基于 GIS的煤矿水害预警系统

基于 GIS的煤矿水害预警系统
丁雷
【摘要】以煤矿水文地质工程地质为基础信息，运用地球科学技术和计算机技术，建立煤矿水害预警系统。

分析了煤矿水害主控因素，对预警系统总体结构进行了设计，阐明了系统实现的技术路线。

该预警系统利用GIS强大的空间分析处理功能，采用VB+Arcgis的开发模式，使其具有良好的界面，且处理速度快，性能较高；
充分利用海量的数据与正确可靠的数学模型，实现煤矿水害的预警，可为煤矿水害预测提供科学的决策依据。

%An early warning system for coal mine water hazards was established by taking the coal mine’s hydrogeology and engineering geology as the basic information and using the earth science and computer technology. Analysis was carried out on the main controlling factors of coal mine water hazards,the design was made on the overall structure of the early warning system,and the technical ways for the realization of this system was illustrated. This early warning system applied the strong spatial analysis and processing functions of GIS and the development mode of VB+Arcgis,which made it have a good interface,fast processing speed and high performance;it also made full use of a vast amount of data and correct and reliable mathematical models for the realization of the early warning of coal mine water hazards,so this can provide scientific basis for making prediction decisions of coal mine water hazards.
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】4页(P46-48,51)
【关键词】煤矿水害;预警系统;设计
【作者】丁雷
【作者单位】河南许昌矿业集团禹州神火春风矿业有限公司，河南禹州461670【正文语种】中文
【中图分类】TD745
煤矿水害具有隐蔽性、随机性，造成的后果往往是灾难性的，而煤层底板水害是我国华北煤田的主要水害类型，如淮北的杨庄煤矿、徐州的张集煤矿、义马的新安煤矿、永城的陈四楼煤矿等都发生过大型奥陶系灰岩岩溶突水，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。

如何充分利用计算机技术，建立煤层底板水害信息系统，并进行煤层底板突水预测［1］，为煤矿安全生产提供科学依据，成为众多学者致力研究的课题。

1 系统设计目标和原则
1.1 设计目标
煤矿水害预警系统是以煤矿水害地质信息数据管理为研究对象，以煤矿水文地质工程地质为基础信息［2］，运用地球科学技术和计算机技术，并根据国家统一规范建立矿山水害地质信息管理系统。

其设计的具体目标如下:
1)系统直接为煤矿水害地质信息预测管理，利用该系统实现各数据信息的输入、查询、计算、统计、多因素分析和输出等功能。

2)利用GIS平台及计算机技术，实现煤矿水害影响因素信息的统一管理和共享。

3)利用系统的高速计算与预测技术，实现煤矿水害的预测与防治，针对性地对某区域进行水害规律研究及决策分析，以实现煤矿安全高效生产。

1.2 设计原则
1)数据规范性。

为了使系统结果具有较高的可信度，系统输入的数据格式要规范，数据结构清晰［3］，坐标系统统一等，在此原则下，本系统要建立一个包括矿山水害各种影响因素的数据、图像、图形等的标准数据库。

2)实用与科学性。

数据库与系统的建立能满足生产单位各个部门对煤矿水害影响因素数据的查询、统计及决策分析。

系统在GIS软件平台基础上，预测结果要有较
高可信度，以达到预防水害的目的。

2 系统设计
2.1 煤矿水害主控因素分析
煤矿水害的发生，主要是由于采动破坏导致煤层上覆岩层导水断裂带贯穿隔水层，使上覆含水层水溃入矿井，或者由于底板隔水层破坏使底部承压含水层水突入矿井等而造成的，其影响因素众多。

充水含水层是煤矿水害发生的直接影响因素［4］，主要考虑充水含水层的水压力、富水性及渗透性。

开采区域主要隔水层的稳定性及其防突能力，主要考虑隔水岩段沉积岩总厚度、岩石物理力学参数、关键隔水层所处的位置。

地质构造对煤矿水害也有重要影响，主要包括断层构造的水力性质、分布密度、规模及其充填发育情况等，褶皱构造的褶皱轴密度、埋深，岩溶陷落柱等。

采动破坏是导致煤矿水害发生的人为因素，包括工作面布置情况，如工作面长度、开采高度及深度，开采方法与工艺，煤层倾角，以及由于采动破坏引起的导水断裂带高度等。

充水含水层是煤矿水害发生的基础条件，地质构造是关键因素，采动破坏是诱发因素。

若要使预测结果有较高可信度，就要充分考虑各个主控因素，其所需要的地质数据信息量是巨大的。

煤矿水害信息管理系统是以GIS为软件平台，
以解决煤矿水害主控因素信息处理及决策支持相关的专题应用型信息系统。

该系统从空间地质数据信息的获取、查询和决策分析入手，提供煤矿水害的动态和实时预测分析。

2.2 系统总体结构设计
本系统主要针对煤矿水文地质部门，利用先进的GIS技术和计算机技术，采用统
一的数据模式、软件设计标准，其总体结构如图1所示。

图1 煤矿水害预警系统总体结构设计框图
2.3 系统功能模块设计
煤矿水害预警系统主要有数据输入与编辑子系统、信息查询与检索子系统、空间数据可视化子系统、水害预测子系统、水害防治预案子系统［5-11］。

