基于GIS的煤矿瓦斯预警系统

杨亚杰，袁振坤

(1．河南神火兴隆矿业有限责任公司泉店煤矿，河南 许昌 461000;2．河南神火煤业小煤矿区域管理一公司，河南 禹州 461670)

我国煤矿安全生产中瓦斯事故时有发生，严重危害矿工的生命安全及煤矿的安全生产。由于其隐蔽性、随机性，造成的后果往往是灾难性的。河南神火泉店煤矿位于河南省禹州煤田东部的禹州市和许昌县之间，泉店矿井采用立井(主井、副井、中央风井)、单水平上下山开，大巷水平标高为－540 m，布置在二1煤层顶板砂岩中，采用一次采全高倾斜长壁后退式采煤法开采。矿井初期投产两个采区，通风方式为抽出式，通风系统为中央并列式，即有副井进风，中央风井回风。矿区可采煤层总体瓦斯含量不大。二1煤瓦斯含量 0．00 ～6．71 mL/g，平均 1．16 mL/g;坚固性系数0．17 ～0．20，放散初速度3．7 ～5．9;储层压力0．3 ～0．67 MPa。二3煤瓦斯含量 0．00 ～0．38 mL/g，平均0．10 mL/g。四6煤瓦斯含量 0．00 ～0．17 mL/g，平均0．03 mL/g。由于受区域构造的影响，煤系地层在长期遭受剥蚀风化等多种地质作用的影响下，煤的原始结构破坏，坚固性系数值变小;放散初速度值增大，瓦斯储层压力减低。

1 系统设计的目标和原则

1．1 系统设计的目标

系统是以矿井瓦斯地质信息数据管理为研究对象，运用地球科学技术和计算机技术，并根据国家统一规范建立矿山瓦斯预测信息管理系统。其设计的具体目标如下：

1)系统直接为煤矿瓦斯信息预测管理服务，利用本系统实现各个数据信息的输入、查询、计算、统计、多因素分析和输出等功能。

2)利用GIS平台及计算机技术来实现煤与瓦斯突出影响因素信息的统一管理和共享。

3)利用系统的高速计算与预测技术实现煤与瓦斯突出的预测与防治，针对性地对某区域进行瓦斯赋存及变化规律研究和突出危险性决策分析，以求实现煤矿安全高效生产。

1．2 系统设计原则

1)数据规范性。为了使系统结果具有较高可信性，系统输入的数据格式要规范，数据结构清新，坐标系统统一等，在此原则下，本系统要建立一个包括煤与瓦斯突出各种影响因素的图像、图形等的标准数据库。

2)实用与科学性。数据库与系统的建立能满足生产单位各个部门对煤与瓦斯突出危险性影响因素数据的查询、统计及决策分析。系统在GIS软件平台基础上，系统预测结果要有较高可信性，以达到预防目的。

2 系统设计

煤与瓦斯突出的发生，主要是由煤本身的物理力学性质及地应力、瓦斯等多因素共同影响的结果。若使预测结果有较高可信度，所需要的各因素数据信息量是巨大的。煤矿瓦斯预测信息管理系统是以GIS为软件平台，以解决煤矿瓦斯主控因素信息处理及决策支持相关的专题应用型信息系统。该系统从空间地质数据信息的获取、查询和决策分析入手，提供煤与瓦斯危险性分析的动态和实时预测分析。

2．1 系统总体结构设计

本系统主要针对煤矿安全生产部门，利用先进的GIS技术和计算机技术，采用统一的数据模式，软件设计标准。

其系统的总体结构设计示意图见图1。

图1 系统总体结构设计示意图

2．2 系统功能模块设计

煤矿瓦斯预测系统主要有数据输入与编辑子系统、信息查询与检索子系统、空间数据可视化子系统、煤与瓦斯突出危险区预测子系统，煤与瓦斯突出防治预案子系统。

1)数据输入与编辑子系统，该系统可输入各种类型的数据信息，包括文字、图形等数据存储于数据库系统Access 2003中，等待后续计算随时调用。建立数据库方便实时更新影响煤与瓦斯突出危险性的各个因素数据，在煤矿开采中，用户可以随时修改及编辑各类数据，保证预测结果有较高可靠度。

2)信息查询与检索子系统。GIS系统中的MIS可以对空间数据进行准确的查询与定位，可实现空间数据库中各种类型的数据查询，使用户能随时调阅研究空间数据。

3)可视化显示子系统。该子系统负责显示数据库中的文字、图像等数据以及预测结果评价等，能直观的、全面地反映煤与瓦斯可能突出的区域等。

4)瓦斯预测子系统。该系统能根据输入的数据，以GIS为基础平台，根据设计好的程序进行多因素综合预测，要提高预测结果的可靠性需要大量的历史数据作为参考，并根据当前开采数据进行综合预测，预测结果通过可视化系统直观地显示给用户，为用户提供参考。

5)瓦斯防治预案子系统。该系统根据瓦斯预测子系统，调用数据库中历史防治措施，并综合多种防治措施提供几种最优防治措施，供用户选择或作为参考。

3 系统实现技术路线

系统需要存储多种海量数据，有图片格式、矢量图形以及 GIS数据文件等，本系统选用了 Access 2003作为存储数据库，本系统软件开发采用VB+Arcgis的开发模式，结合GIS系统工具并对其进行二次开发。既能利用GIS工具对数据库进行管理分析，也可利用其强大的可视化输出功能对预测结果进行可视化输出，方便用户管理分析。

4 系统应用

泉店煤矿矿区可采煤层瓦斯含量随煤层埋藏深度的增加而增大，特别是随煤层上覆基岩保存厚度(有效地层厚度)的增加，而煤层瓦斯含量增大。本矿井二1煤瓦斯含量较低，但由于瓦斯赋存的不均衡规律，瓦斯有可能会局部聚集，瓦斯含量较高。在氮气～沼气带中会存在高沼气区;沼气带中也会存在小面积氮气沼气带。特别是在小断层附近、断层尖灭端、地层产状变化处、煤厚变化地段和地应力集中部位，煤质疏松，生产中应予以足够重视，将研究区内瓦斯含量，钻孔数据，煤的物理力学性质以及采掘工程平面图等各种数据及图形信息等资料输入系统，根据系统中的历史数据，以GIS为软件平台进行多因素评价分析，获得研究区的预测结果图，见图2。

在图2中1区域由于地质、开采条件比较好，瓦斯压力较小，煤层厚度较薄，根据历史经验数据通过本系统分析次区域为非突出区，而区域6，通过多因素分析，此区域构造发育，瓦斯压力较大，开采过程中可能会发生瓦斯突出，可根据系统提供的应急方案，采取有效措施，防治煤与瓦斯突出的发生。

5 结语

本文旨在探讨煤与瓦斯突出危险性预测与GIS技术的结合，充分利用GIS强大的空间分析处理功能，实现对煤矿瓦斯影响数据的有效管理，并在此基础上利用海量的数据与正确可靠的数学模型相结合，实现煤与瓦斯突出预警，为煤矿瓦斯预测提供科学的决策依据。

图2 多因素预测结果图

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