用空間數據挖掘技術提升煤礦安全管理水平
1 前言
煤炭企業(yè)屬于傳統(tǒng)的資源開采型企業(yè)。煤礦安全對煤炭企業(yè)影響巨大，安全工作在煤礦生產中占有重要地位，其管理好壞直接關系到煤炭企業(yè)的生存和發(fā)展。煤炭企業(yè)的安全管理是一項系統(tǒng)工程，涉及從煤礦建設、煤炭開采、生產加工到煤炭產品銷售的全過程。近幾年來，我國煤礦瓦斯爆炸、井下透水等事故頻頻發(fā)生，給人民的生命和國家財產造成了巨大的損失，嚴重影響了煤炭企業(yè)生產能力的發(fā)揮和煤炭企業(yè)的形象。煤礦安全管理任務十分艱巨，是因為影響煤礦安全的因素非常復雜。研究表明，瓦斯、礦壓與頂板、煤塵、水、火等自然災害因素是影響煤礦安全生產的最主要和最難以控制的因素。因此，如何有效識別影響煤礦安全的自然災害隱患，提升煤礦安全管理水平是我國煤炭企業(yè)面臨的重大課題。
近年來，信息技術有了突飛錳進地發(fā)展。隨著數據庫技術的成熟和數據應用的普及，數據庫的數量、單個數據庫的容量和數據類型的復雜性都大大地增加了。在這些龐大的數據庫中蘊藏著極其豐富的信息源，因此，數據挖掘技術應運而生。作為數據挖掘的一個方向，空間數據挖掘可以用于對空間數據的理解、空間關系和空間與非空間數據關系的發(fā)現(xiàn)、空間知識庫的構造、空間數據庫的重組和空間查詢的優(yōu)化?？臻g數據挖掘在地理信息系統(tǒng)、地理市場、遙感、圖像數據勘測、醫(yī)學圖像處理、導航、交通控制、環(huán)境研究等領域有著廣泛的應用。
由于煤礦自然災害影響因素具有空間分布不確定性特征，因此可以在建立大理自然災害空間數據信息基礎上，構建災害隱患識別模型，進行煤礦自然災害空間信息數據挖掘，識別災害隱患，提高煤礦安全預警能力，減少自然災害發(fā)生率。
2 我國煤礦安全管理中存在的問題
通過對具體礦井的詳細調查，發(fā)現(xiàn)我國煤礦安全管理工作存在如下問題：
（1）安全管理法規(guī)不完善。我國現(xiàn)有安全生產方面的法律、法規(guī)大部分是計劃經濟體制下制定的，難以完全適應市場經濟形勢下煤礦安全生產的需要。中央有關安全生產的精神也難以徹底在一些礦井的有關崗位及一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦，特別是一些私人小煤礦落到實處。建立健全適應新形勢需要的安全生產法規(guī)體系，明確安全生產的執(zhí)法主體和各部門的職責已成為當務之急。
（2）勞動者素質較低。煤炭企業(yè)安全管理的核心是人的管理。目前，煤礦生產已經逐步發(fā)展到采掘機械化、生產集中化、生產環(huán)節(jié)互相依賴化、管理進入系統(tǒng)化、信息化的嶄新階段，對人的素質要求很高。然而，總的來說煤炭企業(yè)的員工素質一般還都較低。表現(xiàn)有三：一是文化水平低，初中以下甚至文盲和小學文化程度的員工為數不少，思維理解能力差，不易掌握操作技術和安全知識：二是身體素質差，井下作業(yè)環(huán)境差加之長期加班加點、超負荷工作等，使井下工人體質受到影響很大；三是心理素質差，有的人對井下作業(yè)恐慌畏懼、情緒波動反常，有的人又麻痹松懈，存在消極勞動情緒，個別人甚至還故意設置安全隱患，人為制造事故。在實際操作過程中，時有冒險蠻干、違章作業(yè)的現(xiàn)象發(fā)生。
（3）安全技術資金缺口大。煤炭開采受地質條件的影響很大。過去由國家投入的大量設備如今已嚴重老化，維修量大。隨著礦井延深，礦壓不斷增加，巷道維修的任務也在不斷加重，礦井的供電、通風、提升和排水等能力很難適應生產需要。
（4）安全管理的手段落后。與西方發(fā)達產煤國相比，我國煤礦應用技術研究起步較晚。人力、財力不足，一些重大的安全技術問題如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、地熱、突水等災害預防與控制仍不徹底。加之受傳統(tǒng)經營思想的影響和企業(yè)經濟實力的制約，我國煤礦生產裝備及安全監(jiān)控設備還比較落后。井巷斷面設計、支護強度確定、支護材料選型較小。生產設備功率、礦井供風量等富余系數偏低，易發(fā)生事故。大多數煤炭企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)落后的安全管理手段，各類報表計算主要依靠人工勞動，精度低；信息傳遞周圍長，速度慢；管理人員重復勞動量大，資料查找困難，工作效率低；安全檢查，等級鑒定等往往憑借主觀意識和經驗。
