煤矿瓦斯场三维空间分布及预警系统的开发与应用.pdf

中图分类号 U D C T D 7 6 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 三三 密级公珏 煤矿瓦斯场三维空间分布及预警系统的开发与应用 T h e D e v e l o p m e n ta n dA p p l i c a t i o nf o rS p a t i a l D i s t r i b u t i o no f C o a lM i n eG a sF i e l da n d E a r l y - w a r n i n g S y s t e m 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期迎 垒曼 孑 裴安磊 矿业工程 安全技术及工程 资源与安全工程学院 王李管教授 答辩委员会主席每熟 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名錾窒兹日期丝 兰年上月丑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名裴豆盘 ，一、 导师签名9 幺勉 日期坐年』月三垒日 万方数据 煤矿瓦斯场三维空间分布及预警系统的开发与应用 摘要长期以来，我国煤矿伤亡事故频发，由瓦斯引起的事故居于 榜首。事故的发生往往造成人身伤害和财产损失，严重威胁到煤炭 工业的持续、健康、稳定发展。由于我国采煤机械化程度较低，一 旦发生事故，人员不易撤离，因此在预防事故方面应从瓦斯的检测、 数据分析、预测和防范上下苦功，在瓦斯监测数据处理、可视化、 预测预警等方面实现突破。 为了探究上述问题，提高瓦斯监测信息的利用率，本文将瓦斯 监测信息与矿山信息化相结合，将数字矿山技术、空间插值理论技 术、网络拓扑模型、网点优化理论等应用到瓦斯信息处理之中，对 煤矿瓦斯场空间分布及预警系统做了深入研究，为瓦斯信息分析处 理提供了一个新的方法。本文的主要研究内容有以下几个方面 1 系统研究了我国现有矿井瓦斯监测及其评价技术与方法，提 出了现有瓦斯监测信息分析与利用的缺陷和不足。在此基础上，以 三维可视化为思路，构建了煤矿瓦斯场空间分布及预警系统总体功 能框架； 2 研究了基于克里格方法的监测网点优化理论，以克里格估值 误差方差为标准，评判监测站稀疏或密集程度，对优化监测站布设、 加强煤矿井下安全、节省资金投入具有一定的作用； 3 研究了现有空间插值方法理论，提出将空间插值理论应用到 煤矿井下瓦斯场空间分布中，形成瓦斯云图，并给出具体的实现思 路及算法； 4 提出前、后巡检周期增幅比较预警和平均值增幅比较预警两 种瓦斯超前预警方法，结合瓦斯场三维空间分布系统，实现了全矿 井的瓦斯危害预警； 5 基于D I M I N E 平台，借助V C 2 0 0 5 开发工具实现了煤矿井 下三维瓦斯场空间分布及预警系统。实现了煤矿瓦斯监测系统由二 维向三维的转变，提高了瓦斯监测信息的利用率； 6 以山西某煤矿实际工程为例，介绍了系统的具体实现步骤及 参数设置，取得了预期的效果，对井田开采煤矿具有一定的实用价 值。 I I I 万方数据 全文包含图5 7 幅，表1 3 个，参考文献8 9 篇。 关键词瓦斯信息，空间插值，三维可视化，网点优化，预警分析 分类号T D 7 6 I V 万方数据 T h eD e v e l o p m e n ta n d A p p l i c a t i o nf o rS p a t i a lD i s t r i b u t i o no f C o a lM i n eG a sF i e l da n dE a r l y w a r n i n gS y s t e m A b s t r a c t M i n ec a s u a l t i e sh a v eo c c u r r e df r e q u e n t l yf o ral o n gt i m e ，a n d a c c i d e n t sc a u s e db yt h eg a st o pt h el i s t ．A c c i d e n t so f t e nr e s u l ti n p e r s o n a li n j u r ya n dp r o p e r t yd a m a g e ，w h i c hi sas e r i o u st h r e a tt ot h e s u s t a i n e d ，h e a l t h ya n ds t a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec o a li n d u s t r y ．D u et o t h el O Wl e v e lo fm e c h a n i z a t i o no fc o a lm i n i n g ．i t sd i 伍c u l tt oe v a c u a t e p e r s o n n e lo n c ea n y t h i n gh a p p e n s ．