和交互的界面，難以運用，導致了現場采集數據處理不足和顯示現實模型的表現能力不足。動態環境監測過程會產生大量的表觀信息和內在信息，因此，需要一個新的管理系統在視覺上表現良好的地圖上使用，并與現場傳感器采集的數據進行集成處理分析，使得數據分析更加方便、快捷、準確，從而實現預防和及時處理煤礦開采事故的目的。

地球信息系統（geographic?information?system，GIS）是創建、管理、分析和映射所有類型數據的系統。GIS將數據與地圖連接在一起，將位置數據與所有類型的描述信息集成在一起，為用于科學研究和幾乎所有行業的繪圖和分析奠定了基礎。GIS幫助用戶理解工作模式、關系和地理環境、提高溝通效率以及做出更好地管理決策。目前，GIS的應用已經深入到各個領域中，幾乎每個領域都在使用GIS開展全球范圍內的通信交流、執行分析、共享信息和解決復雜問題等。GIS通過允許使用空間參考數據來促進地下安全監測，其中系統通過其數據庫和管理工具、處理和分析工具以及特色顯示工具發揮作用。這些處理和分析工具將用于監測礦山安全環境和指導煤礦開采事故預防與處理。本文以GIS為主體，將其與現場傳感器組成的監測系統相集成，建立高效的GIS應用模型，并對其使用范圍進行詳細的探討研究。

1?GIS在煤礦開采事故的應用意義

GIS已成為監測和規劃礦產資源的地下開采非常有效的工具，特別是具有重大安全隱患礦產資源的開采。GIS因具有可視化和集成各種數據的強大功能，已被廣泛應用于監測礦產資源勘探和開采。GIS不僅用于監測，還可用于當安全事故發生時指導應急疏散，即根據不同的場景為礦井內的各個位置或區域規劃最有效的逃生路線。另外，GIS可通過地質條件和水文條件等預測可能發生沉降、坍塌等安全事故的發生，分析可能發生危險的潛在區域，從而制定減輕這些威脅的計劃。煤炭資源多蘊藏在地下，儲存環境復雜。利用GIS技術可以構建礦區資源圖，包含了煤礦賦存的地理位置、分布儲量和詳細結構等信息，為煤礦安全的開采提供規劃參考。使用GIS繪制的動態礦區結構圖，可以快速記錄和處理煤炭開采的實時數據，通過計算模擬，可以及時預測煤炭開采安全事故發生的可能性，從而實現對煤炭開采作業的動態監測。GIS技術還可以檢測礦井內部結構的變化，從結構力學等角度分析煤層結構之間的變化情況和應力分布情況，為煤礦開采中的安全防護工作提供指導，為煤礦企業安全高效地生產提供有效保障。

2?基于GIS的煤礦開采事故應用模型的構建

以煤炭開采事故為主體，以GIS為工具構建基于網絡的煤礦井下安全應用模型包括標準的地圖查看選項和直觀界面的功能。應用模型應包括客戶端模塊、服務器模塊和數據庫模塊三部分組成，三個模塊相互連接、相互集成形成了一個有機的整體，如圖1所示。數據庫模塊由硬件設備、GIS軟件和數據采集構成，其中GIS軟件是指在GIS系統中專門用于數據庫管理的軟件;數據采集由測繪人員和布置在現場中的傳感器系統完成。客戶端模塊是面相用戶的模塊，具有可視化和交互功能，服務器模塊可以完成用戶數據的調取分析和生成指導性決策。

3?GIS在煤礦開采事故中的具體應用

3.1?煤礦通風管理

煤礦井下通風對于保證采礦人員的身體健康和預防安全事故的發生都具有重要意義，確保煤礦井下通風系統的正常運行也是一項具有挑戰性的任務。在煤礦開采過程中，風機的運行成本是不可忽視的，通常為了降低運行成本會不斷地調整風機的各項參數以提供最佳的通風量。使用GIS對可燃氣體濃度進行檢測，并計算可燃氣體濃度和通風機各項參數之間的關系，讓GIS能夠自動地根據井下可燃氣體的實時情況，不斷調整通風量，從而保證井下開采安全的同時降低運行費用。另外，GIS還用于實時檢測和記錄空氣的濃度分布值，將這些數值作為數據庫的源數據，用于推測和模擬緊急狀態下空氣濃度分布的變化情況。基于GIS的通風管理功能還可以擴展用于監測其它有毒氣體等。

