王建恒

(西山煤電(集團(tuán))公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053)

礦井水害與瓦斯、煤塵等并列為礦山建設(shè)與生產(chǎn)安全的主要災(zāi)害，長(zhǎng)期威脅礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)與廣大職工的生命安全。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，將GIS 技術(shù)與水文地質(zhì)學(xué)科、水文監(jiān)測(cè)技術(shù)、水害預(yù)警模型、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科及技術(shù)交叉融合，應(yīng)用到傳統(tǒng)煤礦產(chǎn)業(yè)中，建立一套礦井防治水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦防治水管理工作中基礎(chǔ)圖件及數(shù)據(jù)的管理，進(jìn)行煤礦井下水害檢測(cè)與識(shí)別及災(zāi)變預(yù)警技術(shù)的研究，對(duì)掌握礦井水文動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，提高煤礦水害預(yù)警、預(yù)測(cè)能力，指導(dǎo)礦井水害防治技術(shù)措施，降低水害事故發(fā)生率，提高煤礦整體安全管理水平具有重要意義。

本文主要針對(duì)西山煤電集團(tuán)東曲礦巷道掘進(jìn)、回采作業(yè)過程，在煤礦地測(cè)預(yù)警GIS 平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研究一套集水文數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、水害預(yù)警、輔助決策于一體，采用現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)手段對(duì)地下水的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析的防治水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一體化系統(tǒng)，建立預(yù)警空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，利用地理信息系統(tǒng)空間分析、WebGIS 等高新技術(shù)，研發(fā)預(yù)警模型，對(duì)采掘工作面作業(yè)過程中可能遇到的水害危險(xiǎn)源，如含水層、老空積水區(qū)、構(gòu)造、巷道貫通等進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的預(yù)警，并可實(shí)現(xiàn)模型分析預(yù)警，以達(dá)到預(yù)防水害事故發(fā)生的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦井防治水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一體化系統(tǒng)是以健全防治水專項(xiàng)管理制度，完善專項(xiàng)審批流程，加強(qiáng)防治水監(jiān)管力度，杜絕水害事故的發(fā)生為目的，強(qiáng)化相關(guān)人員的崗位責(zé)任，強(qiáng)化水害超前預(yù)控的防治水專項(xiàng)集成管理系統(tǒng)。系統(tǒng)建立了完善的專項(xiàng)審批流程，對(duì)各類水文地質(zhì)勘探、評(píng)價(jià)報(bào)告和措施建立完善嚴(yán)格的逐級(jí)審批流程，并將審批通過的相關(guān)技術(shù)文檔，按類別歸檔管理。系統(tǒng)主要包括圖文管理子系統(tǒng)、水文監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、預(yù)警評(píng)價(jià)子系統(tǒng)和應(yīng)急救援子系統(tǒng)。其中，圖文管理子系統(tǒng)又包括圖件管理模塊，文檔管理模塊和臺(tái)賬管理三大模塊，對(duì)圖文資料的上傳管理則主要通過辦公管理模塊來進(jìn)行控制。

圖文管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)主要水文地質(zhì)圖件和相關(guān)技術(shù)文檔、臺(tái)賬的查詢和管理功能。按相關(guān)要求，建立完善專項(xiàng)審批流程，強(qiáng)化相關(guān)負(fù)責(zé)人的崗位責(zé)任，對(duì)水害隱患的日排查、周分析、旬評(píng)價(jià)、月總結(jié)等技術(shù)文檔需要嚴(yán)格按照審批流程要求進(jìn)行審批，并對(duì)審批通過的技術(shù)文檔，按類別歸檔管理，便于查詢、分析評(píng)價(jià)及完善相關(guān)知識(shí)庫(kù)，為防治水工作的開展提供依據(jù)和指導(dǎo)。

水文監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是建立在系統(tǒng)完善的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)接口獲取水文傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位、流量等水文參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并確定其主要參數(shù)的報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)超限值的聲光報(bào)警功能。同時(shí)開發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢和管理功能，具體包括歷史數(shù)據(jù)查詢、日?qǐng)?bào)表查詢、月報(bào)表查詢和歷史曲線查詢等。