S ot h er e l e n t l e s se f f o r tt oa c c i d e n t p r e v e n t i o ns h o u l dp u ti n t ot h ed e t e c t i o n ，d a t aa n a l y s i s ，f o r e c a s t i n ga n d p r e v e n t i o no fg a s ，a n da c h i e v eab r e a k t h r o u g hi nG a sm o n i t o r i n gd a t a p r o c e s s i n g ，v i s u a l i z a t i o n ，f o r e c a s t i n ga n de a r l yw a r n i n g ． T oe x p l o r et h ea b o v ei s s u e sa n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fg a s m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n ，c o m b i n i n gg a sm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nt o g e t h e r w i t hm i n ei n f o r m a t i o n i z a t i o n ，a p p l i e dd i g i t a lm i n i n gt e c h n o l o g y , s p a t i a l i n t e r p o l a t i o nt h e o r y , n e t w o r kt o p o l o g ym o d e l ，a n dn e t w o r ko p t i m i z a t i o n t h e o r yt og a sI n f o r m a t i o nP r o c e s s i n g ，at h o r o u g hs t u d yo fS p a t i a l d i s t r i b u t i o na n dc o a lm i n eg a sw a r n i n gs y s t e mh a sb e e nm a d e ，P r o v i d i n g an e w a p p r o a c ht oa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go fg a si n f o r m a t i o n ．T h em a i n c o n t e n to ft h ep a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 D e f e c t sa n dd e f i c i e n c i e sa r ep r e s e n t e da f t e ras y s t e m a t i cs t u d y o fm i n eg a sm o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o nt e c h n i q u e sa n dm e t h o d se x i s t i n g i nC h i n a ．T h i n k i n gi n t ot h r e e ．d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n ．t h eo v e r a l l s y s t e mf u n c t i o nf r a m e w o r ki sc o n s t r u c t e db a s e do nt h i s ． 2 T h es p a r s eo rd e n s ed e g r e eo fM o n i t o r i n gs t a t i o n si sj u d g e di n t h es t a n d a r do fK r i g i n ge r r o rv a r i a n c ea f t e rr e s e a r c h i n gm o n i t o r i n g n e t w o r ko p t i m i z a t i o n t h e o r yb a s e do nK r i g i n g ，h a v i n gar u l e i n O p t i m i z a t i n gM o n i t o r i n gs t a t i o n s ，S t r e n g t h e n i n gc o a lm i n es a f e t ya n d S a v i n gc a p i t a li n v e s t m e n t ． 3 W ．mt h es t u d yo ft h ee x i s t i n gs p a t i a li n t e r p o l a t i o nm e t h o d t h e o r y , t h es p a t i a li n t e r p o l a t i o nt h e o r yi sa p p l i e dt ot h ec o a lm i n eg a s f i e l d s p a c ed i s t r i b u t i o nt of o r mt h eg a sc l o u d ，a n dg i v e sac o n c r e t e r e a l i z a t i o na n da l g o r i t h m so fi d e a s ． V 万方数据 4 T h em e t h o do fc o m p a r a t i v ei n c r e a s ew a r n i n gb e t w e e nb e f o r e a n da f t e rt h ei n s p e c t i o np e r i o da n dc o m p a r i s o no ft h ea v e r a g ei n c r e a s e w a r n i n g i s p r o p o s e d ．