摘要:一直以来，煤矿安全事故是困扰煤炭绿色、安全、高效开采的首要问题。地球信息系统将地球科学与信息学、图像学等融合在一起，可以用来构建煤矿资源分布图、地下开采空间构造图以及反应煤炭开采过程中动态监测的实时数据系统，通常被用于评估和监测采矿活动造成的环境影响。本文构建了面向煤矿开采事故预防及处置的地球信息系统模型，该模型在煤矿事故发生前可以起到预测预警的作用;在煤矿事故发生过程中可以规划逃生路线;在煤矿事故发生后可以指导救援工作开展;在煤矿事故结束后可以协助分析事故原因等，地球信息系统在煤矿开采事故中能够发挥重要作用。
关键词:煤矿;开采事故;地球信息系统;模型
长期以来，如何保证安全生产、杜绝安全事故的发生一直是煤矿开采的首要问题，尤其对于地下煤矿开采。煤矿开采事故能够直接导致人员的伤亡、机器和设备的损坏以及生产停滞等灾难性问题，给煤矿企业造成了巨大的经济损失。尽管当今煤矿开采技术在不断提高，安全防护工作也不断加强，但煤矿安全事故仍然时有发生。这表明煤矿安全事故的预测和防范仍然是非常关键的问题。煤矿开采时，地下矿井环境由于其特殊性质，涉及开采人员、机械设备、矿井通风网络等大量相互关联的数据。有效地采集、处理和分析这些数据对于降低与煤炭开采事故相关的风险至关重要。迄今，虽然很多煤矿企业已经建立了信息管理和安全生产监控系统，但这些系统仍仅限于提供煤矿地图的显示和查询等较为基础的功能;并且，其他以现场传感器组成的监测系统缺乏用户友好和交互的界面，难以运用，导致了现场采集数据处理不足和显示现实模型的表现能力不足。动态环境监测过程会产生大量的表观信息和内在信息，因此，需要一个新的管理系统在视觉上表现良好的地图上使用，并与现场传感器采集的数据进行集成处理分析，使得数据分析更加方便、快捷、准确，从而实现预防和及时处理煤矿开采事故的目的。地球信息系统(geographicinformationsystem，GIS)是创建、管理、分析和映射所有类型数据的系统。GIS将数据与地图连接在一起，将位置数据与所有类型的描述信息集成在一起，为用于科学研究和几乎所有行业的绘图和分析奠定了基础。GIS帮助用户理解工作模式、关系和地理环境、提高沟通效率以及做出更好地管理决策。目前，GIS的应用已经深入到各个领域中，几乎每个领域都在使用GIS开展全球范围内的通信交流、执行分析、共享信息和解决复杂问题等。GIS通过允许使用空间参考数据来促进地下安全监测，其中系统通过其数据库和管理工具、处理和分析工具以及特色显示工具发挥作用。这些处理和分析工具将用于监测矿山安全环境和指导煤矿开采事故预防与处理。本文以GIS为主体，将其与现场传感器组成的监测系统相集成，建立高效的GIS应用模型，并对其使用范围进行详细的探讨研究。
1GIS在煤矿开采事故的应用意义
GIS已成为监测和规划矿产资源的地下开采非常有效的工具，特别是具有重大安全隐患矿产资源的开采。GIS因具有可视化和集成各种数据的强大功能，已被广泛应用于监测矿产资源勘探和开采。GIS不仅用于监测，还可用于当安全事故发生时指导应急疏散，即根据不同的场景为矿井内的各个位置或区域规划最有效的逃生路线。另外，GIS可通过地质条件和水文条件等预测可能发生沉降、坍塌等安全事故的发生，分析可能发生危险的潜在区域，从而制定减轻这些威胁的计划。煤炭资源多蕴藏在地下，储存环境复杂。利用GIS技术可以构建矿区资源图，包含了煤矿赋存的地理位置、分布储量和详细结构等信息，为煤矿安全的开采提供规划参考。使用GIS绘制的动态矿区结构图，可以快速记录和处理煤炭开采的实时数据，通过计算模拟，可以及时预测煤炭开采安全事故发生的可能性，从而实现对煤炭开采作业的动态监测。GIS技术还可以检测矿井内部结构的变化，从结构力学等角度分析煤层结构之间的变化情况和应力分布情况，为煤矿开采中的安全防护工作提供指导，为煤矿企业安全高效地生产提供有效保障。
2基于GIS的煤矿开采事故应用模型的构建
以煤炭开采事故为主体，以GIS为工具构建基于网络的煤矿井下安全应用模型包括标准的地图查看选项和直观界面的功能。应用模型应包括客户端模块、服务器模块和数据库模块三部分组成，三个模块相互连接、相互集成形成了一个有机的整体，如图1所示。数据库模块由硬件设备、GIS软件和数据采集构成，其中GIS软件是指在GIS系统中专门用于数据库管理的软件;数据采集由测绘人员和布置在现场中的传感器系统完成。客户端模块是面相用户的模块，具有可视化和交互功能，服务器模块可以完成用户数据的调取分析和生成指导性决策。
