孫樹(shù)根

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長(zhǎng)子 046600）

山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限責(zé)任公司李村煤礦位于山西省長(zhǎng)子縣，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為800 萬(wàn)t/a，可采儲(chǔ)結(jié)構(gòu)9800 萬(wàn)t，服務(wù)年限33 年。當(dāng)前煤礦主要開(kāi)采3#煤層，采用立井開(kāi)拓式，一次采全高采煤法。為加強(qiáng)煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援的力度，該煤礦設(shè)計(jì)了煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)，為該煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援提供基礎(chǔ)信息和決策支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是立體、生動(dòng)展示礦井地質(zhì)和煤層特征以及采掘和安全生產(chǎn)態(tài)勢(shì)，為煤礦探采方案確定、安全生產(chǎn)保障和地質(zhì)災(zāi)害救援提供支持，同時(shí)為非地質(zhì)采礦專(zhuān)業(yè)人員提供專(zhuān)業(yè)交流指導(dǎo)，為技術(shù)匯報(bào)和決策提供幫助。李村煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)主要內(nèi)容：

（1）整合煤礦地質(zhì)構(gòu)造、礦體和安全生產(chǎn)狀況，對(duì)生產(chǎn)和安全預(yù)警信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，為煤礦災(zāi)害救援決策提供技術(shù)支持。

（2）實(shí)現(xiàn)煤礦基礎(chǔ)地測(cè)信息多部門(mén)共享與交流，基于采掘工程平面圖實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、采掘工作面動(dòng)態(tài)情況的立體、實(shí)時(shí)管理與分析，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和調(diào)度起指導(dǎo)性作用。

（3）實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)環(huán)境和安全態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。隨著采礦工作的不斷深入，井下地質(zhì)和采掘數(shù)據(jù)以及安全設(shè)施不斷增加，對(duì)采礦作業(yè)的控制越來(lái)越精確，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新。

（4）集成已有礦井安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程立體化監(jiān)控。“六大系統(tǒng)”包括監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水救施系統(tǒng)和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，重點(diǎn)突出瓦斯、水位、風(fēng)量的監(jiān)控以及人員定位信息查詢(xún)、避災(zāi)線(xiàn)路展示、救險(xiǎn)設(shè)施布置顯示等。

（5）系統(tǒng)集成了服務(wù)于煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援的決策輔助工具，如淹沒(méi)分析、鉆井設(shè)計(jì)、事故模擬等，提高地質(zhì)災(zāi)害救援決策水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)李村煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)的目的要求，對(duì)系統(tǒng)主要功能需求進(jìn)行歸納：

（1）對(duì)煤礦各類(lèi)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集、處理，對(duì)煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)與表結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成完整的煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。

（2）研究井下不同類(lèi)型構(gòu)造的建模算法與可視化表達(dá)方式，包括地形、煤層、巷道、鉆孔等?；贠GRE 引擎開(kāi)發(fā)出一套適合煤礦企業(yè)應(yīng)用的三維可視化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，搭建出煤礦的三維可視化場(chǎng)景，建立三維煤礦模型，模擬煤礦地上地下場(chǎng)景、采礦過(guò)程及其引起的其他相關(guān)現(xiàn)象，真實(shí)再現(xiàn)煤礦生產(chǎn)建設(shè)的客觀(guān)情況。

（3）結(jié)合部門(mén)和專(zhuān)業(yè)需求，提供全新的三維操作與顯示功能。

（4）引入動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)整合與一站式管理。

（5）在各系統(tǒng)集成平臺(tái)之上，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的統(tǒng)一管理。模擬事故發(fā)生時(shí)鉆探救援方案的制定，為安全救援提供輔助決策。

（6）在對(duì)歷史煤礦事故調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，模擬煤礦事故動(dòng)畫(huà)，立體展現(xiàn)事故過(guò)程。系統(tǒng)研究的技術(shù)路線(xiàn)是在對(duì)地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行資料加工的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用OGRE 三維引擎構(gòu)建煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)用戶(hù)交互界面，集成煤礦安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”，最后開(kāi)發(fā)適合于煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援的決策支持工具。系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)圖如圖1。

