王世斌，侯恩科，王雙明，屈永利，崔銘驛，劉長來，薛喜成，左成芳，宋 超，王 寧

(1.陜西煤業(yè)化工集團有限責任公司，陜西 西安 710100；2.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭作為我國主體能源，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中占據(jù)重要的戰(zhàn)略地位[1]。隨著煤炭開采深度的不斷增加，水害、瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害頻發(fā)；同時，高強度、集約化、智能化的煤炭開采技術(shù)快速發(fā)展，對煤礦安全防控技術(shù)提出了新的要求[2-3]，建設(shè)具備地質(zhì)信息管理、三維可視化、透明工作面、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警等功能的地質(zhì)保障系統(tǒng)勢在必行。國家發(fā)展改革委、能源局等八部委于2020年3月聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》；國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局于2021年6月聯(lián)合印發(fā)的《智能化煤礦建設(shè)指南》中，把地質(zhì)保障系統(tǒng)列為煤礦智能化建設(shè)的主要內(nèi)容之一，而涵蓋地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、高精度三維地質(zhì)建模和地質(zhì)大數(shù)據(jù)云平臺的透明地質(zhì)信息系統(tǒng)則是該系統(tǒng)的核心內(nèi)容[4]。20世紀90年代初，彭蘇萍[5]針對我國煤礦機械化開采過程中對工作面地質(zhì)狀況掌握少、事故頻發(fā)的問題，提出建立煤礦安全高效開采地質(zhì)保障系統(tǒng)。30多年來，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、三維可視化等領(lǐng)域的理論方法和先進技術(shù)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于煤礦行業(yè)[6]，煤炭綠色開采、智能開采已成為煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢和研究熱點。作為煤礦智能化的技術(shù)支撐，煤炭地質(zhì)保障技術(shù)受到了高度重視[2-3]，并貫穿于煤礦生產(chǎn)的全生命周期[7-8]。彭蘇萍[5]、袁亮等[9]系統(tǒng)分析了我國煤礦地質(zhì)保障技術(shù)體系的要素組成、框架構(gòu)建及發(fā)展現(xiàn)狀，為加快其發(fā)展指明了方向。董書寧等[10]論述了煤礦安全高效生產(chǎn)地質(zhì)保障技術(shù)、裝備及應(yīng)用現(xiàn)狀，認為準確的地質(zhì)資料和超前預(yù)測是煤礦安全高效生產(chǎn)最根本的保障條件。王雙明等[11]針對煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的損害問題，提出了煤炭資源綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)的新理念。程建遠等[12]分析了物探技術(shù)在未來地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)中面臨的挑戰(zhàn)。劉結(jié)高等[13]在唐家會煤礦采用隨采隨探、微震監(jiān)測等先進技術(shù)構(gòu)建了實時動態(tài)透明地質(zhì)保障系統(tǒng)，解放了部分受水害威脅的煤炭資源。李鵬等[14]使用Docker技術(shù)封裝微服務(wù)鏡像構(gòu)建地質(zhì)保障系統(tǒng)，提高跨平臺移植性，降低了系統(tǒng)的部署難度。汪玉泉[15]對百善煤礦開采經(jīng)驗進行歸納分析，總結(jié)出一套適用于百善煤礦的地質(zhì)保障系統(tǒng)。潘樹仁等[16]提出煤炭全生命周期的地質(zhì)保障技術(shù)體系。段中會等[17]通過云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)率先建成煤礦地質(zhì)保障“一張圖”共享平臺。文虎等[18]發(fā)明了多參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了煤自燃動態(tài)感知分級預(yù)警云平臺。郭啟琛等[19]通過GSM網(wǎng)絡(luò)、Internet和工業(yè)控制網(wǎng)結(jié)合，建立了多參數(shù)水文動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。韓德馨等[20]采用量化預(yù)測、綜合探測等技術(shù)，查明影響煤炭開采的地質(zhì)因素，為煤礦生產(chǎn)各個層次和階段提供可靠的地質(zhì)保障。趙宗沛等[21]提出了基于地質(zhì)基礎(chǔ)資料的管理、地質(zhì)資料綜合分析和采前地質(zhì)探測，建立適用于不同層次、不同地質(zhì)條件的煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)。綜上所述，國內(nèi)地質(zhì)保障系統(tǒng)及技術(shù)研究成果頗多，初步具備地質(zhì)信息管理、地質(zhì)制圖和三維地質(zhì)建模的功能，但在開采地質(zhì)評價預(yù)測、模型自動化構(gòu)建及動態(tài)修改等方面尚有不足，還不能滿足智能開采工作面對高精度煤層建模的需求，已有地質(zhì)保障系統(tǒng)軟件與其他系統(tǒng)之間還存在數(shù)據(jù)、成果難于共享的問題。因此，開發(fā)能滿足新形勢下安全智能開采的地質(zhì)保障系統(tǒng)軟件十分必要。陜煤集團作為我國主要的煤炭生產(chǎn)企業(yè)之一，下屬煤礦主要分布于陜北、渭北、彬長等礦區(qū)，不同礦區(qū)的地質(zhì)條件差異大，煤炭開采受到的災(zāi)害威脅各不相同。以陜煤集團各礦區(qū)地質(zhì)條件為背景，開發(fā)了煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)軟件主要由地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、高精度三維地質(zhì)建模、開采地質(zhì)條件評價預(yù)測和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析等子系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)軟件已在陜煤集團紅柳林煤礦進行了應(yīng)用，實現(xiàn)了全礦井三維模型建立、不同煤層開采地質(zhì)條件評價預(yù)測及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等功能，支撐了礦井安全高效生產(chǎn)。

