李雯静 陈曼丽 任大军

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)

随着智慧矿山建设的全面推进,以及矿山开采深度持续下降,人类逐步将对矿山空间的认知拓展到了地下[1]。矿山地下空间主要是指在矿区地表以下为了开采的需要所构成的空间,是地下空间的组成部分[2]。随着计算机技术、信息技术等新兴技术的高速发展,以“3S”技术为基础的研究范围与领域趋于多元化,利用GIS技术研究地下空间的表达方式、分析其结构规律等逐渐成为研究热点[3-6]。

1984年伦敦大学学院(UCL)的比尔·希列尔(Bill Hillier)等人共同创立了一套研究空间组构的理论——空间句法理论[7],经过30余年的发展,该理论被广泛应用[8]。在宏观层面上,空间句法被应用于城乡空间形态研究[9-10]、城市土地利用分析[11]、城乡公共空间分析[12]以及城乡历史空间保护[13]等方面,涵盖了城市的宏观尺度、中观尺度与微观尺度研究[14]。在微观层面上,空间句法在风景园林分析与改造[15]、商业建筑[16]等公共空间结构分析方面应用广泛[17],对公共空间的研究不仅包含地上的商场[18]、学校[19]、图书馆[20]等建筑,还将分析视角延伸到了城市地下空间[21],如地下步行街[22]、地铁场站[23]等。冯嘉瑜[18]利用空间句法理论结合人流数据对深圳市万象天地的空间形态结构与功能分布进行量化分析,研究了人流分布的特点,有助于提升空间质量。ASKARIZAD等[20]将空间句法应用于评估半开放空间对公共图书馆的社交作用,通过分析消除图书馆中的半开放空间前后的整合度等指标变化,发现半开放空间对公共图书馆的社交能力有积极影响。张桂如[21]通过对句法变量与空间特征之间的相互影响关系及人的行为轨迹进行量化分析,对地下豪布斯卡空间的使用效率进行了评价,并通过分析影响句法参数的因素,提出地下豪布斯卡优化方案,改善了地下空间的使用效率及空间体验。这些研究验证了空间句法被用来分析空间组构与功能之间关系的可行性,矿山地下空间作为地下空间的组成部分,由于其结构复杂、环境恶劣,且受地质构造、矿体埋藏等条件制约,近年来对其空间组构与布局规律的相关研究鲜有成果问世。

矿山地下空间开采工程通常耗资巨大,且具有不可逆性,因此,要用可持续发展的眼光建设和优化空间组构,在前期对矿山地下空间设计做详尽的分析论证,能有效提高工作效率和空间利用率,节约成本,充分利用矿产资源。尽管在地下矿山中,矿石的岩性和采矿工艺在巷道掘进、塑造工作空间中起着重要作用,但仍然不能忽视矿山地下空间本身的规律性和主体性作用。对矿山地下空间进行研究,能够深入了解其组构机理,分析拓扑结构的内在逻辑特性以及功能性,掌握其分布规律,为矿山开采基建阶段的空间结构规划以及后期的空间优化辅助决策提供可靠依据;同时对矿山的空间结构以及空间单元之间的关系进行分析研究,能够为矿山智慧化建设提供参考。

1 空间句法

空间是为了满足人类需求的产物,是完全被动的[14]。矿山地下空间是为了满足人们对矿山的开采需求而形成的,其中,井巷工程及其内部的生产系统是与采矿活动联系最密切的空间要素。空间句法作为一种可以对不同空间尺度的网络对象进行量化分析的工具,能够揭示空间形式与空间功能之间存在的相关性及其逻辑特性,空间布局形式对其使用功能与人类活动具有影响。

1.1 空间尺度划分与空间分割

同一空间在不同角度下有不同的描述方法,从认知观点出发,空间有大尺度与小尺度之分,个体可以对小尺度空间定点感知,而大尺度空间无法从某一点来感知整体。因此,大尺度空间可以说是小尺度空间的集合,对整体空间的认知分析可以从小尺度空间计算着手。空间句法基于这一理论基础,将大尺度的研究对象分割为有限数目的小尺度研究空间,通过对小尺度空间分析映射出对大尺度空间的理解[24]。

