基于GIS的煤与瓦斯突出预测系统的设计

杨 坤，宋维宾，毕科柯

（1．河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2．晋煤集团长平矿，山西 高平 048400）

·试验研究·

基于GIS的煤与瓦斯突出预测系统的设计

杨 坤1，宋维宾1，毕科柯2

（1．河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2．晋煤集团长平矿，山西 高平 048400）

将GIS运用于煤与瓦斯突出危险性预测中，可以提高预测的准确性、时效性和可视化程度。本文根据煤与瓦斯突出的特点，运用GIS数据处理的方法，以C＃语言为开发工具，设计开发了基于GIS的煤与瓦斯突出预测系统，该系统由煤与瓦斯突出预测系统、突出防治决策系统和辅助系统三大部分组成。能够对工作面和区域的煤与瓦斯突出危险性进行预测，将预测区划分为无突出区，突出危险区和突出威胁区，预测结果以图形的形式显示出来，并且给出相应的煤与瓦斯突出防治决策建议。通过在四川叙永煤矿实际应用，结果表明：该系统预测结果准确，操作简单，可视化程度高，具有广阔的推广应用空间。

GIS；煤与瓦斯突出；预测系统；应用

煤与瓦斯突出是一种严重的井下地质灾害，常造成生产设施的严重破坏和人员的重大伤亡，威胁煤矿的安全生产。长期以来，许多专家学者在煤与瓦斯突出方面进行了卓有成效的研究。周世宁基于瓦斯赋存运移规律，形成了“煤层瓦斯流动理论”体系［1］；何学秋基于分形维数、煤岩流变，提出了煤与瓦斯突出机理的流变假说［2］；张子敏、张玉贵等基于构造逐级控制理论，分析研究了地质构造、煤体结构、瓦斯突出之间的关系［3］；陈文学、聂百胜基于ASP技术，建立了煤与瓦斯突出危险性预测系统［4］；郝吉生、袁宗孚基于黑箱理论，提出了模糊神经网络技术在煤与瓦斯突出预测中应用方法［5］。大家或从瓦斯地质角度、或从煤体结构角度，或把其它学科理论与煤与瓦斯突出特点相结合，进行煤与瓦斯突出的研究，但是煤与瓦斯突出既需要瓦斯地质知识，同时需要动态分析和实时监控，还需要图形显示，GIS具有强大的数据分析、实时显示和图形处理功能，将GIS运用于煤与瓦斯突出研究中，可以满足上述要求。本文将GIS与综合指标法、模糊综合评价法、BP神经网络法等煤与瓦斯突出预测的方法相结合，以C＃语言为开发工具，设计开发了煤与瓦斯突出预测系统，该系统提高了煤与瓦斯突出预测的准确性、时效性和可视化程度，操作简单方便，对于我国煤矿安全生产具有重要意义。

1 系统结构的总体设计与各部分功能

该系统主要由煤与瓦斯突出预测系统、突出防治决策系统、辅助系统三大部分组成，见图1。

图1 系统总体设计示意图

其中，煤与瓦斯突出预测系统包括综合指标法预测、模糊综合评价法预测、BP神经网络法预测，每种预测方法包括采煤工作面、掘进工作面和区域性的预测，并且能在该系统中单独运行，只是各种预测方法要求输入的参数不同，用户可以根据工作面或区域的实际情况，选择不同的预测方法，预测完成后，预测结果会以图形的方式显示出来，供使用者参考。突出防治决策系统主要包括突出危险防治系统、突出威胁防治系统和无突出预防系统，主要是根据预测结果，结合实际情况，提出相应的防治决策和建议；辅助系统主要包括数据库管理系统和帮助系统。数据库管理系统主要是对系统的静态数据和中间运行的数据进行管理；帮助系统主要是介绍本系统的功能，同时对一些操作过程的疑难问题进行解答，以便用户更好地了解本系统进行操作。

2 系统各部分实现的关键技术

2．1 煤与瓦斯突出预测系统

预测系统包括综合指标法预测、模糊综合评价法预测和BP神经网络法预测。不同的预测方法，体系构建的方法不同，原理也不太一致，限于篇幅，本文仅以模糊综合评价法中的煤与瓦斯突出区域预测为例，介绍其构建过程。

第一步：权系数矩阵的建立。

煤与瓦斯突出主要是瓦斯条件、煤体性质和赋存特性共同作用的结果，瓦斯条件主要包括瓦斯压力和瓦斯含量；煤体性质主要包括煤体破坏类型、煤体坚固性系数、瓦斯放散初速度；赋存特性主要包括埋藏深度，地质构造复杂程度、围岩状况。可以表述为U =｛瓦斯条件，煤体性质，赋存特性｝=｛U1，U2，U3｝，其中，U1=｛瓦斯压力、瓦斯含量｝=｛U11，U12｝；U2=｛煤体破坏类型，煤体坚固性系数，瓦斯放散初速度｝=｛U21，U22，U23｝；U3=｛埋藏深度，地质构造复杂程度，围岩状况｝=｛U31，U32，U33｝。根据上述影响煤与瓦斯突出的因素，建立煤与瓦斯突出预测评价指标体系，见表1。

表1 煤与瓦斯突出预测评价指标体系

Ui为影响煤与瓦斯突出的第一级的因素，权系数记为矩阵WB=（b1，b2，…，bm），Uij为第二级的因素，权系数矩阵记为WC=（c1，c2，…，cn）。

第二步：评价矩阵的建立。

设U可划分为m个子集，于是得到第一级因素集合Ui=（U1，U2，…，Um），若Ui中含有n个因素，各因素在不同地区所占的权重不同，设在煤与瓦斯突出预测的某一区域共测N次，根据统计原则，确定某一指标隶属度的次数M，从而确定权重rij=M／N。

