李 漢

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司 山西 大同 037003）

1 引言

晉能控股煤業(yè)集團宏泰公司承擔(dān)著晉能控股煤業(yè)集團十二座生產(chǎn)礦井的井巷掘進工程。在實際掘進中，面臨著業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與GIS圖形數(shù)據(jù)脫節(jié)，因而無法直觀地了解掘進進程以及掘進過程中遇到的各類影響掘進進度的地質(zhì)問題。

為此研究基于GIS 系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理、圖屬信息關(guān)聯(lián)、空間輔助設(shè)計等功能，結(jié)合礦井掘進生產(chǎn)工作的流程，歸納出10 大類井下掘進工程災(zāi)害預(yù)警模型，建立了“基于GIS 系統(tǒng)預(yù)警模型”，達(dá)到了把控掘進施工過程、提前預(yù)警掘進施工過程中可能遇到的災(zāi)害，減少事故發(fā)生的目的[1]。

2 GIS系統(tǒng)

該GIS系統(tǒng)為具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的LRGIS平臺，LRGIS 平臺及其協(xié)同編輯服務(wù)為該項目的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

協(xié)同編輯服務(wù)是一種群體協(xié)作的任務(wù)，是一種數(shù)據(jù)協(xié)同，以異步協(xié)同為主，存在部分同步協(xié)同需求。協(xié)作的主體是各業(yè)務(wù)部門的制圖技術(shù)人員，協(xié)作的對象是采礦、地質(zhì)、測量數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)共同完成各種圖件的繪制與屬性數(shù)據(jù)管理的任務(wù)。LRGIS平臺具有如下特點：

（1）可實現(xiàn)煤礦GIS數(shù)據(jù)集中管理

基于統(tǒng)一GIS 服務(wù)平臺、統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)庫存儲的礦圖GIS 數(shù)據(jù)管理模式，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)集成的煤礦GIS 空間數(shù)據(jù)引擎，建立包括地、測、采、排、機、運、通等專業(yè)的統(tǒng)一GIS數(shù)據(jù)庫。

（2）支持GIS數(shù)據(jù)在線協(xié)同編輯

基于大數(shù)據(jù)集中存儲及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式創(chuàng)新，完成多終端、多人在線的礦圖數(shù)據(jù)錄入及編輯，安全、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)提交，可滿足煤礦地質(zhì)、測量、機電、生產(chǎn)管理等專業(yè)同時在線協(xié)同編輯、多部門協(xié)同辦公等應(yīng)用。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化的礦圖空間數(shù)據(jù)共享技術(shù)

基于統(tǒng)一的礦圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及集中存儲管理的一張圖空間數(shù)據(jù)庫，采用面向服務(wù)架構(gòu)（SOA），實現(xiàn)了符合OGC國際標(biāo)準(zhǔn)的地理空間數(shù)據(jù)共享接口，可以為生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)的深度挖掘和與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成提供堅實基礎(chǔ)[2]。

3 預(yù)警模型

基于礦井地、測、采、排、機、運、通專業(yè)GIS圖形數(shù)據(jù)，運用GIS 服務(wù)平臺預(yù)先詳繪并標(biāo)注隱伏地質(zhì)隱患區(qū)位和掘進進尺生產(chǎn)計劃，結(jié)合礦井每日實際進尺，模型內(nèi)預(yù)配置每日掘進與進尺計劃數(shù)據(jù)、預(yù)算累計掘進和進尺數(shù)據(jù)，進而與GIS 平臺中標(biāo)注的隱伏地質(zhì)隱患區(qū)位、掘進進尺生產(chǎn)計劃相對位置進行對比，形成預(yù)測預(yù)警預(yù)判模型，為及時、有效、準(zhǔn)確地掘進生產(chǎn)活動提供了決策依據(jù)，為礦井生產(chǎn)活動提供信息化、智能化手段[3]。

結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)與各礦井掘進與進尺業(yè)務(wù)，整理出10大類預(yù)警預(yù)判類型及其模型預(yù)警判規(guī)則，其中預(yù)警距離可依據(jù)礦山實際情況進行動態(tài)配置，分類情況見表1。

表1 預(yù)警預(yù)測分類表

（1）地質(zhì)構(gòu)造預(yù)警模型：掘進工程與施工巷道地質(zhì)構(gòu)造（斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造、陷落柱、火成巖侵入帶等）相對值距離小于預(yù)警配置距離，則進行構(gòu)造預(yù)警。

（2）巷道貫通預(yù)警模型：模型內(nèi)預(yù)錄貫通巷道設(shè)計長度，與當(dāng)前巷道累計掘進進尺數(shù)據(jù)進行對比，若兩者相對距離小于預(yù)警配置距離，則進行巷道貫通預(yù)警。