（5）安全信息管理體系不完善。安全信息是安全管理工作的主要依據，它包括事故及職業(yè)傷害的記錄、分析、統(tǒng)計；職業(yè)安全衛(wèi)生設備的研究、設計、生產及檢驗技術；法律、規(guī)章、技術標準及其變化動態(tài)；教育、教訓、宣傳及社會活動，國內新技術動態(tài)、隱患評價及技術經濟分析、咨詢、決策系統(tǒng)等。信息系統(tǒng)的完善即安全系統(tǒng)工程和計算機技術的結合，能使安全工作從過去的憑直觀、憑經驗進行變?yōu)槎ㄐ?、定量的超前預測，但在這一點上多數礦井仍處于起步和探索階段，沒有形成完整的體系，實際應用尚有較大欠缺。
綜上所述，加大安全投入、提高員工素質，特別是提高科技含量，以信息化提高安全科學管理手段對提高我國煤礦安全管理水平是至關重要的。
3 空間數據挖掘技術
空間數據挖掘（spatial data mining，也叫地理知識發(fā)現(xiàn)）是數據挖掘的一個分支，主要研究從空間數據中提取非顯式存在的知識、空間關系或其它有意義的模式等。在已建立的gis數據庫中，隱藏著大量的可供分析、分類用的知識、這些知識中有些屬于“淺層知識”。如某一地區(qū)有無河流、道路的最大和最小寬度等，這些知識一般通過gis的查詢功能就能提取出來。還有一些知識屬于“深層知識”。如空間位置分布規(guī)律、空間關聯(lián)規(guī)則、形態(tài)特征區(qū)分規(guī)則等，它們并沒有直接存儲于空間數據庫中，必須通過運算和學習才能挖掘出來。
空間數據挖掘技術的產生來自2個方面的推動力。首先，由于數據挖掘研究領域的不斷拓展，由最初的關系數據和事務數據挖掘，發(fā)展到對空間數據庫的挖掘?？臻g信息正在逐步成為各種信息系統(tǒng)的主體和基礎?？臻g數據是一類重要、特殊的數據。有著比一般關系數據庫和事務數據庫更加豐富和復雜的語義信息，包含著更豐富的知識。因此，盡管數據挖掘最初產生于關系數據庫和事務數據庫，但由于空間數據的特殊性，從空間數據庫中發(fā)掘知識很快引起了數據挖掘研究者的關注。許多數據挖掘方面的研究工作也從關系型和事務型數據庫擴展到空間數據庫。其次，在地學領域，隨著衛(wèi)星和遙感技術的廣泛應用，日益豐富的空間和非空間數據收集和存儲在大空間數據庫中，海量的地理數據在一定程度上已經超過了人們處理能力，同時傳統(tǒng)的地學分析難以勝倕從這些海量的數據中提取和發(fā)現(xiàn)地學知識，正如john naisbett所說，“我們已被信息所淹沒，但是卻正在忍受缺乏知識的煎熬”。這給當前gis技術提出了巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要增強gis分析功能，提高gis解決地學實際問題的能力。數據挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)很好地滿足了地球空間數據處理的需要，推動了傳統(tǒng)地學空間分析的發(fā)展。根據地學空間數據的特點，將數據挖掘方法引入gis，形成地學空間數據挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的新型地學數據分析理論。
4 應用空間數據挖掘技術構建礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)模型
礦井自然災害隱患的預警預報是確保煤礦安全生產的最有效途徑。為此，必須構建有效的礦井自然災害隱患識別模型。針對煤礦自然災害出現(xiàn)的規(guī)律特點以及煤礦安全管理工作流程模式，基于地理信息系統(tǒng)（含webgis），集成地質、測量、“一通三防”等數據和相關信息研究礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)模型符合煤礦安全管理實際工作，能夠解決安全信息的實時共享，將為煤礦安全事務的預防與應急協(xié)作處理提供有效的手段和方法。
礦井自然災害方式不同，隱患識別的信息源必然不同，處理結果也可能不同，但是事務處理必須借助地測和安全生產信息，同時還必須利用相關的知識數據（如：專家知識、現(xiàn)有規(guī)律、自然災害分類指標體系等）。為此，礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)模型不是孤立的信息模型，而是基于數據動態(tài)變化的協(xié)作處理模型。因此，我們以系統(tǒng)工程理論為指導，應用基于統(tǒng)計學、機器學習、神經網絡、計算幾何的空間數據挖掘技術，并結合煤礦安全知識庫建立礦井自然災害隱患識別決策支系統(tǒng)模型，模型框架如圖1所示。