以此建立一级指标评价矩阵：

第三步：模糊综合评价。

一级模糊综合评价结果为：

（z1，z2，…，zk）

多级模糊综合评价为：

（v1，v2，…，vk）

第四步：评价指标体系的建立。

为了将评价结果定量表示，评价集分为三个等级，V=｛无突出区，突出危险区，突出威胁区｝=｛V1，V2，V3｝。

利用归一化的原则，处理上述多级模糊综合评价结果，评价结果的隶属度取值于［0，1］区间，根据隶属度的大小，划分为三个等级（见表2），根据最大隶属度原则，得出该区域的煤与瓦斯突出危险性。

表2 评价等级划分和隶属度对应结果表

2．2 突出防治决策系统

突出防治决策系统能够根据预测的结果，结合各区域的实际情况，提出一些防治煤与瓦斯突出的措施和建议［6-8］。主要包括无突出预防决策建议、突出危险防治决策建议、突出威胁防治决策建议。

2．3 辅助系统

辅助系统包括数据管理系统和帮助系统两大部分。数据管理系统是该系统的核心部分，它决定了预测结果的准确程度，使用者可以通过添加、编辑、删除和更新命令对数据库进行管理，提高预测系统的灵活性和准确性，延长系统的使用寿命。

帮助系统的功能和其它商业软件的帮助系统功能相同，主要是为初学者提供帮助，介绍该系统的使用方法和注意事项，引导用户正确使用该系统。

3 应用实例

3．1 研究区概况

本文研究区域四川叙永煤矿，位于四川省泸州市叙永县县城东约15 km处，地理坐标为：东经105°30′49″～105°36′52″，北纬28°06′26″～28°09′08″。该区域地质构造较发育，研究区内具有一定数量的小断层和褶皱，开采煤层主要为19＃、20＃、24＃、25＃煤层，开采顺序为19＃—20＃—24＃—25＃，目前，只有19＃煤层正在开采，其它煤层均未开采。19＃煤层瓦斯含量较高，煤层瓦斯平均含量超过了8 m3／t。2011年，叙永煤矿绝对瓦斯涌出量20．1 m3／min，相对瓦斯涌出量34．29 m3／t，被鉴定为高瓦斯矿井，存在一定的煤与瓦斯突出的危险性。

3．2 系统应用

本系统开发完成后，对四川叙永煤矿19＃煤层煤与瓦斯突出区域进行了预测。

预测步骤为：

第一步：评价区域及评价方法选择。在数据库中选择已经导入的评价区域，根据已收集到的资料，在模糊综合评价法、综合指标法和BP神经网络法中选择一种预测方法。

第二步：参数输入。输入测试点坐标以及该测试点瓦斯条件、煤体性质和赋存特性基本参数。

第三步：运行结果及图形显示。系统运行并生成预测结果图形（见图2）。

图2 预测结果图形显示

4 结 论

1）该系统可以对区域煤与瓦斯突出危险性进行预测，且可以对工作面煤与瓦斯突出危险性进行预测；根据对资料的掌握情况，可以在模糊综合评价法、综合指标法、BP神经网络法中选择不同的预测方法。

2）该系统的预测结果准确，提高了煤与瓦斯突出预测的可视化水平，数据库管理系统能够对数据库进行实时更新，实现了对煤与瓦斯突出预测的动态分析和实时监控。

3）该系统操作简捷，具有广阔的推广应用空间。

［1］ 周世宁，林伯泉．煤层瓦斯赋存与流动理论［M］．北京：煤炭工业出版社，1999：69-71．

［2］ 何学秋．含瓦斯煤岩流变动力学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1995：14-16．

［3］ 张子敏，张玉贵．瓦斯地质学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2009：38-48．

［4］ 陈文学，聂百胜．基于ASP技术的煤与瓦斯突出危险性预测系统［J］．煤炭科学技术，2006，34（7）：14-16．

［5］ 郝吉生，袁崇孚．模糊神经网络技术在煤与瓦斯突出预测中的应用［J］．煤炭学报，1999，24（6）：624-627．

［6］ 愈启香．煤与瓦斯突出防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1992：243-323，358-373，394-395．

［7］ 于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及技术手册［M］．北京：煤炭工业出版社，2005：672-700．

［8］ 张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术［M］．北京：煤炭工业出版社，2001：213-231．

The Design of Prediction System about Coal and Gas Outburst Based on GIS

Yang Kun，Song Wei-bin，Bi ke-ke

It can improve prediction accuracy，timeliness，and visualization by applying GIS to coal and gas outburst hazard prediction．Based on the coal and gas outburst characteristics，the coal and gas outburst prediction system was developed by applying GIS as data processing method and using C＃as developing tool．The system is constituted of coal and gas outburst prediction system，coal and gas outburst prevention and treatment decision-making system and auxiliary systems as three main components．The coal and gas outburst hazard of coalface and region was predicted．The predicted regions were divided into coal and gas outburst non-dangerous region，dangerous region and threatened region，the prediction result was displayed in a graphical form．Some relevant coal and gas outburst prevention policy recommendations were given by the system．The practical application results of Sichuan Xuyong coal mine showed that the system prediction result was accurate，the operation was simple，the degree of visualization was high，it had a broad application space．

GIS；Coal and gas outburst；Prediction system；Application

TD713

A

1672-0652（2013）09-0022-03

2013-06-22

杨 坤（1988—），男，河南信阳人，2011级河南理工大学在读硕士研究生，主要从事煤矿瓦斯抽采治理的研究（E-mail）770933973＠qq．com