3.2?逃生路線分析

合理的逃生路線在煤礦開采事故發生后指導人員及時逃生中非常重要。對于一些大型的煤礦，由于常年地下開采所形成的巷道網絡錯綜復雜。將這些巷道網絡以圖像等模型數據的形式提前集成到GIS中，當災害發生時，GIS可以根據巷道網絡結構快速分析和規劃逃生路線，爭取逃生時間。另外，在緊急情況發生時，可以將巷道的風速、各部分的氧氣量作為重要因素添加到模型算法中，這些因素對安全路線的規劃排序起到重要作用。災害發生時，逃生路線的規劃不僅受到逃生起點的影響，還受到逃生時間的影響。例如，雖然有的逃生路線相對比較短，但是發生二次災害的可能性極大，因此GIS在推薦逃生路線時，必須備用路線可供選擇與參考;并且在人員逃生過程中，對于逃生路線前方的具體事故情況，給予及時更新和匯報。

3.3?救援通道規劃

當煤礦安全事故發生后，及時展開救援工作對減少人員傷亡和經濟損失具有重要作用。當安全事故發生后，因在第一時間了解事故發生的地點和現狀。利用GIS技術搭建的煤礦巷道網絡數據加上現場傳感器傳回的實時監測數據就可以確定事故發生的位置和當前的現狀，并可利用GIS規劃出一條或者多條救援通道。另外，GIS還可承擔分析救援實施過程中地下環境的詳細情況和二次事故發生的可能性。對于事故發生后，地下環境中的氧氣濃度、溫度、可燃氣體濃度、有毒氣體濃度等都能夠有全面了解，并在此情況下，才能實施救援行動。GIS在建設時就可以與一些傳感器集成，當礦井巷道坍塌時，GIS仍能根據傳感器傳回的數據計算模擬井下的詳細情況，指導救援通道的規劃和預測救援過程中的突發情況，從而指導救援隊伍做好提前預防。

3.4?事故原因分析

煤炭開采事故原因分析是對事故發生具體原因進行詳細研究，總結對策，為煤炭安全開采提供決策指導。煤礦安全事故的類型有多種，如頂板事故、瓦斯事故、透水事故等。在事故發生后，可以利用GIS根據煤礦所處的地理條件、地質條件、生產條件、防護條件等展開事故原因調查。GIS數據庫中有煤礦的地理與地質條件，還有在安全生產中實時記錄的參數條件，另外針對事故預警預報傳感器傳回的條件，可以利用這些條件對事故原因做一個全面地、綜合地分析，找到事故發生原因，并根據原因制定具體的實施對策，包括災后恢復對策等。GIS也可以監督日常管理工作的開展，記錄日常安全管理方面運行的數據，從管理、技術等各方面查明事故原因，總結經驗教訓。

4?結論

煤礦安全是采礦業的重中之重，煤礦開采事故仍然時有發生。煤礦安全事故往往會造成災難性的后果，包括人員的傷亡、重大的經濟損失等。因此，煤礦開采事故監督的任何措施對于推進安全監測和安全維護都至關重要。GIS建設的煤礦資源與分布圖以及在開采過程中記錄的實時數據具有重要作用，可以實現對礦井環境的實時監控。以數據庫模塊、客戶端模塊和服務器模塊構建的GIS在煤炭開采事故中的應用模型可以應用于煤礦通風管理、逃生路線分析、救援通道規劃和事故原因分析。GIS在煤礦開采事故發生前、發生中和結束后發揮著預測、報警、指導、規劃、分析等作用，在煤礦安全事故中具有無法替代的作用。只有做好安全事故的預防和處置，才能讓煤炭資源在我國現代化建設的進程中發揮愈加重要的作用。

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