1 1 1 eg a s h a z a r dw a r n i n go ft h ef u l lm i n ei s a c h i e v e dc o m b i n e dw i t ht h et h r e e d i m e n s i o n a ls p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e g a sf i e l ds y s t e m ． 5 T h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fc o a lm i n eg a sf i e l da n de a r l y - w a r n i n g s y s t e m i sa c h i e v e dw i t hV C 2 0 0 5d e v e l o p m e n tt o o l sb a s e do n D I N ⅡN E p l a t f o r m ． 6 B yt a k i n gap r a c t i c a lp r o j e c ti nS h a n x iP r o v i n c eC o a lM i n e ，t h e S p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o ns t e p sa n dp a r a m e t e rs e t t i n g si sd e s c r i b e d ，a n d t h ed e s i r e de f f e c ti sa c h i e v e d ，w h i c hh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u ef o rI d a c o a lm i n i n g ． T h e r ea r e57f i g u r e s ，13t a b l e s ，a n d8 9r e f e r e n c e si nt h i sp a p e r 。 K e y w o r d s G a sI n f o r m a t i o n ，S p m i a lI n t e r p o l a t i o n ，3 DV i s u a l i z a t i o n ， N e t w o r kO p t i m i z a t i o n ，E a r l y ．w a r n i n gA n a l y s i s ， 一 一 一 C l a s s i f i c a t i o n 下D 7 6 V I 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 数字矿山研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 瓦斯数据信息化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 本文的研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 矿井瓦斯监测及其评价技术与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．1 煤矿瓦斯危害性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 瓦斯监测与防治技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 煤矿监测平台构架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．2 ．2 煤矿瓦斯防治技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 2 ．3 瓦斯监测信息分析与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 煤矿瓦斯场三维空间分布及预警系统构架与理论方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 系统架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 系统需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 ．2 系统理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 ．3 系统设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．1 ．4 系统设计目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．5 三维可视化的必要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 3 ．1 ．6 开发技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．2 煤层与工程模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 ．1 煤层自动建模技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．2 7 3 ．2 ．2 工程模型建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 区域离散化理论与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 空间插值方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 泰森多边形方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 V I I 万方数据 3 ．