基于GIS的煤礦瓦斯預(yù)警系統(tǒng)

楊亞杰，袁振坤

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

我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害礦工的生命安全及煤礦的安全生產(chǎn)。由于其隱蔽性、隨機(jī)性，造成的后果往往是災(zāi)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(fēng)井)、單水平上下山開，大巷水平標(biāo)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(zhǎng)壁后退式采煤法開采。礦井初期投產(chǎn)兩個(gè)采區(qū)，通風(fēng)方式為抽出式，通風(fēng)系統(tǒng)為中央并列式，即有副井進(jìn)風(fēng)，中央風(fēng)井回風(fēng)。礦區(qū)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(jiān)固性系數(shù)0．17 ～0．20，放散初速度3．7 ～5．9;儲(chǔ)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(qū)域構(gòu)造的影響，煤系地層在長(zhǎng)期遭受剝蝕風(fēng)化等多種地質(zhì)作用的影響下，煤的原始結(jié)構(gòu)破壞，堅(jiān)固性系數(shù)值變小;放散初速度值增大，瓦斯儲(chǔ)層壓力減低。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則

1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

系統(tǒng)是以礦井瓦斯地質(zhì)信息數(shù)據(jù)管理為研究對(duì)象，運(yùn)用地球科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，并根據(jù)國(guó)家統(tǒng)一規(guī)范建立礦山瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)的具體目標(biāo)如下：

1)系統(tǒng)直接為煤礦瓦斯信息預(yù)測(cè)管理服務(wù)，利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)信息的輸入、查詢、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、多因素分析和輸出等功能。

2)利用GIS平臺(tái)及計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出影響因素信息的統(tǒng)一管理和共享。

3)利用系統(tǒng)的高速計(jì)算與預(yù)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)與防治，針對(duì)性地對(duì)某區(qū)域進(jìn)行瓦斯賦存及變化規(guī)律研究和突出危險(xiǎn)性決策分析，以求實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)。

1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1)數(shù)據(jù)規(guī)范性。為了使系統(tǒng)結(jié)果具有較高可信性，系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)格式要規(guī)范，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清新，坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一等，在此原則下，本系統(tǒng)要建立一個(gè)包括煤與瓦斯突出各種影響因素的圖像、圖形等的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2)實(shí)用與科學(xué)性。數(shù)據(jù)庫(kù)與系統(tǒng)的建立能滿足生產(chǎn)單位各個(gè)部門對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性影響因素?cái)?shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)及決策分析。系統(tǒng)在GIS軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果要有較高可信性，以達(dá)到預(yù)防目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤與瓦斯突出的發(fā)生，主要是由煤本身的物理力學(xué)性質(zhì)及地應(yīng)力、瓦斯等多因素共同影響的結(jié)果。若使預(yù)測(cè)結(jié)果有較高可信度，所需要的各因素?cái)?shù)據(jù)信息量是巨大的。煤礦瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)是以GIS為軟件平臺(tái)，以解決煤礦瓦斯主控因素信息處理及決策支持相關(guān)的專題應(yīng)用型信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)從空間地質(zhì)數(shù)據(jù)信息的獲取、查詢和決策分析入手，提供煤與瓦斯危險(xiǎn)性分析的動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)分析。

2．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)部門，利用先進(jìn)的GIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模式，軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2．2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)輸入與編輯子系統(tǒng)、信息查詢與檢索子系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)，煤與瓦斯突出防治預(yù)案子系統(tǒng)。

1)數(shù)據(jù)輸入與編輯子系統(tǒng)，該系統(tǒng)可輸入各種類型的數(shù)據(jù)信息，包括文字、圖形等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Access 2003中，等待后續(xù)計(jì)算隨時(shí)調(diào)用。建立數(shù)據(jù)庫(kù)方便實(shí)時(shí)更新影響煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的各個(gè)因素?cái)?shù)據(jù)，在煤礦開采中，用戶可以隨時(shí)修改及編輯各類數(shù)據(jù)，保證預(yù)測(cè)結(jié)果有較高可靠度。

2)信息查詢與檢索子系統(tǒng)。GIS系統(tǒng)中的MIS可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的查詢與定位，可實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中各種類型的數(shù)據(jù)查詢，使用戶能隨時(shí)調(diào)閱研究空間數(shù)據(jù)。

3)可視化顯示子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中的文字、圖像等數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)等，能直觀的、全面地反映煤與瓦斯可能突出的區(qū)域等。

4)瓦斯預(yù)測(cè)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，以GIS為基礎(chǔ)平臺(tái)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行多因素綜合預(yù)測(cè)，要提高預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性需要大量的歷史數(shù)據(jù)作為參考，并根據(jù)當(dāng)前開采數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果通過可視化系統(tǒng)直觀地顯示給用戶，為用戶提供參考。

5)瓦斯防治預(yù)案子系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)瓦斯預(yù)測(cè)子系統(tǒng)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史防治措施，并綜合多種防治措施提供幾種最優(yōu)防治措施，供用戶選擇或作為參考。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

系統(tǒng)需要存儲(chǔ)多種海量數(shù)據(jù)，有圖片格式、矢量圖形以及 GIS數(shù)據(jù)文件等，本系統(tǒng)選用了 Access 2003作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，本系統(tǒng)軟件開發(fā)采用VB+Arcgis的開發(fā)模式，結(jié)合GIS系統(tǒng)工具并對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)。既能利用GIS工具對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理分析，也可利用其強(qiáng)大的可視化輸出功能對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行可視化輸出，方便用戶管理分析。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

泉店煤礦礦區(qū)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(guī)律，瓦斯有可能會(huì)局部聚集，瓦斯含量較高。在氮?dú)狻託鈳е袝?huì)存在高沼氣區(qū);沼氣帶中也會(huì)存在小面積氮?dú)庹託鈳АＬ貏e是在小斷層附近、斷層尖滅端、地層產(chǎn)狀變化處、煤厚變化地段和地應(yīng)力集中部位，煤質(zhì)疏松，生產(chǎn)中應(yīng)予以足夠重視，將研究區(qū)內(nèi)瓦斯含量，鉆孔數(shù)據(jù)，煤的物理力學(xué)性質(zhì)以及采掘工程平面圖等各種數(shù)據(jù)及圖形信息等資料輸入系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)，以GIS為軟件平臺(tái)進(jìn)行多因素評(píng)價(jià)分析，獲得研究區(qū)的預(yù)測(cè)結(jié)果圖，見圖2。

在圖2中1區(qū)域由于地質(zhì)、開采條件比較好，瓦斯壓力較小，煤層厚度較薄，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過本系統(tǒng)分析次區(qū)域?yàn)榉峭怀鰠^(qū)，而區(qū)域6，通過多因素分析，此區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，瓦斯壓力較大，開采過程中可能會(huì)發(fā)生瓦斯突出，可根據(jù)系統(tǒng)提供的應(yīng)急方案，采取有效措施，防治煤與瓦斯突出的發(fā)生。

5 結(jié)語

本文旨在探討煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)與GIS技術(shù)的結(jié)合，充分利用GIS強(qiáng)大的空間分析處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯影響數(shù)據(jù)的有效管理，并在此基礎(chǔ)上利用海量的數(shù)據(jù)與正確可靠的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出預(yù)警，為煤礦瓦斯預(yù)測(cè)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

圖2 多因素預(yù)測(cè)結(jié)果圖

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