一种基于GIS技术的煤矿突水预警方法与流程

本发明涉及一种煤矿井下突水预测系统，具体地是一种基于GIS技术实现对煤矿突水的预测系统。

背景技术：

我国煤矿水害预防较多停留在人工经验治水的水平上，具有一定的人为主观性，缺乏计算机辅助决策的煤矿突水预测系统，不利于直观、有效的进行煤矿突水预测。现有的一些系统的研究则侧重于基本功能模块的搭建，在一定程度上提高了生产效率，但未加入科学预警模型的研究与实现，未有实质性研究突水预警的问题，并将其提高到大数据聚类分析的科学研究层面上。在突水蔓延的研究方面，目前采用最新的方法是Lattice Boltzmann Method(LBM)，但到目前为止仍没有关于井下任意角度多巷道耦合情况的水害漫延趋势开展相关系统及其水害预测评价集于一体的综合性水害防治预警系统。

李忠建、魏久传等人在《煤矿安全》期刊上公开发表了《煤层底板突水危险性预测系统开发与应用》，研究了为迅速预测煤层底板突水危险性，开发煤层底板突水危险性预测系统。以突水系数法和模糊聚类法为理论基础，使用VB设计语言为开发平台，结合Access数据库和Matlab软件，开发预测软件，对突水危险性进行分区评价。但是其系统该模型的建立基于历史地图信息，缺乏实时更新的数据的输入，不能应对井下突发情况的预测预报，也不能对已发生的突水情况进行及时的漫延分析，实用性不强。

黄国军在《中国煤炭地质》期刊上公开发表了《基于GIS的矿井水害预测系统研究》，分析矿井突水影响因素的基础上，应用信息化手段集成GIS组件技术创建了突水影响因素集成库，实现了突水点预测、突水危险性分区、区域预测和顶板突水预测。但是该模型没有实现现场数据采集、存储和传输的接口，缺乏突水预测的实时性、及时性，也缺乏应用科学的预测方法对突水数据分析和预测。同时，没有形成突水漫延模块，对突水发生后不能提供有效地逃生方案。

乔伟、官云章等人公开发明了《煤矿突水灾害预警方法和装置》，该方法是根据开采煤层特征，将开采区域分为开采煤层、监测层和预警层，在预警层施工监测孔，安装预警装置，同时监测水压、水质和水温数据。预警装置包括传感装置和电源存储报警装置，电源存储报警装置包括用于处理数据的处理器。而本发明包含的数据库服务器用于存储大量传感器终端实时采集的数据，服务器独立运行，极大提高了系统的运行效率。而且本发明的系统利用了多个PC机，处理的数据量级更高、更快，能够实现快速响应预警。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于GIS技术的煤矿突水预测系统，通过对煤矿井下任意角度多巷道耦合进行数值模拟，实现对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观快速显示并预测报警。

上述目的是通过以下技术措施实现的。

一种基于GIS技术的煤矿突水预测系统，所述系统包括：

一个或多个无线传感器终端和一个或多个人工PC机输入端，用于传输实时监测和人工测量、计算开采现场地质信息；

地理信息系统GIS子系统；以及

数据库服务器，所述数据库服务器与所述的一个或多个无线传感器终端和所述一个或多个人工PC机输入端连接，以存储传感器位置坐标信息、隔水层承水压信息、隔水层厚度、断裂构造、开采深度以及矿井采掘平面地图信息；

所述GIS子系统是用于向数据库请求实时更新的上述信息同步加载到空间图层中，实现与数据库服务器的同步；

其中，所述GIS子系统还用于将矿井动态信息和现场地质信息制成采掘平面图层形式展现到一个或多个客户端；

所述一个或多个客户端用于同步接收来自数据库服务器的图表数据和GIS子系统返回的空间图层信息，一个或多个客户端共享信息，及时跟更新下实时情况。

上述方案中，进一步的附加技术特征如下。

所述一个或多个无线传感器终端和所述一个或多个人工PC机输入端定期向数据库服务器更新数据。

所述一个或多个客户端只有向数据库服务器或GIS子系统发出请求，才能获得矿井相关地质信息。

所述数据库服务器具有筛选、提取有用信息功能，并针对无线传感器终端传输数据的单总线格式提取有效数据。

所述数据库服务器接收的传感器位置坐标信息、隔水层承水压信息、隔水层厚度、断裂构造、开采深度可以存储为属性信息，或传输到所述的GIS子系统，与空间信息一对一反映到矿井采掘平面地图中。