系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、煤礦三維引擎封裝和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與集成三個(gè)部分，對(duì)其總體架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)邏輯的分層劃分，如圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)主要技術(shù)方案是以O(shè)GRE 三維引擎為主要架構(gòu)，以C++為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，MySQL 作為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，QT 作為交互界面系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于各主要平臺(tái)工具都選擇了開(kāi)源工具，系統(tǒng)是獨(dú)立開(kāi)發(fā)且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則：建立以地表、煤層和巷道系統(tǒng)為核心的三維場(chǎng)景，然后將“六大系統(tǒng)”以巷道數(shù)據(jù)為依托定位集成到系統(tǒng)中，這樣可保證所有“六大系統(tǒng)”和巷道系統(tǒng)的一致性。

3 系統(tǒng)的主要功能分析

實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括：資料準(zhǔn)備和處理、三維建模、數(shù)據(jù)庫(kù)操作、三維引擎代碼編寫(xiě)和相關(guān)工具開(kāi)發(fā)。

3.1 煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、處理和建模

煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指在煤礦空間區(qū)域范圍內(nèi)以三維坐標(biāo)形式組織起來(lái)的井上、下各類(lèi)對(duì)象的地理空間基礎(chǔ)信息，它包含了地表、地質(zhì)構(gòu)造、巷道、鉆孔以及各類(lèi)生產(chǎn)系統(tǒng)的礦用設(shè)備等信息。根據(jù)空間數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同，可把數(shù)據(jù)劃分為柵格、矢量、模型等多種類(lèi)別。這些數(shù)據(jù)的主要來(lái)源有礦區(qū)實(shí)際測(cè)量、遙感影像、外部模型構(gòu)建、各類(lèi)圖件數(shù)字化以及井下設(shè)備安裝部署資料等。

煤礦地面模型采用數(shù)字高程DEM 建模，然后輔以遙感衛(wèi)星圖片作為貼圖。地表建筑采用3DMAX 建模，然后利用開(kāi)發(fā)的空間工具導(dǎo)入系統(tǒng)中。鉆孔數(shù)據(jù)依據(jù)鉆孔資料建立三維模型并貼圖地層符號(hào)進(jìn)行渲染處理，煤層（地層）模型依據(jù)煤層底板等。

巷道數(shù)據(jù)主要根據(jù)礦區(qū)提供的井上下對(duì)照?qǐng)D、采掘工作平面圖等圖件，進(jìn)行巷道拐點(diǎn)坐標(biāo)的提取。巷道拐點(diǎn)也稱(chēng)巷道導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)，在巷道走向不規(guī)則處，加以巷道拐點(diǎn)到巷道左側(cè)、右側(cè)的距離，即巷道拐點(diǎn)到巷道左幫、右?guī)偷木嚯x，由此來(lái)獲得巷道中心線(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)。建立巷道數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)巷道名稱(chēng)，每條巷道按照起始點(diǎn)進(jìn)行提取坐標(biāo)與高程。利用中心線(xiàn)和截面類(lèi)型進(jìn)行巷道建模，并處理巷道連接和轉(zhuǎn)彎，正確表達(dá)巷道間的拓?fù)潢P(guān)系，最后對(duì)應(yīng)支護(hù)類(lèi)型進(jìn)行貼圖渲染。特別指出，巷道模型的處理是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，也是監(jiān)測(cè)監(jiān)控和安全救援系統(tǒng)的依據(jù)。

