基于GIS的矿井水害防治辅助决策支持系统_马雷.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY water prevention and control; GIS; discrimination of water-inrush source; water-inrush uation; support for decision-making 建立矿井水害防治辅助决策支持系统是推进矿 井防治水工作，实现水害防治数字化、实时化、集 中化管理和提供决策支持的一项重要工作，可为煤 矿安全生产提供坚实的技术支撑。同时也是煤矿 防治水规定中要求矿井必须开展的工作。 近年来，随着矿井煤炭产量的日益递增，水害 问题日趋严重。在矿井防治水工作推进过程中，矿 井防治水资料数量也变得十分庞大， 人工管理困难， 难以有效和实时地共享防治水数据。对于一些大型 煤炭企业， 集团与各矿之间的数据难以保证一致性、 现势性和完整性。而且，在我国一些矿井有几十年 的防治水工作研究成果和资料，这些资料以往多是 纸质资料，易损毁丢失，使用不方便，且随矿井开 采时间的延续、相关人员变动等，以往资料成果的 应用往往得不到很好的保存和继承，难以发挥应有 的防治水指导作用。因此，建立矿井防治水基础数 据库，构建技术成果库，建设防治水专家系统，研 制集防治水图件和数据资料管理、 水害评价与预测、 突水水源快速判别以及水害应急抢险救援管理于一 体的综合水害防治辅助决策支持系统十分必要。其 对节约煤矿生产成本、实现水害防治数据的共建共 享以及提高矿井防治水管理和决策水平等均具有重 要意义，系统建设可以为未来构建“数字煤矿”奠定 坚实基础。 地理信息系统GIS支持空间数据的采集、管 理、处理、分析、建模和显示，其在防治水图件管 理和防治水模型计算中已得到广泛的研究。在突水 危险性评价方面， 武强等[1]使用 GIS 与 ANN 耦合进 ChaoXing 第 5 期 马 雷等 基于 GIS 的矿井水害防治辅助决策支持系统 45 行脆弱性指数计算， 从而实现矿井水害危险性分区， 并使用 VC二次开发了煤层底板突水脆弱性评价 的信息管理系统。高延法等[2]将底板突水领域专家 经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合， 研制了底板突水危险性评价专家系统。在突水水源 判别方面， 孙亚军等[3]将模糊聚类分析与 GIS 结合， 采用 VB6.0 开发了基于 GIS 和聚类分析的水源判别 系统，实现了对突水水源的快速判别以及对用户的 可视化显示。在矿井灾害应急救援[4]等方面，我国 学者也开展了广泛的研究。但以往研究多集中在水 害防治的某个具体方面，多适应于单个矿井的防治 水辅助决策。本文将从矿区和矿井两个级别联合水 害防治管理与决策角度，设计集管理与常用防治水 模型于一体的矿井水害防治决策支持系统。 1 系统总体设计 1.1 目的与原则 基于现有的矿井水害防治相关的各种水文地质 图件、报表和台帐、文本资料等成果资料，建立起 矿井水害防治的图件空间数据库、防治水台帐基础 数据库，防治水文本资料库、防治水技术成果库， 设计开发矿区水害防治信息与决策支持系统，实现 矿井水文地质和与水害防治相关图件的绘制，数据 的计算机便捷管理，并提供矿井水害危险性评价、 突水水源快速判别、水害应急救援管理和突水防治 辅助决策等的技术支撑。 为了保证矿井水害防治信息系统的质量，在进 行系统的设计、开发、部署和运行管理规划时将遵 循如下原则 a. 信息安全性 保证系统不被非授权用户侵 入，数据不会丢失，传输数据安全可靠，系统要有 对使用者的身份和权限确认，使得矿区防治水技术 人员只能访问本矿数据，而不能访问其他矿数据。 b. 系统稳定性 要充分考虑可靠性要求， 采用 多种高可靠、高可用性技术以使系统能够保证高可 靠性，尤其是保证关键功能的正常运作和对异常情 况的可靠处理。 c. 系统网络化 同时提供 C/S 和 B/S 两种运行 方式，充分利用二者的优势，以使系统性能和使用 便捷得到均衡和优化。