上述技术方案对比现有技术，其有益效果在于本系统可根据煤矿井下实时数据并利用巷道图层，水文地质的历史数据建立突水预警模型进而集成为功能模块，然后调用系统模块实施动态评估与风险预测，最终生成基于GIS技术的突水预警应急方案，为指挥人员提供决策支持组织调配应急力量。本发明使矿井水文地质数据系统组合模块，使得矿井防治水工作由定性到定量，由经验到科学，变被动为主动，为煤矿提供一个解决煤矿水害问题的人机智能交互环境，使煤矿在掌握一定矿井水文地质资料和系统操作方法后，能够方便的利用系统功能进行高效率的计算、分析、推理、决策和更新设计，从而提升煤矿安全生产水平。突水蔓延技术采用多巷道任意角度耦合的LBM模型，该模型能在较少的计算资源条件下对多个巷道的耦合进行数值模拟，并可对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示。该系统具有矢量化、动态化、智能化的特点。

附图说明

图1是本发明的一种基于GIS技术的煤矿突水预警系统模块图。

图2是本发明的一种煤矿突水预警系统关键技术图。

图3是本发明的一种先将煤矿巷道分块，划分网格，再耦合的技术图。

图4是本发明的一种将两个巷道采用单独划分网格的技术，在巷道交叉处出现点不对应的情况图。

图5是本发明的一种两个巷道耦合边界节点的一般情况图。

图中：1：主巷道；2：支巷道。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案特点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

如图1所示，实施上述本发明所提供的一种基于GIS技术的煤矿突水预测系统的技术方案，是在.NET Framework框架上采用Visual C#.net编程语言建立客户机/服务器C/S架构，其系统关键技术如附图2所示。

数据库服务器端用SQL SERVER建立煤矿突水预警系统数据库，数据库包括水文地质基础数据库、突水影响因素集成库、防治水结果库，数据库资料类型包括word、Excel、mxd、shp、CAD，利用ADO.NET数据库访问技术连接前端客户机。

客户机端采用C#语言实现系统界面搭建和功能实现，功能模块包括用户管理模块、信息管理模块，后端连接数据库服务器，提供数据来源。

GIS子系统平台嵌入ArcGIS组件，实现功能模块包括图片格式转换模块、涌水异常标记模块、专题图设计模块、缓冲分析模块、突水预警模块和突水蔓延模块。

矿井CAD图纸导入GIS子系统之前需转换为shapefile文件，以方便其他模块调用。CAD图形数据中存放自定义字典扩展属性里的属性表数据，在转换成相应的GIS数据时，需要对存放在空间实体中的属性数据信息进行读取和匹配相应的属性字段名。利用CAD转换接口实现空间图形和属性的转换，然后转入煤矿防治水空间数据库中。

CAD图纸转换后的矢量数据、栅格数据、属性数据中再提取突水相关要素，包括岩层完整性、开采深度、隔水层水压、隔水层厚度、开采破坏深度、标高、终孔深度，借助GIS空间分析模块可生成各个突水要素专题图，以分析这些因素的影响效果。

提取出的空间数据、属性数据、时态数据存于水文地质基础数据库；提取的突水关键要素包括岩层完整性、开采深度、隔水层水压、隔水层厚度、开采破坏深度、标高、终孔深度信息存于突水影响因素集成库。

