基于GIS的矿井瓦斯地质数字化技术.doc

基于GIS的矿井瓦斯地质数字化技术崔俊飞，李向东，李明建（煤炭科学研究总院 重庆研究院，重庆 400037 ）摘要：针对如何有效管理瓦斯地质数据资料，使工作人员能方便、快捷地获取所需信息的难题。探讨了如何利用地理信息（GIS）技术、计算机技术实现矿井瓦斯地质基础数据的数字化，建立瓦斯地质空间数据模型，并对大量复杂的原始数据进行分析处理，实现了矿井瓦斯地质要素自动绘制，突出威胁、危险区域的划分，图形与数据的快速交互。使得煤矿工作人员可以快速直观地获取所需要的瓦斯地质信息，进而制定防治瓦斯灾害的有效措施，确保煤矿安全生产。关键词：GIS；瓦斯地质；区域预测中图分类号:TD163 文献标识码：ATechnology of digitization for mine gas-geology based on GIS（CUI Jun-fei,LI Xiang-dong） (Chongqing Branch of CCRI,Chongqing 400037,China)Abstract: Carrying out the job for gas-geology and grasping the rules of gas-distributing and the state of gas-storing are premises to prevent the gas disaster in mine with effective measures. Through a large amount of gas geological data which has been accumulated coal mine in the long-term practice, such as geology, mineral resources, geological hazards, such as gas storage information. However how to manage the gas-geology data effectively for the workers to get the required information conveniently and rapidly has become our priority problem. This article is to discuss how to implement digitization of gas-geology basic data with the technology of GIS and computer and to establish the gas-geology spatial data model. Through the analysis of the large amount of complicated basic data, drawing of the elements of mine gas-geology, partition of outburst area and interaction of graph and data has been accomplished. This makes the miners to get the information of gas-geology rapidly and directly, then to set up the effective measures against prevention of gas disaster. It is very important to ensure the safety in mine.Key Word:GIS;gas-geology;regional forecast矿井瓦斯地质图是矿井瓦斯地质规律的科学总结，能反映矿井瓦斯涌出规律，预测瓦斯涌出量，划分出不同级别的瓦斯地质单元预测煤与瓦斯突出。但现有瓦斯地质数据管理及图示技术存在许多缺陷，主要表现在以下几个方面：1）现有瓦斯地质数据多以文字形式表达，缺乏对空间数据的有效表达和及时分析，不能形象、直观地再现井下瓦斯地质信息空间位置关系。2）现有图件数据多用AutoCAD进行管理，AutoCAD只能进行简单的图形绘制和显示，缺乏丰富的后台空间数据支撑，并且无法进行高级的空间数据分析（拓扑分析，网络分析等）。3）缺乏对大量复杂的原始瓦斯地质数据资料的分析手段，不能迅速及时地提供有助于工作人员作出判断和决策的有效信息。4）现有瓦斯地质图件的绘制多为手工处理，计算量大、精确度低，不能及时更新瓦斯地质信息。近年来逐渐发展起来的GIS技术，以其强大空间数据管理、空间数据分析和图形的输入、输出功能，为管理瓦斯地质数据资料和绘制瓦斯地质图件提供了技术支持。因此采用地理信息技术，开展对矿井瓦斯地质信息的数字化技术研究。1 矿井瓦斯地质图的主要内容矿井瓦斯地质图是反映井田地质条件、瓦斯赋存和瓦斯突出关系的图件，其主要内容如下：1）采掘工程。井筒、大巷、石门、采区上下山和主要回采巷道。2）地质资料。井田边界线、煤层露头、煤层底板等高线、主要地质构造、煤层厚度、构造煤类型和厚度以及其他地质资料（如火成岩、岩溶影响范围等）。3）瓦斯资料。突出现象发生的位置、突出煤量和瓦斯涌出量、井下测压钻孔、瓦斯含量测点、采掘工作面每天的瓦斯浓度、风量和抽放量。2 瓦斯地质空间数据模型的建立及关键技术的实现2.1 瓦斯地质空间数据模型的建立地理信息系统（GIS）可以存储地理空间数据及其相关属性数据，并可以分析各个空间实体间的相互关系。使用GIS对瓦斯地质数据进行矢量化，将涉及的空间实体划分为点、线、面对象存入空间数据库，以图层的形式管理瓦斯地质数据以便读取和分析。点对象包括以下图层：地面勘探钻孔图层（其主要属性见表1）、煤层见煤点图层、瓦斯压力采样点图层、瓦斯含量采样点图层和瓦斯涌出量采样点图层。表1 地面勘探钻孔属性（Table1 The attributes of exploration drilling-hole）属性类型孔号string所属勘探线PID孔口高程double终孔深度double线对象包括断层断煤交线图层、煤层底板等高线图层（其主要属性见表2）、井田边界线图层、瓦斯含量（压力）等值线图层、瓦斯涌出量等值线图层和巷道工程图层。