1)数据输入与编辑子系统。

该子系统可输入各种类型的数据信息，包括文字、图形等数据，存储于数据库系统Access 2003中，等待后续计算随时调用。

通过建立
数据库，可方便实时更新影响煤矿水害发生的各个因素数据，在煤矿开采中，用户可以随时修改及编辑各类数据，保证预测结果有较高可靠度。

2)信息查询与检索子系统。

GIS系统中的MIS可以对空间数据进行准确的查询与
定位，可实现空间数据库中各种类型的数据查询，使用户能随时调阅研究空间数据。

3)空间数据可视化子系统。

该子系统负责显示数据库中的文字、图像等数据，以及预测结果评价等，能直观、全面地反映煤矿水害可能发生的区域等。

4)水害预测子系统。

该子系统能根据输入的数据，以GIS为基础平台，根据设计
好的程序进行多因素综合预测。

要提高预测结果的可靠性，就需要大量的历史数据作为参考，并根据当前开采数据进行综合预测，预测结果通过可视化系统直观地显示给用户，为用户提供参考。

5)水害防治预案子系统。

该子系统根据水害预测子系统，调用数据库中历史防治措施，并综合多种防治措施提供几种最优防治方案，供用户选择或作为参考。

3 系统实现技术路线
煤矿水害预警系统需要存储多种海量数据，有图片格式、矢量图形等，以及GIS
数据文件，因此选用Access 2003作为存储数据库，同时其也具备和其他格式数
据相互转换的功能。

软件开发采用VB+Arcgis的开发模式，结合GIS系统工具并对其进行二次开发。

既能利用GIS工具对数据库进行管理分析，又可利用其强大
的可视化输出功能对预测结果进行可视化输出，方便用户管理分析。

系统实现的技术路线如图2所示。

图2 煤矿水害预警系统实现的技术路线图
4 系统应用
禹州市春风煤业有限公司位于禹州市鸠山乡大潭沟村，井田范围内分布有1条季
节性天然河流，河水补给主要来自于雨水、本矿及上游煤矿排水。

由于煤矿为整合小矿井，所剩余煤炭资源不多，井田深部部分拟开采工作面位于小河流的下方，属于地表水体下开采。

本区煤系中含水层主要有寒武系石灰岩含水层、石炭系太原组石灰岩含水层、二叠系山西组砂岩含水层、二叠系下石盒子组砂岩含水层和第四系松散层含水层。

根据研究区内工程地质水文地质条件以及开采条件，可确定研究区主要矿井水害为煤层底板承压含水层突水，可得研究区内影响煤层底板突水因素如煤层底板抗压强度、断层构造、承压含水层水压等图像及数据资料，并输入系统，根据系统中的历史数据，先建立基于熵权的数学模型，以GIS为软件平台对每个
因素进行分析，获得单因素专题图，应用GIS的空间分析功能对其进行多因素空
间加权叠加评价分析，并根据大量历史经验数据对预测结果进行修正，最后获得研究区的预测结果图，见图3。

图3 多因素预测结果图
在区域1，由于其地质、开采条件比较好，受到采动破坏不会发生突水灾害，而在其他区域，特别是区域6，此区域由于断层构造较复杂，开采过程中底板破坏严重，
水压较高等原因，通过多因素分析，并根据历史经验数据，此区域在开采过程中可能会发生突水灾害，应该采用疏水降压、注浆等措施，以防止突水灾害的发生［12-15］。

5 结语
利用 GIS强大的空间分析处理功能，采用VB+Arcgis的开发模式使煤矿水害预警系统具有良好的界面，且系统处理速度快，性能较高。

由于大量历史经验数据的辅助修正，且系统应用可针对具体区域的水文地质、工程地质及开采条件，可实现对煤矿水害影响数据的有效管理，并在此基础上利用海量的数据与正确可靠的数学模型相结合，实现煤矿水害的预警，降低煤矿水害损失。

该系统应用效果良好，可为煤矿水害预测提供科学的决策依据。

参考文献:
［1］左人宇，龚晓南，桂和荣.多因素影响下煤层底板变形破坏规律研究［J］.东北煤炭技术，1999(5):3-7.
［2］李家祥.原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的关系［J］.煤田地质与勘探，2000，28(4):47-49.
［3］汤国安，陈正江，杜牡丹，等.ArcView地理信息系统空间分析方法［M］.北京:科学出版社，2002.
［4］樊红，翟建军.ArcView GIS应用与开发技术［M］.武汉:武汉大学出版社，2003.
［5］彭苏萍.深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势［J］.煤，2008，17(2):6.
［6］(波)M·鲍莱茨基，M·胡戴克.矿山岩体力学［M］.于振海，刘天泉，译.北京:煤炭工业出版社，1985.
［7］李白英.采动矿压与底板突水的研究［J］.煤田地质与勘探，1986(6):30-36.
［8］许家林，朱卫兵，王晓振.松散承压含水层下采煤突水机理与防治研究［J］.
采矿与安全工程学报，2011，28(3):333-339.
［9］于保华.高水压松散含水层下采煤关键层复合破断致灾机制研究［D］.徐州:
中国矿业大学，2009.
［10］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定［S］.
北京:煤炭工业出版社，2009.
［11］邢会安，卢全生，原连成.九里山矿西部水大原因分析及对策［J］.中国煤
炭地质，2008，20(11):30-33.
［12］巫显钧.同华煤矿三区小窑积水的防治方案探讨［J］.中国煤炭地质，2009，21(1):39-42.
［13］王心义，徐涛，黄丹.距离判别法在相似矿区突水水源识别中的应用［J］.
煤炭学报，2011，36(8):1354-1358.
［14］陈陆望，桂和荣，李一帆.UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水
煤柱覆岩突水可能性［J］.水文地质工程地质，2007(1):53-56.
［15］Y.S.Yang，Y.H.Der.On the solutions of modeling a slug test performed in a two-zone confined aquifer［J］.Hydrogeology Journal，2007，15:297-305.。