（3）小煤柱臨空硐室預(yù)警模型：通過GIS服務(wù)平臺獲取掘進巷道開口位置至小煤柱臨空硐室最小直線距離，與當(dāng)前巷道累計掘進進尺數(shù)據(jù)進行對比，若兩者相對距離小于預(yù)警配置距離，則進行小煤柱臨空硐室預(yù)警。

（4）過空巷預(yù)警模型：通過GIS服務(wù)平臺獲取最近過空巷道位置至當(dāng)前掘進施工巷開口最小直線距離，與施工巷道累計掘進進尺數(shù)據(jù)進行對比，若兩者相對距離小于預(yù)警配置距離，則進行過空巷預(yù)警。

（5）采空區(qū)預(yù)警模型：通過GIS 服務(wù)平臺繪制、標(biāo)注、獲取周邊采空區(qū)區(qū)位信息，依次對比當(dāng)前掘進進尺施工巷開口位置至以上采空區(qū)最小直線距離，若相對距離小于預(yù)警配置距離，則進行采空區(qū)預(yù)警。

（6）積水區(qū)預(yù)警模型：通過GIS 服務(wù)平臺繪制、標(biāo)注、獲取周邊積水區(qū)區(qū)位信息，依次對比當(dāng)前掘進進尺施工巷開口位置至以上周邊采空區(qū)最小直線距離，若相對距離小于預(yù)警配置距離，則進行積水區(qū)預(yù)警，若在積水區(qū)內(nèi)部預(yù)警邏輯要考慮積水區(qū)的長度。

（7）有掘必探預(yù)警模型：通過根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)探距、進尺、安全距離進行預(yù)警，進尺和最近一次探距進行計算，如果小于安全距離進行預(yù)警。根據(jù)每日上報實際報表中的最近一次探距和近期累計進尺（自探距時間開始累計）差值如果小于安全距離，進行預(yù)警顯示預(yù)警信息。

（8）超長距離供風(fēng)預(yù)警：超長距離供風(fēng)局部通風(fēng)機所在位置供風(fēng)距離超過1 000 m，則進行持續(xù)進行預(yù)警。如果局部通風(fēng)機在巷道外部，風(fēng)機距離巷道開口里程與巷道掘進米數(shù)之和大于1 000 m，則預(yù)警。如局部通風(fēng)機在巷道內(nèi)部，截止目前巷道掘進里程與通風(fēng)機距離巷道開口里程差值大于1 000 m，提示預(yù)警。

（9）超長距離供電預(yù)警模型：移動變電站所供電距離超過1 000 m，則進行預(yù)警。重新部署移動變電站之后如超過1 000 m 還要繼續(xù)預(yù)警。如果移動變電站在巷道外部，距離巷道開口里程與巷道掘進里程之和大于1 000 m，提示預(yù)警消息。如果移動變電站在巷道內(nèi)部，巷道掘進里程與距離巷道開口里程差值大于1 000 m，提示預(yù)警消息。（移動變電站位置會發(fā)生變化調(diào)整是多條記錄，所以計算距離以移動變電站最新布置時間進行獲取數(shù)據(jù)）

（10）采掘交鋒預(yù)警模型：巷道掘進施工中，當(dāng)掘進位置與當(dāng)前相鄰回采位置相對交鋒距離小于特定預(yù)警值時進行預(yù)警。

4 基于GIS系統(tǒng)預(yù)警模型的架構(gòu)及功能

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用系統(tǒng)基于B/S、C/S 混合模式，前端界面采用JQuery、EasyUI、ECharts、帆軟報表等進行展示，后端的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)使用EntityFramework，前后端通過AJAX進行數(shù)據(jù)交互，一張圖采用LRGIS 地圖服務(wù)進行開發(fā)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)包含支撐層、數(shù)據(jù)層、GIS 平臺層、服務(wù)層、接口層、業(yè)務(wù)層（見圖1）。

圖1 基于GIS系統(tǒng)的預(yù)警模型架構(gòu)

（1）支撐層

支撐層是系統(tǒng)建設(shè)和運行分析的基礎(chǔ)，包括軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、掃描設(shè)備等，是系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境支撐。

（2）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與輸入輸出交換中心，它包括GIS空間數(shù)據(jù)與掘進業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（3）GIS平臺層

GIS平臺層是通過空間數(shù)據(jù)引擎將數(shù)據(jù)層各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和管理，基于LRGIS 提供分布式協(xié)同圖屬處理功能，將各類數(shù)據(jù)依據(jù)各自天然的共同空間特征進行聚合管理，為上層應(yīng)用提供GIS 數(shù)據(jù)管理和分析等支持。

