矿井水害防控远程服务云平台构建与应用

王 皓，董书宁，乔 伟，姬亚东，朱开鹏，周振方，宁殿艳，尚宏波

矿井水害防控远程服务云平台构建与应用

王 皓1,2，董书宁1,2，乔 伟1,2，姬亚东1,2，朱开鹏1,2，周振方1,2，宁殿艳1,2，尚宏波1,2

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

煤矿水害严重制约煤炭资源安全高效开发。针对我国煤矿开采面临的典型顶板、底板和老空水害问题，现阶段矿井水害防治主要开展水害危险性评价、涌水量预测、水害监测预警及水害探查与治理等工作，智能化程度不高。为了解决煤矿企业现场水害防治不同阶段研究与决策的智能化需求，通过将煤矿水害防治与“大数据”“数字化矿山”“互联网+”“云服务平台”等新理念、新技术进行融合，设计开发了基于多源数据融合的矿井水害防控远程服务云平台，实现水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测数据分析与智能预警、水灾事故辅助决策以及随时随地多部门多端协同，构建形成“互联网+水害防治智慧服务”新模式。矿井水害防控远程服务云平台实现了煤矿水害防治方案的科学、快速、精准制定，提高了矿井水害防治技术工作管理水平，为煤矿安全高效开采提供可靠的技术平台支撑。

水害防治；智慧服务；数字化；多源数据；云平台

煤炭在我国一次能源结构中占主体地位，但同时我国也是世界上矿井水文地质条件最为复杂的国家，频发的煤矿水灾事故严重制约了煤炭工业的快速和高质量发展。近年来，在业界同仁的共同努力下，全国煤矿水害事故数量及死亡人数总体呈下降趋势，但水害事故对煤矿企业造成的经济损失和人员伤亡依然不容忽视[1-2]。

当煤矿企业发生水灾事故或生产安全受水害威胁时，煤矿企业通常会第一时间从国内水害防治专业机构邀请专家赶赴现场，通过会议交流、资料查阅、现场取证、模拟计算等形式进行煤矿水患分析、水灾应急抢险、水灾治理、事故成因诊断等专业工作[3]。然而，专家消耗在路上的时间太多，严重地降低了工作效率；且国内专业的水害防治技术专家人数有限，精力有限，难以同时满足煤矿企业水害防治的各类需求。行业和市场对技术服务保障工作的迫切要求，促使服务模式和服务方式进行创新和升级。

目前，国内外已有多个领域开发并推出了基于网络的远程服务平台，包括网络在线客服平台、远程教育平台、远程医疗平台、远程会议平台、计算机远程维护平台，以及部分煤矿管理机构建立的安全生产远程监管平台、自然资源部建立的远程钻井设计与随钻分析平台等[4-5]。此类远程服务平台具有如下优点：①整合专业的技术和服务解决方案；贴近用户需求，是多元、专业和高效的远程技术服务平台；②方便快捷的服务方式：用户通过远程协助软件连接专家，专家可以瞬间“到达”用户身边，为用户解决各类技术故障，达到与专家上门服务相同的效果；③物美价廉：采用先进的远程技术软件，无需出门就能高效地解决问题，在节约时间成本的同时，也降低了使用成本，还可享受到专业高效满意的服务。然而，我国目前尚未建立用于煤矿水害防治的远程服务平台，无法满足煤矿水害防治实时、高效的新需求。将矿井水害防治主要工作由线下“迁移”到线上，充分发挥信息技术和智能算法优势，提高诊断分析效率，是矿井水害防治领域发展的必然趋势。笔者基于“大数据”“数字化矿山”“互联网+”等新理念新技术，构建矿井水害防控远程服务云平台，旨在为煤矿水害防治提供科学可靠的技术平台支撑。

