煤礦地質應急救援信息系統設計與實踐

余永鵬 ，毛興軍 ，閆建波 ，王嘉文 ，楊彥成 ，屈 博 ，馮 鋒

（1.寧夏回族自治區煤炭地質局，寧夏 銀川 750002；2.中煤航測遙感集團有限責任公司，陜西 西安 710099；3.寧夏大學 信息工程學院，寧夏 銀川 750021）

我國是多煤國家，煤礦地質條件比較復雜[1-2]。隨著煤炭資源大規模開采，煤礦地質災害潛在隱患越來越多。近年發生的災害事故，給國家和人民造成的生命財產損失巨大[3]。隨著國家煤礦行業快速發展和應急管理意識強化，煤礦安全生產狀況有很大改觀，安全生產總體情況持續好轉，但形勢依然嚴峻，各類生產安全事故仍時有發生[4-5]。

煤礦災害事故發生往往具有突發性、偶然性和復雜性等特點[3-5]。災害發生后，煤礦和井下災害現場往往會失去聯系，因此煤礦事故應急救援存在反應時間緊迫、決策信息模糊和災變狀態復雜等特點，及時有效地救援是防止發生二次事故、降低人員傷亡率的關鍵[6]。

信息技術能對多源信息進行快速集成與處理，是有效救援的重要支持手段。在煤礦災害事故應急救援信息技術研究方面，李奮強等[7]實現了以三維井上下模型為基礎的煤礦安全監測數據在線獲取、顯示和查詢；吳兵等[8]將網絡地理信息系統引入礦山救援，完成的礦山應急救援管理指揮系統將實時監測數據用于分析決策；高洪波[9]實現了面向煤礦事故應急指揮全過程設計的煤礦應急救援指揮信息系統，可以全面提升煤礦應急救援能力；張偉杰[10]對王莊煤礦的安全生產系統進行了整合，開發完成了王莊煤礦應急管理系統，實現了煤礦事故監測預警、救援、評估的全流程信息化管理決策和指揮等。前人的研究取得了重要成果，但多數研究都側重于救援指揮，或單純實現井上下三維模型，對地質應急救援相關的信息集成與處理研究較少。實際上煤礦災害事故的發生一般都和地質因素有關系，救援、決策和指揮也離不開地質數據支持和地質技術參與。近年來。很多專家學者也提出了將煤礦應急救援作為煤炭精準開采與地質保障技術方面的研究內容之一[11-12]。為此，以煤礦安全生產實際為背景，以具備地質、鉆探技術為一體的地質勘查單位為依托，在功能需求分析基礎上，設計了系統功能，提出了系統建設的關鍵技術和實現方法，開發建設了符合煤礦地質應急救援實際需求的信息系統，并以寧南煤田某煤礦為示范進行應用，驗證了系統功能的合理性，該系統對煤礦安全生產和應急救援意義重大。

1 系統分析

1.1 功能需求分析

煤礦災害事故發生后，進行有效救援是降低人員傷亡率的關鍵，確定事故原因是有效救援的基礎。涉及地質災害時，事故原因分析更為復雜和緊迫。井上下三維（地質）模型是立體、生動展示地質、煤層特征和采掘、安全系統布置的重要方式，能進行多源數據的匯集與處理，快速調取、查看地質資料[13]，為地質災害事故分析和救援提供有效支持。

有人員被困的災害事故中，事故應急救援分析是對科學救援進行輔助決策的重要方式，其中事故模擬可判斷事故的影響范圍；逃生路線分析對人員施救提供重要參考，是減少生命財產安全的重要方法[14]；生命救援鉆孔是人員被困井下時重要應急救援方案之一[15-16]，救援鉆孔分析通過提供鉆孔預想柱狀和基本參數，對制定鉆探方案和快速打通生命救援鉆孔尤為重要。

