基于ArcView的的煤与瓦斯突出区域预测的可视化.doc

基于ArcView的煤与瓦斯突出区域预测的可视化宋金星基金项目：国家自然科学基金项目（编号：40902044）作者简介：宋金星(1980-)，男，河南安阳人，讲师，主要从事地球探测信息技术和煤层气工程的教学和研究。E-Mail： 刘玉芳2（1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大学资源与环境学院，河南 焦作 454003）摘 要：本文应用煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，在空间数据管理的基础上，运用GIS 数据处理方法，使用ArcView软件进行煤与瓦斯突出危险性的区域预测，划分沙曲矿4#煤层的煤与瓦斯突出危险区和无突出危险区，对其煤与瓦斯突出危险性做出评估。本文实现了煤与瓦斯突出预测的可视化管理，提高了瓦斯灾害预测的准确性和时效性。关键词：ArcView；煤与瓦斯突出；区域预测；可视化；中图分类号：P694 文献标识码：AVisualization research on regional prediction of coaland gas outburst based on ArcViewSong Jin-xing 1 Liu Yu-fang2（1.School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2. Institute of Resource and Environment, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）Abstract：Using GIS data processing method and ArcView GIS software, this paper applied coal gas parameters combining with gas geology analysis of method to regional prediction of coal and gas outburst based on spatial data management, by means of which the 4# coal seam in Shaqv mining ares was divided into coal and gas outburst dangerous area and threatened area, and the danger of coal and gas outburst was assessed and predicted. The visualization managements of coal and gas outburst prediction are achieved, then the accuracy and time effectiveness of gas of coal and gas outburst prediction is improved.Key words：ArcView；Coal and gas outburst；Regional prediction；Visualization一、引言国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布。因此，区域预测在煤与瓦期突出防治工作占有重要的地位。由于煤与瓦斯突出现象的复杂性，目前普遍承认煤与瓦斯突出是瓦斯、地质等诸因素综合作用的结果。矿井煤与瓦斯突出区域预测可视化研究，就是将煤矿瓦斯地质信息集成叠加在采掘工程平面图上，以可视化的方式对煤与瓦斯突出危险性进行诊断，通过“人-机”互动，实现对瓦斯的区域预测功能、瓦斯地质信息的动态管理功能1。随着计算机技术的发展，国内许多学者已经把地理信息系统（GIS）技术应用于煤与瓦斯突出区域预测的可视化。宋卫华等在GIS 支持下建立多因素模式识别模型2，综合应用VB、MATLAB完成煤与瓦斯突出危险性预测可视化程序的开发3。张瑞林等综合应用VB、MapObjects、Access完成煤矿瓦斯地质信息管理系统的开发4-5。刘明举等基于ArcView软件进行二次开发完成潘三矿瓦斯预测信息管理系统的建立6。李希建等基于SuperMap控件完成了瓦斯预测管理系统设计与开发7。以上科研成果均是在GIS支持下进行程序开发，科研工作量较大；另外，其科研成果针对性较强，不利于推广。本文应用煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，使用ArcView软件进行煤与瓦斯突出危险性的区域预测，实现了煤与瓦斯突出预测的可视化管理，提高了瓦斯灾害预测的准确性和时效性，且其操作简单，适合推广应用。