煤炭安全智能开采地质保障系统软件开发与应用

高超

准格尔旗蒙祥煤炭有限责任公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市017000

摘要：煤炭智能开采是我国煤炭工业在新一轮技术变革下的战略选择，是实现煤矿安全高效生产的必由之路，地质保障技术可为煤炭智能开采提供准确可靠的地质数据支撑，且能有效探查隐蔽致灾地质因素以减少煤矿生产灾害事故的发生。以该煤炭矿区地质条件为背景，开发了煤炭安全智能开采地质保障系统软件。该系统软件主要由地质数据管理、高精度三维地质建模和地质灾害预警、地质大数据分析等子系统构成。该系统软件已在煤矿进行了应用，实现了全矿井三维模型建立、不同煤层开采地质地质灾害预警等功能，支撑了矿井安全高效生产。

关键词：煤炭智能开采；地质保障系统软件开发；应用

作为煤矿智能化的技术支撑，煤炭地质保障技术受到了高度重视，其贯穿于煤矿生产的全生命周期，在灾害防治、隐蔽致灾因素探查、煤炭智能开采等方面发挥着关键作用，是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提，在我国煤炭工业健康快速发展中占有不可或缺的重要基础地位。

一、我国安全高效开采技术的发展

当前我圜应当考虑的安全高效开采技术的发展方向仍然是在深化“使用矿山压力控制理论”上推进，作而采掘的机械和自动化，实现煤矿的安全高效生产以及控制环境灾害的信息化和智能化上面。首先要以正确的理论研究为指导，对不同的煤层开采条件收集参数进行科学定量设计，真正把采掘工作面的生产第一目标制定到控制煤矿生产事故和环境灾害控制中来，依靠正确的思想和现代高新技术来保证智能化发展。当前结合回采工作面的顶板控制，研究了综采智能支架和智能挖底充填综掘机，实现了大型矸石回填控制沉陷。当前很多矸石除了充填，仍然是露天放置，占用了大量的土地。煤矸石山中的硫元素是有害的，需要进一步研究措施去除有害物硫，利用生物技术等对煤矸石山进行生态重建，改善生态环境。

二、煤炭安全智能开采地质保障系统开发

1、总体结构

（1）数据层。数据层主要为应用层提供数据支持，主要包括地质勘探数据、生产及现场所获取的地质、水文地质及各种监测的原始数据和巷道模型、地质模型等三维模型数据以及系统元数据、注册用户数据、系统日志等管理数据。

（2）应用支撑层。应用支撑层是以应用服务器、中间件技术为核心的基础软件技术支撑平台，以实现资源的有效共享和应用系统的互连互通，为应用系统的功能提供支持和服务，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间进行信息交换、传输、共享的核心。

（3）业务应用层。①地质信息管理子系统：用于基础数据的录入、编辑、更新、导出，同时提供提取等值线坐标数据等功能，并以数据库的形式统一管理。②一三维一体化建模子系统：三维一体化建模。二维图件可导人数据或提取数据库数据一键成图，三维模型可导人外部数据或按照二维平面图一键生成。③地质灾害预警子系统：包含水害预警、瓦斯灾害预警和冲击地压灾害预警。其中，水害预警包含隐蔽致灾因素距离预警和水文在线监测预警，瓦斯灾害预警包括突出危险距离预警与在线监测预警，冲击地压灾害预警提供在线监测手段预警。④工作面精细地质建模：在对多源异构数据进行特征分析、数据过滤后进行透明工作面建模。利用切片技术对煤层模型剖切，根据煤层数字化模型的剖切面及智能化开采要求为采煤机截割提供煤层顶底板坐标参数。⑥地质大数据分析子系统：提供多种数据分类预测、机器学习与深度学习算法，用于煤矿地质大数据的分析、挖掘。

2、开发方法。系统采用MySQL8．0、VS2019、OpenGL等开发工具进行软件开发。以MySQL数据库为依托，实现数据存储和共享；基于IIS数据服务方式，实现数据的高效、安全交互；基于插件式开发方法搭建系统平台，最大程度降低了不同模块间的耦合，并利用敏捷式迭代开发方法不断丰富模块功能。系统开发过程中为保证系统的稳定运行、便捷高效操作和内部插件的可重用性、健壮性、可扩展性，遵循以下系统架构规则进行开发：①每一层仅与直接相邻的层进行通信，不允许跨层调用；②各层都建立在下层的基础上，下层为上层提供服务；③各层封装实现成果，向前一层提供接口；④显示层各子模块使用插件(Plugin)的方式开发，遵循特定的接口。业务插件按照系统外部行为划分，插件特性包括：人机交互界面、数据服务交互、人机交互服务、业务服务、业务实体、消息接口、图形引擎、数据服务等。功能插件中定义了平台框架提供的可插件化接口(Pluginable)，调用平台提供的注册方法将功能插件注册到平台框架中，实现热插拔的集成效果。功能插件由控制器向平台数据服务发送请求，收到响应之后，调用公共插件进行数据验证，转换为业务实体，进行图形处理，并呈现给用户。

三、煤炭安全智能开采地质保障软件系统应用

所开发的煤炭安全智能开采地质保障系统软件，已在该煤矿智能矿井建设中得到应用，建设了煤矿安全智能开采地质保障系统。系统主要由地质信息管理，三维一体化建模，地质灾害预警中的水害预警以及工作面精细地质建模等子系统和功能模块组成。

1、地质信息管理。根据煤矿现有地测数据，建立了地质基本库、测量成果库、水文资料库等相关数据库，为后续二维平面图及三维模型提供了基本数据支撑。

2、工作面三维精细地质建模。根据巷道两帮写实数据、钻孔数据、物探数据等多源数据，建立了煤矿正在回采的5-2煤层25212工作面三维精细地质模型。

3、地质灾害预警。煤矿生产主要涉及顶板水害防治，为此重点对顶板水害进行预警。水害预警分为水害致灾因素预警与水害在线监测预警两部分。

（1）水害致灾因素预警。煤矿5-2煤开采涌突水危险性预测图及隐蔽致灾因素和巷道，通过模拟开采或实时开采进度可对危险源进行距离预警。15211工作面模拟开采预警系统界面右上部为预警参数和阈值设置，右中部为模拟开采参数设置和实时开采参数设置，右下部为报警信息。预警对象为工作面中部SK23封闭不良钻孔和5-2煤采空区积水，绿色三角形表示工作面模拟开采位置。

（2）水害在线监测预警。水害在线监测预警分水文长观孔预警、井下水仓水位预警、密闭墙水位监测预警、出水点流量监测预警。长观孔水位预警主要针对水位标高及水位下降速度进行阈值设置预警，也可查询以往监测数据。井下水仓水位预警、密闭墙水位监测预警、出水点流量监测预警与水文长观孔预警功能类似。

结 论

1)煤炭安全智能开采地质保障系统在煤矿的应用，所有模型、二维图件均可导出通用格式，三维地质和巷道模型已与掘进系统共享，打破了不同系统之间的数据壁垒，实现了数据共享、融合。

2)地质保障系统软件当前在煤矿智能化建设过程中属于相对薄弱的环节。由于地质条件的复杂性和探测手段的局限性，复杂地质体三维精细建模与模型自动更新、地质大数据挖掘与分析等是今后需要重点研究的问题。随着智能化矿井建设的不断推进，煤炭开采地质保障系统软件还需不断更新升级，以方便煤矿地质工作者使用。

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