煤礦地質災害救援三維可視化預警系統的設計

孫樹根

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西 長子 046600）

山西潞安礦業集團慈林山煤業有限責任公司李村煤礦位于山西省長子縣，礦井設計生產能力為800 萬t/a，可采儲結構9800 萬t，服務年限33 年。當前煤礦主要開采3#煤層，采用立井開拓式，一次采全高采煤法。為加強煤礦地質災害救援的力度，該煤礦設計了煤礦地質災害救援三維可視化預警系統，為該煤礦地質災害救援提供基礎信息和決策支持。

1 系統設計概況

煤礦地質災害救援三維可視化預警系統設計目的是立體、生動展示礦井地質和煤層特征以及采掘和安全生產態勢，為煤礦探采方案確定、安全生產保障和地質災害救援提供支持，同時為非地質采礦專業人員提供專業交流指導，為技術匯報和決策提供幫助。李村煤礦地質災害救援三維可視化預警系統主要內容：

（1）整合煤礦地質構造、礦體和安全生產狀況，對生產和安全預警信息進行統一管理，為煤礦災害救援決策提供技術支持。

（2）實現煤礦基礎地測信息多部門共享與交流，基于采掘工程平面圖實現地質構造、采掘工作面動態情況的立體、實時管理與分析，對煤礦安全生產和調度起指導性作用。

（3）實現煤礦地質環境和安全態勢的動態監視。隨著采礦工作的不斷深入，井下地質和采掘數據以及安全設施不斷增加，對采礦作業的控制越來越精確，系統可實現動態更新。

（4）集成已有礦井安全避險“六大系統”，通過互聯網實現遠程立體化監控。“六大系統”包括監測監控系統、人員定位系統、緊急避險系統、壓風自救系統、供水救施系統和通信聯絡系統，重點突出瓦斯、水位、風量的監控以及人員定位信息查詢、避災線路展示、救險設施布置顯示等。

（5）系統集成了服務于煤礦地質災害救援的決策輔助工具，如淹沒分析、鉆井設計、事故模擬等，提高地質災害救援決策水平。

2 系統設計方案

針對李村煤礦地質災害救援三維可視化預警系統的目的要求，對系統主要功能需求進行歸納：

（1）對煤礦各類數據資料進行收集、處理，對煤礦基礎數據庫架構與表結構進行設計，完成完整的煤礦基礎數據庫建設。

（2）研究井下不同類型構造的建模算法與可視化表達方式，包括地形、煤層、巷道、鉆孔等。基于OGRE 引擎開發出一套適合煤礦企業應用的三維可視化基礎數據庫，依據現有數據資料，搭建出煤礦的三維可視化場景，建立三維煤礦模型，模擬煤礦地上地下場景、采礦過程及其引起的其他相關現象，真實再現煤礦生產建設的客觀情況。

（3）結合部門和專業需求，提供全新的三維操作與顯示功能。

（4）引入動態業務數據和實時數據，實現跨系統整合與一站式管理。

（5）在各系統集成平臺之上，實現對煤礦的統一管理。模擬事故發生時鉆探救援方案的制定，為安全救援提供輔助決策。

（6）在對歷史煤礦事故調查分析的基礎上，模擬煤礦事故動畫，立體展現事故過程。系統研究的技術路線是在對地質實體進行資料加工的基礎上建立數據庫，利用OGRE 三維引擎構建煤礦虛擬現實系統，然后設計用戶交互界面，集成煤礦安全避險“六大系統”，最后開發適合于煤礦地質災害救援的決策支持工具。系統技術路線圖如圖1。

系統主要結構分數據庫建設、煤礦三維引擎封裝和應用系統開發與集成三個部分，對其總體架構進行了設計和業務邏輯的分層劃分，如圖2。

圖2 系統架構圖

系統主要技術方案是以OGRE 三維引擎為主要架構，以C++為程序設計語言，MySQL 作為數據庫平臺，QT 作為交互界面系統來實現的。由于各主要平臺工具都選擇了開源工具，系統是獨立開發且具有自主知識產權的。

系統總體設計原則：建立以地表、煤層和巷道系統為核心的三維場景，然后將“六大系統”以巷道數據為依托定位集成到系統中，這樣可保證所有“六大系統”和巷道系統的一致性。

3 系統的主要功能分析

實現過程包括：資料準備和處理、三維建模、數據庫操作、三維引擎代碼編寫和相關工具開發。

3.1 煤礦基礎數據的獲取、處理和建模

煤礦基礎數據是指在煤礦空間區域范圍內以三維坐標形式組織起來的井上、下各類對象的地理空間基礎信息，它包含了地表、地質構造、巷道、鉆孔以及各類生產系統的礦用設備等信息。根據空間數據類型的不同，可把數據劃分為柵格、矢量、模型等多種類別。這些數據的主要來源有礦區實際測量、遙感影像、外部模型構建、各類圖件數字化以及井下設備安裝部署資料等。