数据库服务器建立了多种数据库以满足系统需求，包括：水文地质基础数据库、突水影响因素集成库和防治水结果库。

水文地质基础数据库存放GIS图形数据，突水影响因素集成库为SQL SERVER中建立的数据表类型的数据库，防治水结果库既包括GIS图形数据也包括SQL SERVER数据库表。GIS图形数据是通过ArcSDE空间数据引擎存储到数据库服务器中。

格式转换模块可根据数据库表格建立GIS数据，设置X、Y坐标来源，即从Excel表格添加字段。从Excel选择哪两列的数据作为X、Y坐标，并在界面上设置，选择输出的路径，即可将Excel转化为GIS结果图。

利用SQL Server数据库建立文件记录、钻孔资料、矿井地质资料的多个关系表，数据管理模块通过调用ADO.NET数据访问的各类来管理数据库表。

涌水异常标记模块用于进行信息异常要素标注。当数据库服务器传输的数据异常或大于阈值时，利用SQL语言在GIS图层中及时标记，根据用户的不同需求，自行标注不同的内容。

突水信息专题图设计模块根据标注的异常要素信息，结合防治水资料的历史数据，以饼状图、柱状图或条形图的形式将要素的横向和纵向对比直观表现出来，揭示数据中隐含的关系特征。

要素缓冲区分析模块根据预警模块得出的突水位置信息，结合实际经验分析出突水的关键影响因素，设置缓冲距离，得出水害发生后的影响区域。根据井下巷道布置特点，分别实现面缓冲、点缓冲、线缓冲三种缓冲区分析，根据实际情况中主体对邻近对象作用特征的差异，确定相对应的分析模型为线性模型、二次模型或指数模型，为矿井避灾工作提供科学的依据。

突水预警模块利用突水系数法和CART算法建立预测模型。

突水蔓延模块利用LBM算法建立漫延模型。

本系统工作关系如下：当实时收集的井下地质参数异常时，利用异常标注模块自动高亮显示，提醒工作人员密切关注该区域各参数；在系统水文地质基础数据库中自动查找该区域历史数据，制作这些异常信息的专题图，对该区域内历史数据和其他类别信息分别进行横向和纵向对比，以图形化形式显示出来，用于决策者在决策时给予参考。

当某一区域具有突水可能性时，将工作面返回的数据输入到突水预警平台，突水预警模块中集成的预测模型根据实时输入的参数反馈出预测结果，预测结果结合GIS地形数据库中的空间位置信息反应到地质图当中，并将此次的预测结果自动存放于防治水结果库中。当地图中的危险区域的预测结果为突水可能性较大或已经发生突水时，则利用缓冲分析模块分析出此次突水会影响到哪些区域，使工作人员做好防范措施。已经发生水害时，根据井下巷道空间信息和巷道走向，利用突水漫延模块制定相应的逃生路径，最大可能保证井下人员的生命安全。

突水预警模块由两个接口组成。采用的突水系数法和CART算法分别利用混合编程技术编写成C#接口，然后集成到模块中，模块的交互界面输入岩层完整性、开采深度、隔水层水压、隔水层厚度、开采破坏深度、标高、终孔深度这些参数，模块内部调用接口输出结果。

混合编程是在MATLAB中将算法文件集成为动态链接库，在VS编译器加载这个动态链接库后，算法可被平台调用，实现了特定应用功能算法模型的移植，方便系统功能扩充。

突水系数法模型参数设置为：岩层是否有断层选择、关键参数设置隔水层承受的水压、底板隔水层厚度，右侧为得出的突水系数结果和安全级别。利用公式计算突水系数。若有断层或陷落柱，则不大于0.06MPa/m为安全，正常块段不大于0.15MPa/m为安全。

CART算法采用一种二分递归分割的技术，将矿井数据的样本集分为突水和安全两个子样本集，使得生成的的每个非叶子节点都有两个分支，最大程度的区分突水、安全两类样本，判别具有良好的实用性和有效性。

