用空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)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(kāi)采型企業(yè)。煤礦安全對(duì)煤炭企業(yè)影響巨大，安全工作在煤礦生產(chǎn)中占有重要地位，其管理好壞直接關(guān)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(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及從煤礦建設(shè)、煤炭開(kāi)采、生產(chǎn)加工到煤炭產(chǎn)品銷售的全過(guò)程。近幾年來(lái)，我國(guó)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(guó)家財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，嚴(yán)重影響了煤炭企業(yè)生產(chǎn)能力的發(fā)揮和煤炭企業(yè)的形象。煤礦安全管理任務(wù)十分艱巨，是因?yàn)橛绊懨旱V安全的因素非常復(fù)雜。研究表明，瓦斯、礦壓與頂板、煤塵、水、火等自然災(zāi)害因素是影響煤礦安全生產(chǎn)的最主要和最難以控制的因素。因此，如何有效識(shí)別影響煤礦安全的自然災(zāi)害隱患，提升煤礦安全管理水平是我國(guó)煤炭企業(yè)面臨的重大課題。
近年來(lái)，信息技術(shù)有了突飛錳進(jìn)地發(fā)展。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的成熟和數(shù)據(jù)應(yīng)用的普及，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)量、單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的容量和數(shù)據(jù)類型的復(fù)雜性都大大地增加了。在這些龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)中蘊(yùn)藏著極其豐富的信息源，因此，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為數(shù)據(jù)挖掘的一個(gè)方向，空間數(shù)據(jù)挖掘可以用于對(duì)空間數(shù)據(jù)的理解、空間關(guān)系和空間與非空間數(shù)據(jù)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)、空間知識(shí)庫(kù)的構(gòu)造、空間數(shù)據(jù)庫(kù)的重組和空間查詢的優(yōu)化?？臻g數(shù)據(jù)挖掘在地理信息系統(tǒng)、地理市場(chǎng)、遙感、圖像數(shù)據(jù)勘測(cè)、醫(yī)學(xué)圖像處理、導(dǎo)航、交通控制、環(huán)境研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
由于煤礦自然災(zāi)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(zāi)害空間數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，構(gòu)建災(zāi)害隱患識(shí)別模型，進(jìn)行煤礦自然災(zāi)害空間信息數(shù)據(jù)挖掘，識(shí)別災(zāi)害隱患，提高煤礦安全預(yù)警能力，減少自然災(zāi)害發(fā)生率。
2 我國(guó)煤礦安全管理中存在的問(wèn)題
通過(guò)對(duì)具體礦井的詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國(guó)煤礦安全管理工作存在如下問(wèn)題：
（1）安全管理法規(guī)不完善。我國(guó)現(xiàn)有安全生產(chǎn)方面的法律、法規(guī)大部分是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下制定的，難以完全適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下煤礦安全生產(chǎn)的需要。中央有關(guān)安全生產(chǎn)的精神也難以徹底在一些礦井的有關(guān)崗位及一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦，特別是一些私人小煤礦落到實(shí)處。建立健全適應(yīng)新形勢(shì)需要的安全生產(chǎn)法規(guī)體系，明確安全生產(chǎn)的執(zhí)法主體和各部門(mén)的職責(zé)已成為當(dāng)務(wù)之急。
（2）勞動(dòng)者素質(zhì)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(chǎn)已經(jīng)逐步發(fā)展到采掘機(jī)械化、生產(chǎn)集中化、生產(chǎn)環(huán)節(jié)互相依賴化、管理進(jìn)入系統(tǒng)化、信息化的嶄新階段，對(duì)人的素質(zhì)要求很高。然而，總的來(lái)說(shuō)煤炭企業(yè)的員工素質(zhì)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(xué)文化程度的員工為數(shù)不少，思維理解能力差，不易掌握操作技術(shù)和安全知識(shí)：二是身體素質(zhì)差，井下作業(yè)環(huán)境差加之長(zhǎng)期加班加點(diǎn)、超負(fù)荷工作等，使井下工人體質(zhì)受到影響很大；三是心理素質(zhì)差，有的人對(duì)井下作業(yè)恐慌畏懼、情緒波動(dòng)反常，有的人又麻痹松懈，存在消極勞動(dòng)情緒，個(gè)別人甚至還故意設(shè)置安全隱患，人為制造事故。在實(shí)際操作過(guò)程中，時(shí)有冒險(xiǎn)蠻干、違章作業(yè)的現(xiàn)象發(fā)生。
