基于GIS技術的非煤地下礦山安全監測預警系統設計

韓京增

(中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊, 山東 濟南 250199)

0 引言

由于煤礦事故頻發,礦山安全監測的話題越來越引起企業的關注[1]。GIS作為多業務IP化的地理信息系統,可以將其利用在對非煤地下礦山的實時監測中,通過物聯網數據與GIS技術的結合,構建安全監測的預警系統[2]。在GIS安全監測預警系統內部,可以清晰地展現出非煤礦山的地理位置信息、內部通風情況和對人員機器的跟蹤定位[3]。通過GIS技術進行簡單直觀的操作,實現對非煤地下礦山的安全監測與預警。其中,引入GIS技術提供非煤礦山的地理動態信息[4],能夠更好地處理礦山地下的遙感監控。因此,本文針對非煤礦山在地下施工可能遇到的安全隱患,進行了系統設計,監測非煤地下礦山環境,實現終端對于礦山內部環境的全面安全監測和預警。

1 基于GIS技術的系統硬件設計

非煤地下礦山的安全檢測系統需要擁有一個完備的嵌入式GIS組件和工具庫,用來提供地下礦山的地理數據,進行表達的工具化處理[5]。其中,選擇INTEL-NEVE嵌入式工業主板為核心,擴展外圍設備[6]。同時在嵌入式GIS組件中加入模擬量采集板,實現對非煤礦山內外環境信息處理,做到及時可靠的數據收集。GIS組件的采集板通過RFIDREADER對地下礦山的整體進行初步探測,將探測的信號通過RS232開關輸入板進行傳輸,將處理好的數據加密發送到GIS嵌入式工業主板上。工業主板通過USB插口與電腦聯合,實現VGA圖像輸出。由于地下礦山地形復雜,環境信息量大,因此,需要擴展存儲系統。

為了讓GIS組件更好地應用于整體的GIS非煤地下礦山的安全檢測預警系統,還需要將嵌入式GIS組件和工具庫合并,共同形成GIS非煤地下礦山安全檢測系統的硬件設備。工具庫主要包括Toolbar工具控件、TOCC圖層樹控件、Map實時地圖控件和頁面布局控件。

2 基于GIS技術的非煤地下礦山安全監測預警系統

2.1 基于GIS技術實施數據采集

GIS技術主要是將地圖的空間位置進行可視化處理,實現對非煤礦山的環境監測。如圖1所示,GIS的檢測圖層模塊針對地下礦山的有限空間,對操作的對象進行搜索。人、傳感器、主機都可以是GIS技術監測的對象,通過閱讀器HR6020顯示出實際的地理位置,顯示人員跟蹤監測的數據。跟蹤的區域和巷道感應到信號后主動發起通信,在終端上運行,GIS軟件界面具體的監測圖層見表1。

圖1 GIS地圖數據監控圖層

表1 GIS監測圖層

將GIS的架構分為處理圖層、綁定數據和監測結果3個部分[7]。其中,位置傳感器信息和濕度傳感器信息可以在安全管理工作人員手中的GIS便攜監測儀進行實時監控,其他數據層可以在日常安全系統內進行操作。

2.2 礦山通風網絡監測預警數據處理

通過GIS技術監測非煤礦山空間位置的相應數據后,開始對監測好的數據進行處理[8]。由于非煤礦山不存在瓦斯爆炸的風險,不需要對礦山的易燃氣體進行分析。但與其他礦山相同的元素在于非煤礦山內部的空氣流通仍然是地下礦山進行實際操作需要重點關注的問題,需要對非煤礦山內部的環境進行通風網絡監測預警的數據處理[9]。

非煤礦山通風的網絡監測預警主要是由風流數據構成,風流數據主要是對非煤礦山內部相應的節點進行風網解算,否則分支風阻和自然風壓條件的相關數據無法傳輸到非煤礦山的安全監測預警系統中[10]。一般來說,合理的礦山通風網絡主要是自然風,但是非煤礦山整體的通風網絡要考慮到地下礦山的巷道設計、硐室生產等因素。因此,需要在數據庫建立的過程中對相關的節點進行風量調節,消除地下工作環節的不平衡差異,實現對地下礦山安全性的保障。

理論上來看,風網設計的方式充分考慮到了通風控制系統中按需供風分支的需要,具有技術完備、結果合理、可以降低通風控制實現難度的優點。如上文提到的操作,根據收集到的檢測結果調整非煤礦山數據測試的所有節點。具體操作如下:以每個非煤礦山數據測試的結點作為參考點,其氣壓(節點風壓)為0,而其所有結點的風壓則計算為所求的量,每分支的風壓計算結果均大于它的2個端點的風壓計算結果之差。

上文已經提到,所收集到的檢測圖層均為所有非煤礦山數據測試的節點,以每個非煤礦山數據測試的節點為參考點,若其平均壓強(節點風壓)為0,再以其他所有節點的平均風壓為所求的量,則每分支的平均風壓就相當于它的兩端節點的平均風壓之差。而根據這一關系和流體力學的規律,即可直接構建節點的矩陣方程。當求解各個節點的全風壓以后,就可再對各個分支的分壓比、風量以及風阻力等加以求解。節點風壓計算法就是以節點的全壓為最基本未知量的風網解算方式,節點風壓與通風阻力之間存在以下關系:

式中,h為節點之間的通風阻力;H d為節點間的通風動力;p1、p2為全風壓;H r為位壓差。

式中,x1和x2表示標高,m;p表示風流平均密度,kg/m3。公式(1)又可以改為:

對于m條分支,n個節點的風網,可依式(3)建立如下A個方程:

式中,a ij為A矩陣的元素;p i為i節點間的風壓,Pa;H f i-H rj為節點的位壓差,Pa。

公式(4)為風網的風流能量方程。非煤地下礦山的通風系統是一個風流流動連通的設計,可以更好地實現對礦山風向的測試,將數據傳輸到非煤礦山通風網絡的檢測預警系統中,解決風阻力造成的安全危害。

2.3 礦山預警數據比對

礦山的預警數據比對流程如圖2所示。通過風網計算的風流數據和GIS內部對非煤礦山的環境數據進行實時數據的配對,其中,利用GIS的可視化功能將地下礦山的坡度要素與無線衛星顯示的地下礦山的中高程數據結合,以壓縮的航空照相圖片為主,通過GIS中高程數據收集整理礦山坡度的線狀要素,實現對整體非煤礦山地下影像數據的獲取和處理。非煤地下礦山的垂直面的幾何信息由位置分布不規則的點建模形成,再將提取建模的礦山風阻具體點位的位置以高清圖片傳輸。

圖2 非煤礦山數據比對流程

GIS地圖結合非煤地下礦山工程的實際情況制作,展示出了非煤地下礦山有可能存在風阻的注意目標。通過使用較少的點面積展現風網計算的風阻力環境,捕捉不同礦山坡度的風速要素,把礦山的數據源進行精確處理。若出現誤差,則立刻啟動警報,實現對非煤地下礦山通風的安全監測和預警。

2.4 實現非煤地下礦山監測預警

本模塊可以實時地監測報警信號,并且當監測到問題時,系統會發出警報,提醒用戶檢查礦山井下環境。另外,該模塊還可以顯示出測點最新的監測數據,供用戶分析使用。本模塊主要包括:報警信號識別、報警監測和輸送路線的標記。過程操作如圖3所示。

圖3 GIS監測預警過程

打開監測模塊,進入監測模塊的界面。開啟GIS數據監測進行模擬:若地下礦山的工作人員發出求救信號,則迅速識別具體方位,將數據發送到地面主機,主機再輸送安全逃離路線,直到感應器識別無人,解除警報,完成GIS監測預警處理。

3 測試試驗

為了測試設計的基于GIS技術的非煤地下礦山的全方位安全監測預警系統的有效性,通過灰色關聯分析法進行系統的安全評價。

3.1 試驗準備

采用相同礦山的技術設備與工作人員,結合本系統的功能需求,基于GIS技術對非煤礦山的安全監測預警系統進行了如下設計。硬件的文件管理組件、視圖模擬分析器、查詢數據庫以及安全預測的應急決策欄目工具欄,根據系統空間數據進行管理和重新錄入的操作。

礦山的地圖管理模塊分層顯示電子地圖,系統中劃分集中管理的數據信息。根據系統劃分的對象所在圖層獲取對象類型,確定其主代碼,利用GIS技術的數據處理,對實際地圖瀏覽空間數據,包括井巷和監測裝備,對圖形進行放大、縮小、增加、修改、刪除操作。非煤地下礦山地圖的空間分析疊加通訊系統,通過GIS技術對圖層進行掃描,生成疏散路徑。在GIS的安全性系統內部,各地理地形圖屬性之間的關聯完整錄入到相應的程序中,一旦出現危機信號,立刻啟動報警裝置。

設備準備就緒后采用灰色關聯分析法對某礦山進行安全現狀評價。選擇地下礦山的-300 m、-303 m、-268 m為安全評價區,建立判斷矩陣后計算出各元素的相對權重。然后分別選擇各安全評價區平面,將其安全現狀采用層次分析法計算得到歸一化后的權重向量代入改進的關聯度計算公式中。求出不同地理位置的指標評價對象與理想值灰色關聯度矩陣的關聯度,GIS系統的灰色關聯度越接近理想狀態的關聯度,說明系統的安全性能越好。

3.2 試驗結果與分析

經過灰色關聯分析法的系統調試之后,基于GIS系統的適用性測試結果見表2。

灰色關聯度探測方法下計算的數值越接近理想的關聯度,則安全探測預警的效果越好。由表2可知,該礦-300 m的工作面安全現狀最優,-303 m工作面安全狀況次優,比起前者,礦山最淺的-268 m工作面安全狀況最差。但整體上來說,測試的基于GIS技術的非煤地下礦山安全監測系統的灰色關聯度基本與理想關聯度貼合,因此,間接證明設計的系統安全監測方法具有一定的效果。

表2 GIS系統的適用性測試結果

4 結語

GIS技術被應用于非煤地下礦山安全檢測預警系統的設計中,以其獨特的地理建模技術,實現礦山生產安全和工作人員人身安全的重要保障。通過GIS計算機硬件的構建和GIS技術相關軟件的構建,共同實現非煤地下礦山數據的高效傳輸、收集,并對此進行探查和監測預警。

由于學術水平有限,以及存在非煤礦山場所、設備的差異,在試驗的準備和操作中還有不足,希望能在后續的研究中繼續精進技術,為國內非煤地下礦山安全監測預警工作貢獻力量。