基于GIS的煤矿灾害的闭环管理体系

刘永立， 王海涛， 沈 斌， 任梦轩， 单麒源

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022；3.黑龙江工业学院 资源工程学院， 黑龙江 鸡西 158100)

0 引 言

近些年来，我国煤矿安全事故和人员伤亡数量降低很快，但特重大事故偶尔发生，安全生产态势依然不容乐观。同时，高新技术的发展推动了矿山智能化、信息化建设，煤矿从业人员管理技术和矿井装备得到了飞跃发展，与之对应的一些管理手段落后，装备、技术陈旧等新问题急需解决，煤矿安全生产面临新的挑战[1]。

目前，一些学者对煤矿灾害管理体系进行了大量研究。齐庆杰等[2]提出了从根本上消除煤矿事故隐患科技支撑的发展目标、路径、总体思路、主要任务和对策。李爽等[3]开发了煤矿智慧安全管控平台系统，实现了煤矿可视化、智能评估、系统联动等功能。吕礼国[4]建立了煤矿安全双重预防机制，实现了安全风险分级管控与事故隐患排查治理有机融合和持续改进的目的。傅贵等[5]梳理了危险源的定义和需要考虑的因素，得出危险源的内容非常宽泛，危险源和隐患的含义相同。孟现飞等[6]总结了危险源定义和分类，并进行分类研究，得出了危险源与隐患的关系。王龙康等[7-8]利用脆弱性和LEC法，提出了煤矿安全隐患动态分级闭环管理方法，实际应用效果良好。贺耀宜[9]提出建立本质安全和风险预控体系平台建设思路，从而实现矿井本质安全化管理。

煤矿井下灾害事故形成机理复杂，诱发因素众多，增大了煤矿灾害危险源检测、识别、预测、预警及应急处置的难度，制约了煤矿灾害管理体系的发展。传统意义上煤矿在同一地理空间内，无论是灾害数据处理，还是灾害信息存储，平台都不统一，无法共享动态变化的空间信息，数据“孤岛和烟囱”严重。为此，笔者通过建立先进的预警模型，完善煤矿灾害安全监控系统，实现实时在线检测，实时灾害危险源数据采集，建立灾害危险源指标体系数据库，研究并实现灾害危险源的综合闭环管理与预警，从根本上改变煤矿灾害的管理现状。

1 总体设计思想

煤矿灾害闭环管理体系的先决条件是识别井下灾害危险源的不安全状态，核心资源是各类动态空间信息和监测监控信息，方法是最新的通讯和信息技术工具，关键难点是多学科核心技术的联合攻关、实时监测监控技术、集成的信息处理平台和专业化的决策支持，处理手段是应急处置，中心思想是形成一个闭环，动态、完整的数据处理和决策支持流程，管理体系如图1所示。

图1 煤矿灾害闭环管理体系Fig. 1 Closed-loop management system of mine disasters

2 煤矿灾害闭环管理体系的设计

2.1 煤矿井下灾害危险源识别

煤矿开采以煤岩为主，生产过程中存在的危险源具有分布广、实时变化、影响因素多、隐蔽性强、事故伤亡随机性变化大、管理难度高等特点。煤矿生产是个复杂的系统工程，对其危险源的辨识涉及到众多学科[3，10-11]，因此只有对采矿、数学、信息网络等众多学科进行系统分析，才有可能全面地识别出危险源。灾害识别设计模型如图2所示。

图2 灾害识别流程模型Fig. 2 Disaster identification process model

由于系统涉及大量的空间信息和监测监控设备，所以为了实现系统“技术先进、操作简单、稳定可靠、模型实用”的目标，必须建立统一的数据处理平台和仓库，开发统一的地理信息系统平台和组态软件。煤矿灾害危险源的辨识是灾害闭环管理的前端工作，其辨识、排查的质量将影响到危险源治理的成败。经过文献梳理和煤矿现场调研，结合煤矿安全风险标准库进行对照、分析，对风险进行定性分级。风险辨识结果录入后形成适合特定煤矿的企业风险库，根据各风险点风险管控要求，自动创建风险管控任务并下发，形成完整的风险监视清单，为后期人工检查和系统自动监管提供依据。