（3）安全技術(shù)資金缺口大。煤炭開(kāi)采受地質(zhì)條件的影響很大。過(guò)去由國(guó)家投入的大量設(shè)備如今已嚴(yán)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(wù)也在不斷加重，礦井的供電、通風(fēng)、提升和排水等能力很難適應(yīng)生產(chǎn)需要。
（4）安全管理的手段落后。與西方發(fā)達(dá)產(chǎn)煤國(guó)相比，我國(guó)煤礦應(yīng)用技術(shù)研究起步較晚。人力、財(cái)力不足，一些重大的安全技術(shù)問(wèn)題如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、地?zé)?、突水等?zāi)害預(yù)防與控制仍不徹底。加之受傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)思想的影響和企業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的制約，我國(guó)煤礦生產(chǎn)裝備及安全監(jiān)控設(shè)備還比較落后。井巷斷面設(shè)計(jì)、支護(hù)強(qiáng)度確定、支護(hù)材料選型較小。生產(chǎn)設(shè)備功率、礦井供風(fēng)量等富余系數(shù)偏低，易發(fā)生事故。大多數(shù)煤炭企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)落后的安全管理手段，各類報(bào)表計(jì)算主要依靠人工勞動(dòng)，精度低；信息傳遞周圍長(zhǎng)，速度慢；管理人員重復(fù)勞動(dòng)量大，資料查找困難，工作效率低；安全檢查，等級(jí)鑒定等往往憑借主觀意識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。
（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(jù)，它包括事故及職業(yè)傷害的記錄、分析、統(tǒng)計(jì)；職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)備的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及檢驗(yàn)技術(shù)；法律、規(guī)章、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其變化動(dòng)態(tài)；教育、教訓(xùn)、宣傳及社會(huì)活動(dòng)，國(guó)內(nèi)新技術(shù)動(dòng)態(tài)、隱患評(píng)價(jià)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，能使安全工作從過(guò)去的憑直觀、憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行變?yōu)槎ㄐ?、定量的超前預(yù)測(cè)，但在這一點(diǎn)上多數(shù)礦井仍處于起步和探索階段，沒(méi)有形成完整的體系，實(shí)際應(yīng)用尚有較大欠缺。
綜上所述，加大安全投入、提高員工素質(zhì)，特別是提高科技含量，以信息化提高安全科學(xué)管理手段對(duì)提高我國(guó)煤礦安全管理水平是至關(guān)重要的。
3 空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)
空間數(shù)據(jù)挖掘（spatial data mining，也叫地理知識(shí)發(fā)現(xiàn)）是數(shù)據(jù)挖掘的一個(gè)分支，主要研究從空間數(shù)據(jù)中提取非顯式存在的知識(shí)、空間關(guān)系或其它有意義的模式等。在已建立的gis數(shù)據(jù)庫(kù)中，隱藏著大量的可供分析、分類用的知識(shí)、這些知識(shí)中有些屬于“淺層知識(shí)”。如某一地區(qū)有無(wú)河流、道路的最大和最小寬度等，這些知識(shí)一般通過(guò)gis的查詢功能就能提取出來(lái)。還有一些知識(shí)屬于“深層知識(shí)”。如空間位置分布規(guī)律、空間關(guān)聯(lián)規(guī)則、形態(tài)特征區(qū)分規(guī)則等，它們并沒(méi)有直接存儲(chǔ)于空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，必須通過(guò)運(yùn)算和學(xué)習(xí)才能挖掘出來(lái)。
空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的產(chǎn)生來(lái)自2個(gè)方面的推動(dòng)力。首先，由于數(shù)據(jù)挖掘研究領(lǐng)域的不斷拓展，由最初的關(guān)系數(shù)據(jù)和事務(wù)數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)展到對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)。空間數(shù)據(jù)是一類重要、特殊的數(shù)據(jù)。有著比一般關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)更加豐富和復(fù)雜的語(yǔ)義信息，包含著更豐富的知識(shí)。因此，盡管數(shù)據(jù)挖掘最初產(chǎn)生于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，但由于空間數(shù)據(jù)的特殊性，從空間數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)掘知識(shí)很快引起了數(shù)據(jù)挖掘研究者的關(guān)注。