本發(fā)明涉及一種煤礦井下突水預(yù)測系統(tǒng)，具體地是一種基于GIS技術(shù)實現(xiàn)對煤礦突水的預(yù)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國煤礦水害預(yù)防較多停留在人工經(jīng)驗治水的水平上，具有一定的人為主觀性，缺乏計算機(jī)輔助決策的煤礦突水預(yù)測系統(tǒng)，不利于直觀、有效的進(jìn)行煤礦突水預(yù)測。現(xiàn)有的一些系統(tǒng)的研究則側(cè)重于基本功能模塊的搭建，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，但未加入科學(xué)預(yù)警模型的研究與實現(xiàn)，未有實質(zhì)性研究突水預(yù)警的問題，并將其提高到大數(shù)據(jù)聚類分析的科學(xué)研究層面上。在突水蔓延的研究方面，目前采用最新的方法是Lattice Boltzmann Method(LBM)，但到目前為止仍沒有關(guān)于井下任意角度多巷道耦合情況的水害漫延趨勢開展相關(guān)系統(tǒng)及其水害預(yù)測評價集于一體的綜合性水害防治預(yù)警系統(tǒng)。

李忠建、魏久傳等人在《煤礦安全》期刊上公開發(fā)表了《煤層底板突水危險性預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用》，研究了為迅速預(yù)測煤層底板突水危險性，開發(fā)煤層底板突水危險性預(yù)測系統(tǒng)。以突水系數(shù)法和模糊聚類法為理論基礎(chǔ)，使用VB設(shè)計語言為開發(fā)平臺，結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫和Matlab軟件，開發(fā)預(yù)測軟件，對突水危險性進(jìn)行分區(qū)評價。但是其系統(tǒng)該模型的建立基于歷史地圖信息，缺乏實時更新的數(shù)據(jù)的輸入，不能應(yīng)對井下突發(fā)情況的預(yù)測預(yù)報，也不能對已發(fā)生的突水情況進(jìn)行及時的漫延分析，實用性不強(qiáng)。

黃國軍在《中國煤炭地質(zhì)》期刊上公開發(fā)表了《基于GIS的礦井水害預(yù)測系統(tǒng)研究》，分析礦井突水影響因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息化手段集成GIS組件技術(shù)創(chuàng)建了突水影響因素集成庫，實現(xiàn)了突水點(diǎn)預(yù)測、突水危險性分區(qū)、區(qū)域預(yù)測和頂板突水預(yù)測。但是該模型沒有實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸?shù)慕涌冢狈ν凰A(yù)測的實時性、及時性，也缺乏應(yīng)用科學(xué)的預(yù)測方法對突水?dāng)?shù)據(jù)分析和預(yù)測。同時，沒有形成突水漫延模塊，對突水發(fā)生后不能提供有效地逃生方案。

喬偉、官云章等人公開發(fā)明了《煤礦突水災(zāi)害預(yù)警方法和裝置》，該方法是根據(jù)開采煤層特征，將開采區(qū)域分為開采煤層、監(jiān)測層和預(yù)警層，在預(yù)警層施工監(jiān)測孔，安裝預(yù)警裝置，同時監(jiān)測水壓、水質(zhì)和水溫數(shù)據(jù)。預(yù)警裝置包括傳感裝置和電源存儲報警裝置，電源存儲報警裝置包括用于處理數(shù)據(jù)的處理器。而本發(fā)明包含的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲大量傳感器終端實時采集的數(shù)據(jù)，服務(wù)器獨(dú)立運(yùn)行，極大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。而且本發(fā)明的系統(tǒng)利用了多個PC機(jī)，處理的數(shù)據(jù)量級更高、更快，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)預(yù)警。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于GIS技術(shù)的煤礦突水預(yù)測系統(tǒng)，通過對煤礦井下任意角度多巷道耦合進(jìn)行數(shù)值模擬，實現(xiàn)對虛擬巷道模型每點(diǎn)的宏觀速度進(jìn)行直觀快速顯示并預(yù)測報警。

上述目的是通過以下技術(shù)措施實現(xiàn)的。

一種基于GIS技術(shù)的煤礦突水預(yù)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

一個或多個無線傳感器終端和一個或多個人工PC機(jī)輸入端，用于傳輸實時監(jiān)測和人工測量、計算開采現(xiàn)場地質(zhì)信息；

地理信息系統(tǒng)GIS子系統(tǒng)；以及

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，所述數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與所述的一個或多個無線傳感器終端和所述一個或多個人工PC機(jī)輸入端連接，以存儲傳感器位置坐標(biāo)信息、隔水層承水壓信息、隔水層厚度、斷裂構(gòu)造、開采深度以及礦井采掘平面地圖信息；

