基于GIS的煤矿水害预警信息系统的研究

基于GIS的煤矿水害预警信息系统的研究
顾春芬1 吴健2 郑伟2
摘要：水文地质工作对煤矿的安全生产有重要意义，水文地质信息处理系统与矿井水害预测密切相关。本文探讨了基于GIS的煤矿水害预警信息系统与现有水文地质系统相比的优势、研究的必要性，系统结构，基本功能。该预警系统由属性信息管理，空间信息管理，和水害分析预警三个子系统组成。
关键词：GIS；煤矿水害；系统；模块
煤炭资源是人类的最主要的能源之一，全球已探明的可采储量是10280亿吨，按目前的开采水平可以维持全球开采400年左右。中国是世界上少数的几个以煤炭作为主要能源的国家之一，2000年我国已探明的可采储量为2000亿吨，约占全世界探明储量的18.7℅，居世界第三位。中国“缺油，少气，富煤”的国情决定了我国在今后相当长的一段历史时期内必须走以煤为主的一次性能源结构道路。但是由于煤炭开采量的持续增长，使得煤炭开采条件越来越差，开采技术与矿井安全生产问题也越来越多。
矿井水害与瓦斯、煤尘等并列为矿山建设与生产安全的主要灾害之一。近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了很大提高，但煤矿突水、透水事故却频繁发生。据不完全统计，在过去的20多年里，有250多个矿井被水淹没，死亡1700多人，经济损失高达350多亿元人民币，给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。“十五”期间，全国煤矿共发生一次死亡10人以上特大水害事故49起、死亡957人，分别占同期全国煤矿特大以上事故起数的19%和死亡人数的16%。尤其是2005年以来，重特大水害事故较为突出，2005年发生的48起重、特大水害事故，小煤矿发生39起、死亡438人。事故的发生与开采水平的增加及矿井防治水措施、管理水平有着密切的关系[1]。
针对这种严峻的生产安全形势，国家安全生产管理局专门制定了《国家安全生产发展规划纲要（2004～2010）》。纲要要求，在未来的几年内，“利用现代通讯、信息网络等先进技术，加快安全生产信息化建设。加快安全生产信息系统建设。建立高效灵敏、反应快捷、运行可靠的信息体系，及时掌握安全生产动态。提高安全生产监督、管理信息化水平，为各级政府决策提供科学依据。”矿井地质、水文地质信息高效的管理和分析，对指导矿井生产和矿井水害的防治有十分重要的意义。
一、国内外GIS在矿井水害中的研究现状
在国内外，地理信息系统在水文地质方面的应用都非常广泛。1993年3月14日-18日，在美国亚拉巴马州莫比尔市举行“地理信息系统和水资源专题讨论会”，讨论了软件、硬件、遥感、扫描图像等技术及在地下水模型、水质和水资源的等方面的应用。在国外，煤在能源结构中处于相对次要的地位，并且以露天煤矿生产为主，很少涉及到矿井水害等问题，所以虽然GIS在水文地质方面取得了一定的成果，并在一定程度上得到了广泛的应用，但在矿井水害预测预报方面的研究并不多。在我国，借助强大的空间信息处理能力，GIS在煤矿水害研究领域得到广泛的应用。张大顺、郑世书、孙亚军(1994年)曾在煤矿地下开采工作面涌水预测及矿区岩溶水害预测中应用了GIS技术，取得了较好的效果[2]。高卫东、渠立权，曾把GIS理论应用到徐州地区煤矿的底板水害预测中（2003年）[3]。刘小松, 梁媛, 孙亚军（2002年）在东滩煤矿顶板水害的研究中应用了GIS技术进行了两级建模。首先生成了富水性分区，在此基础上进行了突水危险性分区，取得了良好的效果[4]。张海荣，周荣福，郭达志，杜培军(2005年)曾在山东某煤矿的顶板顶板水害预测研究中应用了GIS复合多源信息技术[5]。
二、煤矿水文地质信息系统与水害预警信息系统.
我国内现有的正在使用的矿井水文地质信息系统是专门服务于矿井水文地质工作的专业化信息系统。一方面，为矿井水文地质工作者提供了水文地质数据输入、存储、查询、统计、分析、计算、报表、图件输出以及水文地质条件评价、预测、预报等多重信息处理手段和决策支持工具；另一方面，在矿井水文地质实践中，无论在信息分析、处理方面，还是在管理、决策支持方面都给矿井水文地质信息系统提出了更高的要求，并促进了矿井水文地质信息系统进一步发展。多元化、智能化、可视化（2D,3D）及多媒体化己成为矿井水文地质信息系统发展的主要方向。但是，它存在以下主要问题：
(1)图形信息和空间信息的分离存储和处理，不能有机结合，造成信息使用上的不方便。
(2)如果为了使用GIS的强大的空间处理能力和美观的输出功能，就需要购买昂贵的GIS软件，而对于我们水文地质工作，仅需要进行其中几项功能就足够了，容易造成资金的浪费。
(3)对矿井突水事故预测的针对性不强，水害信息分析，水害预测模块有待完善。
水害预警信息系统则基于水文地质信息管理系统，它研究以下四个方面以至比水文地质信息管理系统更强调如何收集、整理、分析这些信息，使之成为防治水害有用的信息：
（1）针对矿井水文地质工作的特点，提出矿井水文地质信息存储，管理，应用的方案，完成矿井水害预警信息系统的框架构建，分析水文地质数据的存储，组织，管理，应用，研究如何从这些信息里提取对水害分析预警有帮助的信息。
（2）研究图形信息和属性信息如何有机结合到一起，在友好界面下实现由图形信息查取属性信息，由属性信息来查询图形的功能。
（3）应用GIS的组件技术，把MapX组件集成到面向对象(Object Oriented-OO)的快速应用开发工具语言Microsoft Visual Basic 6.0的环境下，充分使用GIS高效的空间数据处理、输出功能与VB简单高效的数据计算功能。
（4）通过查阅文献资料，构建数据分析和水害预测模型库大体结构，并实现部分功能。
因此，研究一套水害预警信息系统对于现在的煤矿开采来说至关重要，对矿井的安全生产和防治水害有着十分重要的意义。
三基于GIS的矿井水害预警信息系统的模块和功能设计
本系统是结合Access数据库应用程序，和MapX地理信息系统组件，运用面向对象(Object Oriented-OO)应用开发工具语言Microsoft VisualBasic 6.0开发的基于GIS的矿井水害预警信息系统。
首先我们根据矿区勘探、建井、开拓开采揭露的有关水文地质信息建立矿井水文地质属性信息数据库和相关的图形信息数据库，开发相关的模块，使这些数据可以输出和更新。根据这些数据建立相关的数据分析程序，提取对水害预警有用的信息。根据各预警模块对应的理论，建立相应的突水评价模型，利用突水评价模型对研究区矿井水害进行预测预报。
（1）收集勘探、开采资料和水文地质资料，并对资料进行系统分类整理；
（2）建立属性数据库，对钻孔原始资料、钻孔基本资料、矿井涌水资料、水文观测资料、矿井突水资料、水源井资料、水质分析资料、历年降水资料、井下水文钻孔资料等进行管理。
（3）建立图形数据库，将勘探、建井、开拓开采时所用的相关的图件转换为预警系统可以运用的统一的格式（tab文件）进行处理，一般过程：纸质图件经扫描变为电子栅格图像，数字化为不同的专题矢量图件，将其导入Mapinfo系统，利用通用转化器变为系统可运用的tab文件。建立基本模块实现信息管理功能。
（4）开发数据分析模块，提取对水害预警有用的信息，例如：可以从水质分析数据库里提取相关的信息完成玫瑰图的绘制，由不同的钻孔的同一个含水层的多个玫瑰图我们可以得到这个含水层水力联系方面的信息。
（5）开发水害预警评价模块。结合实际生产中遇到各种水害事故和当今的各种评价理论建立水害预警模型库，应用所建立的模型对实际生产中的水害进行预测。如图1-1所示：