C/S 部分使用者主要为矿井 防治水技术人员，负责数据的输入、编辑更新与计 算；B/S 使用者既可为防治水技术人员，也可为集 团或矿井负责防治水工作的领导，主要为图件和数 据的查询、浏览与使用，以实现防治水工作的检查 管理和辅助防治水相关的决策。 d. 模块结构化 系统符合 C/S 和 B/S 体系结 构，随着应用水平的提高、规模的扩大和需求的增 加，防治水系统应能满足新增的需求，而其体系结 构不需做较大的改变。 e. 操作简单性 系统应具有一致的、友好的客 户化界面，易于使用和推广，并具有实际可操作性 和易用性。 f. 数据共享性 使用集中式统一的数据库存 储和管理后台数据，并使用空间数据引擎技术作为 后台图形数据的支撑， 并提供图形和数据发布服务， 实现防治水图件和台账数据在矿区管理和矿井使用 中的一致性和共享性。 g. 系统开放性 系统应提供图件和数据的导 入和导出接口，以兼容各类常用格式。如提供导入 CAD格式图件和导出成CAD格式、 JPG格式和TIFF 格式等格式图件；台账可以导出 Excel 格式、PDF 等常用格式。 1.2 系统信息流程 系统数据库逻辑上分为防治水基础数据库、防 治水模型库、防治水成果库、防治水文本库和系统 管理库 5 个子库见 1.3。系统主要信息流程如图 1 所示。其中，C/S 模式主要信息流程包括a. 数据 输入与更新。系统图件展示、编辑、模型计算等所 需要数据主要来自防治水基础数据库，包括各种防 治水图件数据及其对应的属性信息。输入和更新后 的数据存储到空间信息数据库中。另外，防治水基 础数据库的部分数据来自现有的地测数据库以及水 文遥测数据库。b. 空间信息分析。空间分析数据来 自防治水基础数据库，临时分析结果存储在本地计 算机，经常使用的分析结果可以存储在防治水基础 数据库中。c. 防治水模型计算。模型计算数据和参 数主要来自防治水基础数据库和模型库，模型计算 后的结果存储在防治水成果库中，模型校验和参数 反馈调整等计算结果存储在防治水模型库中。 B/S 模式主要信息流程包括a. 防治水图件展 示和防治水数据查询数据主要来自防治水基础数据 库。b. 由于水质数据需要送到水质检测中心检测， 因此设计为由检测中心统一录入，其存储在防治水 基础数据库中。c. 防治水文字资料来自于防治水文 本库，文本资料由防治水技术人员通过网页上传与 管理。d. 系统管理数据主要来自系统管理库，并将 更新结果保存到该库中。 1.3 数据库设计 矿井水害防治信息系统中，既有各种防治水图 件数据，又有传统的台账和报表数据，数据种类多， ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 1 系统信息流程图 Fig.1 Ination flowchart of the system 数据量大。设计合理的数据库对于有效存储数据和 整个系统的优化运行至关重要。因此，在设计中， 将数据库逻辑上划分了 5 个子库防治水基础数据 库、防治水模型库、防治水成果库、防治水文本库 和系统管理库。 其中，防治水基础数据库，采用了空间数据与 非空间数据独立存储方式，两者通过统一的编号系 统关联起来。 空间数据存储有少量常用的属性信息。 集团公司不同矿井的不同图件对应不同的空间数据 不同的要素数据集和图层，但是非空间数据采用 矿区所有矿的同类数据统一存储方式。如水样点数 据，所有矿的水样点数据存储为一张结构化表，各 矿空间数据中只存有本矿的水样点图层，并含有少 量的常用属性信息，详细的水化学信息、微量元素 信息和同位素信息等可通过主编码关联起来，这样 既实现了图形数据各矿分开，又实现了属性数据的 各矿综合，方便矿区和矿井两级的管理需求，并通 过视图等机制控制某一煤矿用户不能访问其他矿井 的数据，而矿区管理者可以访问所有矿的数据。防 治水基础数据库中存储的防治水图件主要包括矿 井充水性图分开采煤层、矿井综合水文地质图、 矿井水文地质剖面图、 矿井综合水文地质柱状图等， 每个图件设计存储为 ArcSDE 管理的一个要素数据 集，数据集内包含该图件的所有图层。