煤矿采空区综合勘探三维信息管理系统研究

煤矿采空区综合勘探三维信息管理系统研究

王海军

【摘要】采空区是我国煤矿发生灾害的主要灾源之一,如何对采空区进行有效管理成为一个重要的研究方向.在采空区综合勘探的基础上,建立数据仓库集中存储各种

报告文档和勘查成果图纸,建立采空区三维地质体模型,通过ActiveX插件技术实现三维模型和属性信息的远程在线浏览和管理,实现“市煤炭局—县/区煤炭局—煤矿”多级用户信息共享和数据交互的一体化监管,提升煤矿安全生产水平.

【期刊名称】《中州煤炭》

【年(卷),期】2018(040)011

【总页数】6页(P99-104)

【关键词】采空区;三维地质建模;信息系统;C/S架构;B/S架构

【作者】王海军

【作者单位】榆林市能源局安全科,陕西榆林719000

【正文语种】中文

【中图分类】TP325;TP399

0 引言

前些年，煤炭资源整合煤矿兼并重组持续进行，整合了许多地方小煤矿，因为很多小煤矿无规划开采，开采过的区域不确定，导致大量隐性采空区的存在。整合后的矿井复工并进行投产，采空区、采空区积水以及其他水害危害问题会逐渐显现。采

空区灾害不仅可能引发严重的地质灾害问题，而且对周边煤矿产生重大隐患，既对当地人民生命财产安全构成了严重威胁，也对当地的生态环境产生严重影响，已成为社会不稳定的主要因素之一[1]。

当前，不明采空区的存在已经成为制约煤矿发展的一个重要难题[2]。不明采空区

的形成主要原因是没有对煤矿中采空区进行有效的管理[3]，由于采空区管理人员

变动或其他原因，大量的采空区资料丢失，同时，也没有及时进行资料更新[4]。

为了摸清这些不明采空区，煤矿企业不惜花费巨大成本。因此，建立煤矿采空区综合信息管理机制，定期对煤矿采空区进行检查、维护、更新是迫切需要的[5-6]。

随着三维数字矿山技术和地理信息技术的不断发展，基于B/S 结构的网页端信息

管理系统由于其易用性、综合性、多样性等特点，成为采空区信息化管理工具的最佳选择。本文采用“市煤炭局—县/区煤炭局—煤矿”多级协同交互一体化的思想，建设了煤矿采空区综合勘探三维信息管理系统[7-9]。市煤炭局作为整个区域的监

管部门，搭建云服务数据中心。煤矿企业作为数据上传终端，进行煤矿三维地质建模及更新，并上传生产数据。煤炭局用户直接在网页上浏览二维图纸、三维模型，实现远程在线浏览和管理[10-15]。

1 系统设计思路

1.1 需求分析

根据各市/县/区煤炭局、各煤矿企业对采空区在生产管理中的需要，主要需求：(1)在权限管理上，用户获取授权才能进入系统操作。系统用户主要包括系统维护

管理用户、市煤炭局用户、县/区煤炭局用户、煤矿企业用户等。在权限范围内，

用户可以对该煤矿的所有采空区对象、属性信息、采空区资料等进行增、删、改操作；此外，还可以对三维模型进行编辑、上传、浏览等。

(2)服务器配置与服务器安全保障，数字上传、下载过程中的数据加密需求。

在主要模块构成上，根据用户对采空区管理的特点，主要完成以下几个部分的操作。

①用户管理：用户基本信息等。②采空区文档资料管理：包括采空区相关物探报告、物探成果图等。③采空区三维模型数据管理：主要是对采空区三维可视化展示，并可以平移、缩放、旋转、改变视角和颜色等，采空区模型数据远程上传和本地下载。

④用户身份检验功能：判断用户权限，主要包括登录信息判断。⑤系统主要页面：提供系统各个模块的分层接口，提供各模块标准统一的设计界面。

1.2 总体设计

系统采用4层结构即数据层、服务层、网络层、应用层[13]。其结构如图1所示。

(1)数据层。主要存储地质数据、测量数据、生产监测数据、文件数据。

(2)服务层。主要是三维地质建模、勘探相关文件数据存储及发布管理、空间分析等。

(3)网络层。该系统可在广域网和局域网使用，但为了安全起见，建议部署在当地

煤炭专网中。

(4)应用层。包含中心信息共享管理平台、地质模型三维可视化及分析预警系统、

三维地质图件的发布和远程管理系统。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall architecture of the system

1.3 数据库设计

采空区综合勘探信息管理系统开发过程中，非常关键的环节就是采空区数据库的应用。数据库中包含了采空区对象及所有需要展示的信息数据。由于数据库的权限设计和安全性能因素非常重要，该系统选用SQL Server R2 2008数据库。在系统数据库设计中，为了提高稳定性、安全性，对数据库读取、更新、修改、用户权限的设置等所有操作，应该尽可能地以存储过程的方式保存；此外，数据库代码的可重用性应充分利用，便于维护。

设计系统报表时，应根据设计好的数据结构、系统的基本数据、数据处理的流程，并在需求分析和总体设计原则等基础上设计。系统的数据表主要包含：①用户信息

表。用户名称、用户所属单位、用户账号、用户密码。②煤矿信息表。煤矿编号、名称、联系电话、负责矿长、简介等。③采空区信息表。采空区名称、编号、采空面积等。⑤掘进头信息表。掘进头编号、所属煤矿编号、掘进面长度。⑥预警信息表。预警掘进头编号、所属煤矿编号、预警对象ID、预警等级。

2 系统关键技术

2.1 三维大场景渲染及缓存技术

(1)三维大场景数据渲染。3D大场景渲染是三维系统开发的难点内容。计算机图形学和计算机图像处理相关技术可广泛应用于很多领域，如虚拟游戏、三维GIS等。随着硬件GPU计算能力的不断提高，对渲染场景的规模和渲染效果提出了更高的要求。针对三维模型中的地质体和巷道等数据，把一些计算任务分配给GPU来计算，减小CPU的计算压力，提升渲染性能。同时，利用计算机图形学的Tessellation细分曲面技术，在GPU中对地质体曲面进行插值细分，使渲染出来

的曲面更光滑、更精细，并且不影响渲染速度。

(2)模型远程访问本地缓存技术对于在线浏览三维模型，受限于网络的带宽约束，

加载速度会比较慢。本文采取本地缓存技术，即煤矿端不更新模型，本地就不从服务器更新下载，展示本地缓存的模型数据，能够快速加载显示，提升用户体验。具体来说，设计一个数据库表，每次煤矿用户在客户端更新后，记下操作时间。当用户从网页端访问时，获取数据库中记录的更新时间与本地的缓存文件对比，如果时间不一致则从服务器下载更新；如果是一致的，则直接加载本地数据模型，不需要从服务器下载。

2.2 煤矿高精度三维地质模型构建

综合利用各种钻探、物探等数据，建立钻孔、标志层、煤层、断层、采空区、积水区、物探推断异常区、巷道等三维模型。建立三维地质模型，一方面是为了更直观地对矿井空间实体进行可视化展示，直观了解矿井生产情况；另一方面，更重要的