不同尺度的空间都包含空间物体和自由空间两部分,自由空间具有任意可达性,即在自由空间内,个体从任一点出发都能到达其它任何点,空间句法理论以图论为基础,侧重对自由空间的表示。根据自由空间所呈现的线性、非线性情形,空间句法有3种空间分割方法,分别为轴线方法(线性)、凸多边形方法(非线性)、视区分割法(非线性)。矿山地下空间结构复杂,巷道网络较为密集(图1(a)),对于密集分布的建筑及建筑群体,用最少且最长的轴线绘制,更能保留其空间特征属性,因此采用轴线方法对其进行空间分割(图1(b)),用轴线代替矿山地下空间巷道走向(图1(d));根据可视性判断其空间关系,进而形成矿山地下小尺度空间的连接图(图1(c)),搭建巷道空间单元间的拓扑关系,图的结点即为分割的各单元,结点的连接与否取决于各分割单元之间是否相交或相连。

图1 地下矿山空间分割与轴线模型构建示意Fig.1 Schematic of the establishement of space division and axis model of underground mine

1.2 矿山地下空间形态分析变量

空间句法是一种空间理论分析方法,由一套分析、定量和描述工具组成,主要包含连接值、控制值、平均深度值、整合度和可理解度5个形态变量,用以量化建成空间的形态结构特征[8]。

(1)连接值。巷道空间单元的连接值高低,反映了该巷道空间单元的渗透性优劣程度。巷道空间单元的连接值越高,其渗透性越好,即与其他空间单元的关联关系更为密切,通达性也越好;反之,通达性越差。对于空间单元i(节点i)而言,相应的巷道空间连接值Ci为与单元i相交的其他巷道空间单元的数量总和k,反映了该巷道空间单元在全局拓扑网络中的连通能力。

(2)控制值。控制值是该巷道单元对与之相交的巷道单元之间控制能力的度量,在数值上,控制值即为连接值的倒数。在矿山地下空间中,相互连接的巷道空间单元越多,巷道空间单元被分到的权重越小,则该巷道空间单元对其他相连空间单元的控制能力越弱。控制值计算公式为

式中,C′i为巷道空间单元i的控制值;k表示与第i个巷道空间单元相连的节点数。

(3)平均深度值。深度值是指从一个巷道空间单元到另一个巷道空间单元的最短拓扑距离,空间句法理论更关注空间单元之间的拓扑关系,因此本研究最短距离表达的是从一个巷道空间单元到另一个巷道空间单元需要转换的次数。同一空间系统中,不同的参照空间背景同一巷道空间单元的深度值不同,因此单一研究某空间单元的深度值无实质意义,应将其进行标准化处理,取平均深度值[25],计算公式为

式中,MDi为巷道空间单元i的平均深度值;dij为巷道空间单元i与单元j之间的拓扑距离;n为矿山地下空间的巷道空间单元总数。可见,平均深度值是指在矿山地下空间中某巷道空间单元到其他所有巷道空间单元的最小拓扑步数总和与其他巷道空间单元数的比值。深度值MDi越大,说明该巷道空间单元越难到达。

(4)整合度。整合度是用来衡量某巷道空间单元与其他空间单元之间的离散程度,有全局整合度和局部整合度之分。全局整合度表示某巷道空间单元在整个矿山地下空间系统中的离散程度,局部整合度即为某巷道空间单元在几个拓扑距离内的离散程度。整合度计算公式为

式中,Ii为巷道空间单元i的整合度;当计算全局整合度时,n表示矿山地下空间单元总数;计算局部整合度时,n表示距离该巷道空间单元几个拓扑距离内的空间单元总数。整合度越高,说明到达该巷道空间单元越便捷,当矿山地下空间系统的全局整合度值越高时,说明矿山地下空间布局越紧凑,工作人员更容易到达。

(5)可理解度。可理解度也称作智能度,是用来横向对比空间可识别性的依据,反映局部与整体空间结构的耦合程度。其计算公式为

式中,R2为可理解度;为所有巷道单元空间连接度均值;为所有巷道单元空间整合度均值。可理解度即为空间单元能够被用户理解的程度,即用户从局部空间出发能够推断出整体空间结构的能力,表达了局部空间变量与整体空间变量的相关性。当可理解度较高时,说明用户更容易从矿山地下空间的局部空间了解到整体布局。