所述GIS子系統(tǒng)是用于向數(shù)據(jù)庫請求實時更新的上述信息同步加載到空間圖層中，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的同步；

其中，所述GIS子系統(tǒng)還用于將礦井動態(tài)信息和現(xiàn)場地質(zhì)信息制成采掘平面圖層形式展現(xiàn)到一個或多個客戶端；

所述一個或多個客戶端用于同步接收來自數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的圖表數(shù)據(jù)和GIS子系統(tǒng)返回的空間圖層信息，一個或多個客戶端共享信息，及時跟更新下實時情況。

上述方案中，進(jìn)一步的附加技術(shù)特征如下。

所述一個或多個無線傳感器終端和所述一個或多個人工PC機(jī)輸入端定期向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器更新數(shù)據(jù)。

所述一個或多個客戶端只有向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或GIS子系統(tǒng)發(fā)出請求，才能獲得礦井相關(guān)地質(zhì)信息。

所述數(shù)據(jù)庫服務(wù)器具有篩選、提取有用信息功能，并針對無線傳感器終端傳輸數(shù)據(jù)的單總線格式提取有效數(shù)據(jù)。

所述數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接收的傳感器位置坐標(biāo)信息、隔水層承水壓信息、隔水層厚度、斷裂構(gòu)造、開采深度可以存儲為屬性信息，或傳輸?shù)剿龅腉IS子系統(tǒng)，與空間信息一對一反映到礦井采掘平面地圖中。

上述技術(shù)方案對比現(xiàn)有技術(shù)，其有益效果在于本系統(tǒng)可根據(jù)煤礦井下實時數(shù)據(jù)并利用巷道圖層，水文地質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)建立突水預(yù)警模型進(jìn)而集成為功能模塊，然后調(diào)用系統(tǒng)模塊實施動態(tài)評估與風(fēng)險預(yù)測，最終生成基于GIS技術(shù)的突水預(yù)警應(yīng)急方案，為指揮人員提供決策支持組織調(diào)配應(yīng)急力量。本發(fā)明使礦井水文地質(zhì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)組合模塊，使得礦井防治水工作由定性到定量，由經(jīng)驗到科學(xué)，變被動為主動，為煤礦提供一個解決煤礦水害問題的人機(jī)智能交互環(huán)境，使煤礦在掌握一定礦井水文地質(zhì)資料和系統(tǒng)操作方法后，能夠方便的利用系統(tǒng)功能進(jìn)行高效率的計算、分析、推理、決策和更新設(shè)計，從而提升煤礦安全生產(chǎn)水平。突水蔓延技術(shù)采用多巷道任意角度耦合的LBM模型，該模型能在較少的計算資源條件下對多個巷道的耦合進(jìn)行數(shù)值模擬，并可對虛擬巷道模型每點(diǎn)的宏觀速度進(jìn)行直觀顯示。該系統(tǒng)具有矢量化、動態(tài)化、智能化的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于GIS技術(shù)的煤礦突水預(yù)警系統(tǒng)模塊圖。

圖2是本發(fā)明的一種煤礦突水預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)圖。

圖3是本發(fā)明的一種先將煤礦巷道分塊，劃分網(wǎng)格，再耦合的技術(shù)圖。

圖4是本發(fā)明的一種將兩個巷道采用單獨(dú)劃分網(wǎng)格的技術(shù)，在巷道交叉處出現(xiàn)點(diǎn)不對應(yīng)的情況圖。

圖5是本發(fā)明的一種兩個巷道耦合邊界節(jié)點(diǎn)的一般情況圖。

圖中：1：主巷道；2：支巷道。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)方案特點(diǎn)更加清晰，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作出進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，實施上述本發(fā)明所提供的一種基于GIS技術(shù)的煤礦突水預(yù)測系統(tǒng)的技術(shù)方案，是在.NET Framework框架上采用Visual C#.net編程語言建立客戶機(jī)/服務(wù)器C/S架構(gòu)，其系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如附圖2所示。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端用SQL SERVER建立煤礦突水預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、突水影響因素集成庫、防治水結(jié)果庫，數(shù)據(jù)庫資料類型包括word、Excel、mxd、shp、CAD，利用ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)連接前端客戶機(jī)。