2.2 煤矿井下灾害危险源评价指标体系

煤矿井下灾害危险源的分类与评价指标体系研究是灾害危险源预测和预警的前提。煤矿井下作业环境与地面存在很大差异，主要表现在井下具有特有的煤自燃、瓦斯、冲击地压等多种突发灾害因素[12]，这些突发自燃灾害因素对煤矿安全生产系统造成了巨大不确定性安全隐患，迫使对煤矿企业管理者和决策者的执行能力、效率以及准确性提出更高的要求。因此，管理者和决策者必须能实时监控生产状态，理清事故的发生规律，预测事故可能发生的等级，及时采取与之等级相对应的预防措施。灾害危险源评价指标体系包括面对危险源的单一评价以及危险源相互间制约的区域评价，主要研究内容包括煤矿危险源的分级体系、评价指标体系、相关指标的定量化问题以及指标体系库的构建，设计模型如图3所示。

图3 灾害评价流程模型Fig. 3 Disaster evaluation process model

2.2.1 评价指标体系分级

当前，国内灾害危险源隐患识别、预测和预警与决策支持分级体系还没有统一标准。参照国家自然灾害救助应急响应等级、某煤矿多年生产安全事故数据统计和应急预案等资料，将煤矿灾害危险源中最为主要的火、水、瓦斯和顶板作为研究对象，建立了指标体系库，具体内容见表1。

表1 评价指标体系Table 1 Evaluation index system

2.2.2 评价指标体系结构

煤矿生产系统是一个复杂的系统工程，涉及面广而杂，这就要求灾害危险源评价指标的选择和确定要全面、精确和适度。评价指标因素过多会导致评价系统结构过于复杂，提升了评价难度，掩盖了灾害事故的主要关键因素；反之，会使评价过程过于简单，出现以偏概全现象，不能系统客观地反应煤矿实际生产情况。

引发煤矿安全生产问题，几乎涵盖了生产技术的每一个环节，主要包括：地质因素(地质构造、水文地质、煤层赋存条件等)、灾害因素(内外因火灾、瓦斯突出与爆炸、煤尘爆炸等)、生产方法因素(采煤方法、掘进方法、运输方式等)、生产装备因素(工作面机械化程度、机械化设备状况、机械设备维护等)、人员素质因素(学历程度、培训次数、工作年限等)、环境条件因素(温度、湿度、粉尘浓度等)和矿井危险源因素(瓦斯积聚超限、内外因火源、机电设备失爆等)7类[13]。

2.3 煤矿井下灾害危险源预警体系

要想有效解决煤矿灾害危险源预警问题，还需要一定的空间分析模型与方法，目前基于GIS危险源识别、预警预报主要有3类模型(单体评判、区域评判以及单体-区域联合评判)[14-15]。其中，单体评估预警模型能够对特定灾害危险源监测对象给出相对准确的预警预报，重点对少数关键灾害隐患进行评估预警，并对区域预警预报进行验证，从而为其建立提供参考依据；区域评价预警模型能够给出煤矿风险源在整个区域空间内的分布情况，从宏观上展现煤矿危险源的发生规律，主要针对煤矿整体危险源的隐患进行预警预报，同时指导单体预警预报的开展；单体-区域预警模型联合应用能够有效融合各自的优点，弥补各自缺点，极大地提高了预警预报的效率和准确性。

综上，笔者结合3类GIS模型特点，针对某矿应用了单体-区域联合危险源辨识与预警模型，具体设计模型如图4所示。

图4 基于GIS的单体-区域联合评判预警模型Fig. 4 Warning model of regional-monomer joint evaluation based on GIS

2.4 应急处置闭环管理体系的建立

2.4.1 应急处置闭环管理模型

应急处置闭环管理信息化的实施关键在于管理模式的重构或改善，实现基于工作流程的改造，达到实时业务数据按照流程共享与传输[16-18]。但是，应急处置闭环管理信息化并不是简单管理的改进，而是一种复杂系统的实施，必须依据流程实现部门之间数据的管理与共享，建立的安全闭环管理模型如图5所示。

图5 安全闭环管理模型Fig. 5 Security closed-loop management model

煤矿工作流模型是煤矿工作过程的模型化和抽象化表示形式，它的主要功能是把工作业务数字化，以便于计算机处理。利用模型中的建模工具，把煤矿日常生产过程中产生的业务转化成信息系统可处理的数字信息化。建立闭环管理工作流模型，可消除重复性工作，提高效率，实时监督管理煤矿日常生产，实现自动化办公。具体优点体现如下：

