基于GIS平台的地下矿山事故的微地震应急救援技术.pdf

SerialNo . 491 M arch. 2010 现 代 矿 业 MORDEN M I NI NG 总 第 491期 2010年 3月第 3期 陈虹燕 1984- , 女, 江苏徐州人, 在读研究生, 621010四川省 绵阳市。 基于 GIS平台的地下矿山事故的微地震应急救援技术 陈虹燕 1 李仕雄 1, 2 1. 西南科技大学环境与资源学院; 2 . 西部矿业博士后工作站 摘 要 立足于微地震技术与 GIS软件研究矿山事故救援, 以微地震定位原理与 GIS电子地图 软件开发相结合, 达到现场第一时间最优路径救援的目的, 实现矿山救援的可视化。该技术注重实 时性, 科学性, 有强大的分析功能, 为事故应急救援提供了新的有效途径。 关键词 安全; 数字矿山; 微地震; GIS 中图分类号 TD77 1 文献标识码 A 文章编号 16746082 2010 03 0091 03 Emergency Rescue Technology ofM icroseism ic ofUndergroundM ine Accident which based on GIS ChenH ongyan 1 L i Shixiong 1, 2 1 . College of Environment and Resources , Southwest University of Science and Technology ; 2 . W est M ine Post doctoralW orkstations Abstract Make research on m ine accident rescue stands on the m icroseism ic technology and soft ware ofGIS ,combined them icroseism ic location theory w ith the develop ment of GIS electronicmap soft ware ,achieve the ai m of rescue at the shortest ti me and opti mal path onsite and realize the visualization ofm ine rescue . This technology has characteristic of real- ti m e 、 scientificalness and has strong function of analysis ,provide a new and effectiveway for accident e m ergency rescue . Keywords Safety; Digitalm ine; M icroseism ic ; GIS 1 引 言 近年来, 我国矿山事故频频发生。事故应急救 援过程中, 由于井下深度较大, 受困人员难于及时准 确定位, 错过了应急救援极其宝贵的黄金时间 72h, 导致生命财产的巨大损失。 目前应用较广的定位技术是射频技术 RFI D, 它利用射频信号通过空间祸合 交变磁场或电磁 场 实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到 识别目的的技术。但是由于井下地理环境的特殊 性, 发射频率低, 覆盖范围较小, 也不能实时定位, 加 之设备成本较高, 实际使用效果都不是很理想。 笔者基于 GIS平台的微地震定位技术, 以振动 波的形式记录井下受困人员敲击岩壁产生的震动波 形, 经定位软件测得震源, 并以 GIS图像模拟仿真, 达到震源可视化, 从而救援人员能够更直观的在电 子地图上进行最优路线的选择, 达到在第一时间救 援的目的。 2 微地震技术的应用 2 . 1 微地震技术概述 微地震技术可测震级 - 3到 3级, 可测距离在 5km以内, 频率范围是 10 300Hz, 利用地震探测原 理对地震波资料处理并解释, 并通过 P波和 S波的 到时、 已知的地震速度结构进行事件定位。此技术 的优点在于电子器件小型化, 低耗能, 高可靠性, 高 精度, 价格低廉; 微处理器速度快, 储存量高, 可指令 控制和更好的数据管理功能; 电池新型化, 高储能, 高性能, 可进行自然能源获取; 数据处理算法更有 效, 更精确和高效的噪声控制技术 [ 1]。 2 . 2 微地震定位方法原理 震源机制在产生振动信号后, 在满足 至少有 4个分布在不同地点的台站; 可靠的 P 波和 S波 到时; 已知地震速度结构的要求时, 由仪器对波形 记录, 对地震到时和射线方向进行联合反演, 得出地 震定位进行震源重构 [ 1]。定位原理[ 2] xi- x 2 yi- y 2 zi- z 2 - vti- t 0, 1 式中, x、 y、 z、 t为震源的空间坐标和微震发生的时 间; xi、 yi、 zi、 ti为微地震检测站的空间坐标 m和检 91 测到微震信号的 P波到时 m s。 在已知 4个点的情况下, 将点坐标带入式 1, 用牛顿迭代法进行方程组的求解即为震源点空间坐 标。可用 MATLAB软件求解。 定位实例 设定 4个台站 A、 B、 C、 D, 并按要求 埋设好传感器, 通过人为对地面产生的振动波作为 微地震波, 图 1 O点为定位震源点, 分布在 A, B, C, D 中间, 而后面的波形黑色标识的是每个台站记录的 波形。而图 1中三种波代表传感器 3个分量的波形 记录。 此软件在本系统中起到决定性作用, 是震源点 重构的关键环节, 也是定位的实质所在。 2 . 3 微地震技术的具体实现 首先在井下预先埋设满足条件的地震检波器, 在检波器检测到振动并记录波形后, 筛选出人员敲 击岩壁的波形, 设置振动频谱范围。