1 矿井水害防治主要工作

目前，针对我国煤矿开采面临的典型底板、顶板和老空水害问题，开展的水害防控工作有水害危险性评价、矿井涌水量预测、水害监测预警及水害探查与治理等[6]。

1.1 水害危险性评价

底板水害危险性评价方面，“五图—双系数”法与脆弱性指数法应用较为广泛，其中，“五图—双系数”法是通过构建底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板以上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图及综合形成带压开采评价图，并通过计算煤层开采底板带压系数和突水系数，综合评价水害危险性[7]。脆弱性指数法则是基于底板突水主控因素，利用GIS进行空间数据信息分析处理的水害危险性评价方法[8]。

顶板水害危险性评价方面，武强院士提出了“三图—双预测”法[9]，通过构建充水含水层富水性分区图、顶板垮裂安全性分区图及顶板涌(突)水条件综合分区图，并计算工作面回采期间的涌水量，进行危险性评价。另外，通过综合沉积和构造控水要素，进行富水性分区的方法在鄂尔多斯聚煤盆地蒙陕接壤矿区、宁东鸳鸯湖矿区进行了应用[10](图1)。

图1 陕北某矿顶板突水条件综合分区

1.2 矿井涌水量预测

近年来形成了一些行之有效的技术方法，一是在地下水渗流理论基础之上发展起来的解析法和数值法，解析法主要包括大井法、动–静储量法等，数值法主要是基于有限元或有限差分原理，利用Feflow或Visual Modflow 等数值软件进行模拟计算；二是以回归分析等数理统计理论为基础，发展形成的经验公式法、水文地质比拟法、-曲线外推法等；三是建立在质量守恒定律基础上的水均衡法。目前，现场较广泛应用的有动静储量法[11]、数值法和水文地质比拟法等。

1.3 水害监测预警

“十三五期间”，研发形成了多频连续电法充水水源监测技术和井–地–孔联合微震导水通道监测技术[12-13]，实现了煤层采动顶板导水裂隙带发育高度的实时动态监测，以及煤层采动底板破坏深度的动态监测[14-15]，如图2所示。另外，老空水监测方面，应力应变传感器监测煤柱稳定性等技术方法得到了应用[16]。综合以上目前常用的水害监测技术，实现矿井顶板、底板和老空水的监测预警。

图2 煤矿底板水害光纤光栅+多频连续电法、井–孔微震监测布置原理

1.4 水害探查与治理

在顶板水害超前治理方面，一般是在工作面回采前，通过施工顶板探放水钻孔，超前疏放充水水源，避免回采期间工作面发生集中涌水[17]；在底板水害超前治理方面，利用物探、钻探方法进行原生导水通道的探查与治理，利用定向水平长钻孔进行隔水层加固或含水层改造，使原本处于开采危险区的煤层经过治理，达到安全开采的条件[18-19](图3)。

图3 煤层底板超前区域治理钻探–注浆布置原理

煤矿突水事故发生后，如果突水点、突水通道能够明确，可通过突水通道的注浆封堵，完成水灾治理；如果突水通道不明确，可通过选取一段合理的井下巷道(过水巷道)进行封堵，达到快速堵水的目的。目前，内置保浆袋的动水大通道快速封堵技术是一种较为先进的过水巷道封堵技术[20]，陷落柱止水塞建造技术、断层注浆技术等在突水通道治理中效果相对明显。

2 矿井水害防控远程服务云平台架构

通过对矿井水害防治工作的梳理和分析，可见其往往涉及多个专业，需要多部门协作，且技术性强、复杂度高，需要通过数字化、标准化技术手段，全面提升矿井水害防治工作的专业化水平。

2.1 矿井水害防控多源数据融合

在矿井水害防治工作的不同阶段，需要收集分析的数据及处理方法既有相关性也有差异性，传统单一数据处理方法在处理这类数据时具有一定局限性。需结合实际业务需求，针对多个来源的数据通过识别、关联、估计、优化组合等方式进行融合处理，消除数据在时空维度上的冗余性、互斥性和不确定性，形成较单一数据来源更精细、更准确、更可靠的分析结果。

常用的多源数据融合方法包括按照业务逻辑依次使用不同的数据进行分析的阶段性融合方法，基于正则化特征关联方法和深度学习方法进行分析的关联融合方法，以及基于概率学模型的方法和基于语义信息的融合方法等。