煤礦地面模型采用數字高程DEM 建模，然后輔以遙感衛星圖片作為貼圖。地表建筑采用3DMAX 建模，然后利用開發的空間工具導入系統中。鉆孔數據依據鉆孔資料建立三維模型并貼圖地層符號進行渲染處理，煤層（地層）模型依據煤層底板等。

巷道數據主要根據礦區提供的井上下對照圖、采掘工作平面圖等圖件，進行巷道拐點坐標的提取。巷道拐點也稱巷道導線點，在巷道走向不規則處，加以巷道拐點到巷道左側、右側的距離，即巷道拐點到巷道左幫、右幫的距離，由此來獲得巷道中心線點的坐標。建立巷道數據庫，存儲巷道名稱，每條巷道按照起始點進行提取坐標與高程。利用中心線和截面類型進行巷道建模，并處理巷道連接和轉彎，正確表達巷道間的拓撲關系，最后對應支護類型進行貼圖渲染。特別指出，巷道模型的處理是本系統的關鍵所在，也是監測監控和安全救援系統的依據。

礦井安全避險“六大系統”建設中涉及很多傳感器及其他安全設施，包括監測監控裝置、讀卡器裝置、庇護所、救生艙、壓風自救裝置、礦井電話等。對這一類對象位置信息的處理，本系統依據對應設施的布置圖，以處理后的巷道導線點數據為主要參照，來確定每一個裝置的坐標點位置。對每一類型的裝置補充完整其他屬性信息，例如設備名稱、運行狀態、生產廠商等，建立設施數據庫和模型庫，然后放置到對應巷道坐標位置，從而保證了安全設施和巷道系統的一致性。總之，對于煤礦地質、生產和安全數據，綜合采用DEM、數據建模和手工模型多種方式的聯合建模構建了適用于煤礦地質災害救援需要的數字煤礦模型。

3.2 數據庫的建立和管理

利用開發的MySQL 數據庫系統對數據進行搜集與預處理后，將煤礦數據整合為以下幾種基礎數據：巷道數據、鉆孔數據、煤層數據、斷層數據、工作面數據、影像數據、DEM數據、設備模型數據等。其中，設備模型數據記錄有煤礦安全信息。二進制流數據（Blob/ Image）是將煤礦數據以二進制形式進行存儲，以減少數據量，提高數據保密性。針對煤礦地質、生產和安全數據的復雜性與加工難度，專門開發了數據加工工具，來完成基本的數據庫插入、刪除、查詢、更新操作，并完成煤礦數據的存儲管理維護，保證系統的動態更新和安全。

3.3 三維引擎的實現

利用OGRE 三維可視化引擎框架，實現系統的三維模型導入、渲染顯示和交互操作。OGRE 體系結構主要包括四大塊：場景管理、資源管理、渲染系統和渲染插件體系。數字煤礦三維引擎在OGRE已經實現的主要功能基礎之上，增加了項目管理、分層加載、顯示控制模塊，并開發了模型選擇、數據查詢、測量工具等模塊。

3.4 與安全救援“六大系統”的集成

將現有礦井安全避險“六大系統”的數據通過布設方案和基礎煤礦場景進行集成，并利用互聯網傳輸監測監控數據，從而完成遠程實時立體監控。將“六大系統”的數據分為基礎數據和實時數據分別進行處理。基礎數據通過建立布設數據庫和模型數據庫，通過與巷道系統的結合，在三維系統中可以顯示和查詢相關設施數據。實時數據則利用現有監測監控系統的數據，通過互聯網以VPN 安全網絡方式傳輸數據，在系統連接遠程數據源后，能夠在三維場景下顯示實時監測監控數據和報警數據，其中最重要的數據來自監測監控系統和人員定位系統。

3.5 災害救援輔助決策模塊的開發

針對煤礦地質災害救援需求開發了一系列輔助決策工具，包括測量類工具、路線展示、淹沒分析工具、歷史事故分析和鉆探方案工具等。其中，測量類工具包括距離和最短路徑查詢等，路線展示包括避災路線、通風、供水、通信線路展示等，淹沒分析工具用于分析井下巷道淹沒情況，鉆探方案工具則是針對事故發生地選擇最合理的鉆探方案的輔助工具。

4 結論

針對李村煤礦的數字信息化建設及災害救援等系統集成建設的需求，結合地理信息系統技術、地圖學理論、三維可視化虛擬技術，基于OGRE 引擎開發出一套煤礦地質災害救援三維可視化預警系統管理軟件，為煤礦安全生產和管理提供技術支持。該系統在李村煤礦的實踐應用，有效地提高了該煤礦地質災害的預警信息水平，提高了地質災害救援效率。