2 矿山地下空间结构特征量化分析

2.1 研究区概况与数据处理

2.1.1 研究区概况

本研究以国内某地下金属矿山的东区矿段为例进行分析。该矿段主要呈NW—SE向分布,将该区分为3个部分(图2),西北方向为区域Ⅰ,中部为区域Ⅱ,东南方向为区域Ⅲ,巷道集中分布在中部区域Ⅱ,主运输阶段巷道呈“通道”状组合,其他分支巷道集中在主运输巷道周围,交错分布。该矿段共有38个监控位置,主要分布在巷道交叉口、溜井、变电硐室、避险硐室附近。在不同的巷道空间单元分布有开停传感器、风速传感器、O2/CO/CO2传感器等。

图2 某地下矿矿段平面分布Fig.2 Plan distribution of the ore block of an underground mine

2.1.2 巷道空间拓扑单元划分与轴线模型构建

地下矿山巷道是指埋藏在地下的矿体之间钻凿出的各种通路,井下巷道主要分为探矿巷道、生产巷道和采矿巷道三大类,主要用于行人、通风、排水等,保证地下矿山开采正常运作[2]。在空间句法中,轴线代表着观察者的视线在行进过程中能到达的最远处[16],工作人员在地下矿山的空间动线以巷道为主要路径,从巷道内穿越,人的视点也位于巷道空间内部。在巷道掘进过程中,由于矿区地形、地质构造、矿体埋藏条件、岩石性质及水文地质条件等制约,视线无法像在其它建筑物内部一样形成笔直的通路。因此在划分巷道拓扑空间单元时,需要在在遵循轴线数量最少且最长、保留完整巷道空间拓扑关系原则的同时,考虑巷道偏转角度的影响,当偏转角度超过一定范围,对观察者来说无疑加深了空间的视觉深度。如图3所示,当偏转角度为0°或10°时,在观测区内所观测到的巷道空间单元的其他位置视觉深度相同,可用一个轴线来代替;当偏转角度为45°时,从观测区内到巷道连接角后的深度值是不同的,需用两条轴线表示。在保证全局拓扑空间结构完整性的基础上,结合巷道自身特性,以巷道始端为观测区,当巷道从始端到末端具有相同的视线深度时,通常情况下该巷道可以被视为一个空间单元。当以巷道始端为观测区,视线无法直接到达末端时,说明其具有不同的视线深度,通常在巷道连接角处隔开,将其视为两个或者多个巷道空间单元(图3)。

图3 巷道拓扑单元划分示意Fig.3 Schematic of the division of roadway topological units

本研究基于空间句法,构建矿山地下空间巷道轴线模型,将该矿段分割为913个巷道拓扑空间单元。考虑巷道实体间的拓扑关系以及巷道自身特性,搭建空间单元之间的拓扑连接关系,利用Depthmap空间结构分析软件进行相关量化分析,计算特征指数。

2.2 矿山地下空间全局形态结构与功能特征分析

该矿山地下空间系统的全局结构特征指数用全局整合度(式(3))来表示,量化分析结果如图4所示。由图4可知:该矿山地下空间全局整合度最高值为1.152 4,整体偏低,说明该矿段整体可达性较低,巷道空间单元之间的关联程度不高。从整体上看,该矿段巷道空间单元中心性较强,区域Ⅰ和区域Ⅲ巷道空间单元分布较为稀疏,中部区域Ⅱ分布较为密集,主要原因是区域Ⅰ和区域Ⅲ是近年来主要的采掘工作区,巷道空间尚未完全建设完毕,正处于开发扩建阶段,而中部区域Ⅱ矿石已基本开采完毕。全局整合度高的巷道空间单元主要分布在区域Ⅱ,且大多为该空间系统的主要开拓巷道,用以实现矿石采掘与运输、人员流动以及通风排风等功能,是该矿段空间交互最为活跃的区域。

图4 矿山地下空间全局整合度分布Fig.4 Distribution of the global integration of mine underground space

在空间形态结构研究中,整合度最高的区域被视为空间整合度核心。该矿山地下空间共由913个巷道空间单元构成,选取整合度值前5%的巷道空间单元作为整合度核心,包括45条轴线,具体如图5所示。由图5可知:该矿山地下空间整合度核心较为连续,与2014年基建巷平面结构高度一致,说明该矿山地下空间核心结构在2014年已初步搭建完毕。随后的矿石开采与巷道掘进工作大多基于2014年基建巷向其内部延伸和外部扩展,整体形成了矿山地下空间的网络状结构。