由于一个矿 区含多个矿井，因此数据集和图层命名设计时加上 矿井编号前缀，以防止命名冲突；另外，对于同一 名称的不同类型图层加上点P、线L、面R、标 注A、栅格G的类型后缀标示以避免同名冲突。 如可以同时存在 10_河流 R、10_河流 L 和 10_河流 A，其分别表示 10 号矿井的面状河流图层、线状河 流图层和河流标准图层。防治水基础数据库中存储 的表数据主要包括矿井涌水量观测数据、钻孔水 位观测数据、矿井突水点资料、水质分析数据、井 下水文地质钻孔数据等煤矿防治水规定要求的 14 种防治水基础台账以及地面和井下排水设备数 据、采掘工作面水害分析资料、地表水体资料、地 下水同位素数据、地下水微量元素数据等。这些数 据中具有空间信息的数据通过主编码与图形数据关 联起来。 防治水模型库中主要存储突水水源判别模型、 顶板和底板突水危险性评价模型、专家系统模型的 权重、判别结果可信度、危险性划分阈值等相关模 型参数。这些模型参数存储在数据库中，可以在矿 井生产过程中随着数据的增加而适当调整和率定参 数，使模型能够不断得到优化。防治水成果库主要 存放以往的防治水模型计算结果、岩溶陷落柱水害 防治成果、“三下”开采水害防治技术成果、A 组煤 开采水害防治经验、以往突水实例防治经验等，其 对于类似水害的处理有重要的参考借鉴意义。防治 水文本库主要存储防治水文字资料主要为 Office Word 格式和 PDF 格式的相关信息，以方便管理、 查询和调用。系统管理库主要为用户管理、权限管 理和日志信息等相关数据的存储。 1.4 系统功能设计 系统主要有防治水图件管理、 防治水数据管理、 空间信息分析、突水水源判别、突水危险性评价、 水害应急救援管理、防治水专家系统、水文地质类 型划分、常用防治水计算和三维可视化等主要功能 模块，系统主要功能模块如图 2 所示，其主要功能 设计如下。 ChaoXing 第 5 期 马 雷等 基于 GIS 的矿井水害防治辅助决策支持系统 47 *表示该功能有子功能模块。 图 2 系统主要功能模块图 Fig.2 Main functional modules of the system a. 防治水图件管理 主要包括图件的浏览缩 放、平移等、图件编辑点、线、区的绘制与编辑， 属性结构编辑， 属性编辑等、 图件查询、 图层符号化、 图件导入与导出、图层管理添加、调整顺序、删除、 距离测量、 面积测量、 图件打印等常用图件操作功能。 b. 防治水数据管理 管理的数据主要有矿井 涌水量观测数据、 突水点数据等台账和相关数据等。 实现数据的导入和导出Excel 格式、添加数据、修 改数据、删除记录、查询、常规统计最小值、最大 值、中值、平均值、方差、标准差、偏度系数、风 度系数以及自动生成台账等功能。 c. 空间分析功能 主要从数据库中提取水位 观测数据插值生成地下水流场；提取水样点水质数 据插值生成地下水化学场；提取钻孔岩性数据概化 处理后插值生成隔水层等厚线；提取煤层充水性图 中的断层进行缓冲区分析。 d. 突水水源判别 主要集成多元统计分析和 人工智能中常用的判别模型贝叶斯判别模型、模 糊综合评判模型、灰色关联分析模型、神经网络模 型等。除此之外，还集成特征离子自动率定、特征 离子判别方法、判别模型可信度校正、判别结果和 治理建议查询。 e. 突水危险性评价 包括顶板、底板各评价因 子的分析和栅格化处理、 评价因子图层的复合运算。 f. 水害应急救援管理 水害应急救援预案、应 急物资和应急人员信息的管理以及水害应急救援事 件的详细记录与存档管理。 g. 防治水专家系统 根据矿井水文地质条件 和采掘方式等提供突水预防的参考措施；根据突水 水源、通道、位置、水量大小提供突水治理的参考 措施，并给出最相似的以往突水治理案例。 h. 水文地质类型划分 根据煤矿防治水规 定中的划分标准，结合矿区实际条件进行了细化， 辅助划分矿井水文地质类型。 i. 