許多數(shù)據(jù)挖掘方面的研究工作也從關(guān)系型和事務(wù)型數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展到空間數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，在地學(xué)領(lǐng)域，隨著衛(wèi)星和遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，日益豐富的空間和非空間數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)在大空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，海量的地理數(shù)據(jù)在一定程度上已經(jīng)超過(guò)了人們處理能力，同時(shí)傳統(tǒng)的地學(xué)分析難以勝倕從這些海量的數(shù)據(jù)中提取和發(fā)現(xiàn)地學(xué)知識(shí)，正如john naisbett所說(shuō)，“我們已被信息所淹沒(méi)，但是卻正在忍受缺乏知識(shí)的煎熬”。這給當(dāng)前gis技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要增強(qiáng)gis分析功能，提高gis解決地學(xué)實(shí)際問(wèn)題的能力。數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)很好地滿足了地球空間數(shù)據(jù)處理的需要，推動(dòng)了傳統(tǒng)地學(xué)空間分析的發(fā)展。根據(jù)地學(xué)空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)挖掘方法引入gis，形成地學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的新型地學(xué)數(shù)據(jù)分析理論。
4 應(yīng)用空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)模型
礦井自然災(zāi)害隱患的預(yù)警預(yù)報(bào)是確保煤礦安全生產(chǎn)的最有效途徑。為此，必須構(gòu)建有效的礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別模型。針對(duì)煤礦自然災(zāi)害出現(xiàn)的規(guī)律特點(diǎn)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(zhì)、測(cè)量、“一通三防”等數(shù)據(jù)和相關(guān)信息研究礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)模型符合煤礦安全管理實(shí)際工作，能夠解決安全信息的實(shí)時(shí)共享，將為煤礦安全事務(wù)的預(yù)防與應(yīng)急協(xié)作處理提供有效的手段和方法。
礦井自然災(zāi)害方式不同，隱患識(shí)別的信息源必然不同，處理結(jié)果也可能不同，但是事務(wù)處理必須借助地測(cè)和安全生產(chǎn)信息，同時(shí)還必須利用相關(guān)的知識(shí)數(shù)據(jù)（如：專家知識(shí)、現(xiàn)有規(guī)律、自然災(zāi)害分類指標(biāo)體系等）。為此，礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)模型不是孤立的信息模型，而是基于數(shù)據(jù)動(dòng)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(dǎo)，應(yīng)用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算幾何的空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，并結(jié)合煤礦安全知識(shí)庫(kù)建立礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支系統(tǒng)模型，模型框架如圖1所示。
整個(gè)模型以煤礦安全知識(shí)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提取瓦斯、礦壓與頂板、煤塵、水、火等自然災(zāi)害因素屬性，應(yīng)用空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和煤礦安全知識(shí)庫(kù)建立的自然災(zāi)害因素評(píng)價(jià)體系，確定各參數(shù)臨界值并進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行隱患識(shí)別，并進(jìn)行相應(yīng)的控制處理，以達(dá)到隱患識(shí)別與處理控制，減少災(zāi)害發(fā)生的目標(biāo)。
圖1 礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)模型
5 應(yīng)用礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)提升煤礦安全管理水平
礦井自然災(zāi)害主要是由水、煤塵、瓦斯、煤自燃、開(kāi)采沉陷和礦壓等因素所導(dǎo)致，但這些因素并非隨時(shí)都會(huì)產(chǎn)生安全事故，而是開(kāi)采過(guò)程中影響事故的某些參數(shù)超過(guò)一定的臨界值才引起。為此，礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)是自然災(zāi)害分類體系劃分、相關(guān)災(zāi)害類型知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、其次是相關(guān)軟件系統(tǒng)研發(fā)、事故隱患識(shí)別方法研究與方法庫(kù)的建立。