二、煤与瓦斯突出区域预测的可视化2.1 区域预测方法煤与瓦斯突出区域预测的方法很多，目前应用比较成熟并被列入我国防治煤与瓦斯突出规定的根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法。这种方法是把原来的瓦斯地质统计法和综合指标法综合起来，从而形成一套能够对一个区域进行完整的区域预测的方法。其基本做法是：先把区域中那些能够根据实际发生的突出或明显突出预兆及煤层瓦斯风化带分布等划分为危险区、无危险区的部分划分出来，然后对于其他区域则根据煤层瓦斯压力或含量进行预测和划分。预测所依据的临界值应根据各个矿井试验考察后确定，本文暂按表1进行预测8。表1 根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值Tab.1 Critical value of coal gas parameters combining with gas geology analysis of method to regional prediction of coal and gas outburst预测指标临界值区域类别瓦斯压力P（MPa）P0.74无突出危险性瓦斯含量W（m3/t）W8无突出危险性除上述情况以外的其他情况突出危险性2.2 数据准备区域预测时需要包括以下三类图层：(1) 勘探钻孔、水文长期观测孔、水文孔、实测陷落柱、推测陷落柱、断层、褶曲、井下采掘工程、地面设施、井田边界、勘察线、经纬网、图框；(2) 瓦斯含量点、瓦斯测压点、区域预测指标测试点、回采工作面瓦斯涌出量点、掘进工作面瓦斯涌出量点、动力现象点、突出点；(3) 由用户和系统生成的临时数据。第一类图形数据可从煤矿采掘工程平面图中获得。目前，煤矿采掘工程平面图大多以dwg格式存在，而ArcView只能识别shape格式，这就需要将dwg格式的采掘工程平面图转化为shape格式。虽然ArcView软件可识别dxf格式，但是转换的结果不尽如人意，最终只能得到点、线、面、注记四个图层9。本文利用SuperMap Deskpro 5.2对dwg文件进行分层转化。转换前，首先要保证dwg文件为AutoCAD 2004或以前版本格式；随后，将dwg文件导入SuperMap Deskpro 5.2以数据集保存；经用户编辑整理之后，可将数据集以“ArcView Shape文件”格式分层导出。第二类图形数据需要用户依据煤矿勘探和生产阶段的实测瓦斯参数和观测资料分层绘制。绘制前，需要分类整理实测点（观测点）X、Y坐标及其实测（观测）值，整理结果按类分别以dbf文件单独保存。将dbf文件调入ArcView软件中，调用“View”菜单中的“Add Event Theme”子项，ArcView软件将依据用户指定的X、Y坐标自动绘制点图层10。2.3 使用ArcView实现区域预测2.3.1 圈定突出点和动力现象点影响范围一般认为突出点和动力现象点周围一定区域具有突出危险性。本文使用ArcView软件的距离分析和再分类功能圈定突出点和动力现象点的影响范围。分析时，首先激活突出点（动力现象点）图层，然后执行“Analysis”菜单中的“Find Distance”子项，即可获得距离分析的结果。该结果按距离突出点（动力现象点）的远近被默认分成9类，必须进行再分类操作，将其分成2类，即可获得突出点（动力现象点）的影响范围。具体再分类操作如下：首先激活该距离分析结果图层，然后执行“Analysis”菜单中的“Reclassify”子项，系统出现Reclassify Values对话框，点击“Classify”按钮，设置分类数为2类，按分析之前确定的指标修改分类的间距（距离突出点（动力现象点）100米范围内的区域为受影响区，其他区域为非受影响区）：Old Values（原来值）New Value（修改后的值） 0-100 1（受影响区，具有突出危险性，红色） 100 - 8181.23 0（非受影响区，无突出危险性，绿色） no data no data2.3.2 划分煤层瓦斯风化带一般认为瓦斯风化带煤层没有突出危险性。瓦斯风化带可以根据煤层瓦斯气体的成分、瓦斯含量等资料进行划分4。瓦斯风化带下界深度可以根据下列指标中的任何一项确定。(1) 煤层的相对瓦斯涌出量等于23m3/t处；(2) 煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；(3) 煤层内的瓦斯压力为0.10.15Mpa处；(4) 煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.01.5 m3/t.daf，气煤1.52.0 m3/t.daf，肥煤与焦煤2.02.5 m3/t.daf，瘦煤2.53.0 m3/t.daf，贫煤3.04.0 m3/t.daf，无烟煤5.07.0 m3/t.daf（此处daf是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）；划分煤层瓦斯风化带时，可根据相关资料的多少程度，选择合适的指标做为划分标准。