（4）服務(wù)層

服務(wù)層是將GIS平臺的各類功能和模塊按照服務(wù)的模式進行封裝，從而將GIS 系統(tǒng)的各種能力開放給外部使用。

（5）接口層

接口層是通過功能模塊、不同服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)提供的服務(wù)分別以SOAP、REST 等常見的服務(wù)協(xié)議進行封裝，從而提供標(biāo)準(zhǔn)的各類GIS、業(yè)務(wù)功能服務(wù)接口。

（6）業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層是通過整個服務(wù)平臺提供的各類數(shù)據(jù)服務(wù)、專業(yè)功能及分析模塊，結(jié)合礦山掘進工程的具體業(yè)務(wù)，面向用戶提供調(diào)度、安全等相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

4.2 GIS地圖瀏覽

（1）地圖服務(wù)

系統(tǒng)基于統(tǒng)一的GIS 平臺、統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)庫以網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的方式，提供遙感影像地圖和地、采、掘、機、運、通、設(shè)計等各類專業(yè)生產(chǎn)礦圖的復(fù)合管理。

（2）礦區(qū)導(dǎo)航

將遙感影像與生產(chǎn)礦圖融合，宏觀展示涉及礦井的分布情況。另可通過點擊方式，查詢項目部基本概況、現(xiàn)施工工程、預(yù)測預(yù)警等詳細(xì)信息（見圖2）。

圖2 基于GIS掘進巷道推進度展示

4.3 巷道數(shù)據(jù)瀏覽

基于GIS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)空間數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計和分析，進而實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)信息與采掘狀態(tài)的動態(tài)關(guān)聯(lián)、直接服務(wù)于礦山安全生產(chǎn)指揮與決策。

（1）巷道基本信息查詢

展示巷道基本信息包含名稱、設(shè)計長度、現(xiàn)掘長度、斷面（掘高、掘?qū)挘?、巷道巖性、掘進類型、狀態(tài)、掘進開始、掘進結(jié)束等數(shù)據(jù)。

（2）巷道生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢

展示巷道月進尺、日進尺數(shù)據(jù)，同時根據(jù)用戶填報數(shù)據(jù)在圖形上通過不同顏色展示日、月的進尺數(shù)據(jù)。

（3）巷道使用風(fēng)機展示

展示巷道使用風(fēng)機的型號、風(fēng)筒直徑、瓦斯檢查分析數(shù)據(jù)、工作面風(fēng)量、巷道貫通數(shù)據(jù)。

（4）巷道水文地質(zhì)信息展示

展示巷道水文地質(zhì)信息，包含水文地質(zhì)基本情況、水文地質(zhì)分析等數(shù)據(jù)。

（5）巷道頂?shù)装鍘r性特征等信息展示

展示巷道頂?shù)装鍘r性特征、巖性評價、巷道兩幫巖性及評價，巷道可能遇到的構(gòu)造信息數(shù)據(jù)[4]。

4.4 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)瀏覽

（1）調(diào)度及項目部值班跟班帶班情況

展示領(lǐng)導(dǎo)、調(diào)度員、項目部干部值班、帶班、跟班人員數(shù)量及詳細(xì)信息。

（2）項目部進尺情況

以柱狀圖顯示各個項目部及隊組的進尺信息、形成計劃進尺與實際進尺對比情況分析。

（3）預(yù)測預(yù)警

通過示意圖方式展示預(yù)警模型包含的各類預(yù)警信息，為安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)（見圖3）。

圖3 預(yù)測預(yù)警可視化展示

5 應(yīng)用效果

基于GIS系統(tǒng)的預(yù)警模型在晉能控股煤業(yè)集團宏泰工程礦建有限責(zé)任公司應(yīng)用后，優(yōu)化了公司現(xiàn)有的管控模式，降低了管理成本，提高了管理效能，增加了公司整體經(jīng)濟效益；2021 年節(jié)省人力成本64.2 萬元，節(jié)約GIS軟件成本56萬元。

6 結(jié)束語

基于GIS 系統(tǒng)預(yù)警模型的應(yīng)用，形成了具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)先進化、智能化的礦井建設(shè)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了空間信息技術(shù)、專用數(shù)據(jù)處理技術(shù)的集成開發(fā)和應(yīng)用。成果將逐步在集團公司甚至整個煤炭行業(yè)進行推廣，實現(xiàn)跨地區(qū)、跨部門、跨專業(yè)的共享信息、共享知識、共享應(yīng)用的集成決策支持平臺[5]。