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基于 GIS的煤与瓦斯动力灾害 预警系统研讨 张 振1, 赵少杰 1, 罗 瑞1, 王彤达2 1. 桂林理工大学 资源与环境系, 广西 桂林 541004; 2. 中国石油大学, 北京 100081 摘 要 将地理信息系统 GIS 引入到矿井煤与瓦斯动力灾害防治中, 借助 GIS技术实现矿井煤与 瓦斯灾害隐患的识别, 通过模糊综合评判的方法实现灾害的预警与决策, 为矿井生产和管理提供先进的 手段。对 GIS技术在矿井瓦斯动力灾害预测上的应用进行了研讨, 该系统为煤与瓦斯灾害的预测预报 提供一种决策支持方法。 关键词 瓦斯灾害; GIS; 模糊综合评价; 预警 中图分类号 TD713 文献标志码 A 文章编号 1008- 4495 2011 01- 0078- 03 收稿日期 2010- 02- 28; 2010- 10- 30修订 作者简介 张 振 1985, 男, 山东东营人, 硕士研究 生, 主要从事矿产普查与勘探和地理信息系统方面的研究 工作。 近年来, 随着煤矿采区向深部发展, 其地质条件 更加复杂, 许多高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层成为矿 井开采的主产煤层。这些客观因素造成了我国煤矿 瓦斯事故多发的现状。另一方面, 对国内几起重大 瓦斯事故的原因分析表明, 瓦斯灾害防治管理方面 存在缺陷也是导致瓦斯事故频繁发生的重要原因。 因此, 针对矿山生产的现状, 加强瓦斯灾害防治管理 对煤矿安全生产具有十分重要的意义。 随着计算机技术、 空间技术与地理信息系统理 论及技术的发展, 借助 GIS技术实现矿井煤与瓦斯 灾害隐患的识别, 通过模糊综合评判的方法实现灾 害的预警与决策, 可为矿井生产和管理提供先进的 手段 [ 1- 5]。 1 系统的总体结构 基于 GIS的矿井煤与瓦斯灾害预警系统, 是以 先进的计算机技术、 GIS技术以及与信息化相适应 的现代企业管理制度为基础, 将煤矿测量空间信息、 采掘工程信息、 瓦斯地质信息、 通风系统及日常管理 信息、 生产与环境实时状态参数等, 集成在数字化的 数字平面图上, 以可视化的方式对采掘生产活动进 行实时监测 [ 1]。针对监测数据, 采用模糊综合评判 方法, 对监测结果进行动态分析诊断, 通过人 机互 动, 实现煤与瓦斯灾害预警功能。系统的总体结构 如图 1所示。 图 1 系统的总体结构框图 煤与瓦斯动力灾害预警系统由 GIS监测系统、 预警系统和决策建议系统三部分组成。其中, GIS 监测系统可实现对矿井的环境监测和生产监测。环 境监测针对矿井下工作面的作业条件, 如有毒有害 气体、 风速、 温度等; 生产监测针对生产环节的各种 参数和重要设备的运行状态参数。预警系统基于 GIS监测系统的数据, 通过设置权重, 采用模糊综合 评判方法对矿井生产安全情况进行预测。当预测结 果处于非正常状态时, 发出预警信号, 同时调用决策 建议系统, 针对预测结果提出相应的专家解决处理 方案及方法, 从而实现对现场生产管理的支持。 2 基于 GIS的监测系统 GIS Geographic Ination System, 地理信息系 统 是以地理空间数据库为基础, 在计算机软硬件 的支持下, 对空间相关数据进行采集、 管理、 操作、 分 78 2011年 2月 矿业安全与环保 第 38卷第 1期 析、 模拟和显示, 并采用地理模型分析方法, 适时提 供多种空间和动态的地理信息, 为地理研究和地理 决策服务而建立起来的计算机技术系统 [ 2]。 GIS技术具有采集、 管理、 分析和输出多种空间 性和动态性的地貌空间信息的能力, 可进行区域空 间分析, 多要素综合分析和动态预测, 为地貌研究和 决策服务。因此, 将 GIS技术引入到煤矿安全信息 化管理工作中, 与监测系统相结合, 进行煤与瓦斯灾 害预测, 实现区域预测的定量化、 科学化、 动态监控, 这对瓦斯灾害预测的多目标多维方向的发展有巨大 的推进作用。笔者构建的基于 GIS的监测系统, 主 要由矿井监测系统、 矿井通风管理系统和瓦斯地质 系统构成。 2 . 1 矿井采掘工程系统 矿井采掘工程系统是矿井生产的空间支持系 统, 其主要采掘作业场所是回采工作面和掘进工作 面。随着采掘工作面向前方煤层的延伸, 整个井下 采掘系统不断扩展。采掘工作面是井下瓦斯涌出的 主要发源地, 占整个矿井瓦斯涌出的 80 以上。在 采用 GIS数字化后的采掘平面图上对采煤工作面和 掘进工作面的适时位置进行活化处理, 根据其推进 度实时更新, 系统将根据其更新的适时位置线对推 进前方影响区域内瓦斯情况进行分析、 评价和预测、 预警。 2 . 2 矿井通风管理系统 针对通风系统通常由进风口、 出风口, 进、 回风 巷, 通风设施 包括主要通风机、 局部通风机及风门、 风窗、 测风站等风流控制装置 等组成, 将各部分的 监控信息与 GIS相结合, 建立矿井通风管理系统, 可 以有效管理通风图形和各种属性数据, 并对系统及 数据进行统计、 分析, 科学评判通风网络各段巷道的 相关情况, 作出迅速判断和可视化显示。