礦井水害預測系統的設計與實現

李晅 焦作市神龍水文地質工程有限公司巖土工程處，河南 焦作 454000

礦井水害預測系統的設計與實現

李晅 焦作市神龍水文地質工程有限公司巖土工程處，河南 焦作 454000

分析了礦井水害的現狀，總結了礦井水害治理技術的理論基礎。應用GIS組件開發技術，建立了基于.NET礦井水害預測系統。利用突水系數法實現了突水危險性分區，應用人工智能技術，模擬專家思維方式，建立了礦井水害預測與防治專家系統。系統的建立對礦井水害防治具有一定的借鑒意義。

GIS;礦井水害;預測;專家系統;信息化

近年來，隨著礦井生產向縱深發展，水患威脅日益嚴重，礦井水害已成了嚴重威脅眾多煤礦安全、高效生產的主要因素。大致整個礦井淹沒，小至采區停產[1]。從近年的開采情況看，每年采出受水害威脅的煤炭還不到總儲量的10%。如果不能解放這些受水害威脅的煤炭儲量，不僅影響煤礦的產量，而且一些老礦井還有被迫提前關井的危險。因此，考慮生產過程中的環境時變性，研究礦井水害的突水機理，準確預測生產區域的水害等級，制定防治水方案，對正確設計和安排防排水工程，減少防排水費用，確保安全生產，提高礦井經濟效益，具有重要的現實意義。

在煤層底板突水機理分析與突水預測的研究中，相關科研人員先后提出了突水系數法[2]、底板相對隔水層[3]、巖-水應力關系法[3]、“下三帶”理論[3]、原位張裂與零破壞理論[4]、薄板模型理論[5-6]、“關鍵層”理論[7]、“強滲通道”說[8]、“下四帶”理論[9]、突水概率指數法、模糊數學法、專家系統法等。

本文擬將突水系數法、專家系統法等相結合進行建立礦井水害預測系統。

1 系統的設計

1.1 系統設計目標

系統設計的目標在于將礦井水害預測和水害防治相結合，從而實現礦井水文地質信息管理規范化，提高礦區水文地質技術工作管理水平，適應高新技術的應用和安全生產的需求；提高礦井突水預測的準確率，為防治水決策提供依據，防止煤礦重大水害事故的發生。

1.2 系統結構設計

系統是基于GIS技術，實現空間與屬性數據統一管理，針對礦井水文地質技術人員與領導等不同層次用戶開發的計算機系統，具有信息共享、異構數據互訪、實時管理和數據統一存儲管理于后臺數據庫等特點。采用C/S模式構架，系統結如圖1所示[10]。

1.3 系統平臺選擇

數據管理選擇Microsoft SQL Server 2000數據庫平臺，集中存放在指定的服務器上。程序設計選用Microsoft Visual Studio.NET 2003 平臺，基于北京超圖的Supermap Objects組件進行二次開發。

2 系統的功能

系統設計面向煤炭生產單位，它不同于傳統數據庫系統與CAD系統，是一個采集、輸入、存儲、檢索與分析空間數據，并且輸出各種查詢、分析結果的計算機系統。包括GIS基本功能、水文地質數據管理、鉆孔柱狀圖的自動繪制、突水預測、打印輸出等功能。

2.1 GIS基本功能

(1) 地圖操作

該功能主要針對空間數據操作，包括地圖的放大、縮小、漫游、全圖顯示、要素選擇、距離量算等基本功能，以及不同地理要素的顏色、線型、填充、符號等風格設置。

(2) 地圖編輯

地圖編輯包括輸入點狀、線狀、面狀地物，輸入標記文本，以及圖形的修改、刪除、復制、剪切、粘貼、地物旋轉、數據集的轉換、線型庫編輯、符號庫編輯、填充庫編輯、撤銷、恢復等操作，方便用戶對地圖信息的管理。

(3) 數據的導入導出

由于地理信息的復雜多態以及海量性，決定了空間數據采集的工作量大、效率低。如何高效的采集空間數據并且有效的利用已有的但是數據格式不同的空間信息就顯得非常重要。為此，本系統從設計之初就開始注重空間信息融合部分的設計，具備將常用的空間數據（包括Arc/Info的Coverage文件、MapGIS明碼格式文件、AutoCAD數據交換文件、MapInfo的MIF文件等）導入以及將現有數據的導出功能。