礦井安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)中涉及很多傳感器及其他安全設(shè)施，包括監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置、讀卡器裝置、庇護(hù)所、救生艙、壓風(fēng)自救裝置、礦井電話(huà)等。對(duì)這一類(lèi)對(duì)象位置信息的處理，本系統(tǒng)依據(jù)對(duì)應(yīng)設(shè)施的布置圖，以處理后的巷道導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)為主要參照，來(lái)確定每一個(gè)裝置的坐標(biāo)點(diǎn)位置。對(duì)每一類(lèi)型的裝置補(bǔ)充完整其他屬性信息，例如設(shè)備名稱(chēng)、運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)廠(chǎng)商等，建立設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)，然后放置到對(duì)應(yīng)巷道坐標(biāo)位置，從而保證了安全設(shè)施和巷道系統(tǒng)的一致性。總之，對(duì)于煤礦地質(zhì)、生產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)，綜合采用DEM、數(shù)據(jù)建模和手工模型多種方式的聯(lián)合建模構(gòu)建了適用于煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援需要的數(shù)字煤礦模型。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和管理

利用開(kāi)發(fā)的MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集與預(yù)處理后，將煤礦數(shù)據(jù)整合為以下幾種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：巷道數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、煤層數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、工作面數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、設(shè)備模型數(shù)據(jù)等。其中，設(shè)備模型數(shù)據(jù)記錄有煤礦安全信息。二進(jìn)制流數(shù)據(jù)（Blob/ Image）是將煤礦數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式進(jìn)行存儲(chǔ)，以減少數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)保密性。針對(duì)煤礦地質(zhì)、生產(chǎn)和安全數(shù)據(jù)的復(fù)雜性與加工難度，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)加工工具，來(lái)完成基本的數(shù)據(jù)庫(kù)插入、刪除、查詢(xún)、更新操作，并完成煤礦數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理維護(hù)，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新和安全。

3.3 三維引擎的實(shí)現(xiàn)

利用OGRE 三維可視化引擎框架，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維模型導(dǎo)入、渲染顯示和交互操作。OGRE 體系結(jié)構(gòu)主要包括四大塊：場(chǎng)景管理、資源管理、渲染系統(tǒng)和渲染插件體系。數(shù)字煤礦三維引擎在OGRE已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能基礎(chǔ)之上，增加了項(xiàng)目管理、分層加載、顯示控制模塊，并開(kāi)發(fā)了模型選擇、數(shù)據(jù)查詢(xún)、測(cè)量工具等模塊。

3.4 與安全救援“六大系統(tǒng)”的集成

將現(xiàn)有礦井安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)通過(guò)布設(shè)方案和基礎(chǔ)煤礦場(chǎng)景進(jìn)行集成，并利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從而完成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)立體監(jiān)控。將“六大系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)建立布設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)和模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與巷道系統(tǒng)的結(jié)合，在三維系統(tǒng)中可以顯示和查詢(xún)相關(guān)設(shè)施數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)以VPN 安全網(wǎng)絡(luò)方式傳輸數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)源后，能夠在三維場(chǎng)景下顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，其中最重要的數(shù)據(jù)來(lái)自監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)。

3.5 災(zāi)害救援輔助決策模塊的開(kāi)發(fā)

針對(duì)煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援需求開(kāi)發(fā)了一系列輔助決策工具，包括測(cè)量類(lèi)工具、路線(xiàn)展示、淹沒(méi)分析工具、歷史事故分析和鉆探方案工具等。其中，測(cè)量類(lèi)工具包括距離和最短路徑查詢(xún)等，路線(xiàn)展示包括避災(zāi)路線(xiàn)、通風(fēng)、供水、通信線(xiàn)路展示等，淹沒(méi)分析工具用于分析井下巷道淹沒(méi)情況，鉆探方案工具則是針對(duì)事故發(fā)生地選擇最合理的鉆探方案的輔助工具。

4 結(jié)論

針對(duì)李村煤礦的數(shù)字信息化建設(shè)及災(zāi)害救援等系統(tǒng)集成建設(shè)的需求，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、地圖學(xué)理論、三維可視化虛擬技術(shù)，基于OGRE 引擎開(kāi)發(fā)出一套煤礦地質(zhì)災(zāi)害救援三維可視化預(yù)警系統(tǒng)管理軟件，為煤礦安全生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)在李村煤礦的實(shí)踐應(yīng)用，有效地提高了該煤礦地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警信息水平，提高了地質(zhì)災(zāi)害救援效率。