1 煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)開發(fā)

1.1 需求分析

陜煤集團各礦區(qū)開采地質(zhì)條件差異明顯，各有特點。渭北石炭二疊紀煤田各礦區(qū)斷層、褶皺較發(fā)育，底板水害、瓦斯災(zāi)害威脅較嚴重。黃隴侏羅紀煤田各礦區(qū)有少量斷層，頂板水害、瓦斯災(zāi)害和沖擊地壓災(zāi)害威脅較嚴重。陜北侏羅紀煤田構(gòu)造簡單，頂板水害威脅較嚴重?，F(xiàn)有的地測信息系統(tǒng)，普遍缺乏系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造、頂板水害、底板水害、瓦斯災(zāi)害、沖擊地壓災(zāi)害和開采地質(zhì)條件綜合評價預(yù)測功能，高精度三維復(fù)雜地質(zhì)體建模與動態(tài)修改、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警功能不強，需要開發(fā)具有上述功能的煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)，以滿足智能礦井對地質(zhì)工作的需求。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以煤礦信息模型(MIM)為核心建立高精度三維實體地質(zhì)模型；對礦井構(gòu)造、煤層厚度、礦井水文、瓦斯、沖擊地壓等地質(zhì)條件進行評價預(yù)測，充分利用已有的地質(zhì)成果和礦井隱蔽致災(zāi)因素、監(jiān)測結(jié)果等數(shù)據(jù)對煤礦水害、瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害進行預(yù)警。

整個系統(tǒng)分數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層3個層級，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Coal safety intelligent mining geological support system structure

1)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持，主要包括地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、生產(chǎn)及現(xiàn)場所獲取的地質(zhì)、水文地質(zhì)及各種監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)和巷道模型、地質(zhì)模型等三維模型數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)元數(shù)據(jù)(字典、規(guī)則)、注冊用戶數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志等管理數(shù)據(jù)。

2)應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層是以應(yīng)用服務(wù)器、中間件技術(shù)為核心的基礎(chǔ)軟件技術(shù)支撐平臺，以實現(xiàn)資源的有效共享和應(yīng)用系統(tǒng)的互連互通，為應(yīng)用系統(tǒng)的功能提供支持和服務(wù)，是實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間、應(yīng)用系統(tǒng)與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享的核心。

