摘  要：系統可以為礦山的勘探、設計、生產、安全和管理提供一個強大的可視化軟件平臺。建立以包括地質、通風、采掘、安全、生產等數據庫為核心，以分布式的網絡應用為基礎環境，支持專業設計、資料管理、綜合業務信息查詢和發布、礦井信息統一監測的信息化平臺。

　　關鍵詞：信息  煤礦  災害  辯識  控制

　　1 開發背景

　　1.1   國內外相關技術與產品現狀及問題

　　通過近十幾年的建設，我國煤礦生產成績斐然，原國有煤礦采掘機械化程度達到70％以上，其中綜合機械化程度達到50％以上。全國年生產能力1000 萬t以上的煤炭企業20余處，形成了一大批高產高效礦井。

　　但是，由于煤礦井下作業處于地表深處，地質條件復雜，環境惡劣，瓦斯、粉塵、水災、火災隱患難以探測和辨識，大型事故時有發生，給我國煤礦生產造成了重大損失，也危及了煤礦工人的人身安全。尤其是“一通三防”、“防治水”是關系到礦井安全生產的兩個重要方面，是困擾煤炭行業多年來的難題。多年來，我國煤炭行業和各煤炭企業分別做了大量行之有效的工作，不但規定高瓦斯礦井必須裝備監測監控系統，而且要嚴格執行“先抽后采、監測監控、以風定產”的原則，制定了新的比較完善的《煤礦安全規程》，在一定程度上保障了安全生產。但是，從應用等方面目前普遍存在以下問題。

　　1.1.1   礦井一通三防管理

　　我國煤炭企業的監測監控系統應用起步較晚，80年代初才開始從國外引進了監測監控系統，如DAN6400 、MINOS和Senturion-200等，裝備了部分煤礦;在消化吸收的同時，先后有許多廠家結合我國具體情況進行了國產化，并研發了一些新的監測系統，如KJ90、KJ10、KJ95、KJ4、KJ66、KJ2000、A8000、KJ76等。但是一般監測監控系統數據傳輸和發布功能較差，不支持按真實比例的矢量圖形顯示模式和WEB發布功能。而且不具備包括通風、瓦斯、防塵、防滅火等方面的專業分析功能、專業故障診斷和隱患辨識功能、更不具備決策支持功能。所有采集到的數據，基本上是由專業人員分析后才能用于實際決策，快速反應能力較差。而且各專業系統數據共享存在通信協議等問題，聯動能力差，而且僅靠監測系統，而沒有考慮地質構造造成的瓦斯聚集很難進行超前預測預報。

　　總之，“一通三防”工作中瓦斯、粉塵、水災、火災的隱患辨識、預警能力和反應速度不僅取決于監測監控系統硬件設備處理能力和數據傳輸能力，而且軟件系統的處理能力、專業分析能力和決策支持能力起著非常重要的作用。

　　1.1.2   礦井防治水管理

　　在我國，除大氣降水、地表水以及相關的潛水含水層外，煤礦老窯采空區、陷落柱的發育程度及斷層的富水性，也直接威脅煤礦的安全生產，老窯采空區、溶巖陷落柱、導水斷層造成淹井事故屢見不鮮。究其原因，正象賈福海院士所說：“我國礦山水害嚴重，淹井事故之多，水量之大，可謂世界之最。究其原因，多因水文地質條件復雜，相當一部分礦山，水文地質條件未查明或涌水量預測不準確而造成。”。

　　也就是說，在礦井“防治水”方面，雖然有許多勘察方法，如電法、磁法、重力法以及三維地震等，在涌水量預測方面也有像解析法、數值法和電網絡模擬法等一些比較有效的手段，《煤礦安全規程》也對地面“防治水”和井下“防治水”作了詳細規定。但許多礦山前期投入不足，設置的觀測井、觀測孔和觀測點較少，而且這些觀測信息一般沒有用計算機進行處理，預測預報能力差，對地表水、地下水的賦存狀態和流動規律掌握不夠，對出水點及出水量，以及積水范圍和積水量沒有正確的估計，一味只注重封堵和排放，造成了嚴重的被動局面，使有些水害事故成了不必要的必然，也就是說重治不重防。

　　雖然，有些學者也對基于GIS的地質災害和水資源管理進行了研究，但在判斷含水層、圈定富區、識別導水通道、估計持水量和計算涌水速度等方面缺乏系統的理論支持，三維可視化能力差，決策性和直觀性不強也給開采設計、巷道布置、工作面布置以及掘進回采等工作帶來了困難和盲目性。