客戶機(jī)端采用C#語言實現(xiàn)系統(tǒng)界面搭建和功能實現(xiàn)，功能模塊包括用戶管理模塊、信息管理模塊，后端連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，提供數(shù)據(jù)來源。

GIS子系統(tǒng)平臺嵌入ArcGIS組件，實現(xiàn)功能模塊包括圖片格式轉(zhuǎn)換模塊、涌水異常標(biāo)記模塊、專題圖設(shè)計模塊、緩沖分析模塊、突水預(yù)警模塊和突水蔓延模塊。

礦井CAD圖紙導(dǎo)入GIS子系統(tǒng)之前需轉(zhuǎn)換為shapefile文件，以方便其他模塊調(diào)用。CAD圖形數(shù)據(jù)中存放自定義字典擴(kuò)展屬性里的屬性表數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)時，需要對存放在空間實體中的屬性數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取和匹配相應(yīng)的屬性字段名。利用CAD轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)空間圖形和屬性的轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)入煤礦防治水空間數(shù)據(jù)庫中。

CAD圖紙轉(zhuǎn)換后的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)中再提取突水相關(guān)要素，包括巖層完整性、開采深度、隔水層水壓、隔水層厚度、開采破壞深度、標(biāo)高、終孔深度，借助GIS空間分析模塊可生成各個突水要素專題圖，以分析這些因素的影響效果。

提取出的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時態(tài)數(shù)據(jù)存于水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；提取的突水關(guān)鍵要素包括巖層完整性、開采深度、隔水層水壓、隔水層厚度、開采破壞深度、標(biāo)高、終孔深度信息存于突水影響因素集成庫。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器建立了多種數(shù)據(jù)庫以滿足系統(tǒng)需求，包括：水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、突水影響因素集成庫和防治水結(jié)果庫。

水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫存放GIS圖形數(shù)據(jù)，突水影響因素集成庫為SQL SERVER中建立的數(shù)據(jù)表類型的數(shù)據(jù)庫，防治水結(jié)果庫既包括GIS圖形數(shù)據(jù)也包括SQL SERVER數(shù)據(jù)庫表。GIS圖形數(shù)據(jù)是通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

格式轉(zhuǎn)換模塊可根據(jù)數(shù)據(jù)庫表格建立GIS數(shù)據(jù)，設(shè)置X、Y坐標(biāo)來源，即從Excel表格添加字段。從Excel選擇哪兩列的數(shù)據(jù)作為X、Y坐標(biāo)，并在界面上設(shè)置，選擇輸出的路徑，即可將Excel轉(zhuǎn)化為GIS結(jié)果圖。

利用SQL Server數(shù)據(jù)庫建立文件記錄、鉆孔資料、礦井地質(zhì)資料的多個關(guān)系表，數(shù)據(jù)管理模塊通過調(diào)用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問的各類來管理數(shù)據(jù)庫表。

涌水異常標(biāo)記模塊用于進(jìn)行信息異常要素標(biāo)注。當(dāng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)異常或大于閾值時，利用SQL語言在GIS圖層中及時標(biāo)記，根據(jù)用戶的不同需求，自行標(biāo)注不同的內(nèi)容。

突水信息專題圖設(shè)計模塊根據(jù)標(biāo)注的異常要素信息，結(jié)合防治水資料的歷史數(shù)據(jù)，以餅狀圖、柱狀圖或條形圖的形式將要素的橫向和縱向?qū)Ρ戎庇^表現(xiàn)出來，揭示數(shù)據(jù)中隱含的關(guān)系特征。

要素緩沖區(qū)分析模塊根據(jù)預(yù)警模塊得出的突水位置信息，結(jié)合實際經(jīng)驗分析出突水的關(guān)鍵影響因素，設(shè)置緩沖距離，得出水害發(fā)生后的影響區(qū)域。根據(jù)井下巷道布置特點(diǎn)，分別實現(xiàn)面緩沖、點(diǎn)緩沖、線緩沖三種緩沖區(qū)分析，根據(jù)實際情況中主體對鄰近對象作用特征的差異，確定相對應(yīng)的分析模型為線性模型、二次模型或指數(shù)模型，為礦井避災(zāi)工作提供科學(xué)的依據(jù)。

