1 開(kāi)發(fā)背景

　　1.1?? 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)狀及問(wèn)題

　　通過(guò)近十幾年的建設(shè)，我國(guó)煤礦生產(chǎn)成績(jī)斐然，原國(guó)有煤礦采掘機(jī)械化程度達(dá)到70％以上，其中綜合機(jī)械化程度達(dá)到50％以上。全國(guó)年生產(chǎn)能力1000 萬(wàn)t以上的煤炭企業(yè)20余處，形成了一大批高產(chǎn)高效礦井。

　　但是，由于煤礦井下作業(yè)處于地表深處，地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，瓦斯、粉塵、水災(zāi)、火災(zāi)隱患難以探測(cè)和辨識(shí)，大型事故時(shí)有發(fā)生，給我國(guó)煤礦生產(chǎn)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(guān)系到礦井安全生產(chǎn)的兩個(gè)重要方面，是困擾煤炭行業(yè)多年來(lái)的難題。多年來(lái)，我國(guó)煤炭行業(yè)和各煤炭企業(yè)分別做了大量行之有效的工作，不但規(guī)定高瓦斯礦井必須裝備監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，而且要嚴(yán)格執(zhí)行“先抽后采、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的原則，制定了新的比較完善的《煤礦安全規(guī)程》，在一定程度上保障了安全生產(chǎn)。但是，從應(yīng)用等方面目前普遍存在以下問(wèn)題。

　　1.1.1?? 礦井一通三防管理

　　我國(guó)煤炭企業(yè)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用起步較晚，80年代初才開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)了監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，如DAN6400 、MINOS和Senturion-200等，裝備了部分煤礦;在消化吸收的同時(shí)，先后有許多廠家結(jié)合我國(guó)具體情況進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化，并研發(fā)了一些新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如KJ90、KJ10、KJ95、KJ4、KJ66、KJ2000、A8000、KJ76等。但是一般監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布功能較差，不支持按真實(shí)比例的矢量圖形顯示模式和WEB發(fā)布功能。而且不具備包括通風(fēng)、瓦斯、防塵、防滅火等方面的專(zhuān)業(yè)分析功能、專(zhuān)業(yè)故障診斷和隱患辨識(shí)功能、更不具備決策支持功能。所有采集到的數(shù)據(jù)，基本上是由專(zhuān)業(yè)人員分析后才能用于實(shí)際決策，快速反應(yīng)能力較差。而且各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享存在通信協(xié)議等問(wèn)題，聯(lián)動(dòng)能力差，而且僅靠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而沒(méi)有考慮地質(zhì)構(gòu)造造成的瓦斯聚集很難進(jìn)行超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

　　總之，“一通三防”工作中瓦斯、粉塵、水災(zāi)、火災(zāi)的隱患辨識(shí)、預(yù)警能力和反應(yīng)速度不僅取決于監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力，而且軟件系統(tǒng)的處理能力、專(zhuān)業(yè)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(guó)，除大氣降水、地表水以及相關(guān)的潛水含水層外，煤礦老窯采空區(qū)、陷落柱的發(fā)育程度及斷層的富水性，也直接威脅煤礦的安全生產(chǎn)，老窯采空區(qū)、溶巖陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬釉斐裳途鹿蕦乙?jiàn)不鮮。究其原因，正象賈福海院士所說(shuō)：“我國(guó)礦山水害嚴(yán)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(zhì)條件復(fù)雜，相當(dāng)一部分礦山，水文地質(zhì)條件未查明或涌水量預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確而造成。”。

　　也就是說(shuō)，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(yù)測(cè)方面也有像解析法、數(shù)值法和電網(wǎng)絡(luò)模擬法等一些比較有效的手段，《煤礦安全規(guī)程》也對(duì)地面“防治水”和井下“防治水”作了詳細(xì)規(guī)定。但許多礦山前期投入不足，設(shè)置的觀測(cè)井、觀測(cè)孔和觀測(cè)點(diǎn)較少，而且這些觀測(cè)信息一般沒(méi)有用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力差，對(duì)地表水、地下水的賦存狀態(tài)和流動(dòng)規(guī)律掌握不夠，對(duì)出水點(diǎn)及出水量，以及積水范圍和積水量沒(méi)有正確的估計(jì)，一味只注重封堵和排放，造成了嚴(yán)重的被動(dòng)局面，使有些水害事故成了不必要的必然，也就是說(shuō)重治不重防。

　　雖然，有些學(xué)者也對(duì)基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害和水資源管理進(jìn)行了研究，但在判斷含水層、圈定富區(qū)、識(shí)別導(dǎo)水通道、估計(jì)持水量和計(jì)算涌水速度等方面缺乏系統(tǒng)的理論支持，三維可視化能力差，決策性和直觀性不強(qiáng)也給開(kāi)采設(shè)計(jì)、巷道布置、工作面布置以及掘進(jìn)回采等工作帶來(lái)了困難和盲目性。

