基于GIS及模型化理论的矿井水灾预测预报平台的设计与实现.pdf

第2 9 卷第6 期 2 0 1 0 年1 2 月 河南理丁大学学报 自然科学版 J O U R N A LO FH E N A NP O L Y T E C H N I CU N I V E R S I T Y N A T U R A LS C I E N C E V 0 1 ．2 9N o ．6 D C C ．2 0 1 0 基于G I S 及模型化理论的矿井水灾预测 预报平台的设计与实现 文广超1 ，邓寅生1 ，余永强2 1 ．河南理工大学资源环境学院，河南焦作4 5 4 0 0 0 ，2 ．河南理工大学岩土与地下工程研究所，河南焦作4 5 4 0 0 0 摘要基于G I S 与模型化理论，应用G I S 组件开发技术，建立了矿井水灾预测预报平台．利 用突水系数与趋势、残差分析相结合的方法实现了突水危险性分区、掘进及回采工作面突水 预测；利用B P 神经网络，综合考虑构造、水源、水压、隔水层厚度等因素对煤层底板突水 的影响，实现了突水点预测；应用人工智能技术，模拟专家思维方式，建立了掘进与回采工 作面突水预测与治理专家系统，在平煤五矿进行了实际应用。效果良好． 关 键 词G I S ；矿井水灾；突水预测；专家系统；模型化理论 中图分类号T D 7 4 5文献标识码A文章编号1 6 7 3 9 7 8 7 2 0 1 0 0 6 0 7 0 9 0 6 D e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm i n ef l o o df o r e c a s tp l a t f o r mb a s e do n G I Sa n dt h em o d e lt h e o r y W E NG u a n g c h a 0 1 ，D E N GY i n s h e n g ‘，Y UY o n g q i a n 9 2 1 ．加I 厶u 把o fR e s o u r c e ＆E n v i r o n m e n t ．H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J m o 口o4 5 4 0 0 0 ，H e n a n 。C h i n a ；2 ．R o c kS a i la n dU n d e r g r o u n dP r o j e c t R e s e a r c h ，，u l n 峨．1 t e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o r u o4 5 4 0 0 0 ．H e n a n ．C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h em i n ef l o o df o r e c a s tp l a t f o r mb yu s i n gG I Sc o m p o n e n tt e c h n o l o g yb a s e d o nG I Sa n dm o d e lt h e o r y ，w h i c hr e a l i z e dt h er i s k yd i s t r i c to ff l o o d ，t h ef l o o df o r e c a s to fd r i v a g ef a c ea n d e o a l f a c eb yu s i n gw a t e ri n r u s hc o e f f i c i e n ta n dt h et r e n da n a l y s i s ．T h ef l o o dp o i n t sf o r e c a s tw a sr e a l i z e db yU s i n gt h eB Pn erven e t w o r ka n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to ft h ew a t e rs o u r c e ，t h ew a t e rp r e s s u r e ，w a t e r p r o o fb e d t o w a r d st h ec o a lb o t t o mb e d ．