3)業(yè)務(wù)應(yīng)用層。①地質(zhì)信息管理子系統(tǒng)：用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、編輯、更新、導(dǎo)出，同時提供提取等值線坐標數(shù)據(jù)等功能，并以數(shù)據(jù)庫的形式統(tǒng)一管理。②二/三維一體化建模子系統(tǒng)：用于二/三維一體化建模。二維圖件可導(dǎo)入數(shù)據(jù)或提取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)一鍵成圖，三維模型可導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)或按照二維平面圖一鍵生成。③開采地質(zhì)條件評價預(yù)測子系統(tǒng)：可進行構(gòu)造復(fù)雜程度預(yù)測、頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測、底板涌(突)水危險性評價預(yù)測、瓦斯災(zāi)害危險性評價預(yù)測、沖擊地壓危險性評價預(yù)測、開采地質(zhì)條件綜合評價和礦井地質(zhì)類型劃分。④地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警子系統(tǒng)：包含水害預(yù)警、瓦斯災(zāi)害預(yù)警和沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警。其中，水害預(yù)警包含隱蔽致災(zāi)因素距離預(yù)警和水文在線監(jiān)測預(yù)警，瓦斯災(zāi)害預(yù)警包括突出危險距離預(yù)警與在線監(jiān)測預(yù)警，沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警提供8種在線監(jiān)測手段預(yù)警。⑤工作面精細地質(zhì)建模：在對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行特征分析、數(shù)據(jù)過濾后進行透明工作面建模。利用切片技術(shù)對煤層模型剖切，根據(jù)煤層數(shù)字化模型的剖切面及智能化開采要求為采煤機截割提供煤層頂?shù)装遄鴺藚?shù)。⑥地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)：提供多種數(shù)據(jù)分類預(yù)測、機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)算法，用于煤礦地質(zhì)大數(shù)據(jù)的分析、挖掘。

1.3 開發(fā)方法

系統(tǒng)采用MySQL8.0、VS2019、OpenGL等開發(fā)工具進行軟件開發(fā)。以MySQL數(shù)據(jù)庫為依托，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和共享；基于IIS數(shù)據(jù)服務(wù)方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、安全交互；基于插件式開發(fā)方法搭建系統(tǒng)平臺，最大程度降低了不同模塊間的耦合，并利用敏捷式迭代開發(fā)方法不斷豐富模塊功能。

系統(tǒng)開發(fā)過程中為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、便捷高效操作和內(nèi)部插件的可重用性、健壯性、可擴展性，遵循以下系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)則進行開發(fā)：①每一層僅與直接相鄰的層進行通信，不允許跨層調(diào)用；②各層都建立在下層的基礎(chǔ)上，下層為上層提供服務(wù)；③各層封裝實現(xiàn)成果，向前一層提供接口；④各層支持分布式部署；⑤顯示層各子模塊使用插件(Plugin)的方式開發(fā)，遵循特定的接口。

業(yè)務(wù)插件按照系統(tǒng)外部行為劃分，插件特性包括：人機交互界面、數(shù)據(jù)服務(wù)交互、人機交互服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)、業(yè)務(wù)實體、消息接口、圖形引擎、數(shù)據(jù)服務(wù)等。功能插件中定義了平臺框架提供的可插件化接口(Pluginable)，調(diào)用平臺提供的注冊方法將功能插件注冊到平臺框架中，實現(xiàn)熱插拔的集成效果。功能插件由控制器向平臺數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送請求，收到響應(yīng)之后，調(diào)用公共插件進行數(shù)據(jù)驗證，轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)實體，進行圖形處理，并呈現(xiàn)給用戶。

2 系統(tǒng)主要功能

地質(zhì)保障系統(tǒng)以地質(zhì)信息管理、二/三維一體化建模、開采地質(zhì)條件評價預(yù)測、工作面精細地質(zhì)建模、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析和成果導(dǎo)航等7個子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of geological guarantee system for safe and intelligent coal mining

2.1 地質(zhì)信息管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)以地質(zhì)、物探、采掘、測量、瓦斯和水文等數(shù)字化信息為支撐，以C/S、B/S為架構(gòu)進行空間信息可視化，該子系統(tǒng)具備空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及時態(tài)數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)換、管理、查詢、分析和可視化功能，可以實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程地質(zhì)信息的高效管理，滿足高精度三維地質(zhì)建模和開采地質(zhì)條件評價預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等需要。該子系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)錄入、成果管理、數(shù)據(jù)提取3個模塊。