4 ．2 距离平方反比法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．4 ．3 样条函数法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．4 ．4 径向基函数法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．4 ．5 克里格法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．5 网络拓扑模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．6 克里格及网点优化理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．7 工作面瓦斯超前预警分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．8 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 煤矿瓦斯场三维空间分布及预警系统开发与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．1 三维可视化平台的创建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．1D I M I N E 体系架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．2D I M I N E 插件开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 三维可视化功能的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．1 数据准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．2 ．2 数据结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．2 ．3 计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．2 ．4 模块功能实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 工程应用与实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 ．1 矿山简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．1 ．2 瓦斯监测点布置情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．2 三维可视化功能实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．2 ．1 煤层与工程模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．2 ．2 监测网点优化应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 5 ．2 ．3 煤巷、工作面瓦斯分布及超前预警应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 V I I I 万方数据 硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景与意义 在中国的能源产业中，煤炭资源占一次能源生产和消费结构的7 0 ％，石油、 天然气等占3 0 ％，到2 0 5 0 年预计仍维持在5 0 ％以上。国务院关于促进煤炭工 业健康发展的若干意见中进一步强调了煤炭工业在国民经济中的重要战略地位， 指出了煤炭将长期是我国的主要能源。目前，中国经济与社会的迅速发展，对煤 炭工业的发展提出了更高的要求，煤炭工业的持续、健康、稳定发展是关系到国 民经济发展的重大课题。随着对煤炭行业生产安全的重视，以及对该行业人力、 物力投入的加大，中国煤矿安全生产形势有了很大的好转，煤矿百万吨死亡率呈 逐年下降的趋势，但是煤矿事故时有发生，仍未实现对煤矿灾害的有效控制。实 现煤炭行业安全形势的彻底改观是当前国家工业安全工作的重中之重。 我国以井工方式开采的煤炭产量占煤炭总产量的9 5 ％，井下狭小空间不利于 瓦斯的扩散，再加上我国地质条件的特殊性，使得瓦斯不易在开采前抽放。我国 几乎所有矿井都是含瓦斯矿井，且其中一半以上为高瓦斯或瓦斯突出矿井，生产 管理不当极易发生事故。一些煤炭资源储量丰富的国家，对于高瓦斯矿一般不纳 入开采范围。我国一直以煤炭为主要能源，且煤炭资源储量有限，所以对高瓦斯 矿也纳入了开采范围，瓦斯灾害就容易发生。 我国煤矿安全事故长期以来一直频繁发生，最多的属瓦斯爆炸事故。近些年 的煤矿事故统计分析结果表示，几乎所有的煤矿特别重大事故都是瓦斯爆炸事故。 有关资料显示，1 9 4 9 年至2 0 1 2 年底，我国煤矿行业发生百人以上死亡的特别重 大事故共2 6 起，累计死亡4 0 6 6 人，其中瓦斯事故1 9 起，死亡人数为3 1 5 5 人， 分别占事故起数及死亡人数的7 3 ％和7 7 ．6 ％。目前，瓦斯已成为威胁我国煤矿安 全生产的突出问题，防治瓦斯灾害成为当前煤矿最首要的任务。在美国等西方国 家，煤矿已经实现高度机械化，井下工作人员很少，巷道畅通，一旦发生事故， 易于撤离，伤亡不大。而在我国，大小煤矿统算在内，采煤机械化程度仅为4 5 ％。 