表2 煤层底板等高线属性（Table2 The attributes of coal-seam floor contour）属性类型高程double所属煤层string所属地质单元string面对象（多边形对象）包括地质构造单元图层（其主要属性见表3）、工作面区域图层、断层区域图层、突出危险区域图层和突出威胁区域图层。表3 地质构造单元属性（Table3 The attributes of geologic structure cell）属性类型名称string地质单元编号string以上所述主要瓦斯地质空间数据的属性数据是以煤矿的采掘工程平面图、地质说明书、瓦斯预测统计报表等为数据基础，将AutoCAD图经过校正变换到实际坐标，直接导入到GIS中，结合瓦斯地质理论对不同的图层对象添加相应的属性数据，从而建立起瓦斯地质空间数据模型，为瓦斯地质图的绘制打下基础。2.2 系统关键技术的实现1）GIS平台的选取和空间数据模型的建立。通过ARGGIS的数据库管理桌面系统ArcCatalog,并结合ArcSde和SqlServer建立空间数据库，根据瓦斯地质数据的几何特性建立图层结构，并根据数据的属性特征为每个图层定义属性字段。将煤矿现有的利用AutoCAD绘制的图形数据,通过ArcCatalog读取导入到空间数据库中，对于需要后期精确处理的数据则可以通过ARGGIS的图形编辑桌面系统ArcMap进行编辑修改。2）瓦斯地质单元的划分。地质条件控制了瓦斯突出的分区和分带，如何根据影响构造软煤发育和瓦斯赋存在时间和空间上的差异，划分不同级别的瓦斯地质单元，是进行瓦斯赋存预测、突出危险区域划分的关键，也是基于地质单元的瓦斯地质图各种要素绘制的基础。划分瓦斯地质单元应遵循以下方法：单元的大小根据研究范围确定，在多煤层井田内研究瓦斯突出带时，以分煤层、分水平、分采区为基础，以井田边界或地质构造确定地质单元边界；从影响煤与瓦斯突出的地质因素中选择反映煤层条件和瓦斯条件的主要因素，确定临界值，划分单元界限，形成综合统一的瓦斯地质单元。3）、煤层底板等高线、瓦斯压力、含量等值线绘制的原理及实现。在一个瓦斯地质单元内，根据煤层地质勘探钻孔、导线测量点资料，提取点的真实高程，按克里金算法拟合成栅格数据（矩阵网格数据），在栅格上采样高程点，用采样点结合该地质单元的所有真实高程点拟合成Tin(不规则三角网),最后用Tin生成该地质单元的煤层底板等高线。基于地质单元的煤层底板等高线的绘制可以实现等高线在断层处的自动断开，并依据断层类型进行等高线的错位绘制,具有较高的精度。在采掘揭露煤层后，可以利用新的导线测量点数据结合以前的数据重新插值拟合实现对等高线的自动修正。瓦斯压力、含量等值线的绘制原理则是利用已知的数值及其对应的埋深求出瓦斯压力、含量梯度，从而推算出煤层深部区域参数的数值，并绘制出煤层瓦斯基本参数等值线图，比传统的利用已知数值进行直接拟合有较高精度。利用瓦斯地质法计算地质构造的影响范围，并结合实测的煤的坚固性系数，依据防治煤与瓦斯突出细则提供的综合指标法计算出煤层区域危险性预测的分界埋深后，对煤层进行突出危险区域、威胁区域的划分。ARGGIS提供了强大的二次开发组件ArcObject（简称AO），通过AO开发人员能自由地进行空间分析、拓扑运算等操作而不受到桌面系统的限制。首先利用IFeatureClass和IFeature接口从空间数据库中读取基础数据并进行分析处理，再利用ITinEdit接口将基础数据加入到内存并构建Tin，最后利用ITinSurface接口生成等值线，通过IFeatureClass接口保存。煤层区域危险性等级划分的过程如下：首先采用瓦斯地质法利用IFeatureClass和IFeature接口从空间数据库中读取地质构造信息并进行数值运算，计算其影响距离，再利用ITopooperator接口构建地质构造的影响范围，第二步根据综合指标法，利用IPolyline接口构建始突线，以始突线为界利用ITopooperator接口划分非突区和突出威胁区，利用ITopooperator接口将所有危险等级相同的区域合并保存。3 应用实例芦岭煤矿位于宿东矿区东南部，是典型的高瓦斯突出矿井，东以F32断层为界，西以勘探线补13线和6-7线为界，与朱仙庄煤矿相邻，现实际年产量约为180万t。对芦岭煤矿8煤层的主要瓦斯地质数据进行数字化处理，建立瓦斯地质空间数据库，得到8煤层的瓦斯地质图（图1）图1 芦岭煤矿8煤层瓦斯地质略图（Fig1 Gas-geology map of 8 coal-seam,LU-ling mine）从图1可以直观地看出，芦岭煤矿8煤层瓦斯赋存量总体随煤层埋深的增加而增大，井田东部处于徐宿弧形构造的中心区域，地质构造复杂，但是距离宿北断层很近，瓦斯已经得到部分释放，瓦斯相对较小；井田中部已逐渐远离宿北断裂带，但仍深受徐宿弧形构造的影响，除东南浅部瓦斯较小外，其他区域向深部瓦斯增加很快；井田西部不仅远离宿北断裂，更逐步移出徐宿弧形构造的弧顶中心区域，瓦斯又趋于减小。据统计，井田内现有落差10m以上断层共72条，正断层37条，占51.4%，逆断层35条，占48.6%，落差大于20m的断层多作为采区边界。从揭露过的断层资料来看，在断层附近构造软煤和瓦斯涌出量都增大，突出危险性也随之增大。4 结语搞清瓦斯地质规律，是对煤与瓦斯突出危险性进行预测、划分突出危险性区域的前提，在此基础上可以有针对性地采取防治措施，杜绝瓦斯灾害的发生。把GIS技术应用到瓦斯地质数字化工作中，可以更高效、更灵活地管理瓦斯地质空间数据、绘制瓦斯地质图件，并可以随着采掘工作的进行，根据井下实测数据动态地对瓦斯地质图的各元素进行自动修正，从而帮助煤矿技术人员掌握快速瓦斯地质规律，指导瓦斯灾害防治，有的放矢综合治理瓦斯。参考文献：1 焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论M.北京：煤炭工业出版社，1990.2 张子敏，张玉贵.矿井瓦斯地质图编制J.煤炭科学技术，2005(8).3 王兆丰，张子戌,张子敏.瓦斯地质研究与应用C.北京：煤炭工业出版社，2003.4 张子敏，