高效運轉的煤礦地質應急救援指揮系統是提高科學救援效率的重要方式之一。在煤礦事故發生后，地質單位往往以地質、物探、鉆探、測繪、水文等專業的人力物力有序快速投入救援工作。確保救援人員快速響應的方式是在科學合理的應急響應預案基礎上，通過信息系統實現一鍵自動響應和執行。

綜上所述，地質應急救援系統應具備礦井三維分析、應急救援分析、應急救援指揮等核心功能，和地質數據管理、用戶權限管理等基礎功能。

1.2 救援業務流程分析

煤礦地質應急救援響應流程與信息處理過程示意圖如圖1。

圖1 煤礦地質應急救援響應流程與信息處理過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal mine geological emergency rescue response process and information processing process

地質應急救援在煤礦應急救援工作中屬于專業應急救援，僅參與煤礦事故應急救援的部分工作，響應級別應該按照上級響應級別執行。但根據地質救援的專業特點，可將應急響應分為地質技術支持和鉆探工程救援2 種響應形式。地質技術支持通過地質、物探、測繪等專業人員和裝備投入，以技術服務為主的救援工作；鉆探工程響應通過投入地質、鉆探等專業人員和裝備進行救援工作，主要實施鉆探工程，以打通生命救援通道為目標。

煤礦事故地質應急救援過程按業務流程可分為響應啟動、響應類型確定、響應調整、救援行動、響應結束和響應評估6 個過程[17-18]；在地質應急響應信息處理流程上，主要分為信息接受、信息審核、信息報告、信息結報4 個過程。

在煤礦地質應急救援中，圖1 中的流程為地質應急救援響應一般流程，通過信息系統可以實現該響應流程的自動執行。而實際地在救援實施過程中，地質信息系統主要用于地質數據的調取查看、事故模擬、應急救援進度分析等地質技術支持，還可以在隨時隨地通過終端在系統上進行多方交流分析，記錄救援過程，實現救援全程追溯和復盤研究。

2 煤礦地質應急救援信息系統

2.1 系統架構

信息系統是在軟硬件等基礎設施的支持下，以地質、采掘等數據為基礎，通過應用系統實現信息化服務。煤礦地質應急救援信息系統總體結構圖如圖2。

圖2 煤礦地質應急救援信息系統總體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of coal mine geological emergency rescue information system

煤礦地質應急救援信息系統總體分為基礎設施層、數據中心層、應用系統層和信息服務層4 層。基礎設施層是系統建設和運行分析的基礎，包括軟硬件系統、網絡通信系統、存儲計算系統等；數據中心層是系統的數據管理與輸入輸出交換中心，以礦區信息、安全監測、地質采掘等構建的數據庫為基礎，利用成熟的數據庫管理軟件和GIS 平臺，實現數據管理、信息服務等基礎功能，為應用系統提供數據支撐；應用系統層是系統應用的核心，包括礦井三維分析、應急救援分析、應急救援指揮、數據庫管理、地測圖形管理和系統管理6 個子系統，該層是開放式結構，可添加其他應用系統；信息服務層通過建立管理服務平臺，提供數據瀏覽、信息查詢、Web 信息發布等各項功能。

系統采用B/S 架構和C/S 架構相結合的模式，可確保系統易擴展和易維護[19-20]。應用端基于B/S 架構，采用前后端分離開發模式；服務端管理采用C/S 架構。

2.2 系統功能及開發技術

煤礦地質應急救援信息系統功能結構示意圖如圖3。

圖3 煤礦地質應急救援信息系統功能結構示意圖Fig.3 Functional structure diagram of coal mine geological emergency rescue information system

系統從功能上劃分為由6 個子系統的18 項功能模塊組成；從系統構成上劃分，由2 個相對獨立的軟件系統組成，即基于C/S 架構的煤礦地質應急救援建模平臺和基于B/S 架構的煤礦地質應急救援信息系統組成。

