安全評(píng)價(jià)方法與采礦可視化技術(shù)的研究綜述

張丕洪 馬天勇

摘 要：本文通過(guò)梳理大量的相關(guān)研究文獻(xiàn)，在目前的礦山安全數(shù)字化建設(shè)中，可以做到利用三維可視化技術(shù)，對(duì)礦床地質(zhì)進(jìn)行模擬，并將模擬出的礦井環(huán)境安全參數(shù)或設(shè)備工況參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。將三維可視化技術(shù)引入到安全評(píng)價(jià)科學(xué)技術(shù)中，建立一個(gè)長(zhǎng)效互通機(jī)制，結(jié)合可視化模型與傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法，可使得對(duì)地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)程度的評(píng)價(jià)更加科學(xué)。

關(guān)鍵詞：采礦；安全評(píng)價(jià)；可視化；文獻(xiàn)

傳統(tǒng)的礦山開(kāi)采安全評(píng)價(jià)程序是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察收集地質(zhì)環(huán)境資料，采用安全分析方法，進(jìn)行危險(xiǎn)因素辨識(shí)與分析，確定評(píng)價(jià)單元，之后選定評(píng)價(jià)方法對(duì)礦山開(kāi)采可能造成的地質(zhì)環(huán)境的危險(xiǎn)程度做出定性或定量評(píng)判。但是由于殘礦形態(tài)各異、賦存的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)地方法難以全面、準(zhǔn)確掌握影響開(kāi)采的不安全因素和重大危險(xiǎn)源，不能客觀地評(píng)價(jià)殘礦體開(kāi)采的安全性，更不能針對(duì)性地采取合理地安全防范措施。

可視化技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)三維顯示技術(shù)，將隱蔽不可見(jiàn)的礦體形態(tài)與環(huán)境直觀、清晰地展現(xiàn)出來(lái)，這有利于全面了解和掌握礦體的開(kāi)采條件，合理地評(píng)判礦體開(kāi)采的安全性。

一、傳統(tǒng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法從定性方法到定量方法，再到模糊評(píng)價(jià)方法，灰色綜合評(píng)價(jià)，經(jīng)歷了一個(gè)由粗放到精細(xì)的演變過(guò)程。在系統(tǒng)分析方法的研究中，如今世界上系統(tǒng)安全分析方法已有數(shù)十種，其中廣泛采用的方法有安全檢查表（SCL）、事故樹(shù)分析（FTA）、故障類(lèi)型影響分析（FMEA）、事件樹(shù)分析（ETA）、危險(xiǎn)與可操作性研究（HAZOP）、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）、作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)（LEC）等。在系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的研究中，比較成功的是美國(guó)道化學(xué)公司（DOW）和英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司（ICI）的火災(zāi)、爆炸、毒性指數(shù)的安全評(píng)價(jià)方法。

近十多年來(lái)，礦業(yè)在安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域引入數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得礦山安全評(píng)價(jià)得到進(jìn)一步的發(fā)展。以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的安全評(píng)價(jià)方法的提出拓展了原有系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的種類(lèi)，我國(guó)礦山中已展開(kāi)研究的方法有模糊綜合評(píng)判方法、灰色預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)方法、礦山工程安全評(píng)價(jià)法等。以計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，三維可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的安全評(píng)價(jià)得到了一定的發(fā)展。

有學(xué)者將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于礦山安全評(píng)價(jià)，如陳魏利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出煤礦綜合安全評(píng)價(jià)模型對(duì)義馬煤業(yè)集團(tuán)公司下屬耿村、常村等礦進(jìn)行評(píng)價(jià)。還有學(xué)者進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助安全評(píng)價(jià)技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)安全評(píng)價(jià)軟件，如劉坤設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了非煤露天礦安全評(píng)價(jià)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，形成了定性的安全評(píng)價(jià)模塊、半定量的安全評(píng)價(jià)模塊和定量的安全評(píng)價(jià)等三大模塊。