1)數(shù)據(jù)錄入。軟件共設(shè)置6個數(shù)據(jù)庫，協(xié)同管理煤礦地質(zhì)測量等相關(guān)數(shù)據(jù)。煤礦基本信息庫管理煤礦拐點坐標、工作面角點坐標等；地質(zhì)基礎(chǔ)庫管理鉆孔、斷層、隱蔽致災(zāi)因素等數(shù)據(jù)；測量成果庫管理煤礦井巷測量導(dǎo)線點數(shù)據(jù)；瓦斯資料庫管理鉆孔瓦斯、工作面瓦斯等數(shù)據(jù)；水文資料庫管理礦井抽放水試驗、氣象、涌突水點等數(shù)據(jù)；煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理礦井煤質(zhì)數(shù)據(jù)。

2)成果管理。軟件設(shè)置成果庫統(tǒng)一管理煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)成果，直接關(guān)聯(lián)導(dǎo)航圖頁面，可一鍵打開成果庫。

3)數(shù)據(jù)提取。導(dǎo)入外部圖件進行加工美化、坐標點提取并儲存，可進行圖層合并、自定義編輯和轉(zhuǎn)存等。

2.2 二/三維一體化建模子系統(tǒng)

二/三維一體化建模子系統(tǒng)的開發(fā)主要采用二維格網(wǎng)和三維塊體數(shù)據(jù)模型進行二維和三維剖分，采用反距離、普通克里金、簡單克里金、多面函數(shù)、移動擬合內(nèi)插法、Shepard方法、最小曲率和序貫高斯8種插值方法進行空間插值?？蛇M行二維平面圖和地質(zhì)體的幾何與屬性模型構(gòu)建，二維圖件與三維模型可一鍵轉(zhuǎn)換。

1)二維平面圖：根據(jù)地質(zhì)信息管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可繪制鉆孔柱狀圖、地層頂?shù)酌娴雀呔€圖、含(隔)水層頂?shù)酌娴雀呔€圖、煤層頂?shù)装宓雀呔€圖、地層厚度等值線圖、含(隔)水層厚度等值線圖、煤層厚度等值線圖、巖層厚度等值線圖、標志層厚度等值線圖、地形地質(zhì)圖等平面圖件。

2)剖面圖：用戶可自定義連孔生成剖面圖，包括勘探線剖面圖、工程地質(zhì)剖面圖、水文地質(zhì)剖面圖等。

3)三維模型：可生成三維鉆孔模型、地形模型、地層層面模型、煤層層面模型、地層實體模型、煤層實體模型、礦區(qū)地層構(gòu)造模型、井田地層構(gòu)造模型、采區(qū)地層構(gòu)造模型、工作面地層構(gòu)造模型、地質(zhì)體屬性模型、巷道模型、工作面采空區(qū)模型，可自定義生成三維剖面及柵狀圖。

2.3 開采地質(zhì)條件評價預(yù)測子系統(tǒng)

煤礦開采地質(zhì)條件評價預(yù)測子系統(tǒng)主要由構(gòu)造復(fù)雜程度評價預(yù)測、頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測、底板涌(突)水危險性評價預(yù)測、瓦斯災(zāi)害危險性評價預(yù)測、沖擊地壓危險性評價預(yù)測、開采地質(zhì)條件綜合評價和礦井地質(zhì)類型劃分等7個功能相對獨立的模塊組成，每個模塊功能各有側(cè)重。