而矿井水害防控多源数据具有两大主要特征：一是数据与具体业务逻辑的关联度较高，需按照矿井水害防治工作不同阶段的业务逻辑和分析目标，采用阶段性融合方法依次选择相应的数据源进行特征提取和关联分析；二是数据具有明显的时空属性特征，大部分数据都具有时间序列标识，而在空间属性方面既包括空间的距离(在三维空间分布上的坐标及距离信息)，还包含空间的层次(地域、矿区、煤矿、工作面等语义信息)。根据数据分析用途，可采用基于语义信息的融合方法划分数据所属类别，针对某一区域进行多数据源的融合分析；也可采用基于概率学模型的方法或深度学习方法直接对多个区域进行类比分析，挖掘多源数据中的隐性关系。

为实现上述矿井水害防控多源数据融合，需构建水文地质信息、采掘生产信息、钻探工程信息、水情水害监测数据等9个专业领域的数据管理模型，建立不同层面上的数据管理机制和保障体系，结合领域知识和业务逻辑研究专用的数据管理、挖掘分析、机器学习等诊断分析算法，搭建从数据的采集、管理、分析、挖掘到可视化的一体化云平台，为矿井水害防控和远程诊断分析提供决策支撑。

2.2 云平台架构设计

在梳理矿井水害防治业务逻辑，构建多源数据管理模型的基础上，结合煤矿企业现场水害防治实际需求和数字化、智能化新技术，设计了基于多源数据融合的矿井水害防控远程服务云平台(图4)，实现了水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测预警和水灾事故应急响应随时随地多部门多端协同，构建了“互联网+水害防治智慧服务”新模式。平台自下向上分别由设施层(IaaS)、平台层(PaaS)和应用层(SaaS)组成，实现了矿井水害防治工作多流程各环节数字化、智能化，并通过基础设备服务、平台算法服务和软件应用服务为不同业务需求提供支撑。

图4 矿井水害防控远程服务云平台架构

设施层主要包括高性能计算平台、地球物理勘探装备、钻探工程装备、水情水害监测装备、远程视频协同设备等物理设备资源。其中，高性能计算平台由信息应用服务器、数值计算服务器、三维计算GPU服务器、共享存储、网络管理设备和服务器虚拟化软件组成，向平台层和其他应用系统提供高性能计算资源；地球物理勘探装备、钻探工程装备、水情水害监测装备则向平台层和其他用户提供技术支撑和数据接口；远程视频协同设备支持多端视频会议和远程协助服务。

平台层由2部分组成。集成数据中心构建一套矿井水害防控标准化、一体化数据库，容纳水文地质信息、采掘生产信息、钻探工程信息、水情水害监测数据等9个专业领域数据。模型算法部分则根据业务划分和底层数据格式，研发水文地质台账管理、钻孔数据自动识别入库、二维图件一键成图、三维地质快速建模、水文地质分区评价、钻探/物探方案自动化布设等22项关键技术和算法；并预留扩展接口和服务接口，能够为多个平台提供技术支撑。

应用层在模型算法的基础上，结合煤矿企业现场水害防治实际需求，形成和水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测预警、水灾事故应急响应和远程视频多端协同6大核心业务功能；涵盖矿井水害防控日常防治、监测预警和应急响应全过程多环节，为煤矿企业和从业人员搭建了专业化高质量管理协作平台。

3 平台关键技术功能

3.1 水文地质信息管理

水文地质信息管理系统能够实现煤矿水文地质基础信息数据的统一入库，主要包括《煤矿防治水细则》中要求的15类台账标准化数字化管理、6类基础图件标准化数字化管理、12类专业报告标准化数字化管理，能够对钻孔柱状图数字化智能识别、平面图数字化智能识别等。同时，能够对入库的图表进行编辑审核、图表动态可视化。数据入库遵循煤炭行业专业划分标准，能够及时将各类数据进行分类、归类管理，方便后期进行不同维度、不同范围查询管理。