图 1-1模块设计图
然后在分析矿井水文地质信息输入、存储、管理、利用、绘图、输出等数据流程的基础上，将矿井水害预警信息系统分为以下三个子系统：
(1)矿井水文地质属性信息管理子系统：主要实现对日常的原始水文地质信息的输入、编辑、分析、查询和简单的计算功能。
(2)矿井空间信息管理子系统，主要是图形的转入、编辑、修改，如对采区分布，地层边界线，地质钻孔，突水点等空间信息的操作。并使之与属性信息建立联系，实现属性信息和空间信息的相互查询，专题图的制作, 预警结果的输出显示。
(3)水害分析预警子系统。从属性信息库和空间信息库中调出相关的信息进行分析；针对矿井水害的不同的类型，构建水害预警模型，主要是对顶板、底板、老空区和陷落柱进行水害预测。
系统的总体结构如1-2所示

图1-2 基于GIS的煤矿水害预警信息系统的功能结构图

在此次设计中把顶板突水作为研究的重点，主要运用了多源信息复合的方法划分突水的危险区域。
任何信息系统都是以数据为基础，并把数据作为处理对象，因此在系统设计中弄清楚整个系统的数据流程是十分必要的。基于GIS的煤矿水害预警信息信息系统的数据流程如图1-3所示：

图1-3 基于GIS的煤矿水害预警信息系统的数据流程图

四、小结
最终开发出来的基于GIS的煤矿水害预警信息系统实现了对矿井水文地质属性数据资料和空间数据资料的有效管理，并能够使两者有机结合，实现空间数据和属性数据相互查询。GIS在存储和处理诸如钻孔、突水点、断层等具空间信息的数据具有非常大的优势。在空间数据库基础上，佐之多源信息复合分析与数值模拟方法，GIS可将数据与分析结果，如水害类型分布、水害危险程度分区、水情动态演变、水害损失估算和救灾措施规划等，直观而有效地显示在二维或三维电子地图上，并可在人机交互式地进行设计、修改、输出。与传统的分析方法相比较，将过去的手工、单一、静态、以定性为主的分析技术推进到多时相、多数据源、时空结合、动态实时、定性定量相结合的综合分析技术，大大提高了直观性和形象性，各种治理方案的优劣比较也很清楚，在水害预测与治水方案的制定过程中使决策者减少盲目性，从而使决策更科学、更符合实际情况[6]。

参考文献
[1] 虎维岳,王广才. 矿井水害防治技术的现状及发展趋势. 煤田地质与勘探,1997,25(增):17-23。
[2] 张大顺,郑世书,孙亚军,季景贤.地理信息系统技术及其在煤矿水害预测中的应用.中国矿业大学出版社,1994.
[3] 高卫东,渠立权.基于GIS的煤层底板突水预测. 测绘通报 2003年12 期.45-48.
[4] 刘小松,梁媛,孙亚军. 基于GIS的东滩煤矿顶板突水预测预报. 河北建筑科技学院学报,2002,19(3):66-68.
[5] 张海荣,周荣福,郭达志,杜培军. 基于GIS复合分析的煤矿顶板水害预测研究.中国矿业大学学报,2005,34(1):111-116.
[6] 杨国勇.矿井防治水预警信息与安全生产管理系统可行性论证报告.

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