1)構(gòu)造復(fù)雜程度評價預(yù)測。構(gòu)造復(fù)雜程度評價預(yù)測指標中包含構(gòu)造面積損失系數(shù)、構(gòu)造面積掘進系數(shù)、褶皺密度、平面褶皺強度系數(shù)、剖面褶皺強度系數(shù)、斷層密度、斷層強度系數(shù)、煤體結(jié)構(gòu)系數(shù)等19項指標。這些指標獲取來源不同，構(gòu)成了多源多場指標。本軟件系統(tǒng)開發(fā)時采用免疫遺傳算法優(yōu)化BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度進行評價預(yù)測，開發(fā)技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 構(gòu)造復(fù)雜程度評價預(yù)測技術(shù)路線Fig.3 Technical roadmap for evaluation and prediction of structural complexity

上述指標均在已采區(qū)獲取，進行全礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評價預(yù)測時，首先利用已采區(qū)數(shù)據(jù)建立灰色系統(tǒng)預(yù)測模型對未采區(qū)指標進行預(yù)測，即采用GM(1，1)灰色建模預(yù)測模型對未采區(qū)指標進行預(yù)測，之后根據(jù)最優(yōu)分割理論完成最優(yōu)4段分割。采用基于免疫原理的遺傳算法數(shù)學(xué)模型(IGA模型)，優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)的隱層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，為BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)。

2)頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測。頂板涌(突)水評價預(yù)測主要分富水性分區(qū)預(yù)測、冒裂安全性分區(qū)預(yù)測、頂板涌突水危險性分區(qū)預(yù)測三個步驟，開發(fā)技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測技術(shù)路線Fig.4 Roadmap of risk assessment and prediction technology for roof water gushing(outburst)

軟件提供改進AHP和熵權(quán)法耦合、AHP、Bayes判別模型、Fisher判別模型4種方法進行富水性分區(qū)預(yù)測，并依據(jù)開采煤層冒裂帶是否導(dǎo)通含水層進行冒裂安全性分區(qū)，最后依據(jù)開采煤層上覆主要充水含水層的富水性及頂板導(dǎo)水裂隙帶與充水含水層之間的溝通關(guān)系，評價預(yù)測涌(突)水危險區(qū)。

3)底板涌(突)水危險性評價預(yù)測。采用突水系數(shù)法、基于“下三帶”理論的底板突水危險性評價、AHP脆弱性指數(shù)法3種底板涌(突)水危險性評價預(yù)測方法進行該模塊開發(fā)，開發(fā)技術(shù)路線如圖5所示。對開采煤層底板充水含水層的水壓與隔水層厚度間的關(guān)系(突水系數(shù)法)或充水含水層富水性、隔水層、地質(zhì)構(gòu)造等多因素耦合關(guān)系(基于AHP的脆弱性指數(shù)法)進行評價，預(yù)測底板涌(突)水危險性分區(qū)。

4)瓦斯災(zāi)害危險性評價預(yù)測。根據(jù)瓦斯賦存的主控因素，建立瓦斯含量、瓦斯壓力等參數(shù)的預(yù)測模型，進行瓦斯含量、瓦斯壓力的定性預(yù)測和定量預(yù)測，開發(fā)技術(shù)路線如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，分析影響煤與瓦斯突出的主控因素，建立煤與瓦斯突出危險性評價預(yù)測模型，進行煤與瓦斯突出危險性評價預(yù)測，并通過對井下瓦斯信息的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的調(diào)取，實現(xiàn)瓦斯涌出量預(yù)測。

圖6 瓦斯災(zāi)害危險性評價預(yù)測技術(shù)路線Fig.6 Roadmap of gas hazard assessment and prediction technology

5)沖擊地壓危險性評價預(yù)測。采用綜合指數(shù)法、可能性指數(shù)法和多因素耦合預(yù)測法3種方法進行沖擊地壓危險性評價預(yù)測，開發(fā)技術(shù)路線如圖7所示。通過分析影響煤礦沖擊地壓的地質(zhì)及采礦因素，建立沖擊地壓危險性評價預(yù)測指標體系，實現(xiàn)沖擊地壓的區(qū)域危險性預(yù)測和局部危險性預(yù)測，劃分沖擊地壓危險區(qū)域并確定危險等級。