基于C/S 架構的煤礦地質應急救援建模平臺主要用于三維地質模型建立，具備從服務器遠程加載地質數據的功能。

基于B/S 架構的煤礦地質應急救援信息系統支持通過網絡隨時隨地訪問服務器上的各類數據，能實現井上下三維模型上傳、查看和更新，能進行模型剖切等三維分析功能，能在三維模型上進行事故模擬、逃生路線分析、安全監測數據查看回放，能通過三維模型、地質數據等進行救援鉆探方案分析，提供救生鉆孔預想柱狀和基本參數；實現應急救援自動化指揮功能，通過語音、短信等形式通知救援人員。參與救援各方均可通Web端實現救援信息查看、上傳和共享救援資料，追溯救援過程。

系統采用前后端分離的開發模式，前后端分別獨立部署，基于微服務架構，前端以調用微服API 的形式構建[21-22]。前端頁面開發選擇基于Vue.js 的開發框架[23]，采用JavaScript 和Html 腳本語言，實現前后端完全解耦，專注于用戶交互的設計；后端選擇基于Spring Cloud 的開發構架，開發語言為Java 語言。系統數據建設采用成熟的關系型數據庫Sql server 2014。

3 系統關鍵技術

目前，信息技術的發展已經非常成熟，在地質領域也得到了快速發展[24]。地質應急救援信息系統建設的關鍵技術有3 個方面：①基于多源數據的融合處理技術；②數據庫建庫技術；③基于Web 端的三維模型發布與應用技術。

3.1 多源數據融合處理技術

三維地質模型的建立必須以海量三維地學數據為基礎，這些地學數據具有多源、多態、多類[25]，具體體現主要是數據文件格式多源和坐標系統多源。

建立井上下三維模型，至少包含地質勘查成果和礦井建設采掘相關圖件和數據，其中地質勘查成果包括地形地質、剖面、底板等高線等圖件和鉆探、測井數據資料[26]，礦井建設采掘資料包括井上下對照圖、采掘工程布置圖、安全系統布置圖、巷道導線點測量等圖件和數據。這些圖件和數據來自不同的生產單位，數據格式不盡相同。為能進行快速高效建模，需要煤礦地質應急救援建模平臺兼容多種數據文件格式，開發與Mapgis、Autocad、ArcGis、3DMine、Smart3D、BIM 等主流軟件兼容的數據接口，實現對各類數據文件導入導出，確保格式完全兼容[27]，實現不同軟件之間的格式融合。

實際上，地質勘查工作是在三維空間內進行，產生的地質數據也應該具備三維信息，但制圖都是在二維空間內完成，產生的各類圖件一般僅具備二維空間信息，坐標為圖上坐標，與空間坐標一般也不對應，所以多源坐標系統融合是井上下三維建模的重要內容。系統多源數據融合處理流程示意圖如圖4。

圖4 系統多源數據融合處理流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of system multi-source data fusion processing flow

其中坐標系統融合主要包含3 個方面：

1）平面圖（或離散數據）轉到目標三維空間坐標。即利用圖上坐標和實際坐標之間的關系，進行平面坐標變換或者利用專用工具進行坐標轉換。

2）剖面圖（或離散數據）到目標三維空間坐標。利用剖面里程、標高（深度）與實際位置坐標之間的關系，將二維坐標變換到三維坐標空間內。

3）鉆孔柱狀轉到目標三維空間坐標。利用鉆孔孔口三維坐標轉換為目標三維空間坐標后，與鉆孔測斜數據獲得的鉆孔路徑數據，共同計算鉆孔三維軌跡坐標。

為方便使用，目標三維空間坐標一般為2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，簡稱CGCS2000）[28-29]。多源數據融合完成后，數據格式、坐標系統才能統一到同一套系統，這也是三維建模的基礎。

3.2 數據庫建庫技術

數據庫是系統運行的核心和基礎，是將零散數據進行集中管理和標準化管理的重要方式。數據庫對數據管理的方式主要有2 種：①基于結構化數據的數據庫：主要管理鉆孔數據、物探數據、測量數據等離散化地質勘查數據和巷道數據、工作面、井下安全監測等離散化安全采掘數據；②基于文件管理的數據庫：主要包括報告、圖件等各類文件資料，文件的路徑等屬性數據在結構化數據庫中管理。數據庫建庫數據源與處理流程示意圖如圖5。