T h ef l o o df o r e c a s ta n dc o n t r o le x p e r ts y s t e mo fd r i v a g ef a c ea n dc o a l f a e ew a se s - t a b l i s h e db y s i m u l a t i n gt h ee x p e r t st h i n k i n ga n du s i n gt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y ．T h es o f th a sb e e n t e s t e di nN o ．5m i n eo fP i n g d i n g s h a na n dt h er e s u l ti sg o o d ． K e yw o r d s G I S ；m i n ef l o o d ；w a t e ri n r u s hf o r e c a s t ；e x p e r ts y s t e m ；m o d e lt h e o r y 0 引言 近几年来，由于开采水平的延伸和开采范同的扩大，矿井生产向纵深发展，水患威胁日益严重， 而对于水灾的各种信息处理还处于散乱和不完善状态，不能科学地分析和利用各种水灾信息，矿井水 灾已成了严重威胁众多煤矿安全、高效生产的主要因素．大到整个矿井淹没，小至采区停产‘卜“．因 此，考虑生产过程中的环境时变性及模糊性，利用信息拟合方法，基于G I S 与模型化理论，研究矿井 收稿只期2 0 1 0 0 6 一1 5 蓐金项门河向省暇点科技攻戈项F 1 0 9 2 1 0 2 3 1 0 3 1 3 ．0 4 2 3 0 3 2 9 0 0 ．河南理r 大学什年基龠资助项1 1 Q 2 0 0 9 3 3 ． 作者简介文广翘 1 9 7 9 一 ．男．河南两平人．讲师．主要从事 ；I s 膻川和水文地质‘- jI 程地质力’面的教学和研究r 作 E m a i l w e n g t l 3 6 6 1 6 3 ．c o r n 万方数据 7 l O河南理T 大学学报 自然科学版2 0 1 0 年第2 9 卷 水灾产生的条件及富水性分区，准确预测生产区域的水灾等级，制定防 治 水方案，对正确设计 和安装矿井排防水工程，减少防排水费用，确保安全生产，提高矿井经济效益具有重要意义． 目前，有代表性的煤矿突水预测预报方法主要有前苏联的斯列萨列夫公式法、中国的突水系数法 和“下三带”理论等”。7J ．斯列萨列夫公式由于没有考虑矿山压力等因素对顶底板的破坏，方法的 使用有一定限制．“下三带”理论中原始导高带是否普遍存在并构成完整的带尚有争议，加之测试工 作复杂、费用昂贵、数据获取困难等，使该方法的广泛应用受到限制． 突水系数法在预测煤层底板突水和在一定水压条件下进行带压开采、解放受水灾威胁的煤炭资源 方面起了积极作用．然而“突水系数”在应用中尚存在以下问题 1 突水事件发生的随机性与突水系数值的确定性在某些情况下相互矛盾． 2 突水系数临界值是根据华北几个大水矿区突水点数据统计而来的，其使用范围有限． 3 在某一给定的矿区，当煤层底板与承压含水层水头的空间位置确定后，突水系数就是一个 定值，突水系数所包含和反映的地质、水文地质及其它有关的信息量不够，在利用其临界值判别底板 突水与否时，所得结果尚有欠缺，但要把多因素考虑在一个判别式中，一时也难以解决． 因此有必要结合煤田水文地质条件，综合考虑可能造成突水危害的各种影响因素，针对研究区域 实际情况，建立基于多种方法的矿井水害预测预报机制，使不同的方法相互印证、相互补充，从而提 高矿井突水预测预报的准确率． 1 矿井水灾预测预报平台结构组成 1 ．1 设计目标 系统研究的目的在于将G I S 与水文地质数据管理、矿井水灾预测预报和水灾防治相结合，建立突 水预测模型库，从而实现矿井水文地质信息管理科学化、规范化，提高矿区水文地质技术工作的管理 水平，适应高新技术的应用和安全生产的需求；为防治水决策提供依据，防止煤矿重大水灾事故的发 生． 1 ．2 系统结构 系统是以G I S 技术为基础，实现空间与属 性数据统一管理，针对矿井水文地质技术人员 与领导、集团公司和上级主管部门等不同层次 用户开发的计算机系统，具有信息共享、异构 数据互访、多用户并发控制、实时管理和数据 统一存储于后代数据库等特点旧’．采用C ／S 模式构架，系统结构如图l 所示． 1 ．3 系统平台选择 数据管理选择M i c r o s o f tS Q LS e r v e r2 0 0 0 数据库为平台，集中存放在指定的服务器上． 程序设计选用M i c r o s o f tV i s u a lS t u d i o ．N E T 2 0 0 3 平台，基于北京超图公司的S u p e r m a p 结陋圈罾与画{帮蛰i ； i 乎EXCEL； 3 啪I ；蝴； 、、．．