6)開采地質(zhì)條件綜合評價。將地質(zhì)構(gòu)造、煤層穩(wěn)定性、瓦斯、水文地質(zhì)、煤層頂板、沖擊地壓、不良地質(zhì)體等單因素地質(zhì)條件評價預(yù)測結(jié)果，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)疊加分析，綜合評價預(yù)測待采區(qū)不同區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜程度，實現(xiàn)采前地質(zhì)條件綜合評價與預(yù)測。

7)礦井地質(zhì)類型劃分。按照《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》中有關(guān)煤礦地質(zhì)類型劃分的要求和劃分標準，通過劃分指標的自動計算和交互操作，完成煤礦地質(zhì)類型劃分。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要分水害、瓦斯災(zāi)害、沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警3個模塊。其中水害預(yù)警包括水害致災(zāi)因素預(yù)警與水害在線監(jiān)測預(yù)警。水害致災(zāi)因素預(yù)警是基于煤礦隱蔽致災(zāi)因素及礦井涌(突)水危險性分區(qū)圖疊加分析工作面位置與危險源的距離；水害在線監(jiān)測預(yù)警主要利用礦方已安裝的水文監(jiān)測設(shè)備實時讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)置閾值進行預(yù)警。

瓦斯災(zāi)害預(yù)警分突出危險性距離預(yù)警及瓦斯在線預(yù)警兩部分。其中突出危險距離預(yù)警針對煤與瓦斯突出危險性分區(qū)圖及測點瓦斯含量、壓力、涌出量進行閾值預(yù)警。瓦斯在線預(yù)警針對瓦斯?jié)舛?、壓力、涌出量進行在線實時預(yù)警。

沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警采用沖擊地壓評價預(yù)測成果預(yù)警、綜采工作面支架和超前支護工作阻力預(yù)警、回采和掘進巷道頂板離層位移變化預(yù)警、巷道錨桿索載荷應(yīng)力預(yù)警、巷道收斂變形移進量預(yù)警、圍巖或煤體應(yīng)力預(yù)警、地音監(jiān)測預(yù)警、微震監(jiān)測預(yù)警等8種在線監(jiān)測預(yù)警方法進行預(yù)警。

2.5 工作面精細地質(zhì)建模子系統(tǒng)

1)工作面多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合。針對地質(zhì)探測和測量獲取的多維度、多屬性地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)過濾分析、特征分析等方法進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，巷道兩幫寫實等數(shù)據(jù)與鉆探、物探等數(shù)據(jù)進行融合分析。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理融合路線如圖8所示。

圖8 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合流程Fig.8 Multi-source heterogeneous data fusion process

2)模型的動態(tài)更新。模型動態(tài)更新路線如圖9所示。根據(jù)綜采設(shè)備的液壓支架、采煤機、擋板的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合采掘揭露信息對工作面三維精細地質(zhì)模型進行動態(tài)修改。

圖9 三維精細地質(zhì)模型動態(tài)更新技術(shù)路線Fig.9 Technical roadmap for dynamic updating of 3D fine geological model

3)規(guī)劃截割。采用基于動態(tài)模型的CT切割技術(shù)，在開采過程中，根據(jù)動態(tài)更新的模型，依據(jù)大數(shù)據(jù)平臺請求的截割曲線生成新的切割曲線，將其反饋給集控中心，其技術(shù)路線如圖10所示。系統(tǒng)包括綜放設(shè)備的協(xié)同控制功能，對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的結(jié)構(gòu)和功能進行大數(shù)據(jù)決策分析。基于綜采工作面裝備的工作過程，建立采煤機、液壓支架和刮板輸送機的物理傳感體系。構(gòu)建采煤機、液壓支架和刮板輸送機的工藝過程控制模型和協(xié)同控制、負荷平衡等控制模型。

圖10 規(guī)劃截割技術(shù)路線Fig.10 Planning cutting technology roadmap

2.6 地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

針對煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)復(fù)雜、海量、異質(zhì)、異構(gòu)、時變等多態(tài)特征，提供多種分類預(yù)測、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)方法，包括聚類分析、樸素貝葉斯算法、灰色關(guān)聯(lián)分析、回歸分析、支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，對數(shù)據(jù)進行分類、分析、挖掘、融合處理，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、融合共享和時空分析。