（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系庫(kù)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系庫(kù)就是礦井自然災(zāi)害隱患發(fā)生具體參數(shù)的知識(shí)庫(kù)。模型構(gòu)建必須首先依據(jù)礦井瓦斯、水害等自然災(zāi)害隱患的不同指標(biāo)體系及其臨界值建立相應(yīng)的指標(biāo)體系庫(kù)，隱患報(bào)警識(shí)別的參數(shù)主要參考是采掘工程平面圖的動(dòng)態(tài)開(kāi)采面與相關(guān)巷道。各類瓦斯隱患、水害隱患、通風(fēng)隱患都形成相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)。
（2）建立基于地測(cè)、通風(fēng)、采礦等專業(yè)分析的模型庫(kù)。根據(jù)瓦斯、水害等不同礦井自然災(zāi)害類型建立相應(yīng)的專業(yè)模型庫(kù)，如瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)首先依據(jù)礦井地質(zhì)條件和煤層賦存情況建立瓦斯地質(zhì)分區(qū)圖（含瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)、瓦斯突出威脅區(qū)、高瓦斯區(qū)等），其次依據(jù)采掘工程平面圖的動(dòng)態(tài)采掘信息與相關(guān)瓦斯分區(qū)建立聯(lián)系并進(jìn)行比較分析確定可采區(qū)或未來(lái)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(kù)。gis空間分析是礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別的重要手段，同時(shí)也是安全事故預(yù)警預(yù)報(bào)的重要途徑。比如斷層防水區(qū)的劃定，主要是依據(jù)斷層保安煤柱來(lái)確定。其中斷層保安煤柱的確定就可以通過(guò)gis緩沖區(qū)分析獲得；空間統(tǒng)計(jì)分析、多源信息擬合、數(shù)據(jù)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(xiǎn)區(qū)的確定等。
（4）應(yīng)用決策支持系統(tǒng)提升煤礦安全管理水平。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)以及圖形庫(kù)是礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別與決策的基礎(chǔ)。通過(guò)應(yīng)用礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)的以下具體功能來(lái)實(shí)現(xiàn)礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)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(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)跟蹤相關(guān)災(zāi)害的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；②實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)礦井自然災(zāi)害數(shù)據(jù)或信息與相關(guān)自然災(zāi)害指標(biāo)體系庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)的比較，并利用圖形庫(kù)數(shù)據(jù)通過(guò)gis空間分析方法確定安全隱患類別；③礦井自然災(zāi)害隱患實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)、決策分析，提交基于空間數(shù)據(jù)的自然災(zāi)害隱患識(shí)別與分析處理的決策報(bào)告。
6結(jié)論
煤礦安全信息是一種活躍的、動(dòng)態(tài)變化的、與空間位置密切相關(guān)的信息，煤礦事故預(yù)測(cè)和防治研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及從煤炭開(kāi)采、生產(chǎn)加工到煤炭產(chǎn)品銷售的全過(guò)程。其中，影響最為嚴(yán)重的是來(lái)自煤炭開(kāi)采過(guò)程中自然災(zāi)的發(fā)生。礦井自然災(zāi)害是多源的，主要有水、煤塵、瓦斯、煤自燃、開(kāi)采沉陷和礦壓等方面，它們是直接導(dǎo)致煤礦自然災(zāi)害產(chǎn)生的原因。起源于統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、信息檢索、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和進(jìn)化計(jì)算的空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為煤礦自然災(zāi)害隱患識(shí)別、進(jìn)行事故預(yù)防和處理提供了有效的手段和方法。本文將空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)和于煤礦安全管理，結(jié)合煤礦安全知識(shí)建立了礦井自然災(zāi)害隱患識(shí)別決策支持系統(tǒng)模型，為從根本上減少災(zāi)害發(fā)生，提升煤礦安全管理水平提供了新的思路。