本文使用ArcView软件的格网（Grid）分析和再分类功能划分煤层瓦斯风化带。Grid是一种利用格网研究一个地区的空间信息的数据模型，Grid数据由正方形网格组成，即将连续的表面分成若干个大小相等的正方形单元格，每个单元格赋一个属性值，每个单元格的大小即为该Grid数据的分辨率，单元格越小，分辨率越高5。分析时，首先激活被分析图层，然后执行“Surface”菜单中的“Interpolate Grid”子项，设置合适的格网输出范围和单元格尺寸，即可获得被分析图层的Grid图层。该Grid图层默认被分成9类，必须进行再分类操作，将其分成2类，即可获得煤层瓦斯风化带。具体操作如下：首先激活该Grid图层，然后执行“Analysis”菜单中的“Reclassify”子项，系统出现Reclassify Values对话框，点击“Classify”按钮，设置分类数为2类，按分析之前确定的指标修改分类的间距（以相对瓦斯涌出量为例，煤层的相对瓦斯涌出量小于3时为风化带）：Old Values（原来值）New Value（修改后的值） 0.2-3 0（风化带，无突出危险性，绿色） 3-20 1（沼气带，具有突出危险性，红色） no data no data2.3.3 根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测和划分根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测和划分时，同样需要使用ArcView软件的格网（Grid）分析和再分类功能。分析时，首先激活瓦斯含量点（瓦斯测压点）图层，然后执行“Surface”菜单中的“Interpolate Grid”子项，获得Grid图层。对该Grid图层进行再分类操作，将其分为2类，按表1临界值修改分类的间距（以瓦斯含量为例）：Old Values（原来值）New Value（修改后的值） 3-8 0（无突出危险性，绿色） 8-21 1（具有突出危险性，红色） no data no data最终，可得到划分结果。2.3.4 综合分析为方便后续操作，综合分析前必须对上述分析结果进行重新命名，命名结果参见表2。表2 分析结果重命名Tab.2 Analysis results rename分析结果重命名突出点影响范围R_TCD动力现象点影响范围R_DLD煤层瓦斯风化带划分结果R_FHD根据瓦斯压力或含量划分结果R_PW综合分析时，首先激活任一分析结果，随后执行“Analysis”菜单中的“Map Calculator”子项，系统出现Map Calculation对话框，建立以下表达式： （R_TCD+R_DLD+R_ FHD*R_ PW）按Evaluate按钮系统产生区域预测综合图Map Calculation 1。对该分析结果进行再分类操作，将其分为2类，并修改分类的间距：Old Values（原来值）New Value（修改后的值） 0-0 0（无突出危险性，绿色） 1-3 1（具有突出危险性，红色） no data no data最终，可得到煤与瓦斯突出区域预测的分析结果。2.3.5 等值线分析ArcView具备自动绘制等值线的功能，执行“Surface”菜单中的“Create conturs”子项，即可得到瓦斯含量等值线、瓦斯压力等值线、相对瓦斯涌出量等值线、地面高程等值线、煤层底板等高线。三、应用实例本文应用煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，使用ArcView软件对沙曲矿4#煤层进行了煤与瓦斯突出危险性的区域预测，划分了突出危险区和无突出危险区。分析结果见图1所示。图1 沙曲矿4#煤层煤与瓦斯突出危险性的区域预测结果Fig.1 Regional prediction results of coal and gas outburst for the 4# coal seam in Shaqv mining四、结束语本文详细介绍了使用ArcView软件，应用煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，进行煤与瓦斯突出危险性的区域预测，划分煤与瓦斯突出危险区和无突出危险区的整个过程，并对沙曲矿4#煤层煤与瓦斯突出危险性做出评估，实现了煤与瓦斯突出预测的可视化管理，提高了瓦斯灾害预测的准确性和时效性。参考文献1宋卫华,张宏伟. 基于GIS的煤与瓦斯突出区域预测的可视化J. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,(3),337-339. 2李胜,张宏伟. 煤与瓦斯突出区域预测信息系统开发J. 辽宁工程技术大学学报,2006, (S1)