　　1.1.3?? 礦壓管理與控制

　　目前，我國(guó)采掘業(yè)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(zāi)害之一，雖然經(jīng)過(guò)了幾代學(xué)者的不懈努力，提出了多種礦業(yè)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(bǔ)充，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。但由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和生產(chǎn)工藝的多樣性，現(xiàn)場(chǎng)的工程技術(shù)人員很難清楚地解釋礦壓現(xiàn)象、識(shí)別礦壓事故，難以做到來(lái)壓超前預(yù)報(bào)、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(hù)方式和支護(hù)設(shè)備、控制工作面推進(jìn)速度、避免礦壓事故發(fā)生。

　　1.2?? 發(fā)展趨勢(shì)

　　安全信息保障系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，完善各種傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討對(duì)水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯、粉塵、礦壓等各種災(zāi)害的隱患探測(cè)、故障診斷和災(zāi)害治理新方法，開(kāi)發(fā)成功基于信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的，利用能夠處理和管理所有地面對(duì)象和地下對(duì)象的三維地下工程CAD/GIS平臺(tái)。其中地面對(duì)象包括山體、水體、建筑、道路、橋梁和設(shè)備等，地下對(duì)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(qū)域、瓦斯賦存體和采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、供電、排水專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)等。該平臺(tái)不僅能夠?qū)Σ?、掘、機(jī)、運(yùn)、通、供電、排水、礦壓各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)按照《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)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(shè)計(jì)和管理人員決策的可靠度，同時(shí)能夠調(diào)用和處理所有安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)（含束管監(jiān)測(cè)、工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的安全探頭數(shù)據(jù)、應(yīng)力應(yīng)變和礦壓力動(dòng)態(tài)儀）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種災(zāi)害和事故的綜合辨識(shí)和決策支持，并支持C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)的發(fā)布、查詢和自動(dòng)預(yù)報(bào)警，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息共享，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和快速反應(yīng)能力，最終形成一個(gè)完整的礦山生產(chǎn)安全保障體系和災(zāi)變快速反應(yīng)系統(tǒng)。

　　1.3?? 本項(xiàng)目的意義

　　本項(xiàng)目的意義在于：

　　1.3.1?? 通過(guò)本項(xiàng)目的研發(fā)和實(shí)施可以建立一套完整的礦山安全評(píng)價(jià)與安全管理的三維地質(zhì)和地下工程模型，增強(qiáng)可視化管理。

　　1.3.2?? 可以建立一套完善可靠的安全信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和礦井安全監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)。安全信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的信息包括瓦斯、粉塵、地表水、地下水、火災(zāi)、電氣、運(yùn)輸?shù)确矫?，傳感器系統(tǒng)涉及的信息包括礦井的瓦斯、一氧化碳、粉塵、煙霧、溫度、風(fēng)速、壓力、氧氣、水位、流量、煤位、位移、應(yīng)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(jù)各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，建立一套合理的數(shù)據(jù)處理、專(zhuān)業(yè)分析和決策支持?jǐn)?shù)學(xué)模型。充分利用三維地理信息系統(tǒng)中的空間地質(zhì)模型、地下工程模型和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、防塵管路、供電網(wǎng)絡(luò)、排水管路、運(yùn)輸線路、瓦斯抽放管路、注漿管路、注氮管路、避災(zāi)路線、通訊網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等各專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)布局模型，融合常規(guī)生產(chǎn)安全信息和監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種隱患辨識(shí)、故障診斷、事故預(yù)警和救災(zāi)指揮，形成抗災(zāi)救災(zāi)的快速反應(yīng)系統(tǒng)。

　　總之，該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成功對(duì)我國(guó)的礦山安全生產(chǎn)、減少人員傷亡、提高生產(chǎn)效率具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)采礦業(yè)的科技進(jìn)步具有劃時(shí)代的意義。

　　2?? 實(shí)施方案

　　2.1?? 具體內(nèi)容

　　2.1.1?? 建立完整的、合理的、科學(xué)的和規(guī)范的危險(xiǎn)源信息和隱患辨識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，包含勘察信息、特征數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和觀測(cè)等方面的數(shù)據(jù)。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(cè)井曲線等。特征數(shù)據(jù)包括各巖層的巖性、硬度、碎漲系數(shù)、孔隙度、滲透系數(shù)、持水度、容水度、給水度、釋水系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、視電阻率、自然咖瑪、咖瑪咖瑪、瓦斯賦存狀態(tài)、瓦斯壓力、煤層性質(zhì)等。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和觀測(cè)數(shù)據(jù)包括降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)、涌水量觀測(cè)數(shù)據(jù)、各地質(zhì)區(qū)域的和開(kāi)采區(qū)域的潛水補(bǔ)給量和瓦斯補(bǔ)給量、溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛?、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(kāi)關(guān)量，以及動(dòng)態(tài)化驗(yàn)結(jié)果等。

　　2.1.2?? 完善GIS平臺(tái)的三維地質(zhì)建模功能、三維地質(zhì)體圈定功能和三維儲(chǔ)量計(jì)算功能和三維可視化功能，建立任意復(fù)雜構(gòu)造的地質(zhì)模型，包含水文地質(zhì)和瓦斯地質(zhì)、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(zhì)體，包括含水區(qū)域的范圍及儲(chǔ)水量、瓦斯賦存范圍及賦存量、老窯采空區(qū)積水等。根據(jù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正三維模型和賦存量，達(dá)到對(duì)危險(xiǎn)源的透明管理。