图5 矿山地下空间整合度核心对比Fig.5 Comparison of the core of integration degree of mine underground space

基于空间句法理论,对该矿山地下空间的全局分布特征研究表明,2014年已建成矿山地下空间的主体架构,且该矿山地下空间系统巷道空间单元呈聚集性分布,整合度核心区域是矿石搬运的主要场所和矿工移动的关键巷道,也是连接采掘面与主井、副井的枢纽,在矿山地下空间扩展和工程推进过程中发挥着举足轻重的作用。但从全局来看空间结构复杂,巷道空间单元通达性较差,联系程度较低,主要是因为地下空间不同于地上空间,人为设计和主导能力较差,特别是矿山地下空间,其本身较为闭塞,且该空间主要是为矿石开采、运输活动而构建的,受岩体走向、地形以及地质构造等因素干扰严重。

2.3 矿山地下空间局部形态结构与功能特征分析

本研究采用局部整合度、平均深度、控制度、连接度和选择度参数表示矿山地下空间系统中的局部结构特征,如图6所示。由于矿山地下空间是矿石开采的主要工作空间,通常情况下矿工作业时活动范围相对固定,因此,选择3个拓扑距离(R=3)观察该空间系统的局部整合度(图6(a)),局部整合度最大值为2.8722,最小值为0.333 3。局部整合度核心(图6(a)中加粗轴线)相对于全局整合度核心连续性不强,主要聚集在区域Ⅱ的主要开拓巷道,在区域Ⅰ和区域Ⅲ内主要分布在矿块与矿块之间的主要运输巷道。这些整合度高的巷道空间单元与选择度高的巷道空间单元(图6(b))基本重合,是整个矿山地下空间内部矿工活动较为频繁的位置。但主井位置选择度值为0,是选择度最低的巷道空间单元之一,说明连通主井的巷道空间单元对空间系统内部的人流、车流吸引能力较弱,总体看来分布较为离散,无法形成集中性高的可达性巷道空间网络。图6(c)显示,该矿山地下空间整体连接度较低,连接值高的位置主要是在各矿块内部,而作为主要运输巷道的整合度核心连接值相对较低,说明主要运输巷道围合而成的内部空间渗透性较好,有利于将矿块内部开采的矿石运至主要运输巷道,确保将矿石安全、高效地运至地表。

图6 矿山地下空间局部特征指数分布Fig.6 Distribution of the local characteristic indexes of mine underground space

区域Ⅰ是近年来主要的开采区域,该区域平均深度值较高(图6(d)),位于最末端的巷道空间单元,深度值远远高于其他区域。由于该区域巷道空间单元多呈“鱼骨状”和“树枝状”分布,故连接值(图6(c))较高,空间渗透性较好。但由于整合度核心部分与该区域有一段距离,且开拓巷道末端为采掘工作面,不能形成一个较为完整的通路,纵观全局,该区域控制度(图6(e))较高,但选择度值极低,因而该区域的空间通达性不佳。区域Ⅰ作为近年来主要的开拓巷道与采矿作业区,通达性不高,工作人员与矿车难以到达该区域。一般来说,主要开拓巷道走向位置选择与矿石搬运要求在地形条件允许的情况下,尽量节省地下运输运用,达到最小的运输功,显然,现阶段该区域并不能满足此要求。因此,应优化空间单元,使该区域尽可能与主要运输大巷相连,提高矿山地下空间整体的聚集程度。

在矿石开采、切割过程中会产生大量的有毒气体,回风巷的功能是将此类有毒气体排出地下空间,因此回风巷是不能行人、行车的。通过图2中的主要运输巷道与图5中整合度核心分析结果对比发现,高整合区域与主要运输大巷的空间位置较为一致。但是图5中的X段巷道空间单元,虽然其全局整合度、局部整合度与选择度值都很高,但并没有作为主要运输巷道,主要是因为在地下矿山基础建设中,必须考虑该矿山地下空间的通风功能。X段巷道空间单元整合度高、选择度高,但距离主井位置相对较远,运输矿石的车辆在尽量保证最小运输功的情况下不会选择穿行此段巷道空间单元,所以作为回风巷道使用较为合理,该实例同时也验证了该矿山地下空间单元与功能之间具有映射关系。