　　1.1.3   礦壓管理與控制

　　目前，我國采掘業中的冒頂、鼓底、沖擊地壓和礦震也是威脅礦工生命的主要災害之一，雖然經過了幾代學者的不懈努力，提出了多種礦業理論，但最具代表性的是“砌體梁理論”和“傳遞巖梁理論”，這兩種理論相互補充，在實際生產中發揮了巨大的作用。但由于地質構造的復雜性和生產工藝的多樣性，現場的工程技術人員很難清楚地解釋礦壓現象、識別礦壓事故，難以做到來壓超前預報、選擇合理的巷道位置、確定合理的工作面尺寸、選擇合理的支護方式和支護設備、控制工作面推進速度、避免礦壓事故發生。

　　1.2   發展趨勢

　　安全信息保障系統的發展趨勢是在三維地質模型的基礎上，完善各種傳感器和監測系統的基礎上，探討對水災、火災、瓦斯、粉塵、礦壓等各種災害的隱患探測、故障診斷和災害治理新方法，開發成功基于信息技術和網絡環境的，利用能夠處理和管理所有地面對象和地下對象的三維地下工程CAD/GIS平臺。其中地面對象包括山體、水體、建筑、道路、橋梁和設備等，地下對象包括巷道、硐室、煤巖層、礦體、斷層、陷落柱、各種含水層和富水區域、瓦斯賦存體和采、掘、機、運、通、供電、排水專業系統等。該平臺不僅能夠對采、掘、機、運、通、供電、排水、礦壓各專業系統按照《煤礦安全規程》的規定進行深入的安全隱患分析和事故排查，而且具有完善的三維可視化功能以提高設計和管理人員決策的可靠度，同時能夠調用和處理所有安全監測監控系統（含束管監測、工業檢測系統的安全探頭數據、應力應變和礦壓力動態儀）的實時數據進行各種災害和事故的綜合辨識和決策支持，并支持C/S結構和B/S結構的發布、查詢和自動預報警，消除信息孤島，實現信息共享，提高安全監控系統的可靠性和快速反應能力，最終形成一個完整的礦山生產安全保障體系和災變快速反應系統。

　　1.3   本項目的意義

　　本項目的意義在于：

　　1.3.1   通過本項目的研發和實施可以建立一套完整的礦山安全評價與安全管理的三維地質和地下工程模型，增強可視化管理。

　　1.3.2   可以建立一套完善可靠的安全信息監測系統和礦井安全監測傳感器系統。安全信息監測系統涉及的信息包括瓦斯、粉塵、地表水、地下水、火災、電氣、運輸等方面，傳感器系統涉及的信息包括礦井的瓦斯、一氧化碳、粉塵、煙霧、溫度、風速、壓力、氧氣、水位、流量、煤位、位移、應力、電流、電壓、功率、短路電流、接地電流、電容電流等方面。

　　1.3.3   根據各專業特點，建立一套合理的數據處理、專業分析和決策支持數學模型。充分利用三維地理信息系統中的空間地質模型、地下工程模型和通風網絡、防塵管路、供電網絡、排水管路、運輸線路、瓦斯抽放管路、注漿管路、注氮管路、避災路線、通訊網絡、監測系統等各專業網絡布局模型，融合常規生產安全信息和監測監控系統提供的實時數據進行各種隱患辨識、故障診斷、事故預警和救災指揮，形成抗災救災的快速反應系統。

　　總之，該項目的開發成功對我國的礦山安全生產、減少人員傷亡、提高生產效率具有重大的社會效益和經濟效益，并對采礦業的科技進步具有劃時代的意義。

　　2   實施方案

　　2.1   具體內容

　　2.1.1   建立完整的、合理的、科學的和規范的危險源信息和隱患辨識數據庫，包含勘察信息、特征數據、動態監測和觀測等方面的數據。其中勘察信息包括各種鉆探、物探、化探、電法、磁法、重力、二維地震成果、三維地震成果和各種測井曲線等。特征數據包括各巖層的巖性、硬度、碎漲系數、孔隙度、滲透系數、持水度、容水度、給水度、釋水系數、擴散系數、視電阻率、自然咖瑪、咖瑪咖瑪、瓦斯賦存狀態、瓦斯壓力、煤層性質等。動態監測和觀測數據包括降雨量觀測數據、涌水量觀測數據、各地質區域的和開采區域的潛水補給量和瓦斯補給量、溫度、濕度、壓力、風速、瓦斯濃度、粉塵濃度、一氧化碳、氧氣、煙霧、水位、排水量、瓦斯抽放量、位移、采出量、電流、電壓、漏電、短路電流、接地電流和各種開關量，以及動態化驗結果等。