突水預(yù)警模塊利用突水系數(shù)法和CART算法建立預(yù)測模型。

突水蔓延模塊利用LBM算法建立漫延模型。

本系統(tǒng)工作關(guān)系如下：當(dāng)實時收集的井下地質(zhì)參數(shù)異常時，利用異常標(biāo)注模塊自動高亮顯示，提醒工作人員密切關(guān)注該區(qū)域各參數(shù)；在系統(tǒng)水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中自動查找該區(qū)域歷史數(shù)據(jù)，制作這些異常信息的專題圖，對該區(qū)域內(nèi)歷史數(shù)據(jù)和其他類別信息分別進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ龋詧D形化形式顯示出來，用于決策者在決策時給予參考。

當(dāng)某一區(qū)域具有突水可能性時，將工作面返回的數(shù)據(jù)輸入到突水預(yù)警平臺，突水預(yù)警模塊中集成的預(yù)測模型根據(jù)實時輸入的參數(shù)反饋出預(yù)測結(jié)果，預(yù)測結(jié)果結(jié)合GIS地形數(shù)據(jù)庫中的空間位置信息反應(yīng)到地質(zhì)圖當(dāng)中，并將此次的預(yù)測結(jié)果自動存放于防治水結(jié)果庫中。當(dāng)?shù)貓D中的危險區(qū)域的預(yù)測結(jié)果為突水可能性較大或已經(jīng)發(fā)生突水時，則利用緩沖分析模塊分析出此次突水會影響到哪些區(qū)域，使工作人員做好防范措施。已經(jīng)發(fā)生水害時，根據(jù)井下巷道空間信息和巷道走向，利用突水漫延模塊制定相應(yīng)的逃生路徑，最大可能保證井下人員的生命安全。

突水預(yù)警模塊由兩個接口組成。采用的突水系數(shù)法和CART算法分別利用混合編程技術(shù)編寫成C#接口，然后集成到模塊中，模塊的交互界面輸入巖層完整性、開采深度、隔水層水壓、隔水層厚度、開采破壞深度、標(biāo)高、終孔深度這些參數(shù)，模塊內(nèi)部調(diào)用接口輸出結(jié)果。

混合編程是在MATLAB中將算法文件集成為動態(tài)鏈接庫，在VS編譯器加載這個動態(tài)鏈接庫后，算法可被平臺調(diào)用，實現(xiàn)了特定應(yīng)用功能算法模型的移植，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)充。

突水系數(shù)法模型參數(shù)設(shè)置為：巖層是否有斷層選擇、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置隔水層承受的水壓、底板隔水層厚度，右側(cè)為得出的突水系數(shù)結(jié)果和安全級別。利用公式計算突水系數(shù)。若有斷層或陷落柱，則不大于0.06MPa/m為安全，正常塊段不大于0.15MPa/m為安全。

CART算法采用一種二分遞歸分割的技術(shù)，將礦井?dāng)?shù)據(jù)的樣本集分為突水和安全兩個子樣本集，使得生成的的每個非葉子節(jié)點(diǎn)都有兩個分支，最大程度的區(qū)分突水、安全兩類樣本，判別具有良好的實用性和有效性。

系統(tǒng)可以根據(jù)采集的參數(shù)不同，選擇一種或兩種模型進(jìn)行預(yù)測，并可以將預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行對比。

突水蔓延模塊采用LBM中應(yīng)用最廣泛的D2Q9模型進(jìn)行實現(xiàn)。速度離散化的LBGK方程可以表示為，

其中，離散方向的取值為0，1，2，....8；是時間，是平衡態(tài)分布函數(shù)，τ是松弛時間，也被稱為弛豫時間，可用來描述粒子兩次碰撞的平均時間間隔。

把該方程看作是特殊的差分離散方程，對式子中的每一項采用適當(dāng)?shù)牟罘指袷剑⑷r間步長△t等于空間步長△x，就可以得到標(biāo)準(zhǔn)的完全離散化的lattice Boltzmann-BGK方程，