預(yù)警評(píng)價(jià)子系統(tǒng)是在水害評(píng)價(jià)理論、礦井采掘工程平面圖、礦井充水性圖等的基礎(chǔ)上，開發(fā)建立水文地質(zhì)災(zāi)害辯識(shí)、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)防等監(jiān)控模型，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字化手段對(duì)生產(chǎn)過程水害防治的全方位管理。其實(shí)現(xiàn)方法是通過空間分析功能進(jìn)行礦井水害危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。系統(tǒng)模塊開發(fā)中遠(yuǎn)程模塊采用ASP.NET、Javascript 和ActiveX 技術(shù)開發(fā)。系統(tǒng)由圖形系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理兩部分組成，圖形系統(tǒng)功能上包括地測(cè)預(yù)警GIS 平臺(tái)和災(zāi)害超前預(yù)警系統(tǒng)，遠(yuǎn)程管理功能上包括評(píng)價(jià)指標(biāo)體系庫(kù)、預(yù)警評(píng)價(jià)、專家分析和系統(tǒng)管理。

應(yīng)急救援子系統(tǒng)的開發(fā)是用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生緊急事故或者生產(chǎn)安全事故時(shí)，規(guī)范應(yīng)對(duì)流程，快速、及時(shí)、有效地提供相應(yīng)圖文資料，以高效制定合適的應(yīng)對(duì)措施、處理辦法和程序等。系統(tǒng)同時(shí)也支持提前制定針對(duì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的應(yīng)急預(yù)案，并進(jìn)行必要的演練。目的是為在出現(xiàn)緊急事故時(shí)做到有條不紊，采取適當(dāng)?shù)拇胧苊馐鹿实陌l(fā)展或者降低事故的損失。在事故處理完畢后，結(jié)束應(yīng)急救援程序，將本次應(yīng)急救援程序歸檔，為以后類似事故提供指導(dǎo)依據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

1.2 預(yù)警模型設(shè)計(jì)

煤礦地理空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理以及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系庫(kù)是礦井水害危險(xiǎn)源隱患識(shí)別、決策分析的基礎(chǔ)，但是要真正解決這一問題還需要空間分析模型與方法，即基于WebGIS 的礦井水害危險(xiǎn)源隱患識(shí)別預(yù)警模型。

基于WebGIS 的評(píng)判預(yù)警模型是采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)與原理，依據(jù)礦井各種危險(xiǎn)源不同評(píng)價(jià)指標(biāo)及其超標(biāo)臨界值評(píng)判相關(guān)災(zāi)害在未來相關(guān)條件下可能發(fā)生的情況，為提前采取必要的預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1)模型數(shù)據(jù)要求。

評(píng)判預(yù)警模型的實(shí)現(xiàn)需要依托大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括:a)采掘工程平面圖。b)各種地測(cè)專題圖件。c)礦井水害危險(xiǎn)源隱患點(diǎn)分布圖(主要包括:含水層、老空積水區(qū)、封閉不良鉆孔、排水不良鉆孔、構(gòu)造)。

2)模型實(shí)現(xiàn)流程。

礦井水害危險(xiǎn)源評(píng)判預(yù)警模型主要是針對(duì)水害危險(xiǎn)源引發(fā)主導(dǎo)因素實(shí)現(xiàn)評(píng)判預(yù)警，主要實(shí)現(xiàn)流程見圖2。

圖2 基于GIS 的評(píng)判預(yù)警模型

a)評(píng)判預(yù)警指標(biāo)的選取。基于WebGIS 的隱患識(shí)別預(yù)警的指標(biāo)，選取主要結(jié)合礦井水害危險(xiǎn)源預(yù)警預(yù)報(bào)判據(jù)的研究，選取合理的評(píng)判指標(biāo)，并最終為評(píng)判預(yù)警模型服務(wù)。

b)評(píng)判預(yù)警數(shù)據(jù)的獲取。主要來源于相關(guān)礦井空間數(shù)據(jù)庫(kù)中心，包括各類圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)等。不同危險(xiǎn)源的評(píng)判預(yù)警對(duì)數(shù)據(jù)具有不同的要求，對(duì)于不同的危險(xiǎn)源、危險(xiǎn)源的不同位置以及危險(xiǎn)源所處的不同階段，數(shù)據(jù)的精度有不同的要求。因此，對(duì)于基礎(chǔ)地測(cè)數(shù)據(jù)，必須符合標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