系统可以根据采集的参数不同，选择一种或两种模型进行预测，并可以将预测的结果进行对比。

突水蔓延模块采用LBM中应用最广泛的D2Q9模型进行实现。速度离散化的LBGK方程可以表示为，

其中，离散方向的取值为0，1，2，....8；是时间，是平衡态分布函数，τ是松弛时间，也被称为弛豫时间，可用来描述粒子两次碰撞的平均时间间隔。

把该方程看作是特殊的差分离散方程，对式子中的每一项采用适当的差分格式，并取时间步长△t等于空间步长△x，就可以得到标准的完全离散化的lattice Boltzmann-BGK方程，

其中是无量纲的弛豫时间（）。

采用D2Q9模型进行模拟实现，该模型的平衡态分布函数可以表示为，

其中，为格子声速（）。为了恢复宏观方程，平衡态分布函数需满足下列矩方程：

由这三个矩方程以及平衡态分布函数可得，。当ι为0，选取为；当为1~4，选取为；当为5~8，选取为。

在D2Q9中，密度ρ不再是常数，它的计算公式如下：

宏观速度u和宏观压力p的计算公式为，

针对煤矿井下巷道错综复杂情况，先以平面两个巷道任意角度为夹角的情况为例，构建巷道的耦合模型。采用先把巷道进行分块，再划分网格的方法（如图3所示），其中图中的1和2为两个巷道的标号。

采用两个巷道不统一的坐标系划分方法，即主巷道1和支巷道2采用不同的坐标系。这种划分法的优点是巷道的其余边界数据计算比较简单，且不会随着角度的变化造成计算资源的浪费；

图4为采用这种划分法对夹角为θ的两个巷道所划分的网格，可以看到在耦合边界AB段上，边界网格点出现了不一致的情况。根据边界的唯一性原则，为使得数据尽可能地准确传递，包括以下几个步骤：

1）根据坐标变换(park变换)选取巷道2耦合边界附近的所有点。

如果原坐标轴上一点坐标为，经过坐标变换，在新坐标轴上的坐标位置就是，其中为变换矩阵，变换矩阵如下：

选取巷道1的坐标系为，其中的正向为沿着巷道1的方向，的正向为垂直于正向。同理，取巷道2的坐标系为，其中的正向为沿着巷道2的方向，的正向为垂直于正向，O点为两个坐标系的公共坐标原点。通过坐标变换把坐标系上的某一点转换到坐标系中，与耦合边界AB直线进行比较，可确定该点属于AB直线哪一侧。

2）对边界附近的点进行筛选设巷道1耦合边的点用A，B，C来表示(其中A，B为边界点，C代表其他点)。同理，设巷道2耦合边的点用a，b，c来表示（其中a，b为边界点，c代表其他点）。

对于巷道2，位于直线AB下方的点也存在于巷道1中，所以首先应舍去这些点。其次在剩余点中，选取到耦合边界的直线的距离d小于等于的网格节点（因为距离大于该值的点必定有相邻的点更接近耦合边界）（如图5所示）。其中，θ为两个巷道的夹角，△x为网格的步长。

3）完成对这些点的赋值

对边界节点a、b处理是采用分块耦合算法完成赋值。对于c点的处理是选取距离c点最近的ab线段上（巷道1）的节点（如果出现两个相同距离的点，则取平均值），对于巷道1的C点来说，耦合边界的密度分布函数未知。根据边界唯一性，可以通过巷道2的对应的c点完成该赋值，即，=4，7，8。同理，对于巷道2的耦合边界c点的未知密度分布函数，可通过巷道1的对应点完成赋值，即，=2，5，6。

至此，两个巷道任意角度耦合的模型搭建完成。对于多巷道耦合的情况，采用两两耦合的模型，这里不再具体描述。

4）最后输出计算结果，用GIS软件进行结果可视化是运用GIS技术将该方法计算得出的平面多个巷道的突水速度和压力结果制成属性信息表，与历史巷道空间信息，共同加载到突水漫延图层。上述方法得出的速度，用来模拟巷道水流向前推移，结合巷道地理位置因素，在巷道岔口出得到巷道在哪条路径漫延，并最终反映到漫延结果GIS图中。