　　2.1.2   完善GIS平臺的三維地質建模功能、三維地質體圈定功能和三維儲量計算功能和三維可視化功能，建立任意復雜構造的地質模型，包含水文地質和瓦斯地質、各種煤巖層、斷層、陷落柱等。能夠綜合各種勘探資料圈定各種地質體，包括含水區域的范圍及儲水量、瓦斯賦存范圍及賦存量、老窯采空區積水等。根據動態觀測數據實時修正三維模型和賦存量，達到對危險源的透明管理。

　　2.1.3   建立完善的可用探頭數據庫、災變處理方法庫及其實施條件和范圍。探頭數據庫包括廠家名稱、型號、技術指標和適用條件等內容。實施條件和范圍包括水災的排放、注獎、封堵策略，火災的密閉、均壓、注氮，瓦斯的抽放、通風、均壓等。

　　2.1.4   建立綜合的、完善的故障診斷和隱患辨識系統，充分利用藍光GIS平臺提供的各種專業GIS圖形和屬性庫的常規數據，包括通風系統各點的供風量、調節設施，排水系統各水倉容量、各泵房的排水能力，瓦斯管網抽放能力，供電網絡的各開關的保護方式、保護范圍、整定范圍、斷路器的斷開能力，防塵系統的降塵能力，防火系統的均壓線路，避災線路的通過能力等均可由GIS圖形得到。結合監測系統和人工觀測提供的實時動態數據，建立故障診斷模型，包括事故樹模型、魚刺圖模型、層次分析模型，以及灰色模型和模糊模型，再用藍光GIS平臺提供的通風、供電、排水、防塵、運輸等方面的專業分析，形成各專業聯動的綜合快速的故障反應指揮系統。

　　2.1.5   制定各種監測系統的接口規范，建立完善的網絡傳輸體系，包括局域網和互聯網、有線和無限通訊，以及靜態數據、動態數據、視頻和各種圖形的WEB查詢、自動提醒和報警功能。可以實現各專業數據的網上共享和各種故障的互聯網診斷。

　　2.2   技術與裝備特點

　　技術特點是，能夠對各種勘察數據、觀測數據和監測數據進行動態分析，通過各專業間的技術關聯性和安全閉鎖關系進行聯動決策，充分利用三維地質模型和地下工程模型，其中三維地質模型包含水文地質和瓦斯地質、各種煤巖層、斷層、陷落柱等。地下工程模型包括巷道、采場、硐室、泵房、管路。不僅可計算出各種工程與危險源的安全距離，提高設計方案的安全性，而且可以綜合各種因素迅速得出各種應急預案和抗災、救災指揮方案。本項目所采用和研制的探頭和傳感器是齊全的、高度穩定的、可靠的，如果有故障，也可以及時做出判斷，調節設備應是自動的和可控的。

　　2.3   關鍵技術和關鍵工藝

　　2.3.1   研制或選用一系列高可靠性、快反應速度的傳感器，包括溫度、靜壓、風速、瓦斯濃度、粉塵濃度、一氧化碳、氧氣、煙霧、水位、流速、電流、電壓等，目前的關鍵是靜壓探頭和粉塵探頭。依托基礎是國內各礦務局（集團公司）普遍使用的KJ95、KJ76安全監測監控系統、KJ67井下電網監控系統等，以及參考我國2004年4月份研制出的粉塵傳感器。

　　2.3.2   研制或選用井下大容量本安電源和遠程本安控制裝置，目前的關鍵是遠程自動風門和風窗。依托基礎是山東科技大學參與研究的半自動風門及其自動閉鎖系統。

　　2.3.3   研制能夠包括所有危險源的三維地質建模系統和安全地質保障體系的實用軟件系統是主要技術之一。依托基礎是泰安藍光計算機技術研究所的《三維地下工程CAD平臺》。

　　2.3.4   研制能夠同時處理包含通風、供電、排水、防塵、運輸等專業帶屬性的系統圖和深層專業分析計算的地理信息平臺也是技術關鍵之一。依托基礎是泰安藍光計算機技術研究所的《藍光CAD/GIS平臺》、《可視化通用管理平臺》、《安全管理系統》、《通防輔助系統》、《輸配電輔助系統》和《給排水設計CAD》等，其中包含許多優化理論和專業分析。

　　2.3.5   研制包括瓦斯、水害、火災、電氣等危險源的綜合診斷模型、辨識模型和決策模型是該系統的核心。可參考泰安藍光計算機技術研究所的《安全管理系統》中的事故樹分析和因果樹分析、《通防輔助系統》中故障診斷模型以及其他有關數學理論。