圖5 數據庫建庫數據源與處理流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of data source and processing flow for database construction

數據來源主要分為4 個方面：①以煤礦或井田為單位的地質勘查成果；②以煤礦為單位的采掘工程數據；③煤礦井下安全監測數據；④區域性基礎地理數據庫，包括數字地圖、礦權等資料。

原始資料類型主要分3 類：離散的結構化數據、離散的非結構化數據、報告圖件等文件。對于離散的結構化和非結構化數據，經過數據標準化和格式轉換后，直接入結構化數據庫；對于報告、圖件等文件，經過數字化信息提取后，數字化信息錄入數據庫；非數字化信息由文件數據庫管理，結構化數據庫中管理文件路徑等屬性信息。

3.3 基于Web 端的三維模型發布與應用

能隨時隨地的查看、瀏覽、分析待救援煤礦的三維模型，最便捷的方式是在Web 端提供模型的發布及分析功能。但是高精度的地質體模型體量巨大，在Web 端渲染巨大三維模型是系統建設的關鍵技術。3DTiles 數據格式可以將大數據量的三維模型以分塊、分層的形式組織起來，可以大量減輕瀏覽器和GPU 的負擔，是一個優秀的、格式公開的數據格式。通過實現模型的按需加載和渲染，實現在三維場景中的模型流暢使用[30-31]。

在煤礦地質應急救援中，井上下三維（地質）模型建立與分析應用是相對獨立的，且為單向流程，因此在桌面端進行井上下三維模型建立時，采用主流三維建模軟件（如3DMine）兼容格式；在Web 端進行模型發布與分析應用時，采用3DTiles格式。模型格式轉換在模型上傳發布過程中進行，Web 端模型發布流程示意圖如圖6。

圖6 Web 端模型發布流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of Web end model publishing process

基于Web 端的應急救援分析是地質應急救援信息系統的核心內容之一，也是系統應用的關鍵技術。基于Web 端的應急救援分析是在模型發布基礎上進行的，主要包含災害事故模擬、應急救援鉆孔規劃、逃生路線分析、安全監測數據顯示回放等內容，各項內容對模型處理方法和技術流程基本相同。以應急救援鉆孔分析規劃為例進行說明，應急救援鉆孔分析規劃流程示意圖如圖7。

圖7 應急救援鉆孔分析規劃過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of emergency rescue drilling analysis and planning process

根據井下事故情況，在模型上通過鼠標選擇救援鉆孔擬終孔位置，根據地表情況選擇擬開孔位置（直孔可不選擇），在服務器后端依據鉆孔擬開/終孔坐標計算鉆孔基本參數；利用鉆孔路徑與三維地質模型中地層界面交匯點獲得救援鉆孔鉆遇地層及地層厚度，即為鉆孔預想柱狀。計算結果以圖文形式展示，其中圖形結果以3DTiles 格式顯示在地質模型上，文字結果以表格形式展示。

逃生路線分析是基于巷道連通性，以巷道中心線為基礎計算其最短路徑。水害模擬是基于井下空間進行模擬計算，空間大小通過巷道橫截面積、標高和巷道長度進行計算。

基于Web 端的應急救援分析過程中，還要考慮其他地質因素的影響，如在水害模擬中要考慮井下實際空間大小，爆炸模擬中要考慮爆炸當量的影響，這些因素直接關乎采取救援方案和救援效果，也是地質應急救援的重點研究內容[32-33]。