二、采礦可視化技術(shù)研究與應(yīng)用

20世紀(jì)90年代中期，如蓋爾施泰因所預(yù)期的：數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、三維圖像處理技術(shù)（包括軟件和硬件技術(shù)）飛速發(fā)展和逐漸成熟，為礦山可視化技術(shù)注入新的活力。我國(guó)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)建模技術(shù)作出了大量的研究和應(yīng)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(zhì)建模和可從事地下采礦設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。如：一些礦山企業(yè)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的軟件技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)管理，如：梅山鐵礦以Mapgis為信息管理平臺(tái)，Surpac為三維模型平臺(tái)，涵蓋從地質(zhì)樣品數(shù)據(jù)錄入到回采出礦管理整個(gè)采礦生產(chǎn)過(guò)程的集地質(zhì)、測(cè)量、采礦管理于一體的數(shù)字化采礦管理系統(tǒng)。還有一些企業(yè)對(duì)引進(jìn)的軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，也出現(xiàn)了有價(jià)值的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，如山東黃金礦業(yè)的新城金礦于2007年引進(jìn)加拿大Gemcom公司的Surpac礦業(yè)軟件，還利用該軟件的打印繪圖模塊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中各種圖件的自動(dòng)化繪制及打印。

近十年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)在礦山領(lǐng)域開(kāi)始大量研究和應(yīng)用，將可視化技術(shù)帶入新時(shí)代。其中，虛擬仿真技術(shù)在礦山安全工程方面取得了大量研究成果。國(guó)外學(xué)者利用VR 技術(shù)開(kāi)發(fā)出逼真的、人機(jī)交互式的、三維的、動(dòng)態(tài)礦業(yè)空間環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)采礦作業(yè)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、安全培訓(xùn)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等。

三、采礦可視化技術(shù)在礦山安全領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

近二十多年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)在國(guó)內(nèi)安全科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域已有大量研究和應(yīng)用，用以加強(qiáng)安全生產(chǎn)監(jiān)控，以達(dá)到減少安全事故的目的。大量學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度，生產(chǎn)安全方面的技術(shù)進(jìn)行廣泛研究，自主開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)礦山情況的數(shù)字礦山整體控制系統(tǒng)。研究成果顯著的研究機(jī)構(gòu)有中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心，其開(kāi)發(fā)的DIMINE數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)平臺(tái)和礦山三維調(diào)度指揮系統(tǒng)以“防患于未然”為原則，成功建立了安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”，包括綜合通訊控制平臺(tái)、人員定位系統(tǒng)、通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜合軟件平臺(tái)等。

其中，將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于安全科學(xué)領(lǐng)域，國(guó)外學(xué)者已作出了大量研究和應(yīng)用。美國(guó)礦業(yè)通過(guò)采用計(jì)算機(jī)仿真模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，預(yù)測(cè)采礦過(guò)程中由于操作失誤、控制系統(tǒng)故障或設(shè)備故障等非正常原因?qū)е碌奈ｋU(xiǎn)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(fā)揮各自的長(zhǎng)處，這樣就增強(qiáng)了對(duì)安全隱患的預(yù)見(jiàn)性，大幅度減少煤礦挖掘中的意外險(xiǎn)情，同時(shí)還可以設(shè)定干擾，以確定最佳的安全控制方案和救援預(yù)案。

通過(guò)將符號(hào)定向圖法（SDG）引入危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP），美國(guó)在計(jì)算機(jī)輔助安全評(píng)價(jià)方面做出了積極的探索，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助安全評(píng)價(jià)技術(shù)的飛躍。例如，普渡大學(xué)智能過(guò)程系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)完成了HAZOPExpert 軟件，經(jīng)過(guò)在多項(xiàng)石油化工裝置安全評(píng)價(jià)中應(yīng)用，以及與人工評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)照，表明自動(dòng)評(píng)價(jià)比較簡(jiǎn)單、易行，其評(píng)價(jià)思路與人工評(píng)價(jià)具有很好的一致性，不但效率高、速度快，而且評(píng)價(jià)結(jié)論的完備性更好。國(guó)內(nèi)，仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用較早，發(fā)展迅速。隨著安全科學(xué)技術(shù)特別是安全系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展成熟，安全模擬與安全仿真學(xué)已成為其重要學(xué)科分支。隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在礦山安全評(píng)價(jià)、安全監(jiān)測(cè)、安全控制與安全訓(xùn)練等多領(lǐng)域多層面，正在或即將發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曲芳，徐文娟，李廣錄.礦車(chē)自重及其重心位置對(duì)礦車(chē)運(yùn)行特性的影響分析[J].煤礦機(jī)械，2009（04）.