灾害发生 后, 可以迅速提供灾害地点的通风路线及全矿井的 通风设施、 预测灾害可能波及的范围, 可利用的救灾 设施等。具体的实施方法如下 根据矿井对通风日常工作 包括通风、 防火、 防 尘、 防瓦斯突出、 安检、 设备管理等 的要求, 利用 GIS软件, 将通风系统图、 防尘路线图及安全监测图 等数字化, 调用数据库程序进行通风阻力测定数据 处理、 通风机性能测定数据处理、 风网解算、 安全监 测数据处理等。通风管理系统的结构组成见图 2 。 2 . 3 瓦斯地质系统 瓦斯地质信息的主要功能是把矿井勘探和生产 期间揭露的、 具有控制煤与瓦斯灾害作用的地质因 素及其信息的采集、 管理、 处理、 成图等任务, 通过相 图 2 通风管理系统的总体结构框图 应的 GIS应用系统及各种平面突出危险性区划、 剖 面展示和钻孔柱状、 瓦斯地质参数特征点标志编绘 和处理的图形制作系统有机结合起来, 进行集成开 发, 创建出基于矿井煤与瓦斯突出预测的瓦斯地质 信息采集系统, 见图 3。 图 3 瓦斯地质系统的结构框图 影响瓦斯赋存的地质条件主要有含煤岩系的沉 积环境、 岩性组合特征、 煤层顶底板岩性及其隔气、 透气性能、 煤的变质程度、 区域地质构造、 水文地质 条件、 岩浆作用和埋藏深度等。对于不同区域、 不同 煤田或不同块段, 影响瓦斯赋存的地质条件存在着 差异, 起主导作用的因素也有区别。控制煤与瓦斯 突出的地质因素主要有 矿井中小型地质构造、 煤层 厚度及其变化、 煤体结构等几方面 [ 6]。 3 模糊综合预警系统 煤与瓦斯动力灾害的影响因素很多, 构成了一 个多目标、 多准则、 多因素、 多层次的复杂系统, 是由 人 机 环境构成的动态、 复杂系统。从基于 GIS 的矿井采掘工程系统、 通风系统、 瓦斯地质系统等三 个方面出发, 根据实地调查研究分析, 形成如图 4所 示的煤与瓦斯动力灾害模糊综合预警系统。 图 4 模糊综合评价模型分析流程图 79 2011年 2月 矿业安全与环保 第 38卷第 1期 模糊综合评价的基本原理是把评价对象的多种 因素, 按属性分类; 然后, 对每一类因素进行初级综 合评价; 最后, 对初级评价的结果, 进行高级的综合 评价 [ 5, 7]。其具体评价过程如下 1 建立因素集。按照 GIS监控系统的组成建 立因素集 U, 确定因素集, 按其不同属性分成若干互 不相交的因素子集 U { U1, U2, , Un}、 评价集 V {v1, v2, , vm}。 这些因素可分成下列不同层次 的集合, 如文中第 1层评价指标有 3个, 瓦斯地质系 统下的第 2层指标有 7个。 2 建立评价集。对每个 Uk k 1 , 2 , , n进 行初级综合评价。根据 Uk { uk1, uk2, , ukn}中各 因素的作用大小, 赋予相应的权数 Ak; 对 Uk中的每 个因素 ukn按照评价集 V的等级评定出 ukt对 vj的隶 属度 rkij i 1 , 2 , , n;j 1 , 2 , , m , 由此组成单 因素评价矩阵 Rk。则 Uk的一级综合评价为 BK AkRk bk1, bk2, , bkm, k 1 , 2 , , n。 3 确定评价指标的权重, 对 U进行高级综合评 价。将 U中的 n个因素子集 Ukk 1 , 2, , n看成 是 U上的 n个单因素, 按各因素 Uk对灾害影响的重 要程度分配权重 A, A ak1, ak2, , akn, 通常对实 际问题选定指标后, 根据专家和现场工程技术人员 打分, 采用层次分析法确定各指标的权重值; 由各 Uk的评价结果 Bkk 1 , 2, , n, 得出总的评价 矩阵 R B1 B2 Bn b11b12b1 m b21b22b2 m bn1bn2bnm , 则得出 U的综 合评价 B AR b1, b2, , bm。 4 确定隶属度及隶属函数。采用模糊控制理 论常用的隶属函数确定方法, 依据概率分布规律, 预 先构造各因素隶属度模糊子集。经检验后进一步修 改, 确定接近真实情况隶属于 V的程度, 最终得到评 价结果, 针对不同的评价结果作出相应的预警, 管理 人员实施相应的应对措施。 在实际应用中, 各个子系统之间影响因素的权 重不同, 预测结果也不尽相同。针对某一矿区的具 体情况, 应根据专家意见设定影响因素的权重进行 预测, 结果将更接近于事实。限于篇幅, 在此仅说明 模糊预测系统的整体结构。 4 结语 1 将 GIS技术引入到煤矿安全信息化管理工 作中, 与监测系统相结合, 构建了矿井采掘工程系 统、 通风管理系统、 瓦斯地质系统三位一体的煤与瓦 斯灾害预测, 对煤矿区安全生产管理有促进作用。 2 在 GIS监测系统的基础上, 采用模糊综合评 价的方法, 建立煤与瓦斯灾害模糊综合预警系统, 解 决了多目标、 多因素、 多层次的复杂预警问题, 可实 现矿井生产中的动态预测、 预警。 参考文献 [ 1] 宋建成, 毛善君, 李中州, 等. 煤矿瓦斯防治导航系统研 究与应用 [M ]. 北京 煤炭工业出版社, 2007. 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