2.7 導(dǎo) 航

基于衛(wèi)星地圖定位礦區(qū)、礦井、采區(qū)、工作面的精確位置，項目樹以礦區(qū)、礦業(yè)公司、礦井、采區(qū)、工作面分級顯示，導(dǎo)航圖關(guān)聯(lián)成果庫可一鍵顯示煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)成果，如各種平面圖、剖面圖、三維模型、開采地質(zhì)條件評價預(yù)測結(jié)果等。

3 軟件系統(tǒng)應(yīng)用

所開發(fā)的煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)軟件，已在紅柳林煤礦智能礦井建設(shè)中得到應(yīng)用，建設(shè)了紅柳林煤礦安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由地質(zhì)信息管理，二/三維一體化建模，開采地質(zhì)條件評價預(yù)測中的頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測、地質(zhì)類型劃分、開采地質(zhì)條件綜合評價，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中的水害預(yù)警以及工作面精細地質(zhì)建模等子系統(tǒng)和功能模塊組成。

3.1 地質(zhì)信息管理

根據(jù)紅柳林煤礦現(xiàn)有地測數(shù)據(jù)，建立了地質(zhì)基本庫、測量成果庫、水文資料庫等相關(guān)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)二維平面圖及三維模型提供了基本數(shù)據(jù)支撐。

3.2 二/三維一體化建模

1)二維平面圖：紅柳林煤礦共建設(shè)平面圖64張，其中地層頂?shù)酌娴雀呔€圖共18張，煤層頂?shù)装宓雀呔€圖12張，地層厚度等值線圖8張，煤層厚度等值線圖6張，含隔水層頂?shù)酌娴雀呔€圖12張，含隔水層厚度等值線圖6張，鉆孔分布圖1張，地形等高線圖1張。另外，建立了3-1、4-2、5-2三層煤層巷道平面圖，系統(tǒng)可自定義連孔一鍵生成剖面圖(圖11)。所有二維圖件支持dxf、emf、pdf、jpeg、png等多種導(dǎo)出格式，方便了其他系統(tǒng)共享。

圖11 一鍵生成剖面圖Fig.11 One key to generate profile

2)三維模型：建設(shè)了紅柳林煤礦三維巷道模型(圖12a)、三維地質(zhì)模型(圖12b)、三維煤層模型(圖12c)、三維含隔水層模型等。本系統(tǒng)所有三維模型均可導(dǎo)出OBJ格式通用三維模型數(shù)據(jù)，方便不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享。在紅柳林煤礦已與掘進系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖12 紅柳林煤礦三維巷道和地質(zhì)模型Fig.12 3D roadway and geological model of Hongliulin Coal Mine

3.3 開采地質(zhì)條件評價預(yù)測

針對紅柳林煤礦地質(zhì)構(gòu)造簡單、無瓦斯和沖擊地壓災(zāi)害、頂板水害隱患突出的特點，重點建設(shè)了頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測、開采地質(zhì)條件綜合評價和礦井地質(zhì)類型劃分3個評價預(yù)測模塊。

1)頂板(涌)突水危險性評價預(yù)測：風(fēng)化基巖含水層是紅柳林煤礦主要充水含水層，選擇Fisher判別分析模型對紅柳林煤礦風(fēng)化基巖含水層富水性進行分區(qū)預(yù)測(圖13a)，之后進行煤層開采對風(fēng)化基巖含水層的冒裂安全性評價預(yù)測(圖13b)，最后通過富水性分區(qū)圖與冒裂安全性分區(qū)圖的疊加分析得到各煤層開采風(fēng)化基巖含水層頂板涌(突)水危險性分區(qū)預(yù)測圖(圖13c)。

圖13 4-2煤頂板涌(突)水危險性預(yù)測Fig.13 Evaluation and prediction results of water inrush from No.4-2 coal roof (water inrush)

2)開采地質(zhì)條件綜合評價：選擇10種評價指標，基于遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行各煤層開采地質(zhì)條件綜合評價，結(jié)果如圖14所示。據(jù)此評價結(jié)果，可指導(dǎo)綜采工作面布置與災(zāi)害防控。