水文地质信息管理系统主要分为2部分：数据库建设和数据管理系统建设(图5)。

数据库建设主要包括建立煤田勘探、矿井建设、矿井生产中所获取地质与水文地质数据表，测量数据表，勘探成果数据表，水灾现场测量与现场取证数据表，矿井生产系统数据表、地质及水文地质模型数据表等，完成对矿区水文地质信息的建表立库。

数据管理系统主要功能包括数据录入、数据查询、数据统计、报表生成(按固定格式生成矿井水文地质基础台账)等。已入库数据，采用数据库接口开发，实现数据的自动同步，未入库的数据开发数据录入接口，实现数据的统一批量入库。其中，数据录入按照水文地质数据专业分类，采用文件批量导入方式，降低录入工作量，并提供人性化的数据导入提示及修改提示，支持数据行的手动输入与删除。提供方便的煤田、矿区、煤层、巷道等不同级别的定位查询，并提供方便智能搜索功能，进行不同程度的精确、模糊查询。

图5 水文地质信息管理系统

3.2 水害风险分析评价

水害风险分析评价主要包括数据查看、充水源分析、充水途径分析、矿井涌水模型预测、技术报告生成5个功能模块(图6)，能够实现基于“三图双预测”“五图双系数”等方法的研究区富水性分区评价、突水危险性分区、涌(突)水预测等。

3.2.1 充水水源

利用矿井水文地质条件、主要含水层水位变化情况、水质分析，结合突水位置及突水特征，分析矿井充水水源；利用矿井沉积、地层岩性、地化环境、水分析化验、含水层位等数据，再根据突水位置及突水特征，可视化研究、对比分析充水水源。能够实现对常见的煤矿砂岩裂隙水、灰岩水、采空区积水、老窑水(老空水)、第四系冲积含水层水、地表水等水源的分析。

3.2.2 充水途径分析

根据顶底板主要水层富水性、老空区分布状况、地表水体的水文地质数据、矿井地质构造分布特征及发育情况，结合井巷工程施工进展情况，分析矿井充水途径。

3.2.3 矿井涌水量模型

根据矿井水文地质条件类型、矿井水文地质条件复杂程度、矿井开发经济技术条件、矿山疏干排水设计、矿井生产能力、防治水措施综合确定矿井涌水量。矿井涌水量预测主要包括：①水文地质条件研究分析；②水文地质模型概化，概化已知状态下矿区水文地质条件，给出未来开采井巷的内部边界条件，预测未来开采条件的外部边界；③建立涌水量预测数学模型，软件可实现数学模型算法的集成，使研究人员能够快速选择对应的计算方法建立相应的数学模型；④求解数学模型，软件根据用户选择的一个或多个数学模型，进行模型计算预测，给出评价预测结果。

3.2.4 技术报告生成

根据专家业务研究和系统分析数据，按照技术分析报告的章节，自动提取后台数据及相关数学分析模型，人工进行补充描述，最终实现分析报告的自动生成。

图6 水害风险分析评价

3.3 水害防治方案设计

基于矿井水文地质基础资料，开展矿井水文地质类型划分，确定矿井水害类型。针对不同水害类型，平台提供相应的水害防治方案。

钻探方面主要包括常规钻探放水钻孔设计、长距离定向钻探放水钻孔设计、地面超前区域治理注浆改造钻孔设计、井下超前区域治理注浆改造钻孔设计。基于三维地质模型与井巷模型，并结合钻场、钻孔位置、靶点分布、目标位置及构造特征等主要参数，平台能够自动生成上述各类钻孔三维布设方案，并输出平面和剖面图，能够实时读取钻孔轨迹数据，能够在CAD软件中实时查看，如图7所示。

图7 防治水定向钻孔自动布设

物探方面主要根据矿井水文地质分区图和危险性评价图，结合物探装备适用情景、探测监测距离、布设密度等参数，根据特定算法自动生成物探装备布设方案，并在三维模型中展示。综合钻探设计及物探装备布设，实现矿井水害防治方案的科学、快速、精准制定。