2.4 矿山地下空间可理解度分析

矿山地下空间可理解度可以定义为:用户从局部空间能够反映对整体空间的感知与理解能力。可理解度高的空间系统会对人们对空间的认知产生有益的引导,可以更为顺畅地通过局部来了解整体空间;较低的可理解度则会对人们产生误导,并为寻路行为带来障碍。

本研究利用空间句法模型对该地下金属矿山东矿段区域进行空间可理解度分析,如图7所示。计算结果总体呈线性分布(线性表达式为y=1.652 77x+0.336 857),通过式(4)计算得到的回归系数R2,表示该矿山地下空间的智能度,局部与整体之间的R2越高,则空间的可理解度越高,全局与局部之间的协同程度也越高。通常情况下,R2小于0.2时,整体空间与局部空间的相关性偏低,R2为0.2～0.4时说明相关性一般,R2为0.4～0.7时说明相关性较高,R2大于0.7时,说明相关性极高。

图7 矿山地下空间可理解度分析结果Fig.7 Analysis results of comprehensibility of mine underground space

通过计算得出该矿段整体呈网络状的空间布局,R2为0.192 6,局部矿山地下空间与整体空间拟合效果较差,整体空间可理解度较低,流线的选择具有多样性,难以从局部空间形态感知该矿段平硐整体分布,空间导向性较弱,进一步反映了由于采矿工艺、矿区地形、矿床勘探程度、地质构造、矿体埋藏条件以及矿石岩性等多种因素的作用,形成了变化多样、与复杂地质条件相融合的巷道空间网络。

3 矿山地下空间结构优化策略

在矿山开采前期的规划准备阶段,设计的原则是尽可能使空间结构简单,尽可能降低掘进费用和运矿车辆的运输功。在安全避险系统环境搭建阶段,合理的系统布置要顾及空间结构局部特征。在后期地下矿巷道扩建改造阶段,新建巷道空间单元要与已有的空间单元实现合理过渡,以使主要巷道仍然保留其使用价值。对空间结构规律性与功能性的优化研究[8],需贯穿矿山开采、运维的各个阶段。根据上述计算分析结果,发现该矿山地下空间结构特征决定了巷道空间单元功能分布,整合度核心聚集在区域Ⅱ,应加强区域Ⅱ的安全生产“八大系统”和安全避险“六大系统”建设。此外,现阶段该矿山地下空间的主要工作面(区域Ⅰ)通达性指标不佳,需要提高该局部空间与整体空间的联系。

3.1 优化安全避险系统功能布局

在完整的矿山地下空间中,每个巷道空间单元都可以被视作独立的个体。当每个巷道段都被视作中心时,由于不同的巷道空间单元所能辐射到的区域和控制的范围不尽相同,造成了巷道段整合度的差异性。对单独的巷道空间单元来说,整合度代表着该段巷道作为井下工作人员运动目的地的潜力。当每个巷道段被视作运动路径时,不同的空间单元被选择性穿越的机会不同,故巷道空间单元的选择度反映了该阶段被用作井下矿石运输、工作人员通行的潜力。因此,建立合理完善的安全避险系统,首当其冲要保证高整合度、高选择度巷道空间单元的安全。对于本研究区域来说,即要完善该矿段中部区域Ⅱ主要开拓巷道的设施,除了在巷道掘进过程中对这些巷道进行加固以及后期重点维护之外,安全生产与安全避险系统也要合理布置,保证其设施的完备,提高地下安全开采水平。选择度、连接度较高的区域主要集中在该空间中部区域Ⅱ,这更加说明了该区域是整个空间生产运作的腹地,是矿车与用户通行的枢纽,是连接其他巷道空间单元的便捷通道,同时也是地下矿山安全生产“八大系统”和安全避险“六大系统”安装设置的中心区域。