其中是無量綱的弛豫時間（）。

采用D2Q9模型進(jìn)行模擬實現(xiàn)，該模型的平衡態(tài)分布函數(shù)可以表示為，

其中，為格子聲速（）。為了恢復(fù)宏觀方程，平衡態(tài)分布函數(shù)需滿足下列矩方程：

由這三個矩方程以及平衡態(tài)分布函數(shù)可得，。當(dāng)ι為0，選取為；當(dāng)為1~4，選取為；當(dāng)為5~8，選取為。

在D2Q9中，密度ρ不再是常數(shù)，它的計算公式如下：

宏觀速度u和宏觀壓力p的計算公式為，

針對煤礦井下巷道錯綜復(fù)雜情況，先以平面兩個巷道任意角度為夾角的情況為例，構(gòu)建巷道的耦合模型。采用先把巷道進(jìn)行分塊，再劃分網(wǎng)格的方法（如圖3所示），其中圖中的1和2為兩個巷道的標(biāo)號。

采用兩個巷道不統(tǒng)一的坐標(biāo)系劃分方法，即主巷道1和支巷道2采用不同的坐標(biāo)系。這種劃分法的優(yōu)點(diǎn)是巷道的其余邊界數(shù)據(jù)計算比較簡單，且不會隨著角度的變化造成計算資源的浪費(fèi)；

圖4為采用這種劃分法對夾角為θ的兩個巷道所劃分的網(wǎng)格，可以看到在耦合邊界AB段上，邊界網(wǎng)格點(diǎn)出現(xiàn)了不一致的情況。根據(jù)邊界的唯一性原則，為使得數(shù)據(jù)盡可能地準(zhǔn)確傳遞，包括以下幾個步驟：

1）根據(jù)坐標(biāo)變換(park變換)選取巷道2耦合邊界附近的所有點(diǎn)。

如果原坐標(biāo)軸上一點(diǎn)坐標(biāo)為，經(jīng)過坐標(biāo)變換，在新坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)位置就是，其中為變換矩陣，變換矩陣如下：

選取巷道1的坐標(biāo)系為，其中的正向為沿著巷道1的方向，的正向為垂直于正向。同理，取巷道2的坐標(biāo)系為，其中的正向為沿著巷道2的方向，的正向為垂直于正向，O點(diǎn)為兩個坐標(biāo)系的公共坐標(biāo)原點(diǎn)。通過坐標(biāo)變換把坐標(biāo)系上的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系中，與耦合邊界AB直線進(jìn)行比較，可確定該點(diǎn)屬于AB直線哪一側(cè)。

2）對邊界附近的點(diǎn)進(jìn)行篩選設(shè)巷道1耦合邊的點(diǎn)用A，B，C來表示(其中A，B為邊界點(diǎn)，C代表其他點(diǎn))。同理，設(shè)巷道2耦合邊的點(diǎn)用a，b，c來表示（其中a，b為邊界點(diǎn)，c代表其他點(diǎn)）。

對于巷道2，位于直線AB下方的點(diǎn)也存在于巷道1中，所以首先應(yīng)舍去這些點(diǎn)。其次在剩余點(diǎn)中，選取到耦合邊界的直線的距離d小于等于的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)（因為距離大于該值的點(diǎn)必定有相鄰的點(diǎn)更接近耦合邊界）（如圖5所示）。其中，θ為兩個巷道的夾角，△x為網(wǎng)格的步長。

3）完成對這些點(diǎn)的賦值

對邊界節(jié)點(diǎn)a、b處理是采用分塊耦合算法完成賦值。對于c點(diǎn)的處理是選取距離c點(diǎn)最近的ab線段上（巷道1）的節(jié)點(diǎn)（如果出現(xiàn)兩個相同距離的點(diǎn)，則取平均值），對于巷道1的C點(diǎn)來說，耦合邊界的密度分布函數(shù)未知。根據(jù)邊界唯一性，可以通過巷道2的對應(yīng)的c點(diǎn)完成該賦值，即，=4，7，8。同理，對于巷道2的耦合邊界c點(diǎn)的未知密度分布函數(shù)，可通過巷道1的對應(yīng)點(diǎn)完成賦值，即，=2，5，6。

至此，兩個巷道任意角度耦合的模型搭建完成。對于多巷道耦合的情況，采用兩兩耦合的模型，這里不再具體描述。

4）最后輸出計算結(jié)果，用GIS軟件進(jìn)行結(jié)果可視化是運(yùn)用GIS技術(shù)將該方法計算得出的平面多個巷道的突水速度和壓力結(jié)果制成屬性信息表，與歷史巷道空間信息，共同加載到突水漫延圖層。上述方法得出的速度，用來模擬巷道水流向前推移，結(jié)合巷道地理位置因素，在巷道岔口出得到巷道在哪條路徑漫延，并最終反映到漫延結(jié)果GIS圖中。