2.2 礦井水文地質數據管理

針對礦井日常生產所產生的礦井水文地質信息(如鉆孔、水文觀測孔、地表水質監測等)，設計并實現了礦井水文地質管理信息系統模塊，主要完成相關信息的管理、檢索與更新等操作。從而達到使礦井日常生產數據管理規范化，信息化的目的。

圖1 系統結構

2.3 鉆孔柱狀自動繪制

針對紙質鉆孔柱狀具有不易保存、易丟失、易變形、查詢更新困難等不足，按照地質圖件繪制規范，設計了鉆孔柱狀自動繪制功能。

2.4 突水預測

(1) 突水危險性分區

突水危險性分區采用突水系數法劃定研究區域內的安全區、突水可能區、突水區。突水系數法考慮水壓和隔水層厚度，利用公式(1)，基于離散觀測孔的水壓或水位數據，并按照等級(＜0.06為安全區，大于0.06且小于0.1為突水可能區，大于0.1為突水區)進行區域分隔，從而達到突水危險性分區的目的。

其中Tr為突水系數，P為水壓，M為隔水層厚度。

(2) 突水預測預報專家系統[11-12]

通過對專家知識和經驗的邏輯梳理，將領域專家那些不確定的、啟發性的、專業性的經驗知識、解題思路和方法移植到計算機領域，建立專家知識庫和推理庫，按照專家的思維進行邏輯推理，解決防治水方案制定、方案優化和預評估信息化問題。系統利用VB.NET+CLIPS 語言進行開發，實現了掘進與回采工作面頂板、底板突水預測，老空區突水預測，以及防治方案的制訂等功能。

2.5 地圖打印輸出

基于SuperMap Object的SuperLayout.ocx控件開發了桌面地圖排版系統，實現了頁面設置、地圖要素添加(圖名、圖例、指北針、比例尺、圖簽、圖框等)、對象繪制等地圖版面設計功能，并能將設計好的地圖打印輸出。

3 系統的應用

系統開發的主要目的就是將研究成果直接服務于現場，并達到礦井水文地質數據管理信息化及礦井水害預測預報在一定程度上達到智能化。系統完成后，進行了現場應用，突水預測的應用效果見圖2(其中紅色為突水區，黃色為突水可能區，綠色為安全區)，鉆孔柱狀圖的繪制結果見圖3。實踐證明，本文建立的礦井水害預測系統簡單易行，準確率較高，系統的地圖編輯、數據導入導出及礦井水文地質數據管理等功能可交互性強，操作方便。

圖2 突水預測結果

圖3 鉆孔柱狀圖的繪制結果

4 結束語

隨著計算機科學和信息技術的飛速發展，GIS特有的空間與屬性數據的集成管理、空間分析和空間決策功能日益增強。隨著礦井生產過程中地質與水文地質資料及研究成果的增加，迫切要求資料管理的信息化、實時化、可視化；這使得GIS成為構建一個動態的、包含信息全面的礦井水害預測系統的優選平臺。基于GIS的礦井水害預測系統實現了突水預測預報的信息化、實時化與可視化，對礦井水文地質工作及礦井水害預測預報具有重要的理論與現實意義。

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[4]王作宇，張建華,劉鴻泉.承壓水上近距離煤層重復采動的底板巖移規律[J].煤炭科學技術.1995(2)：18-20

[5]張金才.煤層底板突水預測的理論與實踐[J].煤田地質與勘探.1989(4):38-41

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[7]錢嗚高,繆協興,許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究[J].煤炭學報.1996，21(31)：44-47

[8]李抗抗，王成緒.用于煤層底板突水機理研究的巖體原位測試技術[J].煤田地質與勘探.1992(3)：32-33

[9]施龍青,韓進.開采煤層底板“四帶”劃分理論與實踐[J].中國礦業大學學報.2005，42(1)：16-23

[10]文廣超，鄧寅生，余永強，等. 煤礦信息管理系統的設計與實現[J].礦業研究與開發.2008,28(3)：50-52

[11]陸火林，潘樹仁，黃偉斌. 煤礦水害防治專家系統知識庫的建立[J].江蘇煤炭.2002(2)：55-56

[12]張文泉，劉偉韜，李家祥,等.礦井水害防治專家系統[J].計算機工程.2000，26(5)：83-84

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.086

李晅（1973－）男，廣東中山人，工程師，本科,2002年畢業于焦作工學院，現從事地質工程及巖土工程工作。工作單位：焦作市神龍水文地質工程有限公司巖土工程處。