常用防治水计算 集成了防治水工作中常见 情况的防水煤柱留设计算、安全隔水层厚度计算、 突水系数计算、掘进巷道底板隔水层和采煤工作面 安全水头压力值计算等。 j. 三维可视化 钻孔、含水层顶板和底板、煤 层顶板和底板、突水点等的三维可视化。 除上述功能之外，还包括防治水文本资料的管 理、用户管理等功能。其中 C/S 部分主要提供图件 编辑与管理、数据管理、空间分析和防治水模型计 算等计算量大或处理过程复杂的功能模块；B/S 部 分主要提供图件浏览、数据查询、水质数据录入、 在线制作台账等功能。 2 关键技术 在防治水图件和台账数据有效管理的基础上， 建立矿井的突水水源判别模型、顶板和底板危险性 ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 42 卷 评价模型等对矿井防治水有重要的指导和参考意 义。然而由于矿井地质、水文地质条件和人工采掘 影响等因素的复杂性，突水水源判别与水害危险性 评价模型一直处于探索研究阶段。考虑到数据可获 得性和实用性因素，系统集成了目前常用且成熟的 突水水源判别模型、顶板和底板危险性评价模型。 2.1 突水水源判别技术 使用地下水化学方法判别突水水源，具有快速、 准确、经济、实用的特点[5]。在分析矿井地下水化学 特征基础上， 得出了各含水层的标型组分， 并使用特 征离子快速判别突水水源。 系统还实现了在矿井突水 水源判别中广泛应用的贝叶斯判别模型[6]、模糊综合 评判模型[7-8]、 灰色关联模型[9]和人工神经网络模型[10] 进行判别。判别时首先提取充水含水层标准水样的 Ca2、Mg2、KNa、HCO - 3、Cl-和 SO 2- 4离子含量值， 然后输入突水水样的这 6 大离子含量值， 分别采用上 述模型计算得出线性计算值、模糊隶属度、灰色关 联度和输出层计算值，从而判断突水水源。系统还 设计了根据已有突水样本判别计算值大小和判别正 确与否关系，自动统计模型判别可信度。如对于模 糊隶属度计算结果，当最大隶属度计算结果为 0.8 时，判别可信度可以达到 92.5，而最大隶属度为 0.5 时，判别结果可信度为 71.7。由于突水样本较 少，难以获得有效的可信度值，所以在计算时可以 根据全矿区所有矿井的突水样本的模型计算值来确 定可信度值，也可以使用标准样本的模型计算值来 统计可信度值作为参考。 2.2 煤层底板突水危险性评价 底板危险性评价方法主要有突水系数法、脆弱 性指数法和五图双系数法等。系统中集成了前两个 方法。其中，突水系数法主要考虑底板隔水层承受 水压和隔水层厚度，评价因素少，计算简单，易于 使用 GIS 进行计算评价。脆弱性指数是将可确定底 板突水多种主控因素权重系数的信息融合与具有强 大空间信息分析处理功能的 GIS 耦合于一体的煤层 底板水害评价方法。该方法以多源信息集成理论为 基础，使用 GIS 平台建立煤层底板突水主控因素的 专题图层，应用多源地学数据复合叠加原理，并根 据底板突水的各主控因素对复杂突水过程的权重， 建立煤层底板突水预测预报评价模型，然后根据研 究区各单元计算的突水脆弱性指数频率直方图分 析，合理确定突水脆弱性分区阈值，最终对煤层底 板突水脆弱性做出科学的区划和预测预报评价[1,11]。 系统中使用的煤层底板突水危险性评价的评价 指标如图 3 所示。其权重通过层次分析法AHP确 定。每个因子在系统中处理后为一个栅格图层，首 先对各因子的栅格图层进行归一化处理，将其数值 转换为 01 之间，然后通过栅格乘运算乘以其对应 的权重，再通过栅格相加运算复合各因子得到最终 的危险性评价计算值，最后根据危险性分区阈值划 分危险性分区。 图 3 底板突水危险性评价主控指标 Fig.3 Main controlling factors for uating risk degree of water inrush in coal seam floor 2.3 煤层顶板突水危险性评价 煤层顶板突水危险性评价理论方法有“上三带” 理论、“关键层”理论[12]、三图双预测法[13]和多元信 息融合的顶板危险性评价方法。