地震分析软件 对该频谱范围内的振动波形进行分析, 以微地震定 位方法进行震源重构, 得出震源点。最后匹配震源 点数据, 以供 GIS软件提取应用, 实现震源的可视 化。 图 1 定位效果图 [ 1] 3 GIS平台上的人员定位 在以 GIS为平台的软件应用上, 对于本救援技 术首先要绘制出事故发生所在的矿区地图, 可以分 图层建立, 然后根据人员敲击岩壁产生的震源来定 位井下受困人员的具体位置, 在 ARCGIS中以图形 直观显示。 3 . 1 数据操作和形成图层 ARCGIS中的数据操作包括空间数据采集和空 间数据的编辑。 1数据采集。 数字化一起进行几何数据输 入; 在 ARCMAP中利用相关数据采集工具进行矢 量化或 ARCSCAN 工具进行几何采集; GPS数据 采集。对于属性数据可直接键盘输入, 而栅格数据 则要先进行编码转换为 GIS可用的数字和字符。几 何数据和属性数据采集完成要对其进行数据连接 建立拓扑关系, 使空间数据可用于地理分析 [ 3]。 2空间数据编辑。进入 ARC MAP环境中加载 想要编辑的地图数据, 用编辑工具对数据进行编辑, 如移动、 裁剪、 翻转、 添加删除节点等, 也可以进行 点、 线、 面各类要素的生成。 3 . 2 可视化与制图输出 在设置好地图模版后, 可加载之前编辑好的 Coverage 、 Shapefiles 、 Geodatabases、 CAD图片、 波段等 栅格数据、 地理网格数据、 坐标文件数据等。然后加 载数据层、 调整数据层的顺序、 修改坐标系统、 设置 地图参数。再进行数据层的组合操作, 设置比例尺、 指北针、 标注、 填充颜色。 对于救援系统要达到的界面要求为查询类, 可 以进行要素查询, 达到可视化, 并且震源点更直观。 空间定位的方式很多, 有坐标定位、 地址定位、 行政 区、 地名、 里程数等。而系统所需的是地址定位, 根 据矿山巷道的具体特征, 地址的细化给出精确的地 理位置。首先需要取得地址对位资料, 在 ArcCata log下建立 Geocoding Services 。其中 ArcGIS的二次 开发可以在 ArcGis Server , ArcCatalog及 Arc MAP下 用 VBA、 ArcObject VB、 VC、java , do. t net语言, Arc ToolBox下用 AML, 以实现系统功能。 图 2为 ARCGIS绘制的某矿山局部工作巷道人 92 总第 491期 现代矿业 2010年 3月第 3期 员定位实现模式。 图 2 人员在巷道中的定位 4 技术结构模型 见图 3 图 3 技术模型 1对该矿区进行 GIS地图模拟实现可视化。 在获得地理数据信息后, 选取合适的 GIS系统平台, 以项目自身条件进行电子图层的制作和处理, 一般 通过转换而来的数据并不完善, 需要图像数据的配 准, 图层坐标校准, 属性信息匹配录入, 海量数据的 检查等, 在确认图层数据信息无误后, 完成出图。这 只是地区地图的制作, 要使系统达到定位功能, 还要 进行二次开发, 有相关程序的编写以及窗口的制作, 达到直观准确定位的目的。 2在检波器测得被施救者敲击岩壁发出的振 波之后, 经过微地震定位软件进行检测, 得出实际的 震源点实现定位。这其中需要排除一些干扰波, 被 救人员可以在预先的安全培训中约定敲击频率, 以 供救援人员更明确的辨别救援位置, 不盲目施救。 3在输入震源点即救援位置后, GIS软件给出 相应的矿区地理位置。救援任务便可以顺利进行。 5 结论及展望 基于 GIS可视化, 结合微地震技术与 GIS进行 实时的地理信息查询, 在给出精确震源点的同时, 通 过 GIS软件的开发得出其地理空间位置, 矿山事故 发生时, 在黄金时间确定受困人员位置, 救助受灾受 困人员。 本技术还可以用于工作中矿山安全预警的海量 数据查询, 在相同的原理下, 微地震传感器监测岩石 松动, 根据分析提供可靠的事实依据, 给出专业性的 安全预报和预警分析, 技术实用性强, 达到 ∀安全第 一的原则, 从而防患于未然。 参 考 文 献 [ 1] 骆 循. 微地震技术应用 [ R ]. 西南科技大学环境与资源学 院, 2008. [ 2] 逄焕东, 姜福兴, 张兴民等. 微地震的线性方程定位求解及其 病态处理 [ J]. 岩土力学, 2004增刊 60 62. [ 3] 吴秀琴, 张洪岩, 李瑞改, 张正祥, 董贵华. ArcG is9地理信息系 统应用与实践 上下册 [M ]. 清华大学出版社, 2007 . 6 . 收稿日期 2009 1221 ∃ 记者在线 ∃ 江西有色金属生产企业 619家 铅锌有 35家 2009年底江西省规模以上有色金属生产企业 619家 含黄金和放射性企业 , 占全省工业企业 8 . 45 , 其中有色金属采选企业 154家, 有色金属冶 炼及压延加工企业 465家。经过企业整合重组, 江 西省有色金属企业个数同比下降 10 , 其中铜冶炼 企业下降近 50 。 铜生产企 业共有 254 家, 占有色生 产企业 41, 其中铜矿采选企业 20家, 铜冶炼 34家, 铜压 延加工企业有 200家。 钨生产企业共有 92家, 其中采选企业 56家, 冶 炼 32家, 压延加工企业有 4家。 稀土生产企业共有 58家, 其中采选企业 8家, 冶炼 42家, 压延加工企业有 8家。 铝生产企业共有 43家, 其中冶炼 11家, 压延加 工企业有 32家。 黄金生产企业共有 29家, 其中采选企业 25家, 冶炼 2家, 压延加工企业有 2家。 铅锌生产企业共有 35家, 其中采选企业 23家, 冶炼 12家。 银生产企业共有 24家, 其中采选企业 4家, 冶 炼 10家, 压延加工企业有 10家。 93 陈虹燕 李仕雄 基于 GIS平台的地下矿山事故的微地震应急救援技术 2010年 3月第 3期