壹e 曼⋯⋯⋯⋯一．，，， f 、⋯⋯．， 图1 系统结构 F i g ．1S y s t e ms t r u c t u r e O b j e c t s5 ．2 组件进行二次开发，引人M i c r o s o f tE x c e l 提供的 功能实现其与S Q LS e r v e r2 0 0 0 的无缝集成． 2 矿井水灾预测预报平台功能 平台功能设计面向煤炭生产单位，它不同于传统数据库 系统和C A D 系统，它是一个采集、输入、存储、检索与分 析空间数据系统，并且输出各种查询、分析结果的计算机系 统．平台功能模块设计如图2 所示． 荜J G I Sb 模型化珲论的矿井水灾琐测赖报系统 园吲引引剧吲引H H 万方数据 第6 期文广超。等基于G I S 及模型化理论的矿井水灾预测预报平台的设计与实现7 1 l 2 ．1 G I S 基本功能 2 ．1 ．1地图操作 主要针对空间数据的操作，包括地图的放大、缩小、漫游、全网显示、点选、框选、反选、距离 量算等基本功能，以及不同地理要素的颜色、线型、填充、符号等风格设置． 2 ．1 ．2地图编辑 地图编辑包括输入点状、线状、面状地物，输入标记文本以及图形的修改、删除、复制、剪切、 粘贴、地物旋转、数据集转换、线型库编辑、符号库编辑、填充库编辑、撤销、恢复等操作，方便用 户对地图信息的管理． 2 ．1 ．3数据的导入导出 由于地理信息的复杂多态以及海量定位，决定了空间数据采集的工作量大、效率低．如何高效的 采集空间数据并且有效地利用已有的但数据格式不同的空间信息就显得非常重要．为此，本系统从设 计之初就开始注重空间信息融合部分的设计，具备将常用的空间数据 包括A r c ／I n f o E 0 0 文件、A r c ／ I n f o 的C o v e r a g e 文件、国际矢量交换文件、M a p G I S 明码格式文件、A u t o C A D 数据交换文件、M a p l n f o 的M I F 文件等 导入以及将现有数据导出的功能． 2 ．2 矿井水文地质数据管理 针对钻孔、水文观测孔、地表水质监测、矿井水质监测、井下突水点信息、岩石物理学性能等相 关信息，设计并实现了矿井水文地质管理信息系统模块，主要完成上述相关信息的导入导出、查询、 录入、修改、删除等操作．同时为了提高系统安全性，采用数据分级管理的思想，实现对用户信息的 添加、修改、删除及权限分配功能． 2 ．3 钻孔柱状图自动绘制 由于纸质钻孔柱状图具有不易保存、易丢失、易变形、查询更新困难等不足，按照地质图件绘制 规范，设计了钻孔柱状图自动绘制功能，能够提取数据库数据自动生成钻孔柱状图． 2 ．4 突水预测预报 突水预测预报模块充分考虑可能造成水灾的各种影响因素，将常用的突水预测方法引入系统中， 实现了点预测、突水危险性分区、掘进与回采工作面突水预测、专家系统突水预测、顶板突水预测、 水源判别等功能，同时利用G I S 空间分析功能，可以将上述预测分析的结果进行综合，得到相关研究 区域的突水危险性评价分区情况． 2 ．4 ．1突水危险性分区 突水危险性分区主要考虑研究区域含水层的富水性、地质构造发育情况、采煤方法、岩性、底板 隔水层、水压及矿山压力等可能造成水灾的影响因素，采用突水系数法、趋势和偏差分析方法等划定 研究区域内的突水情况．操作步骤如下首先进行底板突水系数法、底板标高趋势分析、主要含水层 厚度分析、煤层厚度分析、泥岩隔水层厚度分析等单一方法的突水危险性分区；第二步通过与已知突 水点比较，根据某一煤田的水文地质条件，确定该煤田突水的主要影响因素，进行综合分析，对整个 煤田突水情况进行综合评价． 突水系数法考虑水压、隔水层厚度、采煤方法，通过式 1 或式 2 ，将离散观测孑L 的突水系 数进行内插获得整个预测区域的突水系数值，并按照等级进行区域分隔。从而达到突水危险性分区的 目的． r r 2j i 南 1 式中t 为突水系数；P 为水压；M 为隔水层厚度；C 。为矿压对底板破坏带厚度． r ， j L 2 ∑6 ‘，，l i c ， I l 式中b ．为第i 层隔水层岩性换算因数，砂岩为l ，砂质泥岩为0 ．7 ，铝土泥岩及页岩、泥岩为0 ．5 ， 断层带岩石及煤层为0 ．3 5 ．m ．为第i 层隔水层的厚度． 万方数据 7 1 2河南理工大学学报 自然科学版 2 0 1 0 年第2 9 卷 其余4 种方法均采用趋势分析法，其基本操作如下． 第一步，先由趋势分析计算出各点的残差e 。 z ，一乏，之后进行偏差分析，计算偏差的方差e ’ 几i ’ 一 一 。／二∑ Ie ；I Ie1 2 ，分别对正、负残差进行计算 即正负残差分级 正残差分级为e 。 