在这样的情况下，只能在瓦斯的检测、数据分析、预测和防范上下苦功，加大科 技投入力度，在瓦斯监测数据处理、可视化、融合、预测预警等方面实现科学技 术的突破。 我国矿业自动化信息化进程起步晚，但随着近些年国家的不断重视、科研技 术人员的不断推进以及维矿业软件在矿山的逐渐兴起，我国矿业领域开始实现向 矿山可视化管理与集成迈进。国家安全生产监督管理局国家煤矿安全监察局令第 2 1 号文件国有煤矿瓦斯治理规定第六条规定煤矿必须建立运行可靠的监 万方数据 硕士学位论文 绪论 测监控系统高瓦斯和突出矿井以及有高瓦斯区域的低瓦斯矿井，必须装备运行 可靠的矿井安全监控系统，系统和传感器的安装、使用、维修，必须符合煤矿 安全规程规定的要求。现在煤矿基本实现了瓦斯的动态监控，可以实时地监测 到瓦斯浓度的变化，但是现有监测系统只能简单反映传感器所在位置的瓦斯浓度 变化情况，局限于局部的监控与管理，比如监测数据应用于局部、即时的超限判 断、单点数据的统计图表输出等，没有合适的分析手段，获得的数据没有得到充 分有效的利用，缺乏综合分析功能。 从煤矿井下监测点实时获取的大量瓦斯监测数据不是独立存在的，相互之间 具有很大的关联性，因而可通过分析邻近监测点瓦斯浓度数据关联特征来提取有 效信息，用来表达其影响范围内任意点瓦斯浓度的变化特征，实现矿井瓦斯浓度 分布的三维分析。科学技术的发展促进了学科交叉与融合。计算机技术、电子技 术、信息科学与技术的发展，为人们更深层次地认识世界提供了有效的方法和手 段。尤其是近年来，三维可视化技术在我国矿业领域内的应用呈现了蓬勃式的发 展，这些技术的应用对促进各矿山企业的生产效益、保障矿工的生命安全具有非 常重要的作用，同时对于我国矿业不断走向现代化、信息化和智能化产生了极大 的推动力。在煤矿方面，如何应用这些三维可视化技术，快速准确地将井下瓦斯 数据进行分析与融合，同时实现用户端的形象表征，是目前我们亟待解决的问题。 基于上述分析，针对海量复杂的井下监测瓦斯数据，利用当代先进的计算机 技术及三维可视化技术，为人们呈现直观、交互性更强的可视化效果，减轻人们 的认知和分析负担；利用大量数据，检查资料的连续性和变异性，为分析、利用 数据提供有用工具，是本研究的主要目的与意义。此外，井下瓦斯三维可视化系 统是提高企业安全管理水平的一个重要手段，便于安监部门加强监管工作，为更 安全、高效地进行井下生产活动，实现瓦斯浓度三维动态可视化预警，对煤矿的 安全生产有很大的指导意义。 本文在充分分析总结前人研究与实践成果的基础上，重点研究煤矿瓦斯分布 三维动态预警系统，基于D I M I N E 平台创建煤矿煤层与工程模型，在此基础上 运用空间插值理论、网络拓扑模型、网点优化理论及瓦斯超前预警理论等，开发 出应用于瓦斯分布三维动态预警的插件，并结合山西某煤矿实际工程数据及瓦斯 监测监控数据，实现整个矿山各个指标的可视化系统，更易于工程技术人员接受， 对瓦斯灾害控制有很好的指导意义，能很好地推进整个矿山的健康发展。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 数字矿山研究现状 用信息技术改造传统产业是国家经济结构调整和转变经济增长方式的重要 2 万方数据 硕士学位论文绪论 战略举措，是矿山企业面临的重大任务。1 9 9 9 年在首届数字地球大会上提出了 数字矿山的概念，数字矿山建设是矿山信息化与智能化的基础平台，而矿山信息 化与智能化的研究融合与发展，是实现智能采矿这一目标的过程，是世界矿业发 展的大方向。智能采矿的实现将带来矿业科技的重大跨越，是化解采矿高危行业 风险的重要途径，是富有知识经济时代特点的矿山模式，是2 1 世纪矿业的前瞻 性目标。所谓数字化矿山是指人类在矿山地表和地表以下开采矿产资源的工程活 动中所涉及的各种动、静态信息的全部数字化并由计算机网络管理，同时可运用 空间技术与实时自动定位、导航技术对矿山生产工序实行远程遥控操作和自动化 采矿的综合体系。对于矿山数字化信息系统及虚拟矿山这两个层次，可称之为“数 字矿山”，而远程遥控操作和自动化采矿，称之为“数字化矿山”。 在采矿业发达的国家，如美国、加拿大、英国、澳大利亚、南非等，信息技 术的应用已经相当普及，其中瑞典L K A B 所属基鲁纳 K i r u n a 铁矿早在1 9 7 0 年，其主运输水平的机车运输就实现了从坑内控制室遥控装载和无人驾驶自动运 行与卸载。矿业发达国家矿山数字化的重点己放在实现地下矿山生产过程自动化、 实现远程遥控操作及自动化采矿方面【1 1 。矿业发达国家有不少比较完善的商业软 件，且形成了相对的规模，比较有代表性的有M i n e s i g h t 、s u r p a c 、D a t a m i n e 、 M i c r o m i n e 和V u l c a n 。这些软件均具有地质建模、露天采矿及地下采矿设计、生 产计划编制、三维显示、出图等功能。 M i n e s i g h t 是一套全面的矿山资源评估与采矿设计系统，它可对矿山原始数 据及生产信息的管理、相关统计分析、组合样计算、建立地质资源模型、储量计 算、开采境界优化和长期规划制作及短期生产计划的编制，并可进行日计划及矿 石控制。由于该软件可以及时、高效地完成对地质勘探和生产数据资料的处理、 分析，有利于及时提供生产所需的信息，迅速地决策，适应市场的快速变化，可 应用于矿山规划的循环分析过程，功能强大。该软件特别适用于大型露天矿山的 地质建模和采矿设计以及日常管理【2 】。 S u r p a c 欺件是由澳大利亚S U R P A CM I N E XG R O U P 公司研发的一套应用于 矿产资源开发资源管理与采矿规划的软件系统，该软件具有数据数字化与交换功 能、实体建模功能、数据库接口功能、查询检索功能、断层建模功能、地表建模 功能等。S u r p a c 软件是一个具有图形功能出色、模块功能强大、用户界面友好的 真三维空间信息系统软件。目前该软件在全世界9 1 个国家已有6 0 0 0 多个授权用 户，涉及矿业公司、地勘单位、研究所、矿业大学等部门，国内已有超过1 0 0 家公司成为S u r p a c 用户【3 1 。 