矿井水害预测系统的设计与实现

李晅 焦作市神龙水文地质工程有限公司岩土工程处，河南 焦作 454000

矿井水害预测系统的设计与实现

李晅 焦作市神龙水文地质工程有限公司岩土工程处，河南 焦作 454000

分析了矿井水害的现状，总结了矿井水害治理技术的理论基础。应用GIS组件开发技术，建立了基于.NET矿井水害预测系统。利用突水系数法实现了突水危险性分区，应用人工智能技术，模拟专家思维方式，建立了矿井水害预测与防治专家系统。系统的建立对矿井水害防治具有一定的借鉴意义。

GIS;矿井水害;预测;专家系统;信息化

近年来，随着矿井生产向纵深发展，水患威胁日益严重，矿井水害已成了严重威胁众多煤矿安全、高效生产的主要因素。大致整个矿井淹没，小至采区停产[1]。从近年的开采情况看，每年采出受水害威胁的煤炭还不到总储量的10%。如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量，不仅影响煤矿的产量，而且一些老矿井还有被迫提前关井的危险。因此，考虑生产过程中的环境时变性，研究矿井水害的突水机理，准确预测生产区域的水害等级，制定防治水方案，对正确设计和安排防排水工程，减少防排水费用，确保安全生产，提高矿井经济效益，具有重要的现实意义。

在煤层底板突水机理分析与突水预测的研究中，相关科研人员先后提出了突水系数法[2]、底板相对隔水层[3]、岩-水应力关系法[3]、“下三带”理论[3]、原位张裂与零破坏理论[4]、薄板模型理论[5-6]、“关键层”理论[7]、“强渗通道”说[8]、“下四带”理论[9]、突水概率指数法、模糊数学法、专家系统法等。

本文拟将突水系数法、专家系统法等相结合进行建立矿井水害预测系统。

1 系统的设计

1.1 系统设计目标

系统设计的目标在于将矿井水害预测和水害防治相结合，从而实现矿井水文地质信息管理规范化，提高矿区水文地质技术工作管理水平，适应高新技术的应用和安全生产的需求；提高矿井突水预测的准确率，为防治水决策提供依据，防止煤矿重大水害事故的发生。

1.2 系统结构设计

系统是基于GIS技术，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、实时管理和数据统一存储管理于后台数据库等特点。采用C/S模式构架，系统结如图1所示[10]。

1.3 系统平台选择

数据管理选择Microsoft SQL Server 2000数据库平台，集中存放在指定的服务器上。程序设计选用Microsoft Visual Studio.NET 2003 平台，基于北京超图的Supermap Objects组件进行二次开发。

2 系统的功能

系统设计面向煤炭生产单位，它不同于传统数据库系统与CAD系统，是一个采集、输入、存储、检索与分析空间数据，并且输出各种查询、分析结果的计算机系统。包括GIS基本功能、水文地质数据管理、钻孔柱状图的自动绘制、突水预测、打印输出等功能。

2.1 GIS基本功能

(1) 地图操作

该功能主要针对空间数据操作，包括地图的放大、缩小、漫游、全图显示、要素选择、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) 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、数据集的转换、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。

(3) 数据的导入导出

由于地理信息的复杂多态以及海量性，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的利用已有的但是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Arc/Info的Coverage文件、MapGIS明码格式文件、AutoCAD数据交换文件、MapInfo的MIF文件等）导入以及将现有数据的导出功能。

2.2 矿井水文地质数据管理

针对矿井日常生产所产生的矿井水文地质信息(如钻孔、水文观测孔、地表水质监测等)，设计并实现了矿井水文地质管理信息系统模块，主要完成相关信息的管理、检索与更新等操作。从而达到使矿井日常生产数据管理规范化，信息化的目的。

图1 系统结构

2.3 钻孔柱状自动绘制

针对纸质钻孔柱状具有不易保存、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，设计了钻孔柱状自动绘制功能。

2.4 突水预测

(1) 突水危险性分区

突水危险性分区采用突水系数法划定研究区域内的安全区、突水可能区、突水区。突水系数法考虑水压和隔水层厚度，利用公式(1)，基于离散观测孔的水压或水位数据，并按照等级(＜0.06为安全区，大于0.06且小于0.1为突水可能区，大于0.1为突水区)进行区域分隔，从而达到突水危险性分区的目的。

其中Tr为突水系数，P为水压，M为隔水层厚度。

(2) 突水预测预报专家系统[11-12]

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VB.NET+CLIPS 语言进行开发，实现了掘进与回采工作面顶板、底板突水预测，老空区突水预测，以及防治方案的制订等功能。

2.5 地图打印输出

基于SuperMap Object的SuperLayout.ocx控件开发了桌面地图排版系统，实现了页面设置、地图要素添加(图名、图例、指北针、比例尺、图签、图框等)、对象绘制等地图版面设计功能，并能将设计好的地图打印输出。

3 系统的应用

系统开发的主要目的就是将研究成果直接服务于现场，并达到矿井水文地质数据管理信息化及矿井水害预测预报在一定程度上达到智能化。系统完成后，进行了现场应用，突水预测的应用效果见图2(其中红色为突水区，黄色为突水可能区，绿色为安全区)，钻孔柱状图的绘制结果见图3。实践证明，本文建立的矿井水害预测系统简单易行，准确率较高，系统的地图编辑、数据导入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2 突水预测结果

图3 钻孔柱状图的绘制结果

4 结束语

随着计算机科学和信息技术的飞速发展，GIS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日益增强。随着矿井生产过程中地质与水文地质资料及研究成果的增加，迫切要求资料管理的信息化、实时化、可视化；这使得GIS成为构建一个动态的、包含信息全面的矿井水害预测系统的优选平台。基于GIS的矿井水害预测系统实现了突水预测预报的信息化、实时化与可视化，对矿井水文地质工作及矿井水害预测预报具有重要的理论与现实意义。

[1]桂祥友,郁钟铭. 矿井水灾害预测的安全评价研究.中国矿业.2006，15(5)：35-38

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[4]王作宇，张建华,刘鸿泉.承压水上近距离煤层重复采动的底板岩移规律[J].煤炭科学技术.1995(2)：18-20

[5]张金才.煤层底板突水预测的理论与实践[J].煤田地质与勘探.1989(4):38-41

[6]张金才.煤层底板突水预测的理论判据及其应用[J].力学与实践.1990，12(2):35-38

[7]钱呜高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报.1996，21(31)：44-47

[8]李抗抗，王成绪.用于煤层底板突水机理研究的岩体原位测试技术[J].煤田地质与勘探.1992(3)：32-33

[9]施龙青,韩进.开采煤层底板“四带”划分理论与实践[J].中国矿业大学学报.2005，42(1)：16-23

[10]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.2008,28(3)：50-52

[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.2002(2)：55-56

[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.2000，26(5)：83-84

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.086

李晅（1973－）男，广东中山人，工程师，本科,2002年毕业于焦作工学院，现从事地质工程及岩土工程工作。工作单位：焦作市神龙水文地质工程有限公司岩土工程处。