3.4 水害监测预警

水害监测预警主要包括水情监测预警、微震–电法耦合监测预警。

水情监测预警主要功能包括3个方面。水位/水温预警值设定：各矿的管理员针对本矿的钻孔设置水位/水温预警阈值，并同时可设置预警信息的短信/微信接收人员，预警发生时，相关人员可以及时接收到系统发送的消息提醒，采取相应的解决措施。水位/水温突变预警：监测单位时间内的数据变化，出现异常突变进行预警。水位/水温预警历史：实时预警和历史预警，可以填写原因分析并解除预警。

微震–电法耦合监测预警整合了基于云服务的煤矿水害监测大数据智能预警平台主要技术[21]，实时动态接入“井–地–孔”联合微震监测系统和多频连续电法监测系统监测结果；以底板“下三带”理论为基础，利用时序大数据挖掘技术与计算机深度学习算法对电法、微震多元时序监测数据进行分析和处理，采用指标预警和模型预警方法计算出监测数据空间展布和预警级别，平台能够对预警信息进行分级可视化，进而为煤层底板水害监测预警提供支撑。

3.5 水灾事故应急响应

当发生水灾事故时，该平台会以前期建立的三维地质模型与三维井巷模型为基础，根据矿井水文地质条件、矿井充水特征、突水点位置、突水形式和突水水源特征，并结合突水蔓延推演结果，通过高效路径搜索算法，寻找出从人员定位点到安全逃生点之间的避灾路径集合，并根据矿井内巷道起伏、顺风逆风、设备装置阻碍等影响因素赋予巷道网络结构不同权重，使得系统能够在最短的时间内优选出避灾逃生路径。培训人员可根据场景内的路径提示，操作虚拟角色进行避灾逃生。

在对煤矿实际数据建模的基础上，平台可完整复原煤矿井巷系统，使矿井人员应对不同突水点、不同工种、不同位置下的仿真场景应急逃生演练，熟练掌握本矿井的应急预案，减少人员损失，为水害事故救援方案科学快速制定提供依据。

3.6 远程视频多端协同

远程视频多端协同系统具有广泛的兼容性，整个系统能够提供方便灵活的即时业务，用户可随时召开不同类型、规模的会议。系统具有5G的接入，可以随时实现5G移动视频终端接入视频会议，满足突发事件的应急抢险和现场汇报的视频接入，如图8所示。远程视频多端协同系统能够为煤矿提供远程、实时、可视、互动的水害防治技术服务和应急指导。

图8 多方视频会议协同界面

4 平台应用

以内蒙古某煤矿为例，构建矿井水害防控远程服务云平台(图9)。首先，采用水文地质信息管理系统，录入矿井涌水量观测成果、气象资料、地表水文观测成果、钻孔水位动态观测成果、抽(放)水试验成果、矿井突水点、水质分析成果、封孔不良钻孔资料、矿井和周边煤矿采空区相关资料、防水闸门(墙)观测资料、物探成果验证等15类台账；录入矿井采掘工程平面图、井上下对照图、矿井综合水文地质图、区域地质地貌图等6类基础图件；录入地质勘探报告、水文地质补充勘探报告、水文地质类型划分报告等12类专业技术报告。最终将建立的防治水基础台账、基础图件及专业技术报告进行统一入库与管理，实现该煤矿防治水工作中的基础台账、图件、技术报告等信息的标准化、数字化管理。在该平台中可以随时查看该矿的矿井涌水量，实时绘制涌水量柱状图与曲线图，如图10所示。

图9 矿井水害防控远程服务云平台界面

图10 水文地质信息管理系统数据录入

基于数字化的煤矿防治水基础信息，开展矿井三维地质建模以及水文地质信息三维建模分析，进行水害动态分区评价，实现水害问题的多端协同(煤矿现场人员、煤炭企业管理人员、研究机构专家等)远程诊断分析。基于矿井三维地质模型(图11)，采用平台中的水害防治方案设计模块，针对性开展底板灰岩水害探查治理定向长钻孔工程设计、巷道掘进超前探放水工程设计，以及底板水害连续电法和井–地–孔微震联合监测方案设计等水害防控措施，实现了煤矿水害防治方案的科学、快速、精准制定。

