基于GIS的煤礦瓦斯預警系統

楊亞杰，袁振坤

(1．河南神火興隆礦業有限責任公司泉店煤礦，河南 許昌 461000;2．河南神火煤業小煤礦區域管理一公司，河南 禹州 461670)

我國煤礦安全生產中瓦斯事故時有發生，嚴重危害礦工的生命安全及煤礦的安全生產。由于其隱蔽性、隨機性，造成的后果往往是災難性的。河南神火泉店煤礦位于河南省禹州煤田東部的禹州市和許昌縣之間，泉店礦井采用立井(主井、副井、中央風井)、單水平上下山開，大巷水平標高為－540 m，布置在二1煤層頂板砂巖中，采用一次采全高傾斜長壁后退式采煤法開采。礦井初期投產兩個采區，通風方式為抽出式，通風系統為中央并列式，即有副井進風，中央風井回風。礦區可采煤層總體瓦斯含量不大。二1煤瓦斯含量 0．00 ～6．71 mL/g，平均 1．16 mL/g;堅固性系數0．17 ～0．20，放散初速度3．7 ～5．9;儲層壓力0．3 ～0．67 MPa。二3煤瓦斯含量 0．00 ～0．38 mL/g，平均0．10 mL/g。四6煤瓦斯含量 0．00 ～0．17 mL/g，平均0．03 mL/g。由于受區域構造的影響，煤系地層在長期遭受剝蝕風化等多種地質作用的影響下，煤的原始結構破壞，堅固性系數值變小;放散初速度值增大，瓦斯儲層壓力減低。

1 系統設計的目標和原則

1．1 系統設計的目標

系統是以礦井瓦斯地質信息數據管理為研究對象，運用地球科學技術和計算機技術，并根據國家統一規范建立礦山瓦斯預測信息管理系統。其設計的具體目標如下：

1)系統直接為煤礦瓦斯信息預測管理服務，利用本系統實現各個數據信息的輸入、查詢、計算、統計、多因素分析和輸出等功能。

2)利用GIS平臺及計算機技術來實現煤與瓦斯突出影響因素信息的統一管理和共享。

3)利用系統的高速計算與預測技術實現煤與瓦斯突出的預測與防治，針對性地對某區域進行瓦斯賦存及變化規律研究和突出危險性決策分析，以求實現煤礦安全高效生產。

1．2 系統設計原則

1)數據規范性。為了使系統結果具有較高可信性，系統輸入的數據格式要規范，數據結構清新，坐標系統統一等，在此原則下，本系統要建立一個包括煤與瓦斯突出各種影響因素的圖像、圖形等的標準數據庫。

2)實用與科學性。數據庫與系統的建立能滿足生產單位各個部門對煤與瓦斯突出危險性影響因素數據的查詢、統計及決策分析。系統在GIS軟件平臺基礎上，系統預測結果要有較高可信性，以達到預防目的。

2 系統設計

煤與瓦斯突出的發生，主要是由煤本身的物理力學性質及地應力、瓦斯等多因素共同影響的結果。若使預測結果有較高可信度，所需要的各因素數據信息量是巨大的。煤礦瓦斯預測信息管理系統是以GIS為軟件平臺，以解決煤礦瓦斯主控因素信息處理及決策支持相關的專題應用型信息系統。該系統從空間地質數據信息的獲取、查詢和決策分析入手，提供煤與瓦斯危險性分析的動態和實時預測分析。

2．1 系統總體結構設計

本系統主要針對煤礦安全生產部門，利用先進的GIS技術和計算機技術，采用統一的數據模式，軟件設計標準。

其系統的總體結構設計示意圖見圖1。

圖1 系統總體結構設計示意圖

2．2 系統功能模塊設計

煤礦瓦斯預測系統主要有數據輸入與編輯子系統、信息查詢與檢索子系統、空間數據可視化子系統、煤與瓦斯突出危險區預測子系統，煤與瓦斯突出防治預案子系統。

1)數據輸入與編輯子系統，該系統可輸入各種類型的數據信息，包括文字、圖形等數據存儲于數據庫系統Access 2003中，等待后續計算隨時調用。建立數據庫方便實時更新影響煤與瓦斯突出危險性的各個因素數據，在煤礦開采中，用戶可以隨時修改及編輯各類數據，保證預測結果有較高可靠度。

2)信息查詢與檢索子系統。GIS系統中的MIS可以對空間數據進行準確的查詢與定位，可實現空間數據庫中各種類型的數據查詢，使用戶能隨時調閱研究空間數據。

3)可視化顯示子系統。該子系統負責顯示數據庫中的文字、圖像等數據以及預測結果評價等，能直觀的、全面地反映煤與瓦斯可能突出的區域等。

4)瓦斯預測子系統。該系統能根據輸入的數據，以GIS為基礎平臺，根據設計好的程序進行多因素綜合預測，要提高預測結果的可靠性需要大量的歷史數據作為參考，并根據當前開采數據進行綜合預測，預測結果通過可視化系統直觀地顯示給用戶，為用戶提供參考。

5)瓦斯防治預案子系統。該系統根據瓦斯預測子系統，調用數據庫中歷史防治措施，并綜合多種防治措施提供幾種最優防治措施，供用戶選擇或作為參考。

3 系統實現技術路線

系統需要存儲多種海量數據，有圖片格式、矢量圖形以及 GIS數據文件等，本系統選用了 Access 2003作為存儲數據庫，本系統軟件開發采用VB+Arcgis的開發模式，結合GIS系統工具并對其進行二次開發。既能利用GIS工具對數據庫進行管理分析，也可利用其強大的可視化輸出功能對預測結果進行可視化輸出，方便用戶管理分析。

4 系統應用

泉店煤礦礦區可采煤層瓦斯含量隨煤層埋藏深度的增加而增大，特別是隨煤層上覆基巖保存厚度(有效地層厚度)的增加，而煤層瓦斯含量增大。本礦井二1煤瓦斯含量較低，但由于瓦斯賦存的不均衡規律，瓦斯有可能會局部聚集，瓦斯含量較高。在氮氣～沼氣帶中會存在高沼氣區;沼氣帶中也會存在小面積氮氣沼氣帶。特別是在小斷層附近、斷層尖滅端、地層產狀變化處、煤厚變化地段和地應力集中部位，煤質疏松，生產中應予以足夠重視，將研究區內瓦斯含量，鉆孔數據，煤的物理力學性質以及采掘工程平面圖等各種數據及圖形信息等資料輸入系統，根據系統中的歷史數據，以GIS為軟件平臺進行多因素評價分析，獲得研究區的預測結果圖，見圖2。

在圖2中1區域由于地質、開采條件比較好，瓦斯壓力較小，煤層厚度較薄，根據歷史經驗數據通過本系統分析次區域為非突出區，而區域6，通過多因素分析，此區域構造發育，瓦斯壓力較大，開采過程中可能會發生瓦斯突出，可根據系統提供的應急方案，采取有效措施，防治煤與瓦斯突出的發生。

5 結語

本文旨在探討煤與瓦斯突出危險性預測與GIS技術的結合，充分利用GIS強大的空間分析處理功能，實現對煤礦瓦斯影響數據的有效管理，并在此基礎上利用海量的數據與正確可靠的數學模型相結合，實現煤與瓦斯突出預警，為煤礦瓦斯預測提供科學的決策依據。

圖2 多因素預測結果圖

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