整個模型以煤礦安全知識庫和空間數據庫管理系統(tǒng)為基礎，建立空間數據結構，提取瓦斯、礦壓與頂板、煤塵、水、火等自然災害因素屬性，應用空間數據挖掘技術和煤礦安全知識庫建立的自然災害因素評價體系，確定各參數臨界值并進行評估，根據評估結果進行隱患識別，并進行相應的控制處理，以達到隱患識別與處理控制，減少災害發(fā)生的目標。
圖1 礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)模型
5 應用礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)提升煤礦安全管理水平
礦井自然災害主要是由水、煤塵、瓦斯、煤自燃、開采沉陷和礦壓等因素所導致，但這些因素并非隨時都會產生安全事故，而是開采過程中影響事故的某些參數超過一定的臨界值才引起。為此，礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)模型構建的基礎是自然災害分類體系劃分、相關災害類型知識庫、模型庫與空間數據庫的建立、其次是相關軟件系統(tǒng)研發(fā)、事故隱患識別方法研究與方法庫的建立。
（1）構建評價指標體系庫。評價指標體系庫就是礦井自然災害隱患發(fā)生具體參數的知識庫。模型構建必須首先依據礦井瓦斯、水害等自然災害隱患的不同指標體系及其臨界值建立相應的指標體系庫，隱患報警識別的參數主要參考是采掘工程平面圖的動態(tài)開采面與相關巷道。各類瓦斯隱患、水害隱患、通風隱患都形成相應的評價指標庫。
（2）建立基于地測、通風、采礦等專業(yè)分析的模型庫。根據瓦斯、水害等不同礦井自然災害類型建立相應的專業(yè)模型庫，如瓦斯災害預測首先依據礦井地質條件和煤層賦存情況建立瓦斯地質分區(qū)圖（含瓦斯突出危險區(qū)、瓦斯突出威脅區(qū)、高瓦斯區(qū)等），其次依據采掘工程平面圖的動態(tài)采掘信息與相關瓦斯分區(qū)建立聯(lián)系并進行比較分析確定可采區(qū)或未來的可采區(qū)是否屬于高瓦斯區(qū)。
（3）建立基于gis空間分析的方法庫。gis空間分析是礦井自然災害隱患識別的重要手段，同時也是安全事故預警預報的重要途徑。比如斷層防水區(qū)的劃定，主要是依據斷層保安煤柱來確定。其中斷層保安煤柱的確定就可以通過gis緩沖區(qū)分析獲得；空間統(tǒng)計分析、多源信息擬合、數據挖掘等也是瓦斯、水害等安全隱患監(jiān)控中常用的gis空間分析方法，比如物探水文異常區(qū)的確定、瓦斯突出危險區(qū)的確定等。
（4）應用決策支持系統(tǒng)提升煤礦安全管理水平。評價指標體系庫、模型庫、方法庫以及圖形庫是礦井自然災害隱患識別與決策的基礎。通過應用礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)的以下具體功能來實現(xiàn)礦井自然災害隱患識別與決策分析，從根本上提升煤礦安全管理水平。①分類建立礦井自然災害的實時監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)跟蹤相關災害的實時數據；②實時實現(xiàn)礦井自然災害數據或信息與相關自然災害指標體系庫、模型庫、知識庫以及空間數據庫的比較，并利用圖形庫數據通過gis空間分析方法確定安全隱患類別；③礦井自然災害隱患實時預警預報、決策分析，提交基于空間數據的自然災害隱患識別與分析處理的決策報告。
6結論
煤礦安全信息是一種活躍的、動態(tài)變化的、與空間位置密切相關的信息，煤礦事故預測和防治研究是一項系統(tǒng)工程，它涉及從煤炭開采、生產加工到煤炭產品銷售的全過程。其中，影響最為嚴重的是來自煤炭開采過程中自然災的發(fā)生。礦井自然災害是多源的，主要有水、煤塵、瓦斯、煤自燃、開采沉陷和礦壓等方面，它們是直接導致煤礦自然災害產生的原因。起源于統(tǒng)計學、機器學習、計算機圖形學、數據庫、信息檢索、神經網絡、模糊邏輯和進化計算的空間數據挖掘技術為煤礦自然災害隱患識別、進行事故預防和處理提供了有效的手段和方法。本文將空間數據挖掘技術應和于煤礦安全管理，結合煤礦安全知識建立了礦井自然災害隱患識別決策支持系統(tǒng)模型，為從根本上減少災害發(fā)生，提升煤礦安全管理水平提供了新的思路。