c)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。水害危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)必須經(jīng)過預(yù)處理，例如老空積水區(qū)，必須設(shè)為危險(xiǎn)區(qū)域，圖形必須有巷道中心線，才能生成滿足預(yù)警要求的數(shù)據(jù)。

d)隱患識(shí)別預(yù)警判據(jù)的確定。隱患識(shí)別預(yù)警判據(jù)主要是根據(jù)礦井水害危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的知識(shí)庫(kù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系庫(kù)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為判據(jù)。

e)預(yù)警預(yù)報(bào)模型選擇。根據(jù)各種不同的水害危險(xiǎn)源類型建立不同專業(yè)模型庫(kù)，依據(jù)動(dòng)態(tài)采掘信息與相關(guān)危險(xiǎn)源進(jìn)行比較分析，確定是否在預(yù)警范圍內(nèi)。相關(guān)的專業(yè)模型都統(tǒng)一存儲(chǔ)于煤礦空間數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)相關(guān)方法調(diào)用即可。

f)確定預(yù)警結(jié)果并發(fā)布。通過模型方法的計(jì)算，最終得出礦井地質(zhì)危險(xiǎn)源的評(píng)判與預(yù)警預(yù)報(bào)結(jié)果。然后利用不斷積累更新的更詳細(xì)的資料，不斷修正相關(guān)模型及參數(shù)，提高預(yù)警模型方法的精度和準(zhǔn)確性，并最終通過相關(guān)負(fù)責(zé)單位把預(yù)警結(jié)果發(fā)布出去、供安全生產(chǎn)部門應(yīng)用。系統(tǒng)可將預(yù)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送給領(lǐng)導(dǎo)及決策部門，并且可以上傳預(yù)警圖件及相關(guān)圖形、文檔資料，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)上瀏覽。

2 系統(tǒng)功能應(yīng)用

系統(tǒng)自2012 年10 月正式安裝投入使用以來，具有對(duì)防治水相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臺(tái)賬的管理，圖件、文檔的審批流程、上傳、下載和查閱，采集水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，并在基礎(chǔ)圖件、臺(tái)賬和監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示和查詢等功能，并能綜合各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以GIS 圖形為基礎(chǔ)，通過空間分析功能進(jìn)行礦井水害危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

基于WebGIS 技術(shù)提供可視化展示界面，用戶可以直觀地了解水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置、報(bào)警時(shí)的地理位置指示以及它們同重要工作地點(diǎn)的空間關(guān)系等信息。又可分為二維圖形和三維圖形兩種展示方式。其中，三維展示是根據(jù)井下地層、鉆孔、巷道測(cè)量數(shù)據(jù)生成三維模型，并在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、量測(cè)距離等功能，并與水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，在三維圖形上實(shí)現(xiàn)井下水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

系統(tǒng)確定各種危險(xiǎn)源分類及其所包含的內(nèi)容，詳細(xì)了解各類危險(xiǎn)源的含義及其對(duì)安全生產(chǎn)的影響程度，并對(duì)安全生產(chǎn)影響特別重要的危險(xiǎn)源進(jìn)行重點(diǎn)分析研究，依據(jù)含水層、老空積水區(qū)、封閉不良鉆孔、排水不良鉆孔、構(gòu)造等水害危險(xiǎn)源隱患的不同指標(biāo)體系及其臨界值建立相應(yīng)的指標(biāo)體系庫(kù)，然后依據(jù)采掘工程活動(dòng)與水害危險(xiǎn)源的空間關(guān)系進(jìn)行隱患報(bào)警識(shí)別。

3 結(jié) 論

礦井防治水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一體化系統(tǒng)基于WebGIS的理論和技術(shù)，將煤礦水文地質(zhì)空間信息和屬性信息集成化管理，建立了煤礦防治水一體化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)空間信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)將防治水基礎(chǔ)圖文資料、水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)、水害預(yù)警評(píng)價(jià)和應(yīng)急救援融合在一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了水文基礎(chǔ)資料查詢、水文數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水害危險(xiǎn)源預(yù)警評(píng)價(jià)、預(yù)警信息重點(diǎn)監(jiān)控和應(yīng)急救援輔助決策支持的集中式一體化管理。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示和查詢等功能，可以用于礦井防治水日常管理及水害預(yù)警評(píng)價(jià)工作，降低煤礦的水害威脅，是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)。

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