4 系統示范應用

以寧夏寧南煤田某煤礦為示范，建立了三維地質模型，進行了示范性應用，對系統功能設計的科學合理性和功能模塊完備性進行了驗證。

4.1 示范煤礦基本情況

示范煤礦位于寧夏寧南煤田，礦區被第四系黃土覆蓋，無基巖出露。區內沖溝發育，最深可達200 m。溝谷兩岸直立陡壁、縱橫切割，地形復雜。區內無長年地表流水。

礦區地層由老至新依次為：奧陶系下統天景山組（O1-2t）；石炭二疊系太原組（CPt）；三疊系上統上田組（T3s）；侏羅系中統延安組（J2y）、中統直羅組（J2z）、上統安定組（J3a）；白堊系下統宜君組（K1y）；古近系漸新統清水營組（E3q）和第四系（Q）。

礦區含煤地層為侏羅系中統延安組（J2y），鉆孔揭露最大厚度245.23 m，平均厚196.30 m。共含編號煤層14 層，其中全區可采煤層2 層，大部可采煤層2 層，局部可采煤層3 層，不可采煤層7 層。煤系整體形態表現為軸部走向近南北，傾向東的單斜，地層傾角最大可達到45°。最上部煤層埋藏最淺240 m，最深730 m，平均深度500 m；最下部煤層埋藏最淺350 m，最深900 m，平均埋藏深度630 m。

4.2 系統示范應用情況

井下人員行動軌跡回放界面截圖如圖8，應急救援鉆孔分析界面截圖如圖9，應急救援響應流程進度圖如圖10。

圖8 井下人員行動軌跡回放界面截圖Fig.8 Screenshot of playback interface for movement trajectory of underground personnel

圖9 應急救援鉆孔分析界面截圖Fig.9 Screenshot of emergency rescue drilling analysis interface

圖10 應急救援響應流程進度圖Fig.10 Emergency rescue response process progress chart

示范煤礦的三維地質模型是依據地質勘查成果和煤礦采掘資料，通過多源資料融合、數據標準化、建庫等數據處理過程，在基于C/S 端的三維地質建模平臺上完成的。

由圖8 可以看出，井下人員被困時，查看和回放人員定位情況，追溯人員行動軌跡是應急救援的重要內容，系統實現了人員定位等安全監測數據的實時接入、離線導入和回放；系統通過計算獲得救援鉆孔預想柱狀和坐標等開孔參數，為鉆探實施提供依據（圖9）；通過圖10 可了解地質應急救援響應預案執行進度，系統具備根據救援響應流程對救援人員撥打電話、發送短信，實時追溯救援流程響應情況。

5 結語

1）煤礦地質應急救援信息系統立足地質勘查單位在應急救援中的業務特點，采用信息技術手段助力煤礦應急救援工作，提高了地質應急救援能力，實現了及時、高效的救援工作，進一步體現了應急救援工作的意義。

2）建立的基于Web 端的煤礦地質模型發布解決方案，將地質模型的瀏覽、分析工作從傳統的桌面端軟件遷移到Web 網頁端，方便用戶通過網絡隨時隨地查看地質模型，為地質應急救援多方聯動奠定了基礎。

3）依據地質勘查成果和采掘資料構建的井上下三維模型，采用三維空間地理信息分析處理等技術，模擬井下常見災害情況，提供逃生路線分析、制定應急救援鉆孔方案，為科學救援輔助決策提供了依據。

4）根據地質業務特點建立的應急響應流程，依此開發的應急救援指揮子系統，可快速查詢區域內應急救援資源，對應急救援任務的創建、動態監管、執行過程、任務解除等關鍵環節進行全流程的管理跟蹤，實現了自動化指揮，也為事后總結復盤提供了可追溯的數據資料。

5）系統建立的多源數據融合技術和數據庫建庫技術，為系統性進行地質、采掘等資料的快速處理和建庫奠定了基礎。在煤礦發生事故后，可快速建立相關數據庫，進行應急救援分析，為發揮地質應急救援科學價值奠定了基礎。

6）在應急救援分析過程中，還要考慮其他地質因素的影響，如在水害模擬中要考慮井下實際空間大小，爆炸模擬中還要考慮爆炸當量的影響，這些因素直接關乎采取救援方案和救援效果，也是地質應急救援進一步研究的重點內容。