I e ’、fr t 2 1 I e ，e ‘ IeI 2 e ，e ‘ IeI 3 e ；负残差分级为e ‘ 一 IeI e ，e ‘ 一 1el 2 e ，e ‘ 一 IeI 3 e ． 第二步，绘制等偏差图．分别用不同的颜色标出正负残差区．底板标高趋势分析利用底板高程变 化识别地质构造发育区；煤层厚度趋势分析利用煤层厚度变化识别地质构造发育区，正负偏差急变带 为小构造发育区，易突水；含水层厚度分析利用含水层厚度变化识别富水性，正偏差区域富水性强易 突水，负偏差区域富水性较弱，不易发生突水；利用泥岩隔水层厚度变化分析识别隔水层阻水性，偏 差为正的区域阻水性强，不易突水，偏差为负的区域阻水性弱，易突水． 2 ．4 ．2 掘进及回采工作面突水预测 根据矿井实际生产需要，针对掘进及回采工作面突水情况，设计开发了小区域预测功能，在用户 指定区域的前提下，根据系统数据库现存数据或者用户补充数据，由系统自动完成掘进或回采工作面 突水危险性预测评价． 2 ．4 ．3 综合预测 完成上述突水危险性分区或突水预测之后，得到一系列单一因素影响下的预测分区结果，之后在 对研究区域综合调研与实验的基础上，对比已知突水点，确定各因素对突水所做的贡献，并赋予相应 的权值进行多因素叠加分析，确定综合条件下的突水危险性，根据叠加的结果，将指定的区域分突水 区、突水危险区、突水可能区、安全区等4 个等级进行安全性评价． 2 ．4 ．4 顶板突水预测 顶板突水预测采用突水概率指数法，将影响顶板突水的各种因素依据其在突水中所起的作用进行 量化，通过一定的数学模型求解某突水程度发生的概率．基本步骤为 1 在广泛调研的基础上，依据调研资料确定导致煤矿顶板突水的主要和次要因素． 2 找出主要因素的影响因素． 3 找出导致突水的次要因素的影响因素．如果进一步细化，则依次类推． 4 通过突水资料的分类统计求出各种影响因素的概率指数． 5 建立求突水概率指数的相关数学模型． 6 将所有的突水案例带人所建立的数学模型，求各案例的突水概率指数，以案例最小的突水 概率指数作为预测是否会发生突水的标准． 7 根据对案例突水概率指数的统计，求出各种情况下的某突水程度发生的概率． 2 ．4 ．5 点预测 基于前馈型3 层B P 神经网络p “⋯，考虑水源、水 压、隔水层、构造等影响因素，通过对一定量的突 水范例的学习训练，可以建立起矿井突水与影响因 素之间的映射关系，实现矿井突水点预报．这里所 用到的B P 算法流程如图3 所示． 2 ．4 ．6 突水预测预报专家系统 通过对专家知识和经验的逻辑梳理，将领域专 家那些不确定的、启发性的、专业性的经验知识、 解题思路和方法移植到计算机领域，建立专家知识 库和推理库，按照专家的思维进行逻辑推理，解决 防治水方案制定、方案优化和预评估信息化问题． 系统利用V B ．N E T C L I P S 语言进行开发，实现了 初始化训练样本 计算隐含层、输出层各神经元的输出 I 匝虿鏖亘圃 I ≤笔灏≥萼 l N Ol 结束 计算输出层误差。调节输出层权重l 计算隐含层误差，调节隐含层权重 图3B P 算法流程 F i g ．3A 蛔阻谢蛐f l o wo f B P 万方数据 第6 期 文广超．等基于G I S 及模型化瑷论的矿井水灾预测预报平台的设计与实现7 1 3 2 ．6 地图打印输出 图4 水源判别 地图打印输出功能基于S u p e r M a p O b j e c t5 ．2 实现页面设F i g ．4 T h e w a t e rs o u r c e d i s t i n c t i o n 置、地图风格设置、布局设置、地图要素添加 图名、图 例、指北针、比例尺、图签、图框等 、对象绘制等设计功能，并能连接到绘图仪实现地图打印． 2 ．7 帮助系统 为方便用户操作，对系统安装、配置及各功能模块的操作方法进行详细介绍． 3系统调试与应甩效果 为能够直接服务于现场，实现矿井水文地质数据管理信息化、矿井水灾预测预报在一定程度上达 到智能化．在开发之初就提出了研发中应用，应用中研发的原则．在系统调试与完善的过程中，注重 从以下2 个方面开展工作 1 局部应用与完善．选定矿井水灾问题比较突出的矿井，将初步建立的系统应用于日常防治 水工作，采用量体裁衣的方式，针对具体的井田，建立适合实际生产的矿井防治水系统，在应用的同 时，找出系统不足加以完善． 2 推广应用与完善．在局部应用的基础上，逐步扩大系统的应用范围，根据不同矿区水文地 质条件，完善矿井防治水理论与方法，改进系统功能，完善系统结构，不断提高系统的实用性。从而 更好地服务矿井防治水工作，整体上提高煤矿防治水技术水平． 系统调试与应用完善后 主界面如图5 所示 ，在平煤集团五矿进行了现场应用 图6 是五矿庚 组煤综合分析的结果 ．