系统针对研究区顶 板水害实际情况，将其危险性评价分为直接煤层顶 板危险性评价顶板煤系砂岩含水层和间接顶板危 险性评价新生界松散孔隙下部含水层。直接顶板 危险性评价的主控指标为冒裂带发育高度、冒裂 带内岩性富水性、冒裂带内砂岩累计厚度、含水层 补给条件和构造影响因素断层条数密度、尖灭点 密度和交叉点密度、褶皱轴密度以及岩溶陷落柱影 响大小。间接顶板危险性评价的主控指标为含水 层厚度、含水层富水性、含水层渗透性。根据冒裂 带发育高度，将直接顶板危险性评价结果和间接顶 板危险性评价结果复合计算，在复合计算时将未 导通到间接含水层的间接顶板危险性评价结果赋值 为 0，即这部分区域间接含水层对顶板危险性评价 无影响。其计算方法与底板突水危险性评价计算方 法类似，主要是用插值得到各因子的栅格化数据， 然后使用栅格运算得到评价结果。 3 系统实现 系统实现是系统程序开发的过程，在开发过程 中应尽量避免不必要的数据和逻辑错误，提高系统 的稳定性和健壮性[14]。为了提高开发效率，避免底 层重复开发工作，采用了 GIS 组件开发的方式。使 ChaoXing 第 5 期 马 雷等 基于 GIS 的矿井水害防治辅助决策支持系统 49 用 Oracle 11g 作为后台数据库，使用 ArcSDE 作为 空间数据引擎，并使用 ArcGIS Server 发布图件数 据。系统的 C/S 部分使用 C基于 ArcEngine 组件开 发，通过空间数据引擎管理图件数据。基于 ArcGIS API for Flex 开发了 B/S 部分的图件浏览与查询等功 能。而 B/S 的在线台账制作功能使用. Net 基于报表 组件开发。C/S 和 B/S 共用一套用户系统，可以方 便的从 C/S 系统切换到 B/S 系统。 4 结 论 a. 基于 GIS 组件技术， 集成矿井防治水的突水 水源判别，顶板和底板突水危险性评价等专业模型 技术可行，能够满足矿井水害防治辅助决策需求。 b. 本文给出了矿井水害防治信息系统的设计 原则、系统信息流程、数据库设计和功能设计，并 分析了系统的关键技术矿井突水水源判别技术， 顶板和底板突水危险性评价方法。系统利用 GIS 组 件开发，较好的实现了图件管理，信息提取与分析 和模型计算，并通过 B/S 实现图件与数据的发布。 系统研制思路、系统设计和解决方案对于其他矿井 建立类似水害防治信息系统具有一定的参考借鉴和 推广应用价值。 c. 系统在一些功能模块方面还有待进一步研 究和开发完善。如突水水源判别模型方面，系统仅 使用了地下水化学信息进行判别，可以进一步研究 和集成根据突水点处地质、水文地质条件、突水水 质、水温、水量和周围观测的充水含水层水位或水 压变化等，综合评价突水水源；在危险性评价方面， 需要手工操作来计算部分评价因子，未能实现全自 动处理和评价；对于水害实时预测预报与水害预警 等方面有待进一步研究和开发完善。 参考文献 [1] 武强，解淑寒，裴振江，等. 煤层底板突水评价的新型实用方 法Ⅲ基于 GIS 的 ANN 型脆弱性指数法应用[J]. 煤炭学 报，2007，32121301–1306. [2] 高延法，章延平，张慧敏，等. 底板突水危险性评价专家系统 及应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，282253–258. [3] 孙亚军，杨国勇，郑琳. 基于 GIS 的矿井突水水源判别系统 研究[J]. 煤田地质与勘探，2007，35234–37. [4] 李希建，林柏泉. 基于 GIS 的煤矿灾害应急救援系统的应 用[J]. 采矿与安全工程学报，2008，253327–336. [5] 陈陆望，殷晓曦，刘鑫，等. 华北隐伏型煤矿地下水水化 学演化多元统计分析[J]. 煤田地质与勘探，2013，416 43–48. [6] 张春雷，钱家忠，赵卫东，等. Bayes 方法在矿井突水水源判 别中的应用[J]. 煤田地质与勘探，2010，38434–37. 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