　　2.3.6   研制礦壓預測預報和決策控制系統，該系統充分利用地質構造模型和開采工藝，以及“砌體梁理論”和“傳遞巖梁理論”確定應力分布、來壓周期和來壓步距、頂板斷裂形態和斷裂步距，可以確定合理的巷道位置和工作面尺寸，有效控制工作面推進速度，有效避免礦壓事故。

　　2.3.7   研制網絡傳輸和基于瘦客戶端的WEB監測監控和遠程診斷系統也是關鍵技術之一，依托基礎是泰安藍光計算機技術研究所的《可視化通用管理平臺》和《通防輔助系統》。

　　3   技術經濟指標

　　3.1  現有安全監測監控系統多為封閉系統，其中使用的通信協議和信息交換標準都是由廠家自己制定的，嚴格保密，互不兼容，缺乏統一的通信及信息交換標準，如使用現場總線系統、串口RS-232/485通信以及其它的系統，如電力監測多使用ATM網，工業電視系統使用HFC網，網絡結構和通信模式多樣，極不規范。而且這些系統都分散在各個相關職能部門，形成了多個信息孤島，使各級安全、生產、指揮決策部門無法全面及時地掌握現場的安全和生產實際情況，造成決策指揮不靈，制約了這些系統綜合能力的發揮，嚴重影響了煤炭企業安全生產管理水平的提高。該項目通過接口規范設計，把以前各種不同專業不同廠家的監測監控系統連接成一個有機的整體，使監測信息達到完全公開、共享，消除信息孤島，達到各專業協同管理、協同決策，也可讓監測數據發揮更大的作用。

　　3.2   眾所周知，目前的監測系統的功能只是從井下采集數據，而后傳至地面或網絡上顯示、保存和打印，即使有一些分析功能（統計功能、曲線圖功能和直方圖功能），也多是針對監測數據本身的簡單分析，專業支持和決策功能較弱，利用這些數據做深層次分析，例如，通過瓦斯、風速、溫度、一氧化碳探頭數據發現異常，監測系統并不能給出調風控風方案，更不能實現自動調節。或者說目前的監測系統只會采集數據，并不會利用數據，靠人工分析、計算、而后再進行決策，肯定造成決策滯后，耽誤時機，造成不必要的經濟損失。該系統可直接利用各專業的深層分析功能和聯合診斷功能，做出較正確的隱患辨識和救災方案，對各專業的安全生產實現聯動監測、聯動調控，不僅使監測系統的作用提高到一個新水平，而且真正實現監測監控的自動化和智能化。

　　3.3   目前所使用的安全檢測傳感器尚不完善，通過項目研究，可以開發出種類齊全、安全可靠、連續監測傳感器。例如煤礦井下的粉塵濃度測定普遍采用的是粉塵采樣器現場采樣，然后在地面進行測定，或者使用直讀式防塵測定儀進行測定。這些方法優點是測定的粉塵濃度比較準確。缺點是需要人工采樣分析，不能夠實現對粉塵濃度的連續、實時監測，從而也就不能對井下的粉塵超標地點及時掌握，沒有辦法及時采取有效措施，通過本項目開發的粉塵濃度傳感器，可以實現對粉塵濃度的連續、實時監測，及時采取措施對粉塵超限地點進行處理，有效杜絕煤塵爆炸事故的發生。

　　3.4   目前，一般礦山對自己的水文地質條件和瓦斯地質條件勘察的都不是很明確，大部分都是由地質公司和專業物探隊進行勘察，礦山生產企業和管理企業只是得到一些成果資料、二維平面和剖面圖，并不掌握基礎的物探、化探、三維地震等原始資料；對潛水、承壓水、巖溶水、老窯水的賦存區域和儲量不明，對大氣降水和地表水向地下水的補充規律不清楚，以至對各含水區域的涌水量掌握不準確；對瓦斯源的賦存區域、賦存狀態和賦存量掌握不夠，也預先估算不出井下各種工程（例如掘進、回采等）與危險源的安全距離，預先埋下了一些事故隱患。通過本項目的研究可以建立完整的水文地質模型和瓦斯地質模型，可以準確地計算各種地下工程的安全距離，提高各種生產設計施工方案的安全性。

　　3.5   該系統可以充分利用互連網技術和視頻技術，達到遠程分析、遠程診斷、遠程決策和遠程指揮，以大幅度地縮短事故分析時間，搶得與災害作斗爭的主動權。

　　總之，該系統不僅對保證礦山的安全生產有重大意義，而且對我國的信息產業發展有重要促進作用，是“以信息化帶動工業化”的具體體現，不僅可以在煤炭行業進行有效的應用，而且可以在能源開采行業大面積推廣。