圖14 4-2煤開采地質(zhì)條件綜合評價結(jié)果Fig.14 Comprehensive evaluation results of geological conditions of No.4-2 coal mining

3)礦井地質(zhì)類型劃分：根據(jù)礦井地質(zhì)類型評價指標及標準，在系統(tǒng)中將紅柳林煤礦地質(zhì)類型劃分為“復(fù)雜”。

3.4 工作面三維精細地質(zhì)建模

根據(jù)巷道兩幫寫實數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，建立了紅柳林煤礦正在回采的5-2煤層25212工作面三維精細地質(zhì)模型。

在此基礎(chǔ)上利用切片功能，可動態(tài)規(guī)劃采煤機未來14刀煤層頂?shù)装甯叱糖€，支撐智能工作面回采。

3.5 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

紅柳林煤礦生產(chǎn)主要涉及頂板水害防治，為此重點對頂板水害進行預(yù)警。水害預(yù)警分為水害致災(zāi)因素預(yù)警與水害在線監(jiān)測預(yù)警兩部分。

1 )水害致災(zāi)因素預(yù)警：疊加紅柳林煤礦5-2煤開采涌突水危險性預(yù)測圖及隱蔽致災(zāi)因素和巷道，通過模擬開采或?qū)崟r開采進度可對危險源進行距離預(yù)警。

15211工作面模擬開采預(yù)警如圖15所示，系統(tǒng)界面右上部為預(yù)警參數(shù)和閾值設(shè)置，右中部為模擬開采參數(shù)設(shè)置和實時開采參數(shù)設(shè)置，右下部為報警信息。預(yù)警對象為工作面中部SK23封閉不良鉆孔和5-2煤采空區(qū)積水，綠色三角形表示工作面模擬開采位置。

圖15 15211工作面回采水害致災(zāi)因素預(yù)警Fig.15 Early warning of flood causing factors in 15211 working face

2)水害在線監(jiān)測預(yù)警：水害在線監(jiān)測預(yù)警分水文長觀孔預(yù)警、井下水倉水位預(yù)警、密閉墻水位監(jiān)測預(yù)警、出水點流量監(jiān)測預(yù)警4種。本系統(tǒng)可接入紅柳林煤礦已安裝的KJ117水文在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進行水害在線監(jiān)測預(yù)警(圖16)。

圖16 水文長觀孔水位在線監(jiān)測預(yù)警界面Fig.16 Online monitoring and early warning interface of water level in hydrological long-term obvervation hole

長觀孔水位預(yù)警主要針對水位標高及水位下降速度進行閾值設(shè)置預(yù)警，也可查詢以往監(jiān)測數(shù)據(jù)。井下水倉水位預(yù)警、密閉墻水位監(jiān)測預(yù)警、出水點流量監(jiān)測預(yù)警與水文長觀孔預(yù)警功能類似。

4 結(jié) 論

1)研發(fā)的煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)特色在于開采地質(zhì)條件評價預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、三維地質(zhì)和巷道工程建模及工作面精細地質(zhì)建模，也提供了大數(shù)據(jù)挖掘分析等功能，與煤礦地質(zhì)工作結(jié)合緊密，滿足了煤礦安全智能開采的基本需要。

2)煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)在紅柳林煤礦的應(yīng)用，所有模型、二維圖件均可導(dǎo)出通用格式，三維地質(zhì)和巷道模型已與掘進系統(tǒng)共享，打破了不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、融合。

3)地質(zhì)保障系統(tǒng)軟件當前在煤礦智能化建設(shè)過程中屬于相對薄弱的環(huán)節(jié)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和探測手段的局限性，復(fù)雜地質(zhì)體三維精細建模與模型自動更新、地質(zhì)大數(shù)據(jù)挖掘與分析等是今后需要重點研究的問題。隨著智能化礦井建設(shè)的不斷推進，煤炭開采地質(zhì)保障系統(tǒng)軟件還需不斷更新升級，以方便煤礦地質(zhì)工作者使用。