(1)数据管理网络集中化。使用B/S结构+C/S结构与数据库建立关系，实施网络化数据库管理，实现对煤矿工作地点火情、瓦斯浓度、水位、顶板压力等数据的集中存储、统一管理与评价监控。

(2)实现与监测预警系统数据共享，无需再进行录入处理，达到快速反应的目的。

(3)流程化的数据管理。工作流程中的用户可以用自身的权限对灾害危险源数据进行处理，并按照规定的流程进行在线流程办公，有责任分派给人，落实到人，规范管理。

2.4.2 应急处置业务管理模型

应急处置管理是一个“双向通道”系统，它既能实现煤矿基层生产数据、报表、文档、视频、图片等向上传输，又能实现煤矿管理层各类管理文件、章程、应急处置措施等向下分发。应急处置业务流程是一个纵向的专业管理，即生产区队—矿管理部门—矿领导—集团分管部门—集团领导，一旦某一环节出现无反馈现象直接提示或报警，直到信息反馈处理为止。其业务管理流程见图6。

图6 应急处置业务管理流程Fig. 6 Emergency management process

对于灾害危险源的识别、预警，必须快速传递给相关责任人，以便对可能出现的事故及时进行处置。其中，灾害危险源信息分层处理反馈管理模式，是一种基于工作流的多部门协作共享应用数据驱动模式，实现了不同组织、不同部门、不同层次人员的分层处理。一旦一个岗位信息的反馈不及时，就会上报给相应的上级主管部门和人员，实现了信息的灵活运用、逐级审批和反馈机制。

3 煤矿火灾闭环管理的应用

针对黑龙江某矿工作面煤自燃危险性大，综合分析了采空区等漏风源、漏风汇、地质构造、回采期间丢煤情况及煤自燃气体涌出特征等因素，确定了采空区煤自燃高温隐患的分布范围及发展状态，制定了隐患应急控制与分阶段综合治理方案，采取均压与喷浆结合减少漏风、注氮惰化采空区等措施达到隐患应急控制的效果。在此基础上，划分出治理煤自燃隐患的有效措施区域，采用复合泥浆封堵、液态CO2冷却降温覆盖隔氧技术实现隐患高效治理目标，构建了“堵漏控风+惰化降温+覆盖隔氧”多位一体的工作面煤自燃综合防治技术体系，如图7所示。

图7 煤矿火灾综合防灭火技术体系Fig. 7 Coal mine fire integrated fire prevention and extinguishing technology system

该管理体系建立了完整的火灾隐患数据仓库，做到了隐患数据随时调取和存储。管理体系根据隐患数据调用和存储频次进行统计分析和预测，将隐患分为4级，并赋予不同颜色。基于该管理体系建立的火灾管理系统于2021年在该矿投入使用。之后，针对该矿近3 a采煤工作面火灾隐患统计数据显示：2019年该工作面隐患数86，隐患二次复发数26，复发率30%；2020年该工作面隐患数88，隐患二次复发数23，复发率26%；2021年该工作面隐患数34，隐患二次复发数3，复发率9%。从数据统计来看，管理体系平台的应用前后，工作面隐患数和复发率存在明显差别，说明该工作面火灾隐患得到了有效治理，有效消除了该矿煤自燃高温隐患，保障了工作面的安全高效开采。

4 结 论

(1)煤矿灾害闭环管理体系的设计思路和构想，最终实现了对煤矿各类安全生产数据的汇总，存储分析，建成煤矿各个部门“横向协同”，集团公司、煤矿、部门之间“纵向贯通”的安全生产管理体系，为后续矿井系统平台的拓展和建设奠定了基础。

(2)体系的建成有利于煤矿灾害风险源全方位全面的辨识，能够实现灾害风险源的定量和定性分析，也明确了各指标的预警准则。

(3)基于工作流应急处置闭环管理体系，能够实现业务数据按照流程共享与传输，有利于提高煤矿灾害的辨识、预测效率、评估以及应急处置工作能力，同时提高了企业的安全管理水平。