D a t a m i n e 矿业软件公司成立于1 9 8 1 年伦敦，在全球5 3 个国家和地区有1 3 0 0 多个用户，是世界矿业领域内具有领先水平的采矿技术应用软件。D a t a m i n e 矿 万方数据 硕士学位论文绪论 业软件主要应用于地质、勘探、储量评估、矿床建模、地下及露天开采设计、生 产控制和仿真模拟、生产计划编制等，同时也考虑到复垦方面的应用。它形成了 一整套三维立体的和块体的建模工具，可将工程数据库构建、三维模型建立、土 建工程设计等完全可视化，并解决复杂工程中境界优化的施工管理。D a t a m i n e 是一套先进、全面、高效、易于掌握的集成软件系统，提供了一个高效的测量工 程师、采矿工程师、地质工程师和高级管理人员之间的技术信息平台，提高企业 的信息化程度，从而获取最大的经济效益[ 4 】。 M i c r o m i n e 软件是澳大利亚M i c r o m i n e 国际矿业软件有限公司开发的处理地 质勘探和采矿数据的软件，为用户提供了一个用于地质勘查、资源评估、储量计 算及露天和地下矿山开采设计的三维立体空间 - - 维G I S 平台软件。目前 M i c r o m i n e 软件安装用户超过2 0 0 0 个，遍布世界主要矿产出产国。由地质勘查 获得的平面图形可以导入M i c r o m i n e 生成三维地表模型、地质模型、矿体模型和 品位模型等，为工程设计及深部探矿提供依据。M i c r o m i n e 软件提供了科学的储 量计算方法，有距离反比法、普通克里格法、对数克里格法、多重指示克里格法、 封闭多面体估算法等。矿山企业应用M i c r o m i n e 建立地质矿产资源信息数据库后， 在三维环境下能够直观地看到该矿的三维地表模型 D T M 以及矿体的赋存状 况【5 ．6 1 。 V u l c a n 是由澳大利亚M a p t e k 公司开发的功能强大、内容丰富的软件，最初 用于地层建模和矿山设计的软件，现主要应用于矿业环境管理、三维空间信息管 理、模拟与可视化，包括地质工程、环境工程、地理地形、测量工程、采矿工程、 水库工程、地震分析等方面的数据处理及工程设计。V u l c a n 软件具有很好的三维 空间建模、交互及可视化功能，并可以进行矿产储量计算及三维空间分析，模型 可以多角度选择、旋转、切割。V u l c a n 可以实时接收并处理钻孔数据、地表地下 数据、地球物理化学数据等多种数据。该软件没有集成建模功能，但可以实现地 层与工程开挖体的各自建模与设计，相比较而言在我国推广应用较少【7 1 。 国内三维可视化技术在矿山的应用研究较晚，其应用目前还并不普及。但是 近几年来，国内很多研究单位在数字矿山方面做了大量研究与开发。2 0 世纪九 十年代以来，一些科研资助机构和行业部门陆续立项支持了一些数字矿山研究课 题，其中包括8 6 3 课题和“十一五”支撑课题等。近年来，许多科研院所、高校、 企事业单位陆续建立了数字矿山相关的研究中心、研究所、实验室等，如中南大 学数字矿山研究中心等 8 】。国内在三维矿业软件的研究中，最具代表性的是 3 D M i n e 和D i m i n e 。 3 D M i n e 是面向于地勘单位、生产矿山、科研设计院所、专业教育机构的， 由北京东澳达科技有限公司研发的在国内发展和应用比较成熟的三维矿业软件 4 万方数据 硕士学位论文 绪论 系统，它是致力于矿业方向的三维专业软件，服务于地质、测量、采矿和生产管 理等各个方面。 D I M I N E 矿业软件是由长沙迪迈信息科技有限公司依托中南大学数字矿山 研究中心和资源与安全工程学院强大的科研、教学软硬件条件，在中南大学古德 生院士和王李管教授带领下，由中南大学数字矿山研究中心的矿业及软件专家们， 在全面研究了国内外相关数字矿山软件和国内矿山企业实际需求的基础上，研究 开发出的新一版基于数字化矿山整体解决方案的矿山数字化软件系统【9 】。 D I M I N E 数字矿山软件系统采用了当今世界上先进的数据仓库技术、三维可视化 技术、三维实体建模技术、三维表面建模技术、以及科学精确的地质统计学方法、 数字采矿设计方法、网络解算与优化方法等，全面实现了D T M 模型创建、地质 数据库建立、储量计算、地下与露天矿开采设计、爆破设计等，实现了矿山的数 字化与智能化。 由国内外数字矿山研究现状可以看出，国外矿山类软件相对比较成熟，但大 多数都是针对地质体和矿体 尤其是非层状矿体 进行建模，没有专门针对煤矿 瓦斯的三维建模软件。国内的学者主要是注重于三维数据库模型的建立，有些是 基于国外矿山软件的二次开发，自主研制的软件产品存在着一定缺陷。因此，盲 目引进国外的软件相对比较昂贵，而且国外软件没有针对煤矿的三维建模软件， 而且我国煤矿技术规程有很大的不同，计算机水平比较低，国外软件未必适用。 所以必须根据我国具体现状，广泛研究国外矿业软件并结合国内实际情况开发的， 具有完全自主知识产权的软件系统。中南大学王李管教授提出“矿山企业由于 其生产模管理模式的特殊性，导致了我国矿山信息化产品需求与国内矿山软件研 发能力相对滞后的供需矛盾，矿山企业领导对‘数字矿山’的高期望值与矿山人才 流失严重、技术力量的严重不足的矛盾。” 1 ．2 ．2 瓦斯数据信息化研究现状 2 0 0 6 ．2 0 2 0 国家信息化发展战略指出信息化是充分利用信息科技技术，有 效开发利用信息资源，积极促进信息交流和知识共享，从而提高经济增长质量， 推动经济社会发展转型的历史进程【1 0 】。煤炭行业信息化起步不晚，但实施结果 却不尽人意。目前，中国大多数煤炭企业的信息化建设都刚刚起步，然而应用需 求十分迫切，信息化建设亟待推进【1 l 】。随着煤矿自动化技术的发展，煤矿现场 的安全管理对于通风安全监测数据的深度分析有了更高的需求，矿井安全监测数 据的有效利用显得更加重要。煤炭瓦斯信息化建设是煤炭