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。