3GIS在煤矿开采事故中的具体应用
3.1煤矿通风管理
煤矿井下通风对于保证采矿人员的身体健康和预防安全事故的发生都具有重要意义，确保煤矿井下通风系统的正常运行也是一项具有挑战性的任务。在煤矿开采过程中，风机的运行成本是不可忽视的，通常为了降低运行成本会不断地调整风机的各项参数以提供最佳的通风量。使用GIS对可燃气体浓度进行检测，并计算可燃气体浓度和通风机各项参数之间的关系，让GIS能够自动地根据井下可燃气体的实时情况，不断调整通风量，从而保证井下开采安全的同时降低运行费用。另外，GIS还用于实时检测和记录空气的浓度分布值，将这些数值作为数据库的源数据，用于推测和模拟紧急状态下空气浓度分布的变化情况。基于GIS的通风管理功能还可以扩展用于监测其它有毒气体等。
3.2逃生路线分析
合理的逃生路线在煤矿开采事故发生后指导人员及时逃生中非常重要。对于一些大型的煤矿，由于常年地下开采所形成的巷道网络错综复杂。将这些巷道网络以图像等模型数据的形式提前集成到GIS中，当灾害发生时，GIS可以根据巷道网络结构快速分析和规划逃生路线，争取逃生时间。另外，在紧急情况发生时，可以将巷道的风速、各部分的氧气量作为重要因素添加到模型算法中，这些因素对安全路线的规划排序起到重要作用。灾害发生时，逃生路线的规划不仅受到逃生起点的影响，还受到逃生时间的影响。例如，虽然有的逃生路线相对比较短，但是发生二次灾害的可能性极大，因此GIS在推荐逃生路线时，必须备用路线可供选择与参考;并且在人员逃生过程中，对于逃生路线前方的具体事故情况，给予及时更新和汇报。
3.3救援通道规划
当煤矿安全事故发生后，及时展开救援工作对减少人员伤亡和经济损失具有重要作用。当安全事故发生后，因在第一时间了解事故发生的地点和现状。利用GIS技术搭建的煤矿巷道网络数据加上现场传感器传回的实时监测数据就可以确定事故发生的位置和当前的现状，并可利用GIS规划出一条或者多条救援通道。另外，GIS还可承担分析救援实施过程中地下环境的详细情况和二次事故发生的可能性。对于事故发生后，地下环境中的氧气浓度、温度、可燃气体浓度、有毒气体浓度等都能够有全面了解，并在此情况下，才能实施救援行动。GIS在建设时就可以与一些传感器集成，当矿井巷道坍塌时，GIS仍能根据传感器传回的数据计算模拟井下的详细情况，指导救援通道的规划和预测救援过程中的突发情况，从而指导救援队伍做好提前预防。
3.4事故原因分析
煤炭开采事故原因分析是对事故发生具体原因进行详细研究，总结对策，为煤炭安全开采提供决策指导。煤矿安全事故的类型有多种，如顶板事故、瓦斯事故、透水事故等。在事故发生后，可以利用GIS根据煤矿所处的地理条件、地质条件、生产条件、防护条件等展开事故原因调查。GIS数据库中有煤矿的地理与地质条件，还有在安全生产中实时记录的参数条件，另外针对事故预警预报传感器传回的条件，可以利用这些条件对事故原因做一个全面地、综合地分析，找到事故发生原因，并根据原因制定具体的实施对策，包括灾后恢复对策等。GIS也可以监督日常管理工作的开展，记录日常安全管理方面运行的数据，从管理、技术等各方面查明事故原因，总结经验教训。
4结论
煤矿安全是采矿业的重中之重，煤矿开采事故仍然时有发生。煤矿安全事故往往会造成灾难性的后果，包括人员的伤亡、重大的经济损失等。因此，煤矿开采事故监督的任何措施对于推进安全监测和安全维护都至关重要。GIS建设的煤矿资源与分布图以及在开采过程中记录的实时数据具有重要作用，可以实现对矿井环境的实时监控。以数据库模块、客户端模块和服务器模块构建的GIS在煤炭开采事故中的应用模型可以应用于煤矿通风管理、逃生路线分析、救援通道规划和事故原因分析。GIS在煤矿开采事故发生前、发生中和结束后发挥着预测、报警、指导、规划、分析等作用，在煤矿安全事故中具有无法替代的作用。只有做好安全事故的预防和处置，才能让煤炭资源在我国现代化建设的进程中发挥愈加重要的作用。
作者：刘东亮 单位：中国煤炭地质总局