图11 矿井三维地质模型

矿井突水灾害发生后，能够掌握矿井水在巷道中的蔓延规律，可以为应急救援工作提供科学决策依据。基于矿井三维地质模型，为该矿井构建了三维井巷模型，进行矿井突水水流数值模拟分析计算，图12显示数值计算过程中突水水流的蔓延情况，其中灰色表示无水巷道，蓝色表示矿井水的蔓延范围，红色表示突水点位置，该计算分析能够为确定最优的抢险救援解决方案提供一定的支持。

图12 突水蔓延数值计算分析

5 结论

a.针对我国煤矿开采面临的典型顶板、底板和老空水害问题，通过水害危险性评价、水害预测预警以及水灾治理3个方面，梳理和分析现阶段矿井水害防治的主要工作。

b.结合煤矿企业现场水害防治实际需求和数字化、智能化新技术，设计基于多源数据融合的矿井水害防控远程服务云平台，实现水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测预警、水灾事故应急响应以及随时随地多部门多端协同，构建“互联网+水害防治智慧服务”新模式。

c. 在内蒙古某煤矿开展矿井三维地质建模及水文地质信息三维建模分析，进行水害动态分区评价，实现水害问题的多端协同(煤矿现场人员、煤炭企业管理人员、研究机构专家等)远程诊断分析，实现了煤矿水害防治方案的科学、快速、精准制定。

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Construction and application of remote service cloud platform for mine water hazard prevention and control

WANG Hao1,2, DONG Shuning1,2, QIAO Wei1,2, JI Yadong1,2, ZHU Kaipeng1,2, ZHOU Zhenfang1,2, NING Dianyan1,2, SHANG Hongbo1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard,Xi’an 710077, China)

Coal mine water disaster restricts the safe and efficient development of coal resources seriously. Aiming at the typical problems of roof, floor and goaf mine water disaster at present, three aspects of mine water prevention and control in China has been carried out including water hazard assessment, water inflow prediction, water hazard early warning, and water hazard detection and control, etc. However, the intelligence of these prevention and control work is relatively low. In order to solve this problem, this paper developed a multi-data fusion remote service cloud platform for mine water disaster prevention and control combining with the integration of new concepts and technologies such as big data, digital mine, internet plus. The new mode Internet plus water disaster prevention and control service is constructed by means of interest management, flood risk analysis and evaluation, water disaster prevention and control plan design, water hazard monitoring data analysis and intelligent early warning, flood accident auxiliary decision-making and whenever and wherever possible, multi department and multi terminal collaboration. In addition, the remote service cloud platform for mine water disaster prevention and control has realized the scientific, rapid and accurate formulation of coal mine water disaster prevention scheme, improved the management level of mine water disaster prevention technology. This will provide reliable technical platform support for safe and efficient coal mining.

water hazard control; intelligent service; digitalization;multi-source data; cloud platform

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TD67；TD745

A

1001-1986(2021)01-0208-09

2020-11-17；

2021-01-25

国家重点研发计划课题(2017YFC0804102，2017YFC0804103)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金重点项目(2018XAYZD11)；天地科技股份有限公司科技创新基金项目(2018-TD-QN052)

王皓，1981年生，男，江苏连云港人，博士，研究员，硕士生导师，从事水文地质与矿井水害防治方面的研究. E-mail：wanghao@cctegxian.com

董书宁，1961年生，男，陕西蓝田人，博士，研究员，博士生导师，从事水文地质与工程地质方面的研究工作. E-mail：dongshuning@ cctegxian.com

王皓，董书宁，乔伟，等. 矿井水害防控远程服务云平台构建与应用[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：208–216. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.022

WANG Hao，DONG Shuning，QIAO Wei，et al. Construction and application of remote service cloud platform for mine water hazard prevention and control[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：208–216. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.01.022

(责任编辑 周建军)