3.2 设置巷道封堵,优化空间格局

通常情况下,一座矿山的开采时限长达数十年,而部分已经开掘完成的矿床以及巷道重复利用率很低,且大多地下矿山平硐都是呈网络状的平面分布形态,矿山地下空间的导向层次感较弱。根据以上相关分析可知,现阶段该矿山地下空间存在局部整合度核心较为离散、空间结构复杂、可达性与渗透性较弱、主要工作面通达性较差等问题。地下金属矿山是一个拓扑结构复杂的生产空间,且具有一定的封闭性,结构不易被人感知与理解,人们在其中难以辨别方位,当发生紧急情况时,容易造成疏散混乱,逃生难度远高于地上建筑空间。由于矿山地下空间的不可逆性,难以对其已建成的巷道空间单元进行大幅度改造,因此可采用操作方便的巷道封堵方式,对部分废旧巷道进行封堵,克服空间结构复杂、空间智能度不高、主要采掘工作区结构不够合理的不足,有利于矿井安全、高效生产。

通过将整合度与选择度较低的已开掘的部分辅助巷道进行封堵,简化矿山地下空间的平面局部结构,同时注重主运输阶段和副运输阶段的分层分级,保留主要开拓巷道,强化整体平面空间层次,保留该矿山地下空间整体架构,提升矿山工作者在较大规模的地下矿山中对空间整体结构的认知效率。在矿山地下空间简化过程中,尽量保留主要阶段运输巷道,对副运输阶段巷道封堵时要保留通风、回风巷道等主要空间单元,以及其他安全避险措施和基础设施(沉淀池等),保留2019—2020年开拓巷道基本结构,对2018年及以前的辅助巷道、掘进巷道进行封堵,保留主要开拓巷道以保证空间结构的完整性,并提高近年来主要开拓区域的整合度,活化巷道空间。优化后的空间分布如图8所示,空间形态结构指数如表1所示。

由表1可知:优化后的矿山地下空间全局与局部整合度、连接值、深度值并没有明显变化,且优化后的选择度最大值降低,但是整体的选择度明显提高,由原有的9 308.429提升到12 821.5,说明优化后的矿山地下空间相较于优化前具有较大的吸引力,提高了巷道空间单元的穿越功能。通过图8(a)与图4对比分析可知:矿山地下空间构造被重塑,在全局整合度上,优化后的空间在保留了原有整合度核心巷道空间单元的同时,提升了近年来正在开采的区域Ⅰ和区域Ⅲ巷道空间单元的整合度。图8(b)与图6(a)对比分析可知:在局部整合度上,显著提高了采掘区域的主要开拓巷道的局部整合度,提高了局部整合度核心的连续性,简化了空间结构,活化了巷道空间,更有利于矿工在空间内工作与流动,使空间分布更为合理,提高了主要开拓巷道的使用效率。

图8 矿山地下空间优化结果Fig.8 Optimization results of mine underground space

表1 某矿山地下空间优化前后空间形态结构指数Table 1 Spatial structure indexes of mine underground space before and after optimization

4 结 论

(1)分析了矿山地下空间认知与巷道功能之间的关系,以问题为导向总结了矿山地下空间结构优化与提升改造的方向,并以实例加以验证。研究表明:矿山地下空间结构形态与巷道功能之间存在映射关系,证实了将空间句法应用于矿山地下空间结构分析的可行性。从宏观至微观视角,将空间句法理论应用到地下金属矿山空间结构分析与优化中。通过借鉴句法各量化分析方法分别对某地下金属矿山东区矿段的整体空间特征以及正在开采的矿块局部空间特征进行分析;结合全局整合度与局部整合度梳理巷道脉络,分析巷道空间单元的分布规律,强化矿山地下空间结构的发展基础;将轴线分析理论应用到矿山地下空间结构设计与优化中,综合考量当前的空间布局特征,并据此对安全避险“六大系统”进行合理布置,以获得结构完整、布局清晰的矿山地下空间组构,从而对巷道前期的开采设计与后期的空间优化提供直接且有效的支持和引导。

(2)矿山地下空间是一个庞大的三维空间系统,但目前空间句法模型大多针对二维平面的拓扑结构进行分析,因此本研究主要对矿山地下空间中位于同一水平面的平硐空间进行分析。通过局部和全局视角来分析空间组构特征及规律,未来可尝试从空间多尺度和时间多尺度视角对空间结构进行更为细致地分析,并将分析结果应用于地下矿山避难硐室选址与最优认知路线规划中,提高地下矿山开采的安全性。