通过应用可知，在五矿井田内，突水受地质构造影响较大，水压、采动扰动 等因素影响次之，受含水层富水性与隔水层的阻水性影响较小，其预测预报准确率在9 3 ％以上．经 反复实践得到上述5 种突水方法的权重依次是0 ．3 ，0 ．2 5 ，0 ．2 5 ，0 ．1 L 与L 7 灰岩含水层各占 0 ．0 5 ，0 ．1 ．实践证明，系统在五矿井田矿井水害预测预报中简单易行，准确率较高，系统的地图编 辑、数据导人导出及矿井水文地质数据管理等功能可交互性强，操作方便． 图5 系统主界面 F i g ．5 T h em a i nf a c eo f s y s t e m 图6 突水预测综合分析结果 F i g ．6 T h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sr e s u l t s o fw a t e ri n r u s hf o r e c a s t 万方数据 7 1 4 河南理工大学学报 自然科学版 2 0 1 0 年第2 9 卷 4 结论 1 基于G I S 与模型化理论进行突水预测，在广泛调研的基础上，考虑导致矿井水灾发生的各 种因素，充分认识突水机理，综合不同突水预测的结果，经过反复拟合得到突水预测评价结果，克服 了单一预测方法的不足． 2 利用G I S 特有的空间与属性数据的集成管理、空间分析和空间决策功能，能实现资料管理 的信息化、实时化与可视化，为煤矿水灾事故防治提供了快捷、客观、科学的保证，对矿井水文地质 工作及矿井水灾预测预报具有重要的理论与现实意义． 3 突水预测预报专家系统依据突水预测预报领域的专门知识，模拟领域专家解决问题的思路 进行工作，既可以根据突水特征进行突水预测，又可以提供治理措施． 4 研究建立的矿井水灾预测预报平台，既可以对整个研究区域进行突水危险性评价，又可以 对掘进和回采工作面等小区域进行突水危险性预测，还可以对某一点进行突水危险性预测． 实践证明，本文所述的研究方法可行，系统运行结果可靠，能够满足煤矿生产现场对突水预测的 需要． 参考文献 [ 1 ]桂祥友，郁钟铭． [ 2 ]张立新，李长洪 [ 3 ]高延法，章延平， 2 2 5 3 2 5 8 ． [ 4 ]隋海波，程久龙． 6 0 ． 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Yin-sheng河南理工大学,资源环境学院,河南,焦作 ,454000， 余永强,YU Yong-qiang河南理工大学,岩土与地下工程研究所,河南,焦作 ,454000 刊名 河南理工大学学报（自然科学版） 英文刊名JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITYNATURAL SCIENCE 年，卷期2010,296 参考文献13条参考文献13条 1.桂祥友,郁钟铭.矿井水灾害预测的安全评价研究[J].中国矿业,2006,15535-38. 2.张立新,李长洪,赵宇.矿井突水预测研究现状及发展趋势[J].中国矿业,2009,18188-91. 3.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[J].岩土力学与工程学报,2009,282253-258. 4.隋海波,程久龙.矿井工作面底板突水安全预警系统构建研究[J].矿业安全与环保,2009,36158-60. 5.施龙青,韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州中国矿业大学出版社,2004. 6.王永红,沈文.中国煤矿水害预防及治理[M].北京煤炭工业出版社,1996252-253. 7.施龙青.煤层底板突水机理研究综述[J].山东科技大学学报自然科学版,2009,28317-23. 8.文广超,邓寅生,余永强,等.煤矿信息管理系统的设计与实现[J].矿业研究与开发,2008,28350-52. 9.徐晋.前馈神经网络学习新算法及其仿真[J].哈尔滨商业大学学报自然科学版,200411-3. 10.冯利军,郭晓山.人工神经网络在矿井突水预报中的应用[J].西安科技学院学报,2003,234369-372. 11.陆火林,潘树仁,黄伟斌.煤矿水害防治专家系统知识库的建立[J].江苏煤炭,2002255-56. 12.张文泉,刘伟韬,李家祥,等.矿井水害防治专家系统[J].计算机工程,2000,26583-84. 13.JOSEPH GIARRATANO,GARY RILEY.专家系